4.4 氢原子光谱和波尔的原子模型 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. 氢原子光谱和波尔的原子模型 人教版（2019）物理（选择性必修第三册） 第四章 原子结构和波粒二象性 目录 素养目标 01 课程导入 02 新课讲解 03 总结归纳 04 课堂练习 05 正确教育 素养目标 1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。知道氢原子光谱的实验规律 2.知道经典理论的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱的分立特性 3.了解玻尔原子理论的基本假设的主要内容。能用玻尔原子理论解释氢原子能级图及光谱 4.认识玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间的继承和发展关系。了解玻尔模型的不足之处及其原因 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 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生其他颜色的光呢？ 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 光谱 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，即光谱。 早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 2.光谱的分类： 发射光谱和吸收光谱 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 ①连续谱：由连续分布的一切波长的光组成的光谱叫做连续谱。 炽热的固体、液体及高压气体的光谱是连续谱。 例如：白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 ②线状谱：只含有一些不连续的亮线的光谱叫线状谱。线状谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是线状谱。 线状谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 太阳光谱 连续光谱 H的发射光谱 Na的辐射光谱 Na的吸收光谱 3. 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） 4. 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。 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。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 氢原子光谱的实验规律 许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱是探索原子结构的一条重要途径。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。 氢气发光时的光谱 1885年，瑞士科学及巴尔末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 观察氢原子的光谱实验 氢气光谱管 分光镜 电源 高压感应线圈 光谱管中稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 1.巴耳末系：可见光区四条谱线公式 2.说明 2）n只能取整数. 1）里德伯常数R∞=1.10×10-7m-1 4）氢光谱在红外和紫外区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 3）意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 其他谱线 莱曼线系 红外区有三个线系 帕邢系 布喇开系 普丰德系 紫外线区 n = 2，3，4 … n = 4，5，6 … n = 5，6，7 … n = 6，7，8 … 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 经典理论的困难 经典理论的困难 核外电子绕核运动 辐射电磁波 电子轨道半径连续变小 原子不稳定 事实上：原子是稳定的 经典理论无法解释原子的稳定性和光谱的分立性 （变化的电磁场） 辐射电磁波频率连续变化，连续光谱 辐射电磁波频率只是某些确定值 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 波尔原子理论的基本假设 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： 轨道量子化 能量量子化 跃迁假说 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 1.轨道量子化 ②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射 轨道量子化： + rn v n=1 n=2 n=3 - ①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值 氢原子： rn=n2r1,n=1、2、3 r1=0.053nm 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 2.定态（能量量子化） 当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，于是就具有不同的能量。 ①能级：各轨道上量子化的能量 ②定态：原子中具有确定能量的稳定状态 基态：能量最低的状态(离核最近) 激发态：其他的能量状态 氢原子：E1=-13.6eV n=1、2、3 n=1 n=2 n=3 E3 E1 E2 基 激 激 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 3.频率条件 原子系统的变化只能是从一个稳定态，完全跃迁到另一个稳定态。 低能级（Em） 电子吸收光子克服库仑引力做功，原子能量增加 高能级（En） 电子辐射光子，原子能量减少 hv=En-Em (n>m) 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 1.处于能级的氢原子，向能级跃迁时( ) A.吸收光子，能量减少 B.吸收光子，能量增加 C.放出光子，能量减少 D.放出光子，能量增加 经典例题 B 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 答案：B 解析：根据波尔原子理论可知处于 n = 1 能级的氢原子，向 n = 3 能级跃迁时吸收光子，能量增加。故选B。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 波尔理论对氢光谱的解释 1.验证巴尔末公式 根据波尔理论，氢原子核外只有一个电子，它绕原子核做圆周运动，轨道半径和能量都是分立的。 + - hv=E3-E2 因此，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。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 氢 原 子 的 能 级 图 激发态 基态 ∞ n ５ ２ ３ -3.4 ４ -1.51 -0.85 -0.54 0 eV E/eV １ -13.6 赖曼系 玻尔理论还能很好地解释甚至预言氢原子其他谱线系 巴 耳 末 系 帕邢系 布 喇 开 系 普 丰 德 系 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 巴耳末系 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 巴耳末公式中的正整数n和2正好代表电子跃迁之前和跃迁之后所处的定态轨道的量子数n和2。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 解释气体导电发光与特征谱线 气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，发生跃迁到激发态，放出光子，最终回到基态。 能级分立 →能量分立 →分立的亮线 各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异。 →特征谱线 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 2.如图所示为氢原子能级示意图，一群处于 n = 4 能级的氢原子向低能级跃迁时，下列说法正确的是( ) A.跃迁过程中最多可辐射出4种频率的光子 B.从n = 4能级跃迁到n = 2能级的氢原子能量增大 C.从n = 4能级跃迁到n = 1能级辐射出的光子波长最长 D.有三种频率的光子可使逸出功为4.54eV的金属发生光电效应 经典例题 D 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 答案：D 解析：A.一群处于n = 4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出 种频率的光子，A错误； B.从n = 4能级跃迁到n = 2能级时向外辐射光子，氢原子能量减小，B错误； C.从n = 4能级跃迁到n = 1能级辐射出的光子能量最大，根据 可知，能量越大的光子，波长越短，C错误； 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 正确教育 波尔理论的局限性 1）成功之处： 保留过多的经典理论，不能解释稍微复杂一点的原子光谱. 电子在确定的轨道上运动，实际上电子的坐标没有确定的值，只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少。 例如： 2）局限： 电子云：如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来像云雾一样，可以形象地把它称做电子云。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 修正波尔理论 必须彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念 →建立量子力学 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 光谱分析 由基尔霍夫开创的光谱分析方法对鉴别化学元素有着巨大的意义。许多化学元素，像艳、物、铊、铜、镓，都是在实验室里通过光语分析发现的。 光谱分析还为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 氢原子光谱和 玻尔的原子模型　 氢原子光谱 光谱 线状谱 连续谱 特征谱线 光谱分析 氢原子光谱实验规律 无法解释原子的稳定及光谱的不连续问题 经典理论困难 玻尔的氢原子模型 玻尔理论的基本假设 轨道假设 能级假设 跃迁假设 对氢原子光谱的解释 玻尔理论的困难 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到 n = 2 能级发出的谱线属于巴尔末系。若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有两条属于巴尔末系，则这群氢原子自发跃迁时最多可能发出多少条不同频率的谱线( ) A.2 B.5 C.4 D.6 D 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 答案：D 解析：氢原子光谱中只有两条巴耳末系，说明是由n = 3，n = 4轨道跃迁到n = 2轨道形成的，故电子所处的最高能级为n = 4的能级上，当这群氢原子自发跃迁时会从n = 4的能级直接向n = 3，n = 2，n = 1的能级跃迁，跃迁到n = 3能级的会直接向n = 2，n = 1的能级上跃迁，跃迁到n = 2能级上的会跃迁到的n = 1能级上，故最多能发出6种不同频率的谱线。 故选D。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 根据玻尔原子理论，一个氢原子从n = 3能级跃迁到n = 2能级，该氢原子( ) A.放出光子，库仑力做正功 B.放出光子，库仑力做负功 C.吸收光子，库仑力做负功 D.吸收光子，库仑力做正功 A 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 答案：A 解析：氢原子从n = 3能级跃迁到n = 2能级，即从高能级向低能级跃迁，释放光子，能量减少，从高能级向低能级跃迁，库仑力做正功。 故选A。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 氢原子钟是利用氢原子能级跃迁时辐射出来的电磁波去控制和校准的石英钟。氢原子能级示意图如图所示，下列说法正确的是( ) A.玻尔理论认为电子的轨道半径是连续的 B.玻尔理论能很好地解释各种复杂原子的光谱 C.大量处于n = 3能级的氢原子可以辐射出3种不同频率的光 D.氢原子从n = 3能级跃迁到n = 1能级需要吸收能量 C 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 答案：C 解析：A.玻尔理论认为原子的能量是量子化的，轨道半径也是量子化的，不是连续的，故A错误； B.玻尔理论由于仍然保留了经典力学的理论，因此存在一定的局限性，只能解释氢原子的光谱，对复杂原子的光谱不适用，故B错误； C.大量处于n = 3能级的氢原子向低能级跃迁时，可以辐射出 种不同频率的光，故C正确； D.氢原子从n = 3能级跃迁到n = 1能级时向外辐射光子，放出能量，故D错误。故选C。 素养目标 课程导入 新课讲解 总结归纳 课堂练习 谢谢观看 $$