3　氢原子光谱教案教学设计

．氢原子光谱

一、原子结构

光谱和能级跃迁

1．电子的发现

英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”．

2．原子的核式结构

(1)1909～1911年，英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型．

(2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图1所示．

(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．

1.下列说法正确的是(

) A．汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕”式原子模型

B．卢瑟福做α粒子散射实验时发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数α粒子发生大角度偏转

C．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上

D．卢瑟福提出了原子“核式结构”模型，并解释了α粒子发生大角度偏转的原因

2.

如图1所示为卢瑟福做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下述对观察到的现象的说法中正确的是

(

) A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多

B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比

A位置时稍少些

C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光

D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

3．氢原子光谱

(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．

(2)光谱分类

111(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R(2－2)(n＝3,4,5，…，λ2nR是里德伯常量，R＝1.10×107 m1)．

－(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很1

高．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义．

4．氢原子的能级结构、能级公式

(1)玻尔理论

①定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．

②跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) ③轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．

(2)几个概念

①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级．

②基态：原子能量最低的状态．

③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态．

④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数．

1(3)氢原子的能级公式：En＝2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其n数值为E1＝－13.6 eV. (4)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m. 5．氢原子的能级图(如图2所示)

2.已知处于某一能级n上的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出10种不同频率的光，下列能表示辐射光波长最长的那种跃迁的示意图是(

)

考点一

氢原子能级及能级跃迁

1．原子跃迁的条件

(1)原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．

(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．

(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发．由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．

2．跃迁中两个易混问题

(1)一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的2

氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了．

(2)直接跃迁与间接跃迁：原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时．有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的．直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和．

3．玻尔理论

(1)轨道量子化：核外电子只能在一些分立的轨道上运动

rn＝n2r1(n＝1，2，3…)．

(2)能量量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态

E1En＝2(n＝1，2，3…)．

n(3)吸收或辐射能量量子化：原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或发射一定频率的光子，该光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En. 4．跃迁分析

(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量．

(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．

①光照(吸收光子)：光子的能量等于能级差hν＝ΔE．

②大于电离能的光子可被吸收将原子电离．

2(3)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出光谱线条数：N＝Cn．

[总结提升]

(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的．

(2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．

(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．

(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法．

nn－1①用数学中的组合知识求解：N＝C2＝. n2②利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加．

＋

1.(2013·高考江苏卷)根据玻尔原子结构理论，氦离子(He)的能级图如图所示．电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”＋或“远”)．当大量He处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条．

－

2.氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53×1010 m，能量E1＝－13.6 eV，求氢原子处于基态时：

用波长是多少的光照射可使其电离？

3..按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量________(选填“越大”或“越小”)．已知氢原子的基态能量为E1(E1<0)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为________(普朗克常量为h)．

4．如图所示为氢原子的能级示意图．一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，并用这些光照射逸出功为2.49 eV的金属钠．这群氢原子能发出________种不同频率的光，其中有________种频率的光能使金属钠发生光电效应．

5.如图是氢原子的能级示意图，已知基态氢原子能量为E1，普朗克常量为h，则氢原子从n=2能级跃迁到n=1能级时辐射出的光子的频率为__________；若此光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n=3跃迁到n=1时放出的光子照射到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为_______。

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