4.氢原子光谱和波尔的原子模型 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

§4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 1.光谱：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开，获得波长（频率）和强度分布的记录，即光谱。 一、光谱 2.光谱的分类 ：发射光谱和吸收光谱 （1）发射光谱：物体发光直接产生的光谱 ①连续光谱 由连续分布的一切波长的光组成 特点：整个光谱区域都是亮的 产生：炽热的固体、液体及高压气体的光谱 实例：白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水 ②线状光谱（明线光谱） 只含有一些不连续的亮线的光谱，线状谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。 产生：稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱 线状光谱由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱 实例：霓虹灯发出的光 a.各种原子的发射光谱都是线状光谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 线状谱的特点： b.不同原子的亮线位置（谱线）不同，说明不同原子的发光频率不同。因此线状光谱的谱线被称为原子的特征谱线。 几种原子的发射光谱 （2）吸收光谱：高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过低温物质时，某些波长的光被低温物质吸收后产生的光谱。 特点：光谱区域存在一条条暗线（被低温物质吸收） Na原子的吸收光谱（暗线） Na原子的发射光谱（明线） H原子的吸收光谱（暗线） H原子的发射光谱（明线） 吸收光谱和线状谱（发射光谱）的关系： 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱（线状光谱）中的一条明线相对应。 吸收光谱也是原子的特征谱线 太阳光谱是吸收光谱 3.光谱分析 既然每种原子都有自己的特征谱线，我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。这种方法称为光谱分析。 原子的特征光谱 优点：灵敏度高 样本中一种元素的含量达到10-13kg时就可以被检测到。 利用白炽灯的光谱，能否检测出灯丝的成分？ 不能，白炽灯的光谱是连续谱，不是原子的特征谱线，因而无法检测出灯丝的成分 二、氢原子光谱（发射光谱）的实验规律 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。 巴耳末公式： 式中的n只能取整数，它确定的这一组谱线称为巴耳末系。 n=3 n=4 n=5 n=6 巴耳末公式的意义： 以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征 三、经典理论的困难 矛盾一：无法解释原子的稳定性 矛盾二：无法解释原子光谱的分立性 核外电子绕核运动 辐射电磁波 事实上： 原子是稳定的 事实上：辐射电磁波频率只是某些确定值 电子轨道半径连续变小 原子不稳定 辐射电磁波频率连续变化 四、玻尔原子理论的基本假设 假说1：轨道量子化 针对原子核式结构模型提出 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射，也就是说，电子的轨道是量子化的。 假说2：定态（能级）假说 针对原子的稳定性提出 电子在不同的轨道上运动，原子处于不同的状态。根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，因此，原子的能量也只能取一系列特定的值。这些量子化的能量值叫作能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。 原子的能量：是核外电子绕原子核运动时的动能与原子所具有的电势能的总和。 思考：电子处于内层轨道时能量较低还是外层轨道时原子所具有的能量较低？ 内层轨道时原子的能量较低 能级：量子化的能量值。 定态：原子中这些具有确定能量的稳定状态。 基态：能量最低的状态（离核最近、稳定）。 激发态：其他的状态（不稳定）。 1 2 3 E4 1 2 3 4 5 E1 E3 E2 E5 E∞ n 基态 激发态 能级图 假说3：频率条件（跃迁假说） 针对原子光谱是线状谱提出 E4 1 2 3 4 5 E1 E3 E2 E5 E∞ n 基态 激发态 当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为En）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为Em，m < n）时，会放出（辐射）能量为hv的光子（h是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。 原子从低能级向高能级跃迁（电子从低轨道向高轨道跃迁）： 电子从低轨道向高轨道跃迁，电子克服库仑引力做功，电势能增大，原子的能量增加，要吸收能量。 吸收光子，原子能量增大 原子从高能级向低能级跃迁（电子从高轨道向低轨道跃迁）： 电子从高轨道向低轨道跃迁，库仑引力对电子做正功， 电势能减小，原子的能量减小，要释放能量 辐射光子，原子能量减小 吸收光子能量： 辐射出的光子能量： 五、玻尔理论对氢光谱的解释 1.根据玻尔理论推导出巴耳末公式，并从理论上算出里德伯常量 的值。这样得到的结果与实验值符合得很好。 2.玻尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子的其他谱线系，即氢原子从高能级向m ＝ 1，3，4，5能级跃迁，也会产生相应的光谱。它们也都被实验观测到了，分别称为赖曼系、帕邢系、布喇开系等。 五、玻尔理论对氢光谱的解释 3.原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 4.由于不同的原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。 六、玻尔理论的局限性 1.玻尔理论的不足之处在于保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。 2.玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf56.15.102 $$