第4章 4 氢原子光谱和玻尔的原子模型(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（人教版2019）

4　氢原子光谱和玻尔的原子模型

[学业要求]

1．了解光谱、连续谱和线状谱等概念。

2．知道氢原子光谱的实验规律。

3．知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。

4．了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。

5．能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型。

6．了解玻尔模型的不足之处及其原因。

一、光谱

1．定义

用光栅或棱镜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。

2．分类

(1)线状谱：由一条条的__亮线__组成的光谱。

(2)连续谱：由连在一起的__光带__组成的光谱。

3．特征谱线

气体中中性原子的发射光谱都是__线状谱__，且不同原子的亮线位置__不同__，故这些亮线称为原子的__特征__谱线。

4．光谱分析

由于每种原子都有自己的__特征谱线__，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，它的优点是__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。

二、氢原子光谱的实验规律

1．巴耳末公式：＝R∞(n＝3,4,5，…)，

其中R∞叫作里德伯常量，其值为R∞＝1.10×107 m－1。

2．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的特征。

三、经典理论的困难

1．核式结构模型的成就：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。

2．经典理论的困难：经典(电磁)理论既无法解释原子是个很__稳定__的系统，又无法

解释原子光谱的__分立__的线状谱。

四、玻尔原子理论的基本假设

1．轨道量子化

(1)原子中的电子在__库仑引力__的作用下，绕原子核做__圆周运动__。

(2)电子运行轨道的半径不是任意的，也就是说电子的轨道是__量子化__的。

(3)电子在这些轨道上绕核的运动是__稳定__的，不产生__电磁辐射__。

2．定态

(1)当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有不同的能量，即原子的能量是__量子化__的，这些量子化的能量值叫作__能级__。

(2)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__。

3．跃迁

(1)当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En，m>n)时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝__Em－En__，该式被称为频率条件，又称辐射条件。

(2)反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。

五、玻尔理论对氢光谱的解释

1．氢原子的能级图

2．解释巴耳末公式

(1)按照玻尔理论，原子从较高能级(如从E3)跃迁到较低能级(如到E2)时，辐射的光子的能量为hν＝__E3－E2__。

(2)巴耳末公式中的正整数n和2，正好代表电子跃迁之前和之后所处的__定态轨道__的量子数n和2。并且理论上的计算和实验测量的__里德伯常量__符合得很好。

3．解释气体导电发光：通常情况下，原子处于基态，基态是最稳定的，原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到__激发态__，处于激发态的原子是__不稳定__的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出__光子__，最终回到基态。

4．解释氢原子光谱的不连续性：原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于

前后__两能级差__，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。

5．解释不同原子具有不同的特征谱线：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。

六、玻尔理论的局限性

1．玻尔理论的成功之处

玻尔理论第一次将__量子观念__引入原子领域，提出了__定态__和__跃迁__的概念，成功解释了__氢原子__光谱的实验规律。

2．玻尔理论的局限性

保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。

3．电子云

原子中的电子的__坐标__没有确定的值，我们只能描述电子在某个位置出现__概率__的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像__云雾__一样，人们形象地把它叫作__电子云__。

1．下列说法正确的是(　　)

A．线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质

B．可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分

C．处于基态的原子是不稳定的，会自发地向其他能级跃迁，放出光子

D．不同的原子具有相同的能级，原子跃迁时辐射的光子频率是相同的

答案　B

2．如图为氢原子的能级图，则电子处在n＝4轨道上比处在n＝3轨道上离核的距离__远__(选填“远”或“近”)。当大量氢原子处在n＝3的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有__3__条。

探究点一　对光谱和光谱分析的理解

1．光谱的分类