氢原子跃迁应注意的五个问题.docx

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氢原子跃迁应注意的五个问题

氢原子跃迁应注意的五个问题

博野中学高三物理一轮复习学案复习内容：

必修3-5第十八章《原子结构》

考点：

氢原子能级和能级跃迁大纲I类要求本节是在上节课已经复习基础知识点后的习题训练课

本节重在对常考题型，易错题型归类总结分析。

一、“一群原子”与“一个原子”的区别

例1：

一个处于n=4的激发态的氢原子，向低能级跃迁时，可能发射的谱线为：

（）条条条条

若把“一个”当“一群”处理应选选答案。

例2.现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？

假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的（）A.2200B.2000C.1200D.2400

总结：

一个氢原子核外只有一个电子，一次跃迁中只能发射或吸收一个光子，所以仅发射或吸收某一特定频率的光谱，则一个处于量子数为n的激发态的氢原子，若间接跃迁，最多可以发射的光谱条数为N=n-1条；而一群处于量子数为n的激发态的氢原子，因向各个低能级跃迁的可能性均存在，故可发射Cn2条光谱。

二、“跃迁”与“电离”不同

例3.当用具有能量的光子照射n＝3激发态的氢原子时，氢原子

A.不会吸收这个光子

B.吸收该光子后被电离，电离后的动能为

C.吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零

D.吸收该光子后不会被电离

例4：

氢原子的能级图如图所示，欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子，该氢原子需要吸收的能量至少是：

（）

eV

总结：

根据玻尔理论，当原子从低能态向高能态跃迁时，必须吸收光子方能实现；相反，当原子从高能态向低能态跃迁时，必须辐射光子才能实现，不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量必须满足

，即两个能级的能量差。

使基态原子中的电子得到一定的能量，彻底摆脱原子核的束缚而成为自由电子，叫做电离，所需要的能量叫电离能。

光子和原子作用而使原子发生电离时，不再受“

”这个条件的限制。

这是因为原子一旦被电离，原子结构即被破坏，因而不再遵守有关原子的结构理论。

三、应注意入射光子与入射的实物粒子不同（亦或“吸收光子”与“电子轰击”不同）

例5.用能量为12eV的光子照射处于基态的氢原子时，则下列说法中正确的是（）

A.使基态电子电离

B.使电子跃迁到n＝3的能级

C.使电子跃迁到n＝4的能级

D.电子仍处于基态

例6.用总能量为13eV的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（）

A.10.2eVB.

C.D.

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Δn

表示两次观测中最高激发态的量子数之差,E表示调高后电

子的能量。

根据氢原子的能级图可以判断，Δn和E的可

能值为：

A.Δn＝1，＜E＜

B.Δn＝2，＜E＜

C.Δn＝1，＜E＜

D.Δn＝2，＜E＜

总结:

根据光子说，每一个光子的能量

均不可“分”，也只有频率

的光子才能使k态的原子跃迁到n态。

实物粒子与光子不同，其能量不是一份一份的。

实物粒子使原子发生能级跃迁是通过碰撞来实现的。

当实物粒子速度达到一定数值，具有一定的动能时，实物粒子与原子发生碰撞，其动能可全部或部分地被原子吸收，使原子从一个较低的能级跃迁到另一个较高的能级，原子从实物粒子所处获得的能量只是两个能级的能量之差。

只要入射粒子的能量大于或等于两个能级的能量差值，均可使原子发生能级跃迁。

四、要注意辐射谱线频率、波长的不同（亦或“直接跃迁”与“间接跃迁”不同）

氢原子能级图形象地给出了各能级的能量大小关系。

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

，

。

例4.氢原子能级图的一部分如图2所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是

和

，则（）

A.

B.

C.

D.

图2

例5、光子能量为

的一束光照射容器中的氢

设氢原子处于

的能级

氢原子吸收光子后,能发出频率为

、

、

、

、

、

的六种光谱线,且

则

等于____.

A

B

C

D

五.应注意电子跃迁时电势能的变化量与其动能的变化量不同

若某定态的氢原子核外电子的轨道半径为r，则电子的总动能为

，电势能为

，该定态的总能量为

。

显然，某定态核外电子的动能

总是等于该定态总能量的绝对值，原子系统的电势能

总是等于该定态总能量值的两倍。

若电子从轨道半径

跃迁到

（

），其动能的减少量为

，其势能的增加量为

。

显然

。

例7.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

氢原子从低能级跃迁至高能级有两种方式：

一是用光子照射使原子跃迁；另一是用实物粒子轰击使原子跃迁。

这两种方式有何区别？

许多学生搞不清楚，本文拟就光子、电子、原子等对基态氢原子作用后能否发生跃迁进行探讨。

根据光子说，光子是一份一份的，其能量也是一份一份的，每一个光子的能量为

，是不能被分割的。

用光照射使原子跃迁的实质是通过共振达到的，入射光的频率要满足选择性原则：

要共振就必须使光子的频率等于

，否则均不能发生共振，也就不能跃迁了。

但应注意：

若电子得到一定的能量，彻底摆脱原子核的束缚而成为自由电子，这种情况称为电离，所需要的能量叫电离能。

电离时，不受

条件的限制，这是因为原子一旦被电离，原子结构即被破坏，不再遵守有关原子的结构理论。

实物粒子使原子跃迁不是通过共振而是通过碰撞来实现的。

若二粒子碰撞时，如果有一部分平移能量转化为内部能量，使原子被激发，称作“非弹性碰撞”。

我们又知道：

一切碰撞过程须同时遵守能量守恒定律和动量守恒定律，违背其中之一的过程就是不可能发生的。

即二粒子的碰撞不可能把它们的全部动能转化为内部能量，因为碰后必须保留一部分动能以满足动量守恒的关系。

一、非弹性碰撞时能量损失的计算

1、系统能量损失的一般计算

设氢原子的质量为M，实物粒子的质量为m，为简化问题：

不妨假设氢原子原来处于静止状态。

实物粒子与氢原子做对心非弹性碰撞，氢原子碰撞前后的速度分别为零和

；实物粒子碰撞前后的速度分别为

和

。

以实物粒子和氢原子作为一个系统，应有：

?

式中

为原子内部能量的增量，即实物粒子与氢原子做非弹性碰撞损失的部分能量转化为氢原子的内部能量，使氢原子跃迁。

由上述两式消去

得：

这是关于

的一元二次方程，为使为实数则方程系数应满足：

?

?

?

式中

为外来实物粒子的动能，用

表示，则：

2、能量损失极值

的简化计算

完全非弹性碰撞（即碰后实物粒子与氢原子有共同速度）时，系统损失的能量最大，这个最大值称为“能量损失极值

”。

设实物粒子的质量为m、动能为

、入射速度为

；氢原子原来处于静止状态，质量为M。

则发生完全非弹性碰撞时，由动量守恒定律得：

，故系统能量损失的极值为：

3、常见实物粒子与氢原子碰撞时系统“能量损失极值

”的讨论

“能量损失极值

”不仅与实物粒子的初动能有关，还与实物粒子的质量有关。

对于不同的入射实物粒子，这个极值一般是不相同的。

（l）电子入射：

因其质量远小于氢原子质量，可近似认为系统损失动能的极值为

。

即有可能差不多使电子的全部动能转变成原子的内能，从动能利用的角度来考虑，用电子碰撞来激发原子更有利。

（2）质子、中子或氢原子入射：

碰撞处于静止状态的另一氢原子，则因其质量

，可得损失动能的极值

。

（3）а粒子入射：

碰撞处于静止状态的氢原子，因其质量

，可得损失动能的极值

。

二、氢原子能级跃迁应用举例

例1、一个具有EK0=动能、处于基态的氢原子与一个静止的、同样处于基态的氢原子发生对心碰撞（正碰），则下列关于处于基态的氢原子向激发态跃迁的说法中正确的是（）

A.不可能发生跃迁B.可能跃迁到n=2的第一激发态

C.可能跃迁到n=3的第二激发态D.可能跃迁到n=4的第三激发态

【解析】两个氢原子做完全非弹性碰撞时损失的动能最大，损失动能的极值

，所以处于基态的氢原子只可能跃迁到n=2的第一激发态。

故正确答案为B。

例2、要是处于基态的、静止的氢原子激发，下列措施可行的是（）

A、用eV的光子照射；B、用11eV的光子照射；

C、用11eV的电子碰撞；D、用11eV的а粒子碰撞．

【解析】氢原子基态与第一激发态的能量差值为，与第二激发态的能量差值为，故由吸收光子的选择性原则知：

（A）所述措施可行，而（B）不行；电子入射动能损失极值

故（C）可行；用а粒子碰撞氢原子时，其入射动能损失的极值

，可知（D）不行，故正确答案为A。

总之，用光子照射使原子跃迁，入射光的频率要满足选择性原则；而用实物粒子轰击而使原子跃迁，能级跃迁的能量只能是损失极值

的全部或部分，而不可能是碰前实物粒子动能的全部。

训练习题设计：

[P9.]07届南京市综合检测题

（一）2．氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时，可能发生的情况是（BC）

A．放出光子，电子动能减少，原子的能量增加

B．放出光子，电子动能增加，原子的能量减少

C．吸收光子，电子动能减少，原子的能量增加

D．吸收光子，电子动能增加，原子的能量减少

[P10.]

06年江苏连云港市最后模拟考试7．如图是类氢结构的氦离子能级图。

已知基态的氦离子能量为E1=。

在具有下列能量的光子中，能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是

（AD）

A．eV

B．eV

C．eV

D．eV

南京市金陵中学06-07学年度第一次模拟9．用一束单色光照射处于基态的一群氢原子，这些氢原子吸收光子后处于激发态，并能发射光子．现测得这些氢原子发射的光子频率仅有三种，分别为ν1、ν2和ν3，且ν1＜ν2＜ν3．则入射光子的能量应为（CD）

A．hν1、B．hν2C．h（ν1+ν2）D．hν3

[P12.]07届南京市综合检测题（三）4．处于激发态的原子，如果在入射光子的作用下，可以引起其从高能态向低能态跃迁，同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射。

原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都跟人射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理。

那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量En、电子的电势能Ep、电子动能Ek的变化关系是（D）

A.En减小、Ep增大、Ek增大

B.En增大、Ep减小、Ek减小

C.En.减小、Ep增大、Ek减小

减小、Ep减小、Ek增大

[P13.]

07年苏锡常镇四市二模8．右图为汞原子的能级图，一个总能量为9eV的自由电子，与处于基态的汞原子发生碰撞后（不计汞原子动量的变化），电子剩下的能量可能为（碰撞系统无能量损失）（AB）

A.B.l.3eVC.2.3eVD.5.5eV

[P14.]

2007年天津理综卷18．右图为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于以n=4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。

关于这些光下列说法正确的是（D）

A．最容易表现出衍射现象的光是由，n=4能级跃迁到n=1能级产生的

B．频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的

C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光

D．用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为eV的金属铂能发生光电效应

[P15.]

2007年广东卷2、图1所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是（B）

A．原子A可能辐射出3种频率的光子

B．原子B可能辐射出3种频率的光子

C．原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁道能级E4

D．原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁道能级E4

[P16.]06年5月深圳市第二次调研考试8、已知氢原子的电子从量子数n=2能级跃迁至n=1能级时,发射波长为的电磁波；从n=4能级跃迁至n=1能级时,发射波长为的电磁波.试问电子从n=4能级跃迁至n=2能级时,所发射电磁波的波长为（D）

A．

B．

C．

D．486.０nm

07届南京市综合检测题

（二）6．处在E1=－能级的氢原子吸收某个光子后，其核外电子绕核旋转的动能变为Ek=，已知核外电子势能的绝对值是其动能的两倍，则（A）

A．该光子的能量一定是

B．该光子的能量可能大于

C．在跃迁过程中电子克服原子核的引力做功

D．在基态时电子绕核旋转的动能一定小于

[P18.]

2007年理综重庆卷14.可见光光子的能量在eV~eV范围内.若氢原子从高能级跃迁到量子数为n的低能级的谱线中有可见光，根据氢原子能级图（题14图）可判断n为（B）

[P19.]

2007年高考理综Ⅰ卷19．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。

调高电子的能量再此进行观测，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（AD）

A、△n=1，eV

B、△n=2，eV

C、△n=1，eV

D、△n=2，eV

解析:

原子的跃迁公式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;实物粒子与原子相互作用而使原子激发时,粒子的能量不受上述条件的限制。

本题由于是电子轰击,存在两种可能:

第一种n=2到n=4,所以电子的能量必须满足故D选项正确;

第二种可能是n=5到n=6,电子能量必须满足故A选项正确

[P21.]2007年物理海南卷19．模块3-5试题

19.

（1）氢原子第n能级的能量为

，其中Ｅ1是基态能量，而n=1，2，…。

若一氢原子发射能量为

的光子后处于比基态能量高出

的激发态，则氢原子发射光子前后分别处于第几能级？

解：

（５分）

设氢原子发射光子前后分别处于第l与第m能级，则依题意有

①

②

由②式解得

　m=2　　　　　　　　③

由①③式得

　l=4④

氢原子发射光子前后分别处于第４与第２能级。

评分参考：

①式２分　　　②式２分　　　③式１分　　　④式１分　　

[P22.]

2007年江苏卷4、μ子与氢原子核（质子）构成的原子称为μ氢原子（hydrogenmuonatom），它在原子核物理的研究中有重要作用。

图为μ氢

原子的能级示意图。

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，μ氢原子吸收光子后，

发出频率为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5、和ν6的光，且频率

依次增大，则E等于（C）

A、h（ν3-ν1）

B、h（ν5+ν6）

C、hν3

D、hν4

[P24.]2007年全国卷Ⅱ18.氢原子在某三个相邻能级间跃迁时，可发出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（CD）

A.λ1＋λ2　　　　　　　　　　　　　　　B.λ1－λ2

C.

　　　　　　　　　　　　　　D.

【分析】玻尔原子模型的跃迁假设（E初－E终＝hν）及λ＝c/ν可得：

E3－E1＝

，E3－E2＝

，E2－E1＝

，

所以得：

λ3＝

，

故C选项正确，同理D选项正确。