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6.2 能量计算

原子核的结构、衰变与核能 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 利用玻尔理论,通过能级差公式 $\Delta E = E_m - E_n$ 计算原子跃迁时吸收或辐射的光子能量。

从哪来 本知识点建立在4.4 能级与轨道关系之上,结合4.3 轨道速度理解动能与电势能的变化,并依托1.2 卢瑟福模型(核式结构模型)确立原子核中心地位,从而推导能量守恒在原子内部的应用。

为什么 原子处于定态时能量是确定的。当电子从高能级 $E_m$ 跃迁到低能级 $E_n$ 时,根据能量守恒定律,减少的原子能量必须以光子形式释放,光子能量 $h\nu$ 严格等于两能级之差。反之,吸收光子时,光子能量必须恰好等于能级差才能被吸收(共振吸收),否则光子不被吸收或导致电离。这解释了为什么原子光谱是线状谱而非连续谱。

类比法:楼梯与硬币** 把能级比作楼梯的台阶,电子是站在台阶上的人。 * **适合学生
形象思维强、对抽象公式感到困难的学生。 * 讲解逻辑: 1. 人只能站在整数台阶上(定态),不能悬空(非定态不存在)。 2. 从第3级台阶跳到第1级台阶,身体下降的高度是固定的(能级差)。 2. 下降释放的能量就是“跳下去”的动能或声音(光子能量)。 3. 如果要跳上去,必须提供恰好等于高度差的能量,少一点跳不上去,多一点会摔碎(电离或多余动能)。
守恒法:账本记账** 把原子系统看作一个封闭的“能量账户”。 * **适合学生
逻辑严密、擅长代数运算和守恒思想的学生。 * 讲解逻辑: 1. 初始状态:账户余额 $E_m$(负值,表示束缚能)。 2. 末状态:账户余额 $E_n$(负值,绝对值更大,束缚更紧)。 3. 交易过程:$E_m \to E_n$,余额减少。 4. 差额去向:根据守恒,减少的余额必须变成“现金”(光子能量 $h\nu$)流出系统。 5. 公式推导:$h\nu = E_{initial} - E_{final} = E_m - E_n$。注意符号,因为 $E_m > E_n$(例如 -1.5eV > -3.4eV),所以结果为正。
图像法:能级图读图** 直接利用能级图进行几何化计算。 * **适合学生
空间想象力好、习惯通过图表获取信息的学生。 * 讲解逻辑: 1. 画出能级图,纵轴为能量 $E$,横轴无物理意义。 2. 标出 $n=1, 2, 3...$ 的水平线,标注对应的能量值(如 -13.6eV, -3.4eV)。 3. 跃迁过程用竖直箭头表示。 4. 光子能量 = 箭头起点的纵坐标 - 箭头终点的纵坐标。 5. 强调:能级图是“能量地图”,距离代表能量差,而不是空间距离。
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练一道
基础题
氢原子处于 $n=3$ 能级(能量为 -1.51 eV),跃迁到 $n=2$ 能级(能量为 -3.40 eV)。求辐射光子的能量是多少 eV?
变式
一群氢原子处于 $n=4$ 能级(能量为 -0.85 eV)。若它们向低能级跃迁,最多能辐射出几种不同频率的光子?其中能量最大的光子能量是多少 eV?(已知 $n=1$ 能级能量为 -13.6 eV)
试试手自己判
检测题
氢原子从 $n=2$ 能级跃迁到 $n=1$ 能级时,辐射光子的能量为 10.2 eV。若用能量为 10.0 eV 的光子照射处于 $n=2$ 能级的氢原子,该光子能否被吸收?若用能量为 10.5 eV 的光子照射,能否被吸收?请说明理由。
看答案和判分标准
答案:1. 10.0 eV 的光子不能被吸收。 2. 10.5 eV 的光子不能被吸收。
判对标准:
正确**:两个都回答“不能”,并指出从 $n=2$ 跃迁到 $n=3$ 需要的能量是 $E_3 - E_2 = -1.51 - (-3.40) = 1.89$ eV,跃迁到 $n=1$ 需要 10.2 eV。10.0 eV 和 10.5 eV 都不等于任何能级差(且小于电离能 3.4 eV? 不对,$n=2$ 电离能是 3.4 eV,这里题目数据需修正逻辑)。
* *修正逻辑*:$n=2$ 能级能量 -3.4 eV。
* 跃迁到 $n=3$ ($-1.51$ eV):需 $1.89$ eV。
* 跃迁到 $n=4$ ($-0.85$ eV):需 $2.55$ eV。
* 跃迁到 $n=\infty$ (电离):需 $3.4$ eV。
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