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 引入 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？ 原子的核式结构学说 1、在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核。 2、原子的全部正电荷几乎全部质量都集中在原子核里。 3、带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。4、电子在核外圆周运动过程中向外辐射电磁波。 5、电子在核外运动的轨道是连续的 α粒子的散射的实验使我们知道原子具有核式结构， 但是电子在核的周围怎样运动？这些还要通过其他事实才能认识。 4 一、光谱 1.什么叫光谱？ 用棱镜或光栅把物质发出的光按 波长(频率)展开，获得波长(频率) 和强度分布的记录。即光谱。 2.光谱有怎么的分类？ (1)线状谱：光谱是一条条的亮线． (2)连续谱：光谱是连在一起的光带． 3.什么是特征谱线？ 气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光，不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率不一样，光谱中的亮线称为原子的特征谱线． 4、发射光谱 定义：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 分类：发射光谱可分为两类：连续光谱和线状光谱。 一、光谱 新知讲解 （1）连续光谱 连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。 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光谱。 （2）明线光谱（线状光谱） 只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，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明线光谱。 明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。 实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。 新知讲解 几种常见的光谱 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。 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中的一条明线相对应。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。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。 5.吸收光谱 新知讲解 6.光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来 鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。 太阳光 谱 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光 谱分析也可以用于探索原子的结构。 原子的发射光谱和吸收光谱 中的谱线都是原子的特征光 谱，都可以用于光谱分析。 含量达到10-10g就可检测到 光谱分类 ， 二、氢原子光谱的实验规律 氢原子的光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定的波长的光。 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 说明 2）n只能取整数. 1）里德伯常数R∞=1.10×10-7m-1 红外区： 紫外区： 莱曼系 可见光区： 巴耳末系 普丰德系 帕邢系 布喇开系 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。 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 辐射电磁波频率连续变化 原子是稳定的 原子光谱是线状谱 —— 分立 三、经典理论的困难 四、波尔原子理论的基本假设 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。 1．轨道量子化与定态 (1)电子的轨道是量子化的. 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)原子的能量只能取一系列特定的值. 玻尔，丹麦物理学家1885年10月7日—1962年11月18日，1922获得诺贝尔物理学奖 + n=1 n=2 n=3 - 电子 原子核 量子数 基态原子最稳定，激发态原子不稳定，会向低能级跃迁，辐射出光子，且光子能量为 3）能级跃迁： 频率条件： 处于基态或低能级的原子也会吸收光子，跃迁到高能级，吸收的光子的能量为 原子由一个能量状态变为另一个能量状态的过程叫做跃迁. 使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子 a．原子吸收光子跃迁： 光子能量E=En－Em b．原子吸收外来实物粒子(自由电子)跃迁： 入射粒子的能量E≥En－Em 1、轨道假设：原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。 玻尔原子理论的基本假设 氢原子中电子轨道的最小半径 但是，电子轨道半径不是任意的，只有当半径大小符合一定条件时，这样的轨道才是可能的。即电子的轨道是量子化的。 电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。 电子绕核做匀速圆周运动的轨道半径量子化公式 其中r1是电子处于基态时的轨道半径，rn是电子在第n条可能轨道的轨道半径． (n＝1，2，3…) 假说：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 （>） 激 发 态 跃 迁 电子克服库仑力做功增大电势能，原子的能量增加 吸收光子 电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少 辐射光子 基 态 新知讲解 五、玻尔理论对氢光谱的解释 En = E1/n2 （n = 1，2，3，···） 玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢电子可能的轨道半径和对应的能量值。 E1 = -13.6eV 新知讲解 1、巴末耳公式的推导 可见光光子的能量范围约为1.62eV～3.11eV 可见光 对应能级从n>3往n=2能级跃迁 (n＝3,4,5，…)， 2、氢原子能量分析 n ke2 EP   r 六、玻尔理论的局限性 玻尔理论的成功之处 玻尔的原子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，成功的 解释了氢光谱的实验规律，取得了原子理论的新成就，也推动了量子力学的发展。 玻尔理论不但能用于氢原子，也适用于类氢原子，即核外只有一个电子的离子，如He+、Li2+、Be3+等。 玻尔理论的局限性 玻尔的原子理论不能说明谱线的强度和偏振情况，在解释有两个以上电子的原子的复 杂光谱时也遇到了困难，这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子运动的规律。 造成这些困难的原因在于理论内部的矛盾。玻尔理论是一种半经典、半量子的理论： 一方面指出经典物理不适用于原子内部，提出量子化假设；另一方面又应用经典理论计算 电子轨道半径和能级。因此，玻尔理论在解释复杂的微观现象时遇到困难，是必然的。 3.电子云 建立在量子力学基础上的原子理论认为，核外电子的运动服从统计规律，没 有确定的轨道。通常用电子云形象地描述电子在核外各处单位体积内出现的概率 大小。电子云稠密的地方，单位体积内电子出现的概率大。 例如，氢原子在基态时，电子出现概率最大的区域是以核为中心、半径为0.053nm的球壳附近，这个数值跟用玻 尔理论计算的氢原子基态的电子轨道半径相同。 基态氢原子的电子云示意图 1. 根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后（　　） A.原子的能量增加，电子的动能减少 B.原子的能量增加，电子的动能增加 C.原子的能量减少，电子的动能减少 D.原子的能量减少，电子的动能增加 解析：电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，放出光子，总能量减少；由可知半径越小，动能越大。 D 例题. 关于氢原子从第2能级跃迁到第1能级过程中的能量变化，下列说法中正确的有 电子的动能增大 原子系统的电势能增大 电子动能的增加量等于系统电势能的减少量 D．电子动能的增加量小于系统电势能的减少量 答案：AD k e e n n n ke2 m v2 r 2 ke2 2r e e r  E  m v2  n ke2 EP   r ke2 ke2 ke2 En  Ek  EP  2r  ( r )   2r n n n 4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光谱分类 1.发射光谱 2.吸收光谱:连续谱 产生条件：炽热物体发出的白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱（太阳的光谱是吸收光谱。） 二、氢原子光谱的实验规律 可见光区 三、波尔原子理论 1、能级跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，会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 高 低：放出（辐射）光子 低 高：吸收光子 产生条件：炽热固体、液体和高压气体发光形成的 稀薄气体发光形成的（原子的特征谱线。） 里德伯常数R∞=1.10×10-7m-1 2、使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子 a．原子吸收光子跃迁：光子能量E=En－Em b．原子吸收外来实物粒子跃迁：入射粒子的能量E≥En－Em 3、氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量 (n＝1，2，3…) 4、谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n一1)。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数 5、 巴耳末公式：＝R∞(－)(n＝3,4,5，…) eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) 氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子轨道，电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势能之和即为原子的能量，即E＝Eke＋EpH。电子绕核做圆周运动由库仑力提供向心力，有keq \f(e2,r\o\al(2,n))＝eq \f(mv\o\al(2,n),rn)，电子的动能Eke＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,n)＝eq \f(ke2,2rn)；系统的电势能根据库仑力做功来判断：靠近核，库仑力对电子做正功，系统电势能减小，远离核，库仑力对电子做负功，系统的电势能增大。 3．谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。 可采用数学中的组合知识求解：N＝Ceq \o\al(2,n)＝eq \f(nn－1,2)。 巴耳末公式：＝R∞(－)(n＝3,4,5，…) $$