物理原子模型重大问题（高中物理系列模型之对象模型12.氢原子模型）
物理原子模型重大问题（高中物理系列模型之对象模型12.氢原子模型）②同种元素的原子的各种性质和质量都相同； ①原子都是不能再分的粒子； (I)道尔顿的"实心小球"原子结构模型 1803年 英国自然科学家约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。 他的理论主要有以下三点：
模型界定
本模型虽题为氢原子模型，但也涉及了原子的各种理论模型，着重处理的是氢原子模型的玻尔理论、能级跃迁等问题。
模型破解
1. 几种原子结构模型
(I)道尔顿的"实心小球"原子结构模型
1803年 英国自然科学家约翰·道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。
他的理论主要有以下三点：
①原子都是不能再分的粒子；
②同种元素的原子的各种性质和质量都相同；
③原子是微小的实心球体。
虽然，经过后人证实，这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，明确了今后化学家们努力的方向，化学真正从古老的炼金术中摆脱出来，道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”
(II)汤姆生的"枣糕"式原子结构模型
1904年 英国物理学家汤姆生的"枣糕"式原子结构模型 这是第一个存在着亚原子结构的原子模型。
(i)实验基础:
电子的发现 使人们认识到原子并不是构成物质有最小微粒 原子也是有结构的.
(ii)模型要点
电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。
(iii)解决的问题
原子的电中性
电子的总电荷量与正电荷总量相同
②原子发光
电子振动时辐射电磁波 电子振动频率不同辐射的光的频率不同
ƒ阴极射线
在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。
汤姆森的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否定了这种模型的正确性。
(III)卢瑟福的"行星"式原子结构模型
1911年 英国物理学家卢瑟福提出了"行星"式原子结构模型 第一次建立了原子结构的正确图式.
(i)实验基础:
α粒子散射实验 使人们认识到原子里面有一个很小的核.
(ii)模型要点
①原子的大部分体积是空的
②在原子的中心有一个很小的原子核
③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间按照一定轨道进行绕核运动。
(iii)存在问题
①原子的稳定性
卢瑟福提出的行星模型是以经典电磁学为理论基础的，经典电磁学认为 带电粒子做变速运动时会辐射电磁波 因而在行星工模型中 核外电子不停向外辐射能量 电子的轨道半径不断减小 最终会落在原子核上 原子不应具有一定的大小.
②原子光谱的分立现象
在原子核外电子轨道半径不断减小的过程中运动频率不断增大 而经典电磁学认为 带电粒子辐射的频率等于其运动的频率 可推知原子发光的频率应是连续的而不能是分立的.
(IV)玻尔的量子化结构模型
1913年 丹麦物理学家玻尔首次将量子化理论引入 原子结构模型中 提出了原子的量子化结构模型
(i)实验基础:
原子的稳定性与原子光谱的分立特征
(ii)模型要点
玻尔模型电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。玻尔原子结构模型的基本观点是：
①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量
②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，...）的增大而升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K（n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5)。
③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。
(iii)局限性
①仅能【答案】【解析】氢原子发光的现象
②过多保留了经典概念如轨道等
(V)现代电子云模型
20世纪20年代以来 量子力学的发展提出了更为科学的原子结构现代模型-----电子云模型 在这种模型中 电子在核外并无确定的轨道 只是以一定的机率出现在核外空间 电子绕核运动形成一个带负电荷的云团.对于具有波粒二象性的微观粒子 在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理学家海森堡在1927年提出的著名的测不准原理。
2.氢原子能级与跃迁
(i)氢原子核外电子的轨道与能量的关系
①氢原子中电子的各条可能轨道半径rn=n2r1（n=1，2，3…，r1=0.53×10-10 m）
②氢原子中的电子在各条轨道上运动的能量（包括动能和电势能）En=E1/n2(n=1，2，3…，E1=-13.6 eV).
③量子数n越大，电子的轨道半径越大，对应的原子能量越大.
④第n能级与量子数n2成反比，导致相邻两能级间的能级差不相等，量子数n越大，相邻能级差越小，且第n能级与第n-1能级的差比第n能级与无远处的能级差大，即|En-En-1|＞|En|.
(ii)光谱线数的确定方法
基态是原子最稳定的状态 原子从高能级跃迁时 可直接回到基态 也可经过一系列从高能级到低能级的过程最终回到基态.
①一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱线条数为
.
②一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱线条数为(n-1)
(iii)辐射光的波长与频率
①原子从高能级En向低能级Em跃迁时向外辐射光子 所辐射光子的频率与波长满足
②当氢原子从n能级直接跃迁到基态时，两能级能量差值最大，由能的转化与守恒可知，辐射的光子频率最大，对应的波长最小，表达式为
，同理从n能级跃迁到n－1能级时， 两能级能量的差值最小，辐射的光子频率最小，波长最长，即
(iv)光致激发与碰撞激发
若入射的是光子 要引起原子的激发，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差；
‚若入射的是电子 要引起原子的激发，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差；
ƒ若入射的是其他粒子如质子 要引起原子的激发，则要求质子的能量必须大于某两个能级差值，需要考虑碰撞中动量守恒，质子的能量不能全部被吸收用来引起能级的跃迁.
④若入射光子引起的是原子核外电子的电离 则要求光子能量大于或等于原子所处的能级绝对值均可.
（v）核外电子的圆周运动:
例1.用频率为
的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为v1 v2 v3的三条谱线，且v3＞v2＞v1，则 。
例2.氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的氨离子能量为E1＝－54.4eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是
例3.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子，例如在某种条件下，铬原子的n＝2能级上的电子跃迁到n＝1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n＝4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为En＝-A/n2，式中n＝1，2，3……表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是
例5.用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条。用△n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，△n和E的可能值为
例6.氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况有（ ）
A. 放出光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量
B. 放出光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量与势能减少量相等
C. 吸收光子，电子动能减少，原子势能增加，且动能减少量小于势能的增加量
D. 吸收光子，电子动能增加，原子势能减少，且动能增加量等于势能的减少量
模型演练
1.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γ的光子被电离后，电子速度大小为___________(普朗克常量为h ).
2.氢原子的部分能级如图所示。已知可见光的光子能量在1.62eV到3.11eV之间。由此可推知 氢原子
A. 从高能级向n=1能级跃迁时了出的光的波长比可见光的短
B. 从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光
C. 从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高
D. 从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光
3.氦氖激光器能产生三种波长的激光，其中两种波长分别为λ1=0.6328μm，
λ2=3.39μm，已知波长为λ1的激光是氖原子在能级间隔为ΔE1=1.96eV的两个能级之间跃迁产生的。用ΔE2表示产生波长为λ2的激光所对应的跃迁的能级间隔，则ΔE2的近似值为
A．10.50eV B．0.98eV C．0.53eV D．0.36eV
4..氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n＝4的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光a，从n ＝3的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光b，则
A.氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出
射线
B.氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时会辐射出紫外线
C.在水中传播时，a光较b光的速度小
D.氢原子在n＝2的能级时可吸收任意频率的光而发生电离
5.μ子与氢原子核（质子）构成的原子称为μ氢原子（hydrogen muon atom），它在原子核物理的研究中有重要作用。假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n＝2能级的μ氢原子，氢原子吸收光子后，发出频率为γ1、γ2、γ3、γ4、γ5、和γ6的光，且频率依次增大，则E等于
A．h（γ3－γ1 ） B．h（γ5＋γ6）
C．hγ3 D．hγ4
6. 氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时，可发生三种不同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为λ1和λ2，且λ1>λ2，则另一个波长可能是
7.在氢原子光谱中．电子从较高能级跃迁到n=2能级发出的谱线属于巴耳末线系。若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有2条属于巴耳末线系，则这群氢原子自发跃迁时最多可发出 条不同频率的谱线。
8. 已知氢原子的基态能量为E1=-13.6eV，激发态能量为En=E1/n2，其中n=2 3 …。氢原子从第三激发态（n=4）向基态跃迁所发出的所有光子中，最短的波长为 m；上述所有光子中，照射到铷金属表面，逸出的光电子中最大初动能的最小值为 eV.（普朗克常量h=6.63×10-34J·s，铷的逸出功Wa=2.13eV）。
9．图示为氢原子的能级图，用光子能量为13.07eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射的不同波长有多少种？
10.若氢原子的基态能量为E（E＜0 ），各个定态的能量值为En=E/n2（n=1，2，3…），则为使一处于基态的氢原子核外电子脱离原子核的束缚，所需的最小能量为 ▲ ；若有一群处于n=2能级的氢原子，发 生跃迁时释放的光子照射某金属能产生光电效应现象，则该金属的逸出功至多为 ▲ （结果均用字母表示）。
11.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，用这些光照射逸出功为2.49eV的金属钠，下列说法正确的是
A．这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从n=3跃迁到n=2所发出的光波长最短
B．这群氢原子能发出两种频率不同的光，其中从n=3跃迁到n=1所发出的光频率最高
C．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为11.11eV
D．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为9.60eV
