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

第四章 原子结构和波粒二象性 第4节 氢原子光谱和波尔的原子模型 02 主题二、氢原子光谱 01 主题一、光谱 目录 CONTENTS 03 主题三、玻尔原子模型 第4节 氢原子光谱和波尔的原子模型 04 主题四、氢原子能级 早在17世纪,牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱 新课引入：什么是光谱？ 第一部分 光谱 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 红 橙黄 绿 青 蓝 紫 平行光管 标度管 三棱镜 观察管 研究光谱的仪器：分光镜 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 标度管 分光镜 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 连续光谱: 例:白炽灯丝、烛焰、炽热的钢水发出的光 由连续分布的一切波长的光组成 产生条件：炽热的固、液和高压气体发光形成的 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 高压 电源 稀薄氢气 一、光谱 线状光谱: 只含有一些不连续的亮线的光谱 产生条件：稀薄气体或金属蒸气发光形成的 连续光谱: 由连续分布的一切波长的光组成 产生条件：炽热的固、液和高压气体发光形成的 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 各种元素都只能发出具有本身特征的某些波长的光，明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。 一、光谱 氢气 钠蒸气 光谱中产生的一组暗线，每条 暗线的波长都跟那种气体原子 的特征谱线相对应。 注意:①气体原子吸收的光，恰好就是这种原子发出的光 高温物体发出的白光通过较低温度稀薄气体时， 2.吸收光谱: 某些波长的光被稀薄气体吸收后产生的光谱 ②太阳的光谱是吸收光谱。 太阳光谱 放大太阳的光谱，发现其中有很多暗线 一、光谱 1.发射光谱: 物体发光直接产生的光谱 连续光谱 H的发射光谱 钠的发射光谱 钠的吸收光谱 太阳的吸收光谱 一、光谱 光 谱 发射光谱 定义：由发光体直接产生的光谱 连续光谱 ｛ 产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发光形成的 光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有 线状光谱 ｛ （原子光谱） 产生条件：稀薄气体发光形成的光谱 光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱） 吸收光谱 定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱 产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的 光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应） 各种光谱的特点及成因： 思考:太阳的光谱中为什么会有这些吸收光谱的暗线呢？ 人们很快意识到： 太阳发出的是连续光谱， 在经过太阳高空的稀薄大气层时肯定就被吸收了。 这样人们就知道太阳表面大气层含有什么元素了。 人类从此掌握了研究星空的钥匙。 但是这样人类仍然不知道恒星内部有什么元素？ 通过对光谱得深入分析最终发现恒星的主要构成元素 3.光谱分析: 根据原子光谱鉴别物质的化学组成。 钠的发射光谱 钠的吸收光谱 光谱能反映不同元素的特征，因此研究光谱就可以推测原子的内部结构，其中氢原子是最简单的原子，人们就开始集中力量研究氢原子的光谱。 注意:①蒸气的发射光谱或吸收光谱又叫原子光谱 一、光谱 ②灵敏度高，分析物质的最低量达10-13 kg。 3.光谱分析: 根据原子光谱鉴别物质的化学组成。 注意：蒸气的发射光谱或吸收光谱又叫原子光谱 一、光谱 656.3 486.3 434.4 410.2nm 可见光 思考:这些波长有什么特点和规律吗？ 第二部分 氢原子光谱 656.3 486.3 434.4 410.2nm 二、氢原子光谱 1.巴耳末系： 适合可见光的四条谱线及紫外部分谱线 思考：波长最长的n=？ 波长最短的n=？ 3 8 n=3.4.5.... =R(-) 里德伯常量R=1.10×107m-1 (1885年，瑞士科学家巴耳末发现) 656.3 486.3 434.4 410.2nm 二、氢原子光谱 1.巴耳末系： 适合可见光的四条谱线及紫外部分谱线 n=2.4.5.... =R(-) 2.莱曼线系： 适合紫外线区的谱线 n=3.4.5.... =R(-) 里德伯常量R=1.10×107m-1 (1885年，瑞士科学家巴耳末发现) 656.3 486.3 434.4 410.2nm 二、氢原子光谱 3.红外线系： n=5.6.7.... =R(-) n=4.5.6.... =R(-) n=6.7.8.... =R(-) 帕邢系 布喇开系 普丰特系 =R(-) (1885年，瑞士科学家巴耳末发现) 656.3 486.3 434.4 410.2nm 二、氢原子光谱 4.通式： =R(-) n= m=1.2.3.... m+1 里德伯常量R=1.10×107m-1 ①一个m构成一个谱线系 ②每一谱线的波数都等于两项的差数 思考:为什么氢原子只能发出特定波长（频率）的光呢？它为什么不能发出全部频率的连续光谱呢？ (1885年，瑞士科学家巴耳末发现) + 思考：为什么氢原子只能发出特定波长（频率）的光呢？它为什么不能发出全部频率的连续光谱呢？ 按照经典电磁理论，电子绕核旋转，向外辐射电磁波，能量会减小。 从而造成原子不稳定，并在这个过程中发出各种频率的光 这说明经典的核式结构也是有问题的 经典理论有问题怎么办？ 创建新理论 二、氢原子光谱 思考：为什么氢原子只能发出特定波长（频率）的光呢？它为什么不能发出全部频率的连续光谱呢？ 按照经典电磁理论，电子绕核旋转，向外辐射电磁波，能量会减小。 从而造成原子不稳定，并在这个过程中发出各种频率的光 这说明经典的核式结构也是有问题的 经典理论有问题怎么办？ 创建新理论 二、氢原子光谱 N.波尔(1885-1962)丹麦物理学家.1913年玻尔提出了自己的原子结构假说。1922年获诺贝尔物理学奖 第三部分 玻尔原子模型 N.波尔(1885-1962)丹麦物理学家.1913年玻尔提出了自己的原子结构假说。1922年获诺贝尔物理学奖 + r1 r2 r3 ③轨道跃迁假设：若吸收光子，由低轨到高轨，高轨能量高，不稳定。容易回到低轨道，从而放出光子。 ②能量量子化：在相应的轨道电子不辐射能量。原子在不同的轨道具有不同的能量。 ①轨道量子化:轨道半径只能是某些分立的数值。 光子 玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量。 三、玻尔原子模型 吸收或辐射的光子：hʋ= E初-E末 1.波尔假说 + r1 r2 r3 ④能级: 原子的各个稳定状态的能量值。 基态: 电子处在最低轨道时的状态。 激发态: 除基态以外的能量较高的其他轨道 注意：En=Ek+EP 随着r增大：En =Ek +EP 三、玻尔原子模型 2.波尔原子模型 ①轨道半径: rn=n2r1 (r1=0.53×10-10m) (n=1.2.3.......) ②原子能量: En= 1 (E1=-13.6eV) ③定态: 原子具有确定能量的稳定状态 第四部分 氢原子能级图 + r1 r2 r3 四、氢原子能级图 大量处于n=3能级的氢原子最多能辐射出几种光？ 大量处于n=4能级的氢原子最多能辐射出几种光？ 一个处于n=4能级的氢原子最多能辐射出几种光？ 3种 6种 3种 1.高能级自发向低能级跃迁放出光子: ②一个n能级: (n-1)种 ∞ 1 2 3 4 5 n -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E/eV 种 ①大量n能级: 四、氢原子能级图 ∞ 1 2 3 4 5 n -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E/eV ①入射光子能量必须恰好等于两个能级差 ,才能被吸收。 布喇开系 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 =R(-) 1.高能级自发向低能级跃迁放出光子: ②一个n能级: (n-1)种 种 ①大量n能级: 2.低能级向高能级跃迁需吸收能量: 四、氢原子能级图 ∞ 1 2 3 4 5 n -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E/eV ①入射光子能量必须恰好等于两个能级差 ,才能被吸收。 布喇开系 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 =R(-) ②若实物粒子(如:电子、α粒子)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。 2.低能级向高能级跃迁需吸收能量: 四、氢原子能级图 ∞ 1 2 3 4 5 n -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E/eV 布喇开系 莱曼系 巴耳末系 帕邢系 =R(-) ③对于直接能让氢原子被电离的光子，或实物粒子可以被全部吸收（光电效应）。或只吸收部分（康普顿效应） 2.低能级向高能级跃迁需吸收能量: 【典例1】(多选)如图为氢原子的能级图，已知可见光的光子的能量范围为1.62~3.11 eV，锌板的逸出功为3.34 eV，那么对氢原子在能级跃迁的过程中辐射或吸收光子的特征认识正确的是 ( 　　) A.用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光 照射锌板，一定不能产生光电效应现象 B.用能量为11.0 eV的自由电子轰击，可使 处于基态的氢原子跃迁到激发态 C.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率 的紫外线使氢原子电离 D.用波长为60 nm的紫外线照射，可使处于 基态的氢原子电离出自由电子 BCD 典例分析 [解析]　氢原子从高能级向基态跃迁时，发射光子的最小能量为10.2 eV，大于锌板的逸出功3.34 eV，所以用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板，一定能产生光电效应现象，A错误；用能量为11.0 eV的自由电子轰击，可以让处于基态的氢原子吸收10.2 eV的能量而跃迁到激发态，B正确；紫外线能量大于3.11 eV，处于n=3能级的氢原子吸收1.51 eV的能量即可电离，所以处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线使氢原子电离，C正确；波长为60 nm的紫外线的能量为E=h≈20.7 eV>13.6 eV，D正确。 典例分析 玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，不仅解释了当时已发现的氢原子光谱，还预言了一些尚未被发现的氢原子产生的光谱。 但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。 四、氢原子能级 N.波尔(1885-1962)丹麦物理学家.1913年玻尔提出了自己的原子结构假说。1922年获诺贝尔物理学奖 四、氢原子能级 当原子处于不同的状态时，电子在各处出现的概率是不一样的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来就像云雾一样，人们形象地把它叫作电子云（electroncloud）。 n ＝ 1 n ＝2 由于波尔在量子力学开创性的工作，使他周围聚集了一大批天才物理学家，他们一起在哥本哈根大学做量子力学方面的研究。由此形成了一个学派：哥布哈根学派。为首的是丹麦著名物理学家尼尔斯*玻尔，玻恩、海森伯、泡利以及狄拉克等是这个学派的主要成员.并且它对量子力学的解释被称为量子力学的“正统解释”. 四、氢原子能级 课堂小结 光谱 非4 人 氢原子光谱 非4 人 氢原子能级图 波尔原子模型 1.波尔假说:轨道量子化、能量量子化、跃迁假设. 2.波尔原子模型： 定轨、定能量、定态(稳定态、激发态)。 + r1 r2 r3 1.高能级自发向低能级跃迁放出光子: 2.低能级向高能级跃迁需吸收能量: 【练习1】关于光谱，下列说法中正确的是(      ) A、炽热的液体发射连续光谱  B、线状光谱和吸收光谱都可以对物质进行分析 C、太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素 D、发射光谱一定是连续光谱 AB 课堂练习 【练习2】对于巴耳末公式 的理解，下列说法正确的是（     ） A、此公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的 B、此公式中n可以取任意值，所以氢原子光谱是连续的 C、此公式中n只能取整数，故氢原子光谱是线状谱 D、此公式不但适用于氢原子光谱，还适用于其他原子光谱 AC 课堂练习 【练习3】对于原子光谱，下列说法正确（     ） A、原子光谱是不连续的 B、由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的光谱是相同的 C、各种原子的原子结构不同，所以各种原子的光谱也是不同的 D、分析物质发光体的光谱，可以鉴别物质中含那种元素 ACD 课堂练习 【练习4】太阳光谱中有许多暗线，他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、太阳内部存在相应元素 C 课堂练习 【练习5】利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析下列说法正确的是 (　　) A.利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分 B.利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分 C.高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分 D.同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线，由于光谱的不同，它们没有关系 B 课堂练习 【练习6】如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为 (　　) A.a元素　 B.b元素　 C.c元素　 D.d元素 B 课堂练习 【练习7】1906年，赖曼发现了氢原子的赖曼系谱线，其波长满足公式：=R，n=2，3，4，…，R为里德伯常量。氢原子从n=3和n=2的激发态跃迁到基态时，辐射光子的能量之比为(　　) A.9∶4　　 B.32∶27　　 C.4∶3　　 D.4∶1 B 课堂练习 【练习8】如图为氢原子发射光谱，Hα、Hβ、Hγ、Hδ是其中的四条谱线，下列说法正确的是 (　　) A.氢原子发射光谱属于连续光谱 B.Hα谱线对应光子的能量最大 C.Hδ谱线对应光子的频率最小 D.该光谱由氢原子核外电子的跃迁产生 D 课堂练习 【练习9】氢原子的核外电子从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道的过程中 (　　) A.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大 B.原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小 C.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小 D.原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大 D 课堂练习 【练习10】按照玻尔理论，下列表述正确的是 (　　) A.核外电子运动轨道半径可取任意值 B.氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越小 C.电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν=En-Em(n>m) D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，可能辐射能量，也可能吸收能量 C 课堂练习 【练习11】一群处在量子数n=4的激发态中的氢原子，在发光的过程中，下列说法正确的是 (　　) A.频率最高的光是从n=4向n=3跃迁时产生的 B.波长最短的光是从n=4向n=3跃迁时产生的 C.氢原子的能量增加，电子的动能减小 D.氢原子的能量减小，电子的动能增大 D 课堂练习 【练习12】(多选)氢原子的能级如图所示，一群处于n=3的能级的氢原子向较低的能级跃迁时，辐射的光子 (　　) A.频率最多有2种 B.频率最多有3种 C.能量最大可能为12.09 eV D.能量最小可能为10.2 eV BC 课堂练习 【练习13】(2024·重庆高考)(多选)我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n=3和n=4能级向n=2能级跃迁产生的谱线(如图)，则 (　　) A.Hα的波长比Hβ的小 B.Hα的频率比Hβ的小 C.Hβ对应的光子能量为3.4 eV D.Hβ对应的光子不能使氢原子 从基态跃迁到激发态 BD 课堂练习 谢 谢 观 看 $$