第4章 专题提升课4 玻尔原子模型的三个问题-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用课件(鲁科版)

专题提升课4　玻尔原子模型的三个问题 专题深度剖析 1 随堂巩固落实 2 内容 索引 专题深度剖析 PART 01 第一部分 微专题一　几种跃迁的对比 1．光子与实物粒子 (1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1能级时能量不足，则可激发到n能级的问题。 (2)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部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差，就可使原子发生能级跃迁。 专题深度剖析 返回导航 2．一群原子和一个原子 如果只有一个氢原子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，只能出现所有可能情况中的一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。 3．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。两种情况辐射或吸收光子的频率不同。 专题深度剖析 返回导航 (多选)氢原子的能级图如图所示，欲使处于基态的氢原子跃迁，下列措施可行的是(　　)   A.用10.2 eV的光子照射 B．用11 eV的光子照射 C．用12.75 eV的光子照射 D．用11 eV的电子碰撞 √ √ √ 专题深度剖析 返回导航 [解析]　由玻尔理论的跃迁假设可知，氢原子在各能级间跃迁，只能吸收能量值刚好等于两能级能量差的光子。由氢原子能级关系不难算出，10.2 eV刚好为氢原子n＝1和n＝2的两能级能量差，12.75 eV刚好为n＝1和n＝4的两能级能量差，而11 eV不是氢原子基态和任一激发态的能量差，因而氢原子能吸收前两者被激发，而不能吸收后者。用电子去碰撞氢原子时，入射电子的动能可全部或部分地被氢原子吸收，所以只要入射电子的动能大于或等于基态和某个激发态能量之差，也可使氢原子跃迁。综上可知，A、C、D正确。 专题深度剖析 返回导航 (多选)氢原子能级图如图所示，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm。以下判断正确的是(　　)   A．氢原子从n＝2跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nm B．用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n＝1跃迁到n＝2的能级 C．一群处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线 D．用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级 √ √ 专题深度剖析 返回导航 [解析]　能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能量差，能量差越大，辐射的光子频率越大，波长越小，A错误； 专题深度剖析 返回导航 微专题二　跃迁和电离 1．电离：指电子获得能量后脱离原子核的束缚成为自由电子的现象。 电离态：指n→∞，E＝0的状态。 电离能：电子发生电离所需的能量。 专题深度剖析 返回导航 2．氢原子跃迁与电离的区别 hν＝En－Em(m<n)只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为 13.6 eV，只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。 专题深度剖析 返回导航 如图所示的是氢原子的能级图。用不同频率的光分别照射一群处于基态的氢原子，能够使基态氢原子发生电离的光子的能量值是(　　)   A．10.2 eV B．12.09 eV C．13.06 eV D．14 eV [解析]　能够使基态氢原子被电离至少需要 13.6 eV 的能量，故A、B、C不符合题意，D符合题意。 √ 专题深度剖析 返回导航 (多选)如图所示，这是氢原子的能级图。用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，则下列说法正确的是(　　)   A．氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时辐射光的波长最短 B.辐射光中，光子能量为0.31 eV的光波长最长 C．用此光子照射基态的氢原子，能够使其电离 D．用光子能量为14.2 eV的光照射基态的氢原子，能够使其电离 √ √ 专题深度剖析 返回导航 [解析]　因为－13.6 eV＋13.06 eV＝－0.54 eV，知氢原子跃迁到第5能级，并没有发生电离，从n＝5跃迁到n＝1辐射的光子能量最大，波长最短，从n＝5跃迁到n＝4辐射的光子能量为0.31 eV，波长最长，A、C错误，B正确； 用光子能量为14.2 eV的光照射基态的氢原子，能够使其电离，D正确。 专题深度剖析 返回导航 专题深度剖析 返回导航 专题深度剖析 返回导航 (多选)氢原子的核外电子从距离核较近的轨道跃迁到距离核较远的轨道过程中(　　) A．原子要吸收光子 B．原子的电势能减小 C．原子的能量减小 D．电子的动能减小 [解析]　核外电子从低轨道到高轨道，需吸收光子，轨道变高，则原子势能增大，电子动能减小，原子能量增大，B、C错误，A、D正确。 √ √ 专题深度剖析 返回导航 [答案]　－0.85 eV　 专题深度剖析 返回导航 (2)求电子在n＝4轨道上运动的动能。 [答案]　0.85 eV 专题深度剖析 返回导航 (3)若要使处于n＝2能级的氢原子电离，则至少要用频率多大的电磁波照射氢原子？ [答案]　8.21×1014 Hz 专题深度剖析 返回导航 随堂巩固落实 PART 02 第二部分 1．(能级跃迁)弗兰克—赫兹实验中，电子碰撞原子，原子从低能级跃迁到高能级。它为能级的存在提供了直接的证据，对玻尔的原子理论是一个有力支持。氢原子的能级图如图所示。电子由静止开始经过加速电场加速后，与静止的氢原子发生碰撞，下列能使处于基态的氢原子跃迁到第2能级的加速电压为(　　)  A．3.4 V B．5.1 V C．7.0 V D．11 V 解析：由题图可知，基态与第2能级的能级差ΔE＝E2－E1＝10.2 eV，因为电子为实物粒子，其动能大于能级差即可，由E＝eU知加速电压应该满足U>10.2 V，D正确。 √ 随堂巩固落实 返回导航 2．(几种跃迁的对比)玻尔解释氢原子光谱画出的氢原子能级图如图所示，一群处于n＝4激发态的氢原子，当它们自发地跃迁到较低能级时，以下说法符合玻尔理论的是(　　)   A．这群氢原子跃迁时最多可产生3种不同频率的光子 B．核外电子的轨道半径减小、动能增大 C．由n＝4能级跃迁到n＝1能级时发出光子的波长最长 D．由n＝4能级跃迁到n＝3能级时发出光子的频率最大 √ 随堂巩固落实 返回导航 当原子从第4能级向低能级跃迁时，原子的能量减小，轨道半径减小，电子的动能增大，电势能减小，故B正确； 由n＝4跃迁到n＝1时辐射的光子能量最大，发出光子的频率最大，波长最小，故C错误； 从n＝4能级跃迁到n＝3能级释放的光子能量最小，频率最小，故D错误。 随堂巩固落实 返回导航 3．(跃迁和电离)如图所示的是氢原子的能级图，已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV～3.11 eV，以下说法错误的是(　　)  A．氢原子从n＝2能级向基态跃迁时发射的光不是可见光 B．用能量为11.0 eV的自由电子轰击处于基态的氢原子， 可使其跃迁到激发态 C．处于n＝2能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离 D．处于n＝4能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离 √ 随堂巩固落实 返回导航 解析：n＝1和n＝2能级的能量差为10.2 eV，不在可见光范围内，用能量为11.0 eV的自由电子轰击处于基态的氢原子，氢原子会吸收10.2 eV的能量从基态跃迁到n＝2能级，A、B正确，不符合题意； 紫外线的光子能量大于3.11 eV，n＝2能级的氢原子吸收能量大于3.4 eV的光子才会电离，因此n＝2能级的氢原子不能吸收任意频率的紫外线，光子的能量等于两能级间的能级差，才能被吸收，C错误，符合题意； 处于n＝4能级的氢原子的能量为－0.85 eV，紫外线的光子能量大于3.11 eV，可知处于n＝4能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离，D正确，不符合题意。 随堂巩固落实 返回导航 4．(玻尔原子模型的能量问题)按玻尔原子模型，氢原子核外电子分别在第1、2轨道上运动时，其有关物理量的关系是(　　) A．电子的动能Ek1<Ek2 B．电子转动的角速度ω1>ω2 C．电子转动的向心加速度a1<a2 D．氢原子的能量E1>E2 √ 随堂巩固落实 返回导航 由低能级跃迁到高能级需要吸收能量，则氢原子的能量E1<E2，D错误。 随堂巩固落实 返回导航 结合En－Em＝h eq \f(c,λ) 分析可知，B错误，D正确； 根据C eq \o\al(2,3) ＝3可知，C正确。 微专题三　玻尔原子模型的能量问题 在氢原子中，电子围绕原子核运动，若将电子的运动轨道看成半径为r的圆周，则原子核与电子之间的库仑力作为电子做匀速圆周运动所需的向心力，那么由库仑定律和牛顿第二定律，有 eq \f(ke2,r2) ＝me eq \f(v2,r) ，则： (1)电子运动速度v＝ eq \r(\f(ke2,mer)) ； (2)电子的动能Ek＝ eq \f(1,2) mev2＝ eq \f(ke2,2r) ； (3)电子在半径为r的轨道上所具有的电势能Ep＝－ eq \f(ke2,r) (无穷远处为零)； (4)原子的总能量就是电子的动能Ek和电势能Ep的代数和，即E＝Ek＋Ep＝－ eq \f(ke2,2r) 。 　氢原子基态能量E1＝－13.6 eV，电子绕核做圆周运动的半径r1＝0.53×10－10 m。氢原子处于n＝4激发态时：(已知能量关系En＝ eq \f(E1,n2) ，半径关系rn＝n2r1，k＝9.0×109 N·m2/C2，e＝1.6×10－19C，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s) (1)求原子系统具有的能量。 [解析]　已知能量关系En＝ eq \f(E1,n2) 所以E4＝ eq \f(1,42) E1＝ eq \f(1,16) ×(－13.6 eV)＝－0.85 eV。 [解析]　因为rn＝n2r1，所以有r4＝42r1 由圆周运动知识得k2,4) eq \f(e2,r) ＝m eq \f(v2,r4) 所以Ek4＝ eq \f(1,2) mv2＝ eq \f(ke2,32r1) ≈0.85 eV。 [解析]　要使处于n＝2的氢原子电离，照射光的光子能量应能使电子从第2能级跃迁到无限远处，最小频率的电磁波的光子能量应为hν＝0－ eq \f(E1,4) 代入数据解得ν≈8.21×1014 Hz。 解析：根据C eq \o\al(2,4) ＝6可知，这群氢原子能够发出6种不同频率的光子，故A错误； 解析：按玻尔原子模型，氢原子核外电子绕原子核做匀速圆周运动，则有k eq \f(e2,r2) ＝m eq \f(v2,r) ，则Ek＝ eq \f(1,2) mv2＝ eq \f(ke2,2r) ，轨道半径越大，动能越小，所以电子的动能Ek1>Ek2，A错误； 同理有k eq \f(e2,r2) ＝mω2r＝ma，解得ω＝ eq \r(\f(ke2,mr3)) ，a＝ eq \f(ke2,mr2) ，轨道半径越大，角速度越小，向心加速度越小，所以电子转动的角速度ω1>ω2，向心加速度a1>a2，B正确，C错误； $