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。
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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。
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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。
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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。