4.4氢原子光谱和玻尔的原子模型 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

4.4氢原子光谱和玻尔的原子模型 选择性必修第三册&第四章 原子结构和波粒二象性 授课教师：xxx 把食盐放在火中灼烧，会发出黄色的光。食盐为什么发黄光而不发其他颜色的光呢？ 课堂引入 1、光谱：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长展开，获得波长和强度分布的记录。 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象 光谱的分类： 发射光谱和吸收光谱。 一、光谱—定义 连续谱 线状普 发射光谱 由发光体直接产生的光谱 （光谱是一条条的亮线） 实验证明，各种原子发射的光谱都是线状谱，说明原子只能发出几种具有本身特征的特定波长的光。不同原子亮线的位置不同，因此这些亮线称为原子的特征谱线。 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）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。即连续光谱背景上出现的一些暗线。 2、分类 （连续分布，一切波长的光都有） 明线谱中的亮线叫谱线，对应不同波长的光 一、光谱—分类 3、光谱分析： (1) 原子的特征谱线：每种原子只能发出具有本身特征的特定频率（或波长）的光，不同原子亮线的位置不同，这些亮线称为原子的特征谱线。（线状谱和吸收光谱都是原子的特征谱线） (2) 光谱分析：利用原子的特征谱线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。其优点是灵敏度高, 样本中一种元素的含量达到10−13 kg时就可以被检测到。 一、光谱—光谱分析 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。 二、氢原子光谱的实验规律—放电管 可见光区 氢原子在可见光区的四条谱线 3、可见光的波长范围： 4.0×10-7m～7.6×10-7m (400nm～760nm)。 1、氢原子在可见光区有四条谱线。氢原子光谱呈现分立的明线条纹，在可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。 紫外区 红外区 2、氢原子的谱线由不同色亮线组成，每种颜色对应着一种波长。 1.氢原子的光谱 二、氢原子光谱的实验规律—氢原子光谱 氢原子的谱线在可见光区有四条，每种颜色对应着一种波长。 1885年，瑞士科学家巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的4条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示： 2.巴耳末公式 公式意义： ●每一个n值分别对应一条谱线 ●体现原子光谱波长具有分立特性 除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 二、氢原子光谱的实验规律—巴耳末公式 经典理论的困难 巴尔末公式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。卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。 电子绕核转动的经典图景 三、经典理论的困难—困难 原子是稳定的 电子绕核运动时，产生变化的电磁场，将不断向外辐射电磁波，电子的能量不断损失，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定． 经典理论认为 事实 矛盾一：无法解释原子的稳定性 三、经典理论的困难—矛盾一 由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率，连续变化，原子光谱应该是连续光谱。 经典理论认为 事实 原子光谱是不连续的线状谱 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，提出了自己的原子结构假说。 矛盾二：无法解释原子光谱的分立性 三、经典理论的困难—矛盾二 普朗克黑体辐射的量子论 爱因斯坦的光量子论 波尔原子结构假说 1.轨道量子化 2.能量量子化 3.跃迁假说 四、玻尔原子理论的基本假设—原子结构假说 + rn n=1 n=2 n=3 v - ——针对原子核式结构模型提出 n=4 n=∞ 假设1、轨道量子化 玻尔认为，原子中电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动。但电子运行轨道的半径不是任意的，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。 轨道量子化 四、玻尔原子理论的基本假设—假设1 当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，原子的能量也只能去一系列特定的数值，即能量量子化。 能级：原子的在各种定态（各轨道上）时的能量值 定态：原子具有确定能量的稳定状态 ① 基态：能量最低的状态(电子离核最近) ② 激发态：其他的能量状态 几 个 概 念 ——针对原子的稳定性提出 假设2：能量量子化（定态、能级） n=∞ 原子的能量与电子所在的轨道相对应 四、玻尔原子理论的基本假设—假设2 电子轨道与原子能级的对应关系 基态 激发态 E4 1 2 3 4 E1 E3 E2 E∞ n 轨道与能级相对应 原子能级图 第1激发态 ∞ 第n-1激发态 电子轨道图 + n=1 n=2 n=3 v - n=4 v - v - v - n=∞ n为正整数，叫做量子数。n越大，表示能级越高，电子离核越远。 四、玻尔原子理论的基本假设—假设2 玻尔假定：电子从一种定态轨道（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即： hν = En - Em (m<n) ——针对原子光谱是线状谱提出 假设3：频率条件(跃迁假说） + m n - 低能级（Em） 高能级（En） 吸收光子 辐射光子 跃 迁 例如：从n=3能级跃迁到n=2时放出光子，放出光子的能量为hν=E3-E2，氢原子的核外电子由r3轨道跃迁到r2轨道； 四、玻尔原子理论的基本假设—假设3 玻尔提出原子结构假说后，就想通过实验证明，寻寻觅觅，结果就找到了氢原子很符合他的模型。 1.氢原子的能级公式和能级图：★★★ 玻尔利用库仑力提供向心力，计算出了氢原子的电子可能的轨道半径和原子系统对应的总能量。(一般取电子离核处无穷远时系统电势能为零) （n = 1,2,3···） r1 = 0.053 nm （n = 1,2,3···） 式中n为正整数，叫做量子数。n越大，表示能级越高，电子离核越远。 轨道半径： 能级公式： 五、玻尔理论对氢光谱的解释—半径和能级 1、电子从高能级向低能级跃迁（自发跃迁） 处于激发态的原子是不稳定的，可自发地经过一次或几次跃迁到达基态。 发射光子的能量： ——发射光子 由于能级是分立的，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。 - - hν = En - Em 五、玻尔理论对氢光谱的解释—自发跃迁 2、电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁） 吸收光子的能量： ——吸收光子 - - 吸收光子的能量必须等于能级差 - - 处于某个能级的电子吸收能量，挣脱原子核的束缚，成为自由电子的现象，叫做电离。电离后自由电子动能EK = hv - En 发射光谱的明线与吸收光谱的暗线频率相同 hν = En - Em 五、玻尔理论对氢光谱的解释—受激跃迁 玻尔在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念 同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律 除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难 没有绕开经典理论 无法解释复杂一点的原子的光谱现象 无法解释谱线的强度等 1、玻尔理论的局限性 六、玻尔理论的局限性—局限 汤姆孙发现电子 汤姆孙的西瓜模型 α 粒子散射实验 卢瑟福的核式结构模型 原子不可割 汤姆孙的西瓜模型 原子稳定性事实氢光谱实验 卢瑟福的核式结构模型 复杂（氦）原子光谱 量子力学理论 玻尔模型 建 立 否 定 建 立 否 定 建 立 否 定 否 定 观察与实验所获得的事实 建 立 科 学 模 型 提 出 科 学 假 说 玻尔模型 彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念 建 立 电子云 电子在某处单位体积内出现的概率 2、原子结构理论的发展过程 六、玻尔理论的局限性—发展过程 氢原子光谱 光谱 氢原子光谱实验规律 经典理论的困难 线状谱 连续谱 巴尔末系：巴尔末公式 原子的稳定性 原子光谱的分立性 光谱分析 其他线系 玻尔的原子模型 波尔原子理论的假设 波尔理论对氢光谱的解释 波尔理论的局限性 课堂总结 自主评价————————————————— 1．判断正误 (1)各种原子的发射光谱都是线状谱，并且只能发出几个特定的频率。 (　　) (2)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分。(　　) (3)巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数。(　　) (4)玻尔的原子结构假设认为电子的轨道是量子化的。(　　) (5)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态。(　　) √ √ × √ √ 课堂练习 　关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是(　　) A．太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱 B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱 C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，也可以利用连续谱 D．观察月亮光谱，可以确定月亮的化学组成 B 课堂练习 　1.太阳光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于(　　) A．太阳表面大气中缺少相应的元素 B．太阳内部缺少相应的元素 C．太阳表面大气层中存在着相应元素 D．地球表面大气层中存在着相应元素 C 课堂练习 2．(多选)关于光谱，下列说法正确的是(　　 ) A．炽热的液体发射连续谱 B．线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析 C．每种原子都有自己的特征谱线 D．发射光谱一定是连续谱 ABC 课堂练习 CD 课堂练习 A 课堂练习 　氢原子的能级图如图所示，已知可见光光子能量范围为1.62～3.11 eV。下列说法正确的是(　　) 课堂练习 A．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离 B．大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光中一定包含可见光 C．大量处于n＝2能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光子能量较大，有明显的热效应 D．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，只可能发出3种不同频率的光 [答案]　A 课堂练习 　4.(多选)下列有关氢原子光谱的说法，正确的是(　 　) A．氢原子的发射光谱是线状谱 B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光 C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的 D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关 ABC 课堂练习 5．如图所示为氢原子的能级图。用光子能量为13.06 eV 的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有(　　) A．15种　　　　　　 B．10种 C．4种 D．1种 B 课堂练习 $$