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首页 高中物理知识 热力学第二定律 氢原子的能级 试题正文
  • 问答题
    （1）如图所示，氢原子从n＞2的某一能级跃迁到n=2的能级，辐射出能量为2.55eV的光子．问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它辐射上述能量的光子？请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图．
    （2）热力学第二定律常见的表述有两种．
    第一种表述：不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化；
    第二种表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化．
    图（a）是根据热力学第二定律的第一种表述画出的示意图：外界对制冷机做功，使热量从低温物体传递到高温物体．请你根据第二种表述完成示意图（b）．根据你的理解，热力学第二定律的实质是______．
    魔方格

    本题信息：2005年广东物理问答题难度较难 来源:未知
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本试题 “（1）如图所示，氢原子从n＞2的某一能级跃迁到n=2的能级，辐射出能量为2.55eV的光子．问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它辐射上述能量...” 主要考查您对

热力学第二定律

氢原子的能级

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  • 热力学第二定律
  • 氢原子的能级

热力学第二定律：

1.两种表述：
（1）按传热的方向性表述：
①内容：热量不能自发地从低温物体传到高温物体
②含义：
a.热量会自发地从高温物体传到低温物体，在传递过程中不会对其他物体产生影响；
b.如果有其他作用，热量有可能从低温物体传到高温物体；
c.如果没有其他作用，热量不可能从低温物体传到高温物体
（2）按机械能与内能转化的方向性表述：
①内容：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响
②含义：
a.从单一热源吸收热量，一般来说只有部分转化为机械能，所以第二类永动机是不可能制成的；
b.机械能转化为内能是自然的，可以全部转化；
c.如果引起其他变化，可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功
2.实质：这两种表述是等价的，都揭示了自然界的基本规律：一切与热现象有关的宏观过程都具有方向性，即一切与热现象有关的宏观的自然过程都是不可逆的
3.微观解释：
（1）微观意义：一切自发过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
（2）熵：
①概念:物理学中用字母Ω表示一个宏观状态所对应的微观状态的数目，用字母S表示熵，有,式中k叫做玻尔兹曼常量
②熵增加原理:
a．内容：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。如果过程可逆，则熵不变；如果过程不可逆，则熵增加。
b．从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展


热力学第二定律的理解及应用方法:

(1)传热的方向性。热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行(热量会自发地从高温物体传到低温物体)，但是向相反的方向却不能自发地进行。
(2)第二类永动机不可能制成。我们把没有冷凝器，只有单一热源，从单一热源吸收热量全部用来做功，而不引起其他变化的热机称为第二类永动机。这表明机械能和内能的转化过程具有方向性：机械能可以全部转化成内能，内能却不能全部转化成机械能，而不引起其他变化。即热机的效率不可能达到100％。
(3)热力学第二定律的表述：
①热量不能自发地从低温物体传到高温物体(按传热的方向性表述)。
②不可能从单一热源吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响(按机械能和内能转化的方向性表述)。
③第二类永动机是不可能制成的。热力学第二定律使人们认识到：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。它揭示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要的自然规律。
(4)能量耗散。自然界的能量是守恒的，但是有些能量便于利用，有些能量不便于利用。很多事例证明，我们无法把流散的内能重新收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散。它从能量转化的角度反映出自然界中的宏观现象具有方向性。


知识扩展:

热力学第一定律是和热现象有关的物理过程中能量守恒的特殊表达形式及热量与内能改变的定量关系。而热力学第二定律指出了能量转化与守恒能否实现的条件和过程进行的方向，指出了一切变化过程的自然发展是不可逆的，除非靠外界影响。所以二者相互联系，又相互补充。

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Em和En（m>n）间跃迁时发射光子的频率为ν，其大小可由下式决定：hυ=Em-En。
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En=EKn+EPn。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，EK越大。


氢原子的能级及相关物理量:

在氢原子中，电子围绕原子核运动，如将电子的运动看做轨道半径为r的圆周运动，则原子核与电子之间的库仑力提供电子做匀速圆周运动所需的向心力，那么由库仑定律和牛顿第二定律，有，则
①电子运动速率
②电子的动能
③电子运动周期
④电子在半径为r的轨道上所具有的电势能
⑤等效电流由以上各式可见，电子绕核运动的轨道半径越大，电子的运行速率越小，动能越小，电子运动的周期越大．在各轨道上具有的电视能越大。

原子跃迁时光谱线条数的确定方法:

1．直接跃迁与间接跃迁
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，两种情况辐射(或吸收)光子的频率可能不同。
2．一群原子和一个原子
氧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了。
3．一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱线条数
如果氢原子处于高能级，对应量子数为n，则就有可能向量子数为(n一1)，(n一2)，(n一3)…1诸能级跃迁，共可形成(n一1)条谱线，而跃迁至量子数为(n一 1)的氢原子又可向(n一2)，(n一3)…1诸能级跃迁，共可形成(n一2)条谱线。同理，还可以形成(n一3)，(n 一4)…1条谱线。将以上分析结果归纳求和，则从量子数为n对应的能级向低能级(n—1)，(n一2)…1跃迁可形成的谱线总条数为(n一1)+(n一2)+(n一3)+ …+1=n(n一1)／2。数学表示为
4．一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱线条数
对于处于量子数为n的一个氢原子，它可能发生直接跃迁，只放出一个光子，也可能先跃迁到某个中间能级上，再跃迁回基态而放出两个光子，也可能逐级跃迁，即先跃迁到n一1能级上，再跃迁到n一2能级上， ……，最后回到基态上，共放出n—1个光子。即一个氢原子在发生能级跃迁时，最少放出一个光子，最多可放出n一1个光子。

利用能量守恒及氢原子能级特征解决跃迁电离等问题的方法:

在原子的跃迁及电离等过程中，总能量仍是守恒的。原子被激发时，原子的始末能级差值等于所吸收的能量，即入射光子的全部能量或者入射粒子的全部或部分能量；原子被电离时，电离能等于原子被电离前所处能级的绝对值，原子所吸收的能量等于原子电离能与电离后电离出的电子的动能之和；辐射时辐射出的光子的能量等于原子的始末能级差。氢原子的能级 F 关系为，第n能级与量子数n2成反比，导致相邻两能级间的能量差不相等，量子数n越大，相邻能级差越小，且第n能级与第n一1能级的差比第n能级与无穷远处的能级差大，即另外，能级差的大小故也可利用光子能量来判定能级差大小。


跃迁与电离:

激发的方式:


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