4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 约翰·雅各布·巴耳末，瑞士数学家、物理学家。主要贡献是建立了氢原子光谱波长的经验公式——巴耳末公式。大学时期留学德国的卡尔斯鲁厄大学和柏林大学，攻读数学，1846年回到瑞士，担任中学时期的母校巴塞尔中学的工程制图教师。1849年巴耳末以关于摆线的论文在瑞士巴塞尔大学获得博士学位。1859年起在瑞士巴塞尔女子中学担任数学教师，1865年到1890年期间兼任瑞士巴塞尔大学讲师。1898年在巴塞尔逝世，终年72岁。 α粒子散射的实验使我们知道原子具有核式结构，但电子在核的周围怎样运动?它的能量怎样变化?这些还要通过其他事实才能认识。 金属原子 原子核 早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。 一、光谱 1、光谱是用光栅或棱镜把各种颜色的光按波长展开，获得波长（频率）和强度分布的记录。 2、分类：线状谱和连续谱。 最上一条是连续谱，其他几条是线状谱与连续谐的叠加。 一、光谱 3、特征谱线：原子发光光谱上的亮线。 原子的发光光谱是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样。 光谱分析：既然每种原子都有自己的特征谱线，我们可以利用它来鉴别和确定物质的组成成分。 例：如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为（ ） A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素 B 二、氢原子光谱的实验规律 光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。 二、氢原子光谱的实验规律 1885年，巴耳末对当时已知的可见光区的4条谱线分析，得到巴耳末公式： 巴耳末公式确定的这一组谱线称为巴耳末系。 除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 三、经典理论的困难 经典理论认为：电子绕核运动不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定。但事实上原子很稳定。 + + 经典理论认为：由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率也该连续变化，原子光谱应该是连续光谱。 三、经典理论的困难 原子光谱是不连续的，是线状谱。 经典物理学不能解释原子世界的现象。 为了解决这个矛盾，1913年丹麦的物理学家玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了玻尔理论。 四、玻尔原子理论的基本假设 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。 电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不向外辐射电磁波。 假说1：轨道量子化 + 分立轨道 四、玻尔原子理论的基本假设 假说2：定态(能级)假说 玻尔指出，电子在不同的轨道上运动，原子处于不同的状态，具有不同的能量。所以原子的能量也是量子化的。 + 四、玻尔原子理论的基本假设 能级：原子的能量是量子化的，量子化的能量值叫能级。 定态：原子中具有确定能量的稳定状态。 1 2 3 E4 1 2 3 4 5 E1 E3 E2 E5 E∞ 激发态 基态 四、玻尔原子理论的基本假设 假说3：跃迁假说 当电子从能量较高的定态轨道（能量为Em）跃迁到较低的定态轨道（能量为En）时，会放出能量为hν的光子，即hν＝Em-En （频率条件，又称辐射条件），这也就是原子发光的原因。 + Em En hν 五、玻尔理论对氢光谱的解释 玻尔从上述假设出发，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量。 (r1=0.053nm) 可见光区 巴耳末公式代表的应该是电子从量子数分别为n＝3，4，5...的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。 巴耳末系 （1）定态的能量值指总能量(即E=Ek+Ep) 例如：E1=-13.6eV，其中Ek1=13.6eV，Ep1=-27.2eV。 （2）电势能Ep＜0，原因是规定无限远处的电势能为零。越是里面轨道电势能越少，负得越多。 五、玻尔理论对氢光谱的解释 五、玻尔理论对氢光谱的解释 （3）跃迁时能量的变化 当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小。 反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。 1 2 3 （4）氢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轨道上，跃迁的情况只有一种，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。 五、玻尔理论对氢光谱的解释 1 2 3 （5）从低能级向高能级跃迁 对于能量小于13.6ev的光子，要么全被吸收，要么不吸收。 吸收能量大于或等于13.6ev的光子，氢原子会电离； 吸收光子: 吸收实物粒子能量： 只要