玻尔理论与氢原子跃迁 一、基础知识 （一）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：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，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． 4、氢原子的能级、能级公式 (1)氢原子的能级图(如图所示) (2)氢原子的能级和轨道半径 ①氢原子的能级公式：En＝1 n2 E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝ －13.6 eV. ②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. （二）氢原子能级及能级跃迁 对原子跃迁条件的理解 (1)原子从低能级向高能级跃迁，吸收一定能量的光子．只有当一个光子的能量满足hν＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hν大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收．
(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差． 特别提醒 原子的总能量En ＝Ekn ＋Epn ，由ke2r2n ＝m v2rn 得Ekn ＝12ke2rn ，因此，Ekn 随r 的增大而减小，又En 随n 的增大而增大，故Epn 随n 的增大而增大，电势能的变化也可以从电场力做功的角度进行判断，当r 减小时，电场力做正功，电势能减小，反之，电势能增大． 二、练习 1、根据玻尔理论，下列说法正确的是 ( ) A ．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波 B ．处于定态的原子，其电子绕核运动，但它并不向外辐射能量 C ．原子电子的可能轨道是不连续的 D ．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差 答案 BCD 解析 根据玻尔理论，电子绕核运动有加速度，但并不向外辐射能量，也不会向外辐射电磁波，故A 错误，B 正确．玻尔理论中的第二条假设，就是电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的，不连续的，C 正确．原子在发生能级跃迁时，要放出或吸收一定频率的光子，光子能量取决于两个能级之差，故D 正确． 2、下列说法中正确的是 ( ) A ．氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，电子动能增加，原子势能减少 B ．原子核的衰变是原子核在其他粒子的轰击下而发生的 C ．β衰变所释放的电子是原子核的中子转化成质子而产生的 D ．放射性元素的半衰期随温度和压强的变化而变化 答案 AC 解析 原子核的衰变是自发进行的，选项B 错误；半衰期是放射性元素的固有特性，不 会随外部因素而改变，选项D 错误． 3、（2000?）根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E 的轨道跃迁到能量为E'的轨道，辐射出波长为λ的光．以h 表示普朗克常量，C 表示真空中的光速，则E ′等于（ C ） A ．E ?h λ/c B ．E+h λ/c C ．E ?h c/λ D E+hc /λ 4、欲使处于基态的氢原子激发，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14 eV 的光子照射 D.用11 eV 的光子碰撞 [命题意图]：考查考生对玻尔原子模型的跃迁假设的理解能力及推理能力. [解答]：由"玻尔理论"的跃迁假设可知，氢原子在各能级间，只能吸收能量值刚好等于
思考题： 1、均匀加宽和非均匀加宽的本质区别是什么？ 2、为什么原子（分子，离子）在能级上的有限寿命会造成谱线加宽？从量子理 论出发，阐明当下能级不是基态时，自然线宽不仅和上能级的自发辐射寿命有关，而且和下能级的自发辐射寿命有关，并给出谱线宽度与激光上、下能级寿命的关系式。 3、什么是多普勒加宽？从物理本质上阐明为什么气体工作物质的温度越高，分 子量（原子量）越小，多普勒加宽越大？ 4、三能级系统和四能级系统的本质区别是什么？为什么三能级系统比四能级系 统难实现粒子数反转分布？ 5、结合能级结构简图，推导三能级系统的小信号反转粒子数密度分布公式，并 分析影响因素。 6、什么是反转粒子数密度的饱和效应？ 7、什么是增益饱和效应？均匀加宽工作物质和非均匀加宽工作物质的增益饱和 的基本特征有何异同？ 8、在均匀加宽工作物质中，为什么入射光的频率越接近介质的中心频率增益饱 和效应越强，越远离中心频率增益饱和效应越弱？ 作业题 1、考虑某二能级工作物质，其E2能级的自发辐射寿命为τs2，无辐射跃迁寿命 。假设在t=0时刻E2上的原子数密度为n20，工作物质的体积为V，自发辐为τnr 2 射光的频率为ν，求： （1）自发辐射光功率随时间t的变化规律； （2）能级E2上的原子在其衰减过程中总共发出的自发辐射光子数； （3）自发辐射光子数与初始时刻能级E2上的粒子数之比η2（η2称为量子产额或E2能级向E1能级跃迁的荧光效率）。
2、某激光工作物质的自发辐射谱线形状呈三 角形，如图所示。光子能量h ν0=1.476eV 。高 能级自发辐射寿命τs2=5ns ，小信号中心频率增 益系数g 0(ν0)=10cm -1。求： （1）中心频率处线型函数的值。 （2）达到上述小信号中心频率增益系数所需要的小信号反转粒子数密度（假设折射率η=1）。 3、静止氖原子的3S 2-2P 4谱线中心波长为632.8nm ，设原子分别以0.1c, 0.4c 好0.8c 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别为多少？ 4、He-Ne 激光器中Ne 20的632.8nm 谱线的跃迁上能级3S 2的自发辐射寿命τs2≈2?10-8s ，下能级2P 4的自发辐射寿命τs1≈2?10-8s ，放电管气压P ≈266Pa ，放电管温度T=350K ，试求 （1）均匀加宽线宽?νH ; （2）多普勒线宽?νD ; （3）分析在该激光器中，哪种加宽占优势（已知氖原子的碰撞加宽系数α=750kHz/Pa ）。 5、已知红宝石的密度为3.98g/cm 3，其中Cr 2O 3所占比例为0.05%（质量比），在波长为694.3nm 附近的峰值吸收系数为0.4cm -1。设在泵浦激励下获得小信号反转粒子数密度?n 0=5?1017cm -3。求中心波长小信号增益系数。（提示：每个Cr 2O 3分子的重量=M /N A ，M 为分子量，N A 为阿伏伽德罗常数） 6、室温下Nd:YAG 的1.06μm 跃迁的线型函数是线宽为195GHz 的洛伦兹线型函数。上能级的寿命τ2=230μs ，该跃迁的量子产额η2=0.42（量子产额为自发辐射光子总数与初始时刻上能级钕离子数之比），YAG 的折射率为η=1.82。求中心频率 辐射界面σ21。（提示：发射界面()(,)v A A g g λσνννππν==?222102121020 88）
氢原子跃迁与氢原子光谱 玻尔原子理论第三条假设的“跃迁’指出：原子从一个定态(设能量为En ）跃迁到另一种定 )时．它輻射和吸收一定频率的光于．光子能量由这两个定态能量差决定，即 态(没能量为E K hυ=En-Ek 若原于原来处于能级较大的定态——激发态．这时原子处于不稳定的能量状态，一有机会让会释放能量．回到能量较小的激发态或基态（能级最小的定态)．这一过程放出的能量以放出光于的形式实现的，这就是原于发光原因。可见原子发光与能级跃迁有必然联系。对于氢原子它们对应关系如上图所示，从图可知当电子从n＝3、4、5、6这四个激发态跃迁到n＝2的激发态时，可得到可见光区域的氢原子光增，其波长"入"用下列公式计算 hc/入=E (1/n2-1/n2) 1 其中n=3,4,5,6．相应波长依次为: h α=656.3nm,hβ=486.1nm,hδ=434.1nm,hγ=410.1nm. 它们属于可见光，颜色分别为红、蓝、紫、紫。组成谱线叫巴耳末线系；若从n＞1的激发态跃迁到基态，放出一系列光子组成谱线在紫外区，肉眼无法观测,叫赖曼线系.....。 当原子处于基态或能级较低的激发态向高能级跃迁，必须吸收能量。这能量来源有两种途径。 其一、吸收光子能量、光子实质上是一种不连续的能量状态。光的发射与吸收都是一份一份的，每一份能量E=hυ叫光子能量．光子能量不能被分割的。因此原子所吸收的光子只有满足
hυ=En-Ek时，才能被原子吸收，从En定态跃迁到Ek定态。若不满足hυ=En-Ek的光子均不被吸收，原子也就无法跃迁。 例如用能量为123eV的光子去照射一群处于基态的氢原子．下列关于氢原子跃迁的说法中正确的是（） 1）原子能跃迁到n=2的轨道上;2）原子能跃迁到n＝3的轨道； 4）原子能跃迁到n=4的轨道上;3）原子不能跃迁。 通过计算可知E 1-E 2 ＝10.2eV＜I2.3ev；E 3 －E 1 ＝12.09ev＜12.3eV,E 4 一E 1 =12.75eV＞12.3eV， 即任意两定态能级差均不等于12.3eV．此光子原子无法吸收。答案D）正确。 其二、吸收电子碰撞能量。夫兰克——赫兹实验指出：当电子速度达到一定数值时，与原子碰撞是非弹性的，电子把一份份能量传给原子，使原子从一个较低能级跃迁到较高能级，原子从电子处获得能量只能等于两定态能量差。电子与光子不同．其能量不是一份一份的只要人射电子能量大于或等于两定态能量差． 均可使原子发生能级跃迁。 例如,已知汞原子可能能级如下图所示,一个自由电子总能量为9.0电子伏与处于基态的汞原子发生碰撞，已知碰撞过程中不计汞原子动能变化，则电子剩余能量为（） （A）0.2eV；（B）1.4eV（C）2.3eV（D）5.5eV． 因为E 2-E 1 =4.9ev＜9.0eV,E 3 -E 1 ＝7.7eV＜9.0ev,E 4 -E 1 ＝8.8ev＜9.0ev. 满足人射电子能量大于两定态能量差 .处于基态汞原子分别吸收电子部分能量跃迁到n= 2、3．4能级,而电子剩余能量分别为4.1ev,1.3ev,0.2ev,只选项（A）正确。 摘自《物理园地》
氢原子的能级跃迁 [P 3.]复习精要 一、玻尔的原子理论——三条假设 （1）“定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对稳定的状态称为定态。 定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。 （2）“跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（吸收）电磁波（光子），其频率由两个定态的能量差值决定hv=E 2-E 1。 跃迁假设对发光（吸光）从微观（原子等级）上给出了解释。 （3）“轨道量子化假设”：由于能量状态的不连续，因此电子绕核转动的轨道半径也不能任意取值，必须满足 )3,2,1(2 ==n nh mvr π 。 轨道量子化假设把量子观念引入原子理论，这是玻尔的原子理论之所以成功的根本原因。 [P 4.] 二、氢原子能级及氢光谱 （1）氢原子能级: 原子各个定态对应的能量是不连续的，这些能量值叫做能级。 ①能级公式：)6.13(1112eV E E n E n -==； ②半径公式：)m .r (r n r n 1011210530-?==。 （2）氢原子的能级图 （3）氢光谱 在氢光谱中，n=2,3,4,5,……向n=1跃迁发光形成赖曼线系； n=3,4,5,6向n=2跃迁发光形成巴耳末线系； n=4,5,6,7……向n=3跃迁发光形成帕邢线系； n=5,6,7,8……向n=4跃迁发光形成布喇开线系， 其中只有巴耳末线系的前4条谱线落在可见光区域内。 [P5 .]三、几个重要的关系式 （1）能级公式 2126131n eV .E n E n -== （2）跃迁公式 12E E h -=γ （3）半径公式 )m .r (r n r n 1011210530-?== （4） 动能跟n 的关系 由 n n n r mv r ke 222 = 得 2221221n r ke mv E n n kn ∝== （5）速度跟n 的关系n r mr ke v n n n 112∝== n E /eV ∞ 0 4
（3） 玻尔理论和能级跃迁. 2012-4-3 命题人：邓老师 学号________. 姓名________. 1. 普朗克在1900年将“能量子”引入物理学,开创了物理学的新纪元.人们在解释下列哪组实验现象时,都利用了“量子化”的观点（ ） A.光电效应现象氢原子光谱实验 B.光电效应现象α粒子散射实验 C.光的折射现象氢原子光谱实验 D.光的折射现象α粒子散射实验 2. 如图所示,1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级.处在n =4能 级的一群氢原子向低能级跃迁时,能发出若干种频率不同的光子,在这些光子中,波长最长的是（ ） A.n =4跃迁到n =1时辐射的光子 B.n =4跃迁到n =3时辐射的光子 C.n =2跃迁到n =1时辐射的光子 D.n =3跃迁到n =2时辐射的光子 3. 原子从a 能级状态跃迁到b 能级状态时发射波长为λ1的光子；原子从b 能级状态跃迁到c 能级状态时吸收波长为λ2的光子,已知λ1>λ2.那么原子从a 能级状态跃迁到c 能级状态时将要（ ） A.发出波长为λ1-λ2的光子 B.发出波长为 12 12λλλλ-的光子 C.吸收波长为λ1-λ2的光子 D.吸收波长为12 12 λλλλ-的光子 4. 图中画出了氢原子的4个能级,并注明了相应的能量E.处在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时,能够发出若干种不同频率的光波.已知金属钾的逸出功为2.22eV .在这些光波中,能够从金属钾的表面打出光电子的总共有（ ） A.二种 B.三种 C.四种 D.五种 5. 以下说法正确的是（ ） A.当氢原子从n=4的状态跃迁到n=2的状态时,发射出光子 B.光电效应和康普顿效应都揭示了光具有波动性 C.原子核的半衰期与原子所处的化学状态和外部条件有关 D.比结合能越大,原子核中核子结合得越牢固,原子越稳定 6. 如图所示,1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级.用以下能量的光子照射基态的氢原子时,能使氢原子跃迁到激发态的是（ ） A.1.51eV B.3.4eV C.10.2eV D.10.3eV 7. 一群处于n=3激发态的氢原子向基态跃迁,发出的光以相同的入射角θ照 射到一块平行玻璃砖A 上,经玻璃砖A 后又照射到一块金属板B 上,如图所示,则下列说法正确的是（ ） A.入射光经玻璃砖A 后会分成相互平行的三束光线,从n=3直接跃迁到基态发出的光经玻璃砖A 后的出射光线与入射光线间的距离最大 B.在同一双缝干涉装置上,从n=3直接跃迁到基态发出的光形成的干涉条纹最窄 C.经玻璃砖A 后有些光子的能量将减小,有些光在玻璃砖的下表面会发生全反射 D.若从n=3能级跃迁到n=2能级放出的光子刚好能使金属板B 发生光电效应,则从n=2能级跃迁到基态放出的光子一定能使金属板B 发生光电效应 8. 氢原子辐射出一个光子后,根据玻尔理论,下述说法中正确的是（ ） A.电子绕核旋转的半径增大 B.氢原子的能量增大 C.氢原子的电势能增大 D.氢原子核外电子的速率增大 9. 氦原子的一个核外电子被电离,会形成类似氢原子结构的氦离子.已知基态的氦离子能量为E 1=－54.4eV ,氦离子能级的示意图如图所示.可以推知,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（ ） A.40.8eV B.43.2eV C.51.0eV D.54.4eV 1 2 3 4 ∞ n -13.-3.4 -1.5 -0.80 E /eV －13.60 －1.51 －0.85 －3.40 0 1 2 3 4 ∞ n E /eV
光与二能级原子的相互作用 二能级原子与光场的相互作用是最基本的模型，如图1为二能级原子与光场的相互作用。 图1 二能级原子与光场的相互作用 如图1所示，频率为v 的单模光场与二能级原子系统相互作用。不考虑外界因素的影响，分析光场与原子相互作用。其中，m 表示激发态，n 表示基态，原子在上下能态之间作简谐振荡，其中拉比频率为Ω，原子跃迁频率为ω，探测光的失谐量为v -=?ω，激发态到基态的自发辐射衰减率为Γ，相干衰减率为 ()2/n m γγγ+=，二能级的电偶极矩矩阵元为n r m e mn =?。 该系统的总哈密顿量由自由哈密顿0H 和光与原子相互作用的哈密顿1H 。系统的总哈密顿量为10H H H +=。 n n m m H n m ωω +=0 (3.1.2) m n e n m e H ivt ivt *12 2Ω-Ω-=- (3.1.3) 根据考虑耗散作用的密度矩阵方程：[]{}ρρρ ,2 1 ,Γ--=H i ()()∑∑Γ-Γ---=k kj kj kj ik k kj kj kj ik ij H H i ρρρρρ 21 (3.1.4) 利用可以得到：
()()mm nn ivt mn mn mn nm ivt mn ivt nn nn mn ivt nm ivt mm mm e i i e i e i e i e i ρρργωρ ρρρρ ρρρρ-Ω++=Ω-Ω+Γ=Ω-Ω+Γ-=---2 2 22 2**1 (3.1.5) 做慢变振幅近似有：ivt mn mn e -=ρρ~，mm mm ρρ~=，nn nn ρρ~= ()()mm nn mn mn nm mn nn nn mn nm mm mm i i i i i i ρρργρρρρρρρρρ~~2~~~2~2~~~2 ~2~~**1-Ω+-?=Ω-Ω+Γ=Ω-Ω+Γ-= (3.1.6) 由系统封闭条件:1~~=+nn mm ρρ 令方程左边倒数部分为零，求解可得： ( ) ( ) ()() ()()[] 2222222222 22222/2/~/2/~/2/~?+Ω+Γ?-ΓΩ=?+Ω+Γ?+Ω+Γ= ?+Ω+Γ?+Ω= γγγργγγγργγγγρi i mn nn mm (3.1.7) 由极化强度关系： [] ..~..210c c e c c e E P ivt mn nm ivt +?=+=--ρχε (3.1.8) Ω ?= ''+'= 02~ 2ερχχχmn mn N i (3.1.9) 由此得到探测光极化率的实部χ'和虚部χ''，它们分别表示色散和吸收 () ()() ()mm nn mn mm nn mn N N ρργεγ χρργεχ~~~~2202 2 2 02 -?+?= ''-? +? ?=' (3.1.10) 其中，令0~,1~==mm nn ρρ，原子数密度为N ，真空介电常数为0 ε，绘制出探
氢原子跃迁应注意的四个不同 一. 应注意一群原子和一个原子跃迁的不同 一群氢原子就是处在n轨道上有若干个氢原子，某个氢原子向低能级跃迁时，可能从n能级直接跃迁到基态，产生一条谱线；另一个氢原子可能从n能级跃迁到某一激发态，产生另一条谱线，该氢原子再从这一激发态跃迁到基态，再产生一条谱……由数学知识得到一群 氢原子处于n能级时可能辐射的谱线条数为。对于只有一个氢原子的，该氢原子可从n能级直接跃迁到基态，故最少可产生一条谱线，不难推出当氢原子从n能级逐级往下跃迁时，最多可产生n－1条谱线。 例1. 有一个处于量子数n＝4的激发态的氢原子，它向低能级跃迁时，最多可能发出几种频率的光子 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. 2200 B. 2000 C. 1200 D. 2400 二. 应注意跃迁与电离的不同 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。 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 三. 要注意辐射谱线频率、波长的不同 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. 四. 应注意入射光子与入射的实物粒子不同 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。 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. B. C. D.
氢原子跃迁问题例谈 玻尔的氢原子模型是高中物理的重要模型之一。以此知识点为背景的考题，往往具有较强的抽象性和综合性，一直都是学生学习的难点。本文试图就其中涉及氢原子跃迁的几个常见问题一一举例说明。 问题一：一个原子和一群原子的不同 例1 有一个处于量子数n =4的激发态中的氢原子，在它向低能态跃迁时，最多可能发出________种频率的光子；有一群处于量子数n =4的激发态中的氢原子，在它们发光的过程中，发出的光谱线共 问题二：分清跃迁与电离的区别 例2 欲使处于基态的氢原子激发，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14 eV 的光子照射 D.用10 eV 的光子照射 解析：基态氢原子向激发态跃迁，只能吸收能量值刚好等于某激发态和基态能级之差的光子。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的两个能级之差，而10 eV 、11 eV 都不是氢原子基态和任一激发态的能量之差，因而氢原子只能吸收前者被激发，而不能吸收后二者。对14 eV 的光子，其能量大于氢原子电离能13.6 eV ，足可使其电离，故而不受氢原子能级间跃迁条件限制。由能的转化和守恒定律知道，氢原子吸收14 eV 的光子电离后产生的自由电子仍具有0.4 eV 的动能。故正确选项为AC 。 归纳：依据玻尔理论，氢原子在各能级间跃迁时，只能吸收或辐射能量值刚好等于某两个能级之差的光子，即光子能量值为Em En h -=ν，多了或少了都不行。如果光子（或实物粒子）与氢原子作用而使氢原子电离（绕核电子脱离原子的束缚而成为“自由电子”，即n =∞的状态）时，则不受跃迁条件限制，只要所吸收光子能量值（或从与实物粒子碰撞中获得能量）大于电离能即可。 问题三：注意直接跃迁和间接跃迁
2016年高考物理精品学案之 原子的结构能级 一、考纲要求 二、知识网络 第1讲原子的结构能级 ★一、考情直播 1．考纲解读 考纲内容能力要求考向定位 1.氢原子光谱 1.知道汤姆生发现电子同时提考纲对氢原子光谱、能级
2.氢原子的能级结构、能级公式出枣糕模型 2.知道α粒子散射实验及卢瑟 福的核式结构模型 3.知道波尔的三条假设及对氢 原子计算的两个公式和氢原子能级 结构和能级公式均是Ⅰ级要 求．本部分高考的热点是α粒 子散射实验和波尔理论，高考 中以选择题的形式出现． 2．考点整合 考点一卢瑟福的核式结构模型 1.汤姆生在研究阴极射线时发现了，提出了原子的枣糕模型． 2．α粒子散射实验 α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，结果是穿过金箔后仍沿原来方向前进，发生了较大的偏转，极个别α粒子甚至 . 3.核式结构 卢瑟福从行星模型得到启发，提出了原子的核式结构，这是一种联想思维. 核式结构：在原子的中心有一个很小的，叫原子核，原子的都集中在原子核里，带在核外空间运动. 4.由α粒子散射实验数据还可以估算原子核的大小，卢瑟福估算的结果是：原子核的大小的数量级在以下. [例题1]如图2所示，为α粒子散射实验的示意图，A点为某α粒子运动中离原子核最近的位置，则该α粒子在A点具有 A．最大的速度 B．最大的加速度 C．最大的动能 D．最大的电势能 【解析】α粒子在接近原子核的过程中受到原子核库
仑排斥力的作用，这个力对α粒子做负功，使α粒子的速度减小，动能减小，电势能增大，显然，正确选项应该为BD 答案：BD 【规律总结】本题考查的知识点有两条，一是α粒子与原子核之间的库仑力，二是这个库仑力做负功，距离原子核越近，库仑力越大. 【例题2】．（2008年上海）1991年卢瑟福依据α粒子散射实验中α粒子发生了＿＿＿＿（选填“大”或“小”）角度散射现象，提出了原子的核式结构模型.若用动能为1MeV 的α粒子 轰击金箔，则其速度约为＿＿＿＿＿m/s.（质子和中子的质量均为 1.67×10－27 kg ，1MeV=1 ×106 eV ） 【解析】根据α粒子散射实验现象，α粒子发生了大角度散射. 同时根据：α αm E v v m E k k 22 1 2== 得到 代入数据s m s m v /109.6/10 67.14106.110126 27 196?=??????=-- 答案：大，6.9×106 【规律总结】一是电子伏特与焦耳之间的换算，J ev 19 10 9.11-?=；二是α粒子的质量应 该是两个中子和两个质子的质量和，即：kg m 27 1067.14-??=α． 考点二 波尔模型 1.波尔的三条假设： 1）、能量量子化：原子只能处于一系列 状态中，在这些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，这些状态叫做 . 对氢原子满足：121 E n E n = ，其中eV E 6.131-= 2）、轨道量子化：原子的 跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动 相对应.原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的. 对氢原子满足：12r n r n =，其中m r 10 11053.0-?=. 3）、能级跃迁：原子从一种定态（设能量为E 2）跃迁到另一种定态（设能量为E 1）时，它 一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即12E E h -=ν. 2.氢原子能级图：如图3所示 3.波尔理论的局限性 图3
氢原子的能级: 1、氢原子的能级图 2、光子的发射和吸收 ①原子处于基态时最稳定，处于较高能级时会自发地向低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态，跃迁时以光子的形式放出能量。 ②原子在始末两个能级E m和E n（m>n）间跃迁时发射光子的频率为ν，：hυ=E m-E n。 ③如果原子吸收一定频率的光子，原子得到能量后则从低能级向高能级跃迁。 ④原子处于第n能级时，可能观测到的不同波长种类N为：。 ⑤原子的能量包括电子的动能和电势能（电势能为电子和原子共有）即：原子的能量 E n=E Kn+E Pn。轨道越低，电子的动能越大，但势能更小，原子的能量变小。 电子的动能：，r越小，E K越大。 ⑥电离：就是从外部给电子以能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子。 例1.对于基态氢原子，下列说法正确的是（） A．它能吸收12.09ev的光子 B．它能吸收11ev的光子 C．它能吸收13.6ev的光子 D．它能吸收具有11ev动能的电子部分能量
A、基态的氢原子吸收12.09eV光子，能量为-13.6+12.09eV=-1.51eV，可以从基态氢原子发生跃迁到n=3能级，故A正确； B、基态的氢原子吸收11eV光子，能量为-13.6+11eV=-2.6eV，不能发生跃迁，所以该光子不能被吸收．故B错误； C、基态的氢原子吸收13.6eV光子，能量为-13.6+13.6eV=0，发生电离，故C正确； D、与11eV电子碰撞，基态的氢原子吸收的能量可能为10.2eV，所以能从n=1能级跃迁到n=2能级，故D正确； 故选：ACD 例2.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（) A．13.60eV B．10.20eV C．0.54eV D．27.20eV 例3.氢原子的部分能级如图所示，下列说法正确的是（） A．大量处于n=5能级氢原子向低能级跃迁时，可能发出10种不同频率的光 B．大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出的最长波长的光是由n=4直接跃到n=1的结果 C．大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出的不同频率的光中最多有3种能使逸出功为2.23ev的钾发射光电子 D．处于基态的氢原子可以吸收能量为10.5ev的光子而被激发 A、根据C52==10知，这些氢原子可能辐射出10种不同频率的光子．故A正确； B、氢原子由n=4向n=1能级跃迁时辐射的光子能量最大，频率最大，波长最短，故B错误； C、氢原子由n=3能级的氢原子向低能级跃迁时，n=3→n=1辐射的光子能量为 13.6-1.51eV=12.09eV，n=3→n=2辐射的光子能量为3.40-1.51=1.89eV，n=2→n=1辐射的光子能量为13.6-3.40=10.20eV，1.89＜2.23不能发生光电效应，故有两种光能使逸出功为2.23ev的钾发射光电子，故C错误；D、只能吸收光子能量等于两能级间的能级差的光子，n=1→n=2吸收的光子能量为13.6-3.40=10.20eV，n=1→n=3吸收的光子能量为13.6-1.51eV=12.09eV，故能量为10.5ev的光子不能被吸收，故D错误． 故选：A．
第六章习题 1．解释什么是受激吸收过程。 答：。原子在受到外来能量（如光能、电能和热能等）作用时，原子中的电子从外界获得能量E2-E1，而从低能级E1跃迁到高能级E2，即原子被激发，激发的过程是一个“受激吸收”过程。外界一次性提供给原子的能量必须等于原子能级的能量之差，才能发生受激吸收。 2. 解释什么是自发辐射过程。 答：一般来说，处于激发态E2能级上的原子是不稳定的，处在高能级E2的电子寿命很短（一般为10-8~10-9s），即使原子在没有外界影响的情况下，也会自发地向低能级E1跃迁并辐射出一个频率为v、能量为hv=E2-E1的光子（h为普朗克常数），这种自发跃迁引起的辐射称为自发辐射。 原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联。各个原子自发辐射的光子的相位、偏振状态和传播方向不尽相同，因而自发辐射光是非相干光，如白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是自发辐射过程。另外，由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一定范围。 3. 解释什么是受激辐射过程。 答：物质的原子都有特定的一系列能级，每个能级均与原子的某一状态相对应。在高能级E2上有原子存在，如果一个外来的入射光子的能量等于相应的高能级与低能级E1的能量差hv=E2-E1，入射光子的电磁场就会引发原子从高能级跃迁到低能级上，同时放出一个与入射光子的频率、相位、偏振方向和传播方向都完全相同的光子，这就是受激辐射。 4. 解释“能级的寿命”和“亚稳态”概念。 答：物质的原子都有特定的一系列能级，每个能级均与原子的某一状态相对应。假设处于某能级E2的原子数为N2(t)，则如果没有其他过程，N2(t)将按指数迅速衰减。E2能级上的原子数减少到原来的1/e所需要的时间τ，称为原子在E2上的平均寿命，或简称为能级的寿命，能级的寿命是该能级上的原子数减少到原来的1/e（约37%）所经历的时间。“能级的寿命”这一概念对激光的研究也是很重要的，各原子的各个能级的平均寿命与原子结构有关。 一般来说，原子激发态的平均寿命的数量级为10-8s。不过有一种特殊的激发态，原子在此激发态上的寿命特别长，可以达到10-4~1s，这种激发态称为亚稳态。亚稳态在激光形成过程中占有很重要的地位。 5. 什么是“粒子布居数反转分布”？怎样实现？ 答：一个合适的入射光子，使原子系统受激吸收和受激辐射的概率是相等的，W12=W21。即一个入射的光子被原子吸收而使原子从低能态E1跃迁到高能态E2的受激吸收概率，与一个入射的光子引发原子受激辐射而使原子从高能态E2到低能态E1跃迁的受激辐射概率是相等的。 在通常热平衡条件下，处于高能级E2上的原子数密度N2，远比处于低能级E1的原子数密度N1低，这是因为处于能级E的原子数密度N的大小是随能级E的增加而指数减小。因此，合适的光子入射到处于正常状态的材料中，主要的还是被吸收而使原子从低能态跃迁到高能态，几乎没有使原子受激辐射。处于高能态的原子，主要发生自发辐射而从高能态跃迁回低能态，不可能发生受激辐射光放大现象。 要想实现“受激辐射的粒子数（不是概率）大于受激吸收的粒子数（不是概率）”，进而实现“光放大”，首先必须使处于高能态的粒子数大于低能态的粒子数，N2>N1，也就是使受激辐射超过受激吸收而占优势，这在激光理论中，称为“粒子布居数反转”。要想实现
重点辅导 情况是在不断地变化,要使自己的思想适应新的情况,就得学习. 毛泽东 河南 宁鹏程 近几年高考理综物理考试,原子和原子核部分关于 氢原子的能级 问题倍受高考命题专家的关注,成为高考命题的热点,在各类物理考试中命题的概率非常高,同学们在高考备考复习中应倍加重视.下面围绕高考有关 氢原子的能级 问题进行分析和解析,以期对同学们有所帮助.1 能级的概念 由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是不连续的.这些能量值就是能级.2 基态 在正常状态下,原子处于最低能级,电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态.3 激发态 原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级,电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态.4 有关 氢原子的能级 问题 1)电子在离氢原子核轨道上运动,氢原子核对电子的库仑力提供向心力.即:k e 2 r 2=m v 2r ,则电子的 动能E k =12m v 2 =ke 22r ,所以电子在离氢原子核较远 轨道上运动时,电子的动能小. 2)由于电场力做正功,电势能减小;电场力做负功,电势能增大;电子在向离原子核较远的轨道上运动时电场力做负功,电子和氢原子核共有的电势能增大.电子在离原子核较远的轨道上运动时原子的电势能大于电子在离原子核较近的轨道上运动时原子的电势能. 3)氢原子各定态能量值又叫原子能量,它等于 电子绕核运动的动能和电势能的代数和;当取无限远处电势能为零时,则原子能量为负值.对于氢原子r n =n 2r 1 ,E n = E 1 n 2,式中n 为量子数,n=1,2,3,4, E 1=-13 6eV ;r 1=0 53 10-10m . 图1 所以电子在离氢原子核较远轨道上运动时,原子能量大. 根据E n =E 1 n 2,E 1=-13 6 eV 可以绘出如图1所示的氢原子的能级图. 4)原子的跃迁:原子从一 种定态(设能量为E a )跃迁到另 一种定态(设能量为E b )时,它 辐射(或者吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种状态的能量差决定,即h ab =E a -E b 5)一群氢原子处于量子数为n=4的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为6条,可以用公式:N =n(n-1)2 计算. 6)用E a b (a>b)表示电子从n=a 跃迁到n =b 释放出的光子的能量,则:E a b =E a -E b .以一群氢原子处于量子数为n=4的激发态为例. E 4=-0 85eV ,E 3=-1 51eV ,E 2=-3 4eV ,E 1=-13 6eV ,E 41=13 6eV -0 85eV =12 75eV ,E 31=13 6eV -1 51eV =12 09eV ,E 21=13 6eV -3 4eV =10 2eV ,E 42=3 4eV -0 85eV =2 55eV ,E 32=3 4eV -1 51eV =1 89eV ,E 43=1 51eV -0 85eV =0 66eV .规律: E 41>E 31>E 21>E 42>E 32>E 43, E 31=E 21+E 32,E 42=E 32+E 43等等.7)原子跃迁的条件 h =E 1-E 2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:光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁时,原子从低能级跃迁到高能级,轨道半径增大,要吸收能量,吸收的能量由入射光提供,吸收的能量必须等于入射光光子的能量;原子从高能级跃迁到低能级,轨道半径减小,要放出能量,放出光子,放出光子的能量等于两能级的能量差的绝对值.对于下列两种情况,则不受此条件限制. 光子和原子作用而使氢原子电离,产生离子和自由电子时,原子结构被破坏,因而不遵守有关原子结构的结论.如基态氢原子的电离能为13 6eV ,如果光子的能量为14eV ,该光子被基态的氢原子吸收,氢原子电离产生的自由电子的动能为0 4eV .此 34
第二节 受激辐射、受激吸收与自发辐射 黑体辐射场，可以理解为组成黑体的原子和光场（或电磁波）相互作用的结果。光波的产生和传播过程都不可避免涉及光和原子之间的相互作用。在电磁场理论中，证明了电磁辐射来源于具有加速度的带电物体。这个结论我们可以从很多方面得到验证。医院的X 光机利用高能电子快速减速辐射X 射线；高能电子加速器所产生的电磁辐射就来源于具有加速度的电子；电真空微波器件输出的微波也来源于具有加速度的电子辐射。光在物质中传播时，原子中的正电荷和负电荷受光场中电场作用，向相反方向运动，形成电偶极子，电偶极子向空间辐射光，和入射光场叠加在一起，形成物质中的总光波。 电磁场理论这些结论在用于宏观物质时，没有出现问题。但用于解释原子发光过程时，却出项了难以调和的矛盾。 二十世纪初，通过实验已经知道电子是物质的基本组成部分，电子带负电，但物质都是电中性的，所以物质中一定还有带正电的部分。通过测量电子的荷质比（m e /），知道电子质量比原子质量小得多。很重的带正电的部份称为原子核。在这个基础上，物理学家开始猜想原子模型。最早的原子模型是汤姆孙（J.J.Thomson ）提出的，他设想原子就是带正电荷的那一部分均匀分布为一个胶状的球体，带负电的电子镶嵌在这个胶体上，原子就像一个面上有芝麻的面包。原子发光的频率（光谱）就是这样一个球体的振动频率。这个模型被后来的电子散射和α粒子的散射实验证明是不对的。卢瑟福（E.Rutherford ）1909年α粒子散射实验说明，原子大部分是空的，不是一个实心球。所谓α粒子，就是由两粒带正电荷的质子和两粒中性的中子组成，相当于一个氦原子核。在自然界内大部分的重元素（例如铀和镭，原子序数为82或以上）在衰变时辐射α粒子。卢瑟福用α粒子去轰击铂薄片，按照汤姆孙模型，带正电的α粒子受到带正电的铂原子核的散射，α粒子应该偏离入射方向。但实验发现，只有少量的α粒子发生大角度的偏转，大量原子直接穿过铂薄片，说明大量α粒子没有受到铂原子的作用，原子中的绝大部分空间空无一物。因此电子离开原子中心很远，并没有和带正电的原子核直接接触。原子的模型就像太阳系结构，原子核像太阳，电子像行星绕原子核旋转。所不同的是原子核带正电，电子带负电。但是，按照电磁场理论，电子绕原子核旋转，就不可避免有加速度，电子就要向外辐射电磁波，就会损失动能，最终电子应该掉到原子核上，从而又回到了汤姆孙模型。实验说明，电子稳定在原子核周围，并没有掉到原子核上。 为了解决这个问题和解释氢原子分立光谱，玻尔在1913年提出了一些基本假设。玻尔的主要思想是： 原子系统的能量是分立的而不是连续的，（可用 ,,,,10i E E E 表示）；在没 有外界入射光时，原子系统将永远停留在某以能级上；电子绕原子运动一周，角动量是普朗克常数的整数倍： ? =? n r d p
原子跃迁时需注意的四个问题 湖北枣阳二中王胜441200 一注意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氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。 例1有一群处于量子数n=4的激发态的氢原子，在它们辐射光子的过程中，发出的光谱线共有几条？答案：6条。 例2 有一个处于量子数n=4的激发态的氢原子，在它向低能级跃迁时，最多可能发出几种频率的光子？答案：3种。 二注意跃迁与电离 根据玻尔理论，当原子从低能态跃迁到高能态时，必须吸收能量才能实现。相反，当原子从高能态跃迁到低能态时，必须以光子的形式辐射能量才能实现。不论吸收还是辐射能量，必须等于两能级差。若想把处于某一定态原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量。比如使处于n=1能级的氢原子电离，必须吸收至少13.6ev的能量。 例3 用电磁波照射氢原子，使它从E 1的基态跃迁到E 2 的激发态，该电磁波的频率为 多少？答案：ν=（E 2-E 1 ）/h 例4 一个氢原子处于基态，用光子能量为15ev的电磁波去照射该原子，问能否使氢原子电离？若能使之电离，则电子被电离后的动能是多大？ 答案：氢原子能被电离； 电离后电子具有的动能为1.4ev (15ev-13.6ev=1.4ev)。三注意间接跃迁与直接跃迁 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频率可能不同。 例5一个氢原子中的电子从一半径为r 1的轨道直接跃迁到另一半径为r 2 的轨道，已知 r 1>r 2 ，则在此过程中 A 原子要发出一系列频率的光子B原子要吸收一系列频率的光子C原子要吸收某一频率的光子D原子要辐射某一频率的光子 答案：D 四注意入射光子和入射电子 若是在光子的激发下，引起的原子跃迁，则必须要求光子的能量等于原子的两个能级差。若是在电子的碰撞下引起原子的跃迁，则要求电子的能量必须大于或等于原子的两个能级差，这两种情况不同。 例6用12.6ev的光子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？ 答案：该光子不能引起氢原子的跃迁。 例7用12.6ev的电子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？若能跃迁，则可以使氢原子跃迁到哪些能级上？ 答案：可以；n=2,n=3。