Question

10．玻爾理論成功的解釋了氫光譜．電子繞氫原子核運(yùn)動(dòng)可以看作是僅在庫(kù)侖力作用下的勻速圓周運(yùn)動(dòng)．已知電子的電荷量為e，電子在第1軌道運(yùn)動(dòng)的半徑為r₁，靜電力常量為k．
（1）試計(jì)算電子繞氫原子核在第1軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能；
（2）玻爾認(rèn)為氫原子處于不同的能量狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著電子在不同的軌道上繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，他發(fā)現(xiàn)：電子在第n軌道上運(yùn)動(dòng)的軌道半徑r_n=n²r₁，其中n為量子數(shù)（即軌道序號(hào)）．
根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子在第n軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原子的能量E_n為電子動(dòng)能與“電子-原子核”這個(gè)系統(tǒng)電勢(shì)能的總和．理論證明，系統(tǒng)的電勢(shì)能E_p和電子繞氫原子核做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r存在關(guān)系：E_p=-k$\frac{{e}^{2}}{r}$（以無(wú)窮遠(yuǎn)為電勢(shì)能零點(diǎn)）．請(qǐng)根據(jù)上述條件完成下面的問(wèn)題．
①電子在第n軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)氫原子的能量E_n和的表達(dá)式（用n、e、r₁和k表示）．
②假設(shè)氫原子甲的核外電子從第2軌道躍遷到第1軌道的過(guò)程中所釋放的能量，恰好被量子數(shù)n=3的氫原子乙吸收并使其電離．不考慮躍遷或電離前后原子核所受到的反沖，試求氫原子乙電離出電子的動(dòng)能．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)庫(kù)侖力提供向心力，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)周期的公式，再由電流表達(dá)式，即可求解；
（2）根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合動(dòng)能與電勢(shì)能表達(dá)式，從而確定各軌道的能級(jí)，最后由能量守恒定律，即可求解．

解答 解：（1）設(shè)電子繞氫原子核在第1軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T₁，形成的等效電流大小為I₁，
根據(jù)牛頓第二定律有：k$\frac{{e}^{2}}{{r}_{1}^{2}}$=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$
E_k=$\frac{1}{2}$mv²=$\frac{k{e}^{2}}{2{r}_{1}}$
（2）①設(shè)電子在第1軌道上運(yùn)動(dòng)的氫原子的能量為：E₁=-k$\frac{{e}^{2}}{{r}_{1}}$+k$\frac{{e}^{2}}{2{r}_{1}}$=-k$\frac{{e}^{2}}{2{r}_{1}}$
同理，電子在第n軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)氫原子的能量為：E_n=-k$\frac{{e}^{2}}{2{r}_{n}}$
②電子從第2軌道躍遷到第1軌道釋放的能量為：△E=E₂-E₁=$\frac{3k{e}^{2}}{8{r}_{1}}$
電子在第3軌道時(shí)氫原子的能量為：E₃=$\frac{1}{9}{E}_{1}$=-k$\frac{{e}^{2}}{18{r}_{1}}$
設(shè)氫原子電離后具有的動(dòng)能為E_k，根據(jù)能量守恒有：
E_k=E₃+△E=$\frac{23}{72}$k$\frac{{e}^{2}}{{r}_{1}}$
答：（1）試計(jì)算電子繞氫原子核在第1軌道上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能為$\frac{k{e}^{2}}{2{r}_{1}}$；
（2）①電子在第n軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)氫原子的能量E_n的表達(dá)式為E_n=-k$\frac{{e}^{2}}{2{r}_{n}}$ （用n，e，r₁和k表示）
②氫原子乙電離出的電子的動(dòng)能為$\frac{23}{72}$k$\frac{{e}^{2}}{{r}_{1}}$．

點(diǎn)評(píng) 考查庫(kù)侖定律，掌握牛頓第二定律的應(yīng)用，注意原子核的電量與電子電量相等，同時(shí)各軌道的能量是解題的關(guān)鍵，還要掌握能量守恒定律的內(nèi)容．