4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 课件 -2024-2025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 焰色反应 铜 蓝色火焰 钠 橙黄色火焰 锶 红色火焰 钡 黄绿色火焰 光的色散——光谱 用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开 一、光谱 1. 光谱：电磁辐射按波长（频率）分布和强度分布的记录， 有时只是波长成分的记录。 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 一、光谱——发射光谱 2. 发射光谱：物体发光直接产生的光谱，叫做发射光谱。 连续分布、包含一切波长的光的光谱，叫做连续光谱。 连续光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的彩色光带，包含从红光到紫光的各种色光。 炽热的固体、液体、高压气体的发射光谱是连续光谱。 如：白炽灯丝、炽热钢水、烛焰发出的光都会形成连续光谱。 连续光谱 一、光谱——发射光谱 2. 发射光谱：物体发光直接产生的光谱，叫做发射光谱。 明线光谱/线状光谱/原子光谱 只含有不连续分布的明线的光谱，叫做明线光谱，也称线状光谱。 明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应不同波长的光。 明线光谱是由游离状态的原子发射的，原子不同，明线光谱不同。 每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，也称原子光谱。 如：稀薄气体、金属蒸气、原子的发射光谱 一、光谱——发射光谱 2. 发射光谱：物体发光直接产生的光谱，叫做发射光谱。 连续光谱 线状光谱 一、光谱——吸收光谱 高温物体发出的白光（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。如：太阳的光谱 3. 吸收光谱 一、光谱——吸收光谱 一、光谱——特征谱线 氢的吸收光谱 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都与该种原子的发射光谱中的一条明线相对应，这就是原子的特征谱线。 这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。 氢的明线光谱 一、光谱——特征谱线 实验表明，各种原子发射的光谱都是线状谱。 原子只能发出几种具有本身特征的特定频率的光，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。 一、光谱——光谱分析 钨丝白炽灯的光谱 铁电极弧光的光谱 分子状态的氢光谱 钡光谱 由于每一种元素都有自己的特征谱线，可以通过原子的特征谱线来鉴别物质、确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分析。它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-13g时就可以被检测到，常用于发现新元素和研究天体的化学组成。 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，光谱分析可用于探索原子结构。 二、氢原子光谱的实验规律 氢原子是最简单的原子，光谱也最简单。 二、氢原子光谱的实验规律 许多情况下，原子内部电子的运动是原子发光的原因，因此，光谱研究是探索原子结构的一条重要途径。 氢气光谱管 分光镜 高压电源 二、氢原子光谱的实验规律 可见光区 紫外区 红外区 氢原子光谱呈现分立的明线条纹，谱线由不同色亮线组成，每种颜色对应着一种波长。 氢原子在可见光区有四条谱线，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。 (400nm～760nm) 二、氢原子光谱的实验规律——巴耳末系 可见光区的四条谱线：巴耳末系 巴耳末系的波长公式： n＝3，4，5，... R∞：里德伯常量 实验测量值R∞＝1.10×107 m-1 n：每个n值对应氢光谱中一条谱线的波长，即对应一条谱线。 n值只能取正整数值3，4，5，…… 二、氢原子光谱的实验规律——其他线系 n＝4，5，6，... 帕邢系 n＝6，7，8，... 普丰特系 n＝5，6，7，... 红外区： 布喇开系 紫外区： n＝2，3，4，... 莱曼线系 三、经典理论的困难 原子的稳定性 经典物理学中，认为核外电子绕核旋转，电子将不断向四周辐射电磁波，能量不断减少，轨道半径变小，逐渐靠近原子核，最后落回到原子核上，形成原子坍塌。与原子是个稳定系统的事实相矛盾。 三、经典理论的困难 原子光谱的分立特性 经典物理学中，认为核外电子绕核旋转，转动轨道及转动频率不断变化，辐射的电磁波频率连续变化， 即原子光谱应是连续的光谱。与线状、分立的原子光谱（辐射电磁波频率只是某些确定值）相矛盾。 四、玻尔原子理论的基本假设 假设1：轨道量子化 针对原子核式结构模型 + rn n=1 n=2 n=3 v - 轨道量子化： 氢原子： n=4 n=∞ 绕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。 量子数 n=1, 2, 3…… 四、玻尔原子理论的基本假设 假设2：能量量子化（定态、能级） 针对原子的稳定性 电子的动能： 原子电势能： 原子总能量： ( n=1, 2, 3……) 能量量子化： 氢原子： 四、玻尔原子理论的基本假设 假设2：能量量子化（定态、能级） 针对原子的稳定性 能级：原子的在各种定态时的能量值 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（离核最近） ② 激发态：其他能量状态 电子只能在特定轨道上运动，电子沿不同轨道绕核运动时，原子具有相应的、不同的、确定的能量。 基态 激发态 E4 1 2 3 4 E1 E3 E2 E∞ n 原子能级图 第1激发态 ∞ 第n-1激发态 四、玻尔原子理论的基本假设 假设2：能量量子化（定态、能级） 针对原子的稳定性 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 原子能级图 第1激发态 ∞ 第n-1激发态 电子的动能： 原子电势能： 原子总能量： ( n=1, 2, 3……) 能量量子化： 氢原子： 四、玻尔原子理论的基本假设 假设3：频率条件（跃迁假说） 针对原子光谱是线状谱 低能级（En） 高能级（Em） 吸收光子，电子克服库仑力做功电势能增加，原子能量增加 辐射光子，电子受库仑力做正功 电势能减少，原子能量减少 跃 迁 + m n - 频率条件： 原子在始、末两个能级Em和En之间跃迁时， 发射（吸收）光子的频率由前后能级的能量差决定 五、玻尔理论对氢光谱的解释 赖曼系（紫外线） 巴耳末系（可见光） 帕邢系（红外线） 布喇开系 逢德系 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 + 成功解释了氢光谱的所有谱线 五、玻尔理论对氢光谱的解释 电子从高能级向低能级跃迁：自发跃迁；发射光子；放出能量 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： 能级是分立的，放出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，是导致原子发光现象的原因。 氢原子能级图 五、玻尔理论对氢光谱的解释 电子从低能级向高能级跃迁：受激跃迁；吸收光子；吸收能量 吸收光子的能量： 发射光谱明线与吸收光谱暗线 频率相同 原子的电离：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，即原子由某一定态轨道跃迁到最高能级n=∞的过程。 氢原子能级图 五、玻尔理论对氢光谱的解释 电子从低能级向高能级跃迁——吸收光子（光照） 原子的电离 原子的跃迁 跃迁条件： 电离后的自由电子动能： 对于能量大于或等于13.6eV的光子：氢原子电离，原子结构被破坏 （En<0） 电离条件： 对于能量小于13.6eV的光子：光子能量必须恰好等于能级差要么全被吸收，要么不吸收。 五、玻尔理论对氢光谱的解释 电子从低能级向高能级跃迁——吸收实物粒子能量（碰撞、加热） 原子的电离 原子的跃迁 电离后的自由电子动能： （En<0） 电离条件： 跃迁条件： 只要实物粒子（如：电子、α粒子等）的能量足以使氢原子向高能级跃迁，就可以被氢原子全部吸收或部分吸收而使氢原子向高能级跃迁，多余能量由实物粒子保留，仍为实物粒子动能。 五、玻尔理论对氢光谱的解释 低能级向高能级跃迁（受激跃迁） 从高能级向低能级跃迁（自发跃迁） 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 六、玻尔理论的局限性 六、玻尔理论的局限性 汤姆孙发现电子 汤姆孙 枣糕模型 卢瑟福 核式结构模型 原子不可割 汤姆孙 枣糕模型 原子稳定性的事实 氢光谱实验 卢瑟福 核式结构模型 出现矛盾 复杂(氦)原子光谱 玻尔模型 出现矛盾 否定 建立 否定 建立 否定 建立 玻尔模型 否定 量子力学理论 建立 出现矛盾 α 粒子散射实验 建 立 科 学 模 型 提 出 科 学 假 说 观察与实验所得事实 4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 $$