题目内容
【题目】根据玻尔理论,氢原子在不同的能量状态,对应着电子在不同的轨道上绕核做匀速圆周运动,电子做圆周运动的轨道半径满足,其中n为量子数,即轨道序号,rn为电子处于第n轨道时的轨道半径,已知电子的电荷量为e,质量为m,电子在第1轨道运动的半径为r1,静电力常量为k。电子在第n轨道运动时氢原子的能量En为电子动能与“电子-原子核”这个系统的电势能的总和。理论证明,系统的电势能Ep和电子绕氢原子核做圆周运动的半径r存在关系:(以无穷远为电势能零点)。请根据以上条件完成下面的问题。
①试证明电子在第n轨道运动时氢原子的能量En和电子在第1轨道运动时氢原子的能量E1满足关系式;
②假设氢原子甲核外做圆周运动的电子从第2轨道跃迁到第1轨道的过程中所释放的能量,恰好被量子数n=4的氢原子乙吸收并使其电离,即其核外在第4轨道做圆周运动的电子脱离氢原子核的作用范围。不考虑电离前后原子核动能的改变,试求氢原子乙电离后电子的动能。
【答案】(1)证明见解析 (2)
【解析】
试题(1)设电子绕氢原子核在第1轨道上做圆周运动的周期为,形成的等效电流大小为,根据牛顿第二定律有(2分)
则有(1分)
又因为(2分)
有(1分)
(2)①设电子在第1轨道上运动的速度大小为v1,根据牛顿第二定律有
(1分)
电子在第1轨道运动的动能(1分)
电子在第1轨道运动时氢原子的能量即动能和势能之和(2分)
同理,电子在第n轨道运动时氢原子的能量(2分)
又因为
则有命题得证。 (1分)
② 由①可知,电子在第1轨道运动时氢原子的能量
电子在第2轨道运动时氢原子的能量(1分)
电子从第2轨道跃迁到第1轨道所释放的能量(2分)
电子在第4轨道运动时氢原子的能量(1分)
设氢原子电离后电子具有的动能为,根据能量守恒有
(2分)
解得(1分)