4.4 玻尔原子模型 课件 -2025-2026学年高二下学期物理鲁科版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦玻尔原子模型，系统阐述轨道定态、能量量子化、能级跃迁等核心知识，从经典理论无法解释原子稳定性与光谱不连续性入手，衔接卢瑟福模型局限，构建从经典物理到量子化理论的学习支架。 其亮点在于以物理观念为统领，通过“易错辨析”强化轨道量子化认知，“典例剖析”结合能级公式推导培养科学思维，“重难探究”中导学问题引导学生主动建构跃迁模型。学生能深化对量子化概念的理解，教师可借助即学即用和演练题提升教学实效。

第4章　原子结构 第4节　玻尔原子模型 课标要求 1.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。(物理观念) 2.了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念。(物理观念) 3.能用玻尔理论解释氢原子模型。(物理观念) 4.了解玻尔理论的不足之处和原因。(物理观念) 基础落实·必备知识全过关 一、玻尔原子模型 1.经典理论的困难 (1)原子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:卢瑟福的原子核式结构模型无法解释原子的________　　　　　　和原子光谱的不连续性。  稳定性 2.玻尔原子模型 (1)轨道定态 ①轨道量子化:原子核外电子只能在一些分立的特定轨道上运动,电子的轨道是　 的。  ②能量量子化:电子在这些轨道上运动时,原子具有一定的能量,其数值也是分立的,原子的能量是　　　　　的。  ③定态:电子在这些轨道上做圆周运动,不向外辐射能量,处于稳定的状态,电子处于分立轨道的这些状态称为定态。 量子化 量子化 (2)频率条件 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,反之会吸收光子。辐射或吸收的光子的能量hν由两个定态的能量差决定,该光子的能量应满足频率条件hν=　　 　　,该式被称为频率条件,又称辐射条件。  Em-En(m>n) 二、氢原子的能级结构 1.能级:在玻尔的原子模型中,原子只能处于一系列不连续的能量状态。在每个状态中,原子的能量值都是确定的,各个确定的能量值称为能级。 氢原子在不同能级上的能量值和相应的电子轨道半径分别为 　　　　　　　　　　,　　　 　　　　,式中,E1=-13.6 eV, r1=0.53×10-10 m。  2.基态:在正常状态下,原子处于最低能级,电子受核的作用力最大而处于离核　　　　的轨道,这时原子的状态称为基态。  最近 rn=n2r1(n=1,2,3,…) 3.激发态:电子吸收能量后,原子从低能级跃迁到高能级,这时原子的状态称为激发态。 4.电子从高能级轨道跃迁到低能级轨道时,原子会辐射能量;当电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道时,原子要吸收能量。因为能级是不连续的,所以原子在电子跃迁时吸收或辐射的能量都不是任意的,这个能量等于电子跃迁时始、末两个能级间的　　　　　。能量差值不同,辐射的光子频率也不同,由此便产生了不同波长的光。  能量差 三、解释氢原子光谱 1.氢原子的能级图 2.解释巴耳末公式 (1)由玻尔理论可知,激发到高能级Em的电子跃迁到低能级En,辐射出的光子的能量为　　　　　　　　　　　,所以 。  (2)当n=2,m=3,4,5,6,…时,这个式子与巴耳末公式一致。电子从更高的能级跃迁到n=2的能级,可得氢原子巴耳末系的光谱线。 四、玻尔模型的局限 1.玻尔理论的成功之处:玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚,解释了原子结构和氢原子光谱的关系,引入了普朗克的　　　　　　　,认为电子的轨道和能量都是量子化的。  2.玻尔理论的局限性:没有跳出经典力学的范围,认为电子是　　　　　　,运动有确定的轨道。  3.电子云:电子是微观粒子,其运动与宏观物体运动不同,没有确定的方向和轨迹,它们在原子核周围各处出现的概率是不同的。为了形象地描述电子的运动情况,人们将这些概率用点的方式表现出来,若某一空间范围内电子出现的概率大,则这里的点就密集;若某一空间范围内电子出现的概率小,则这里的点就稀疏。这种用点的疏密表示电子出现的概率分布的图形,称为电子云。 量子化观念 经典粒子 想一想为什么原子光谱是线状谱? 提示 原子从高能级向低能级跃迁时,放出光子的能量是不连续的,所以原子光谱是线状谱。 易错辨析 判一判 (1)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的。(　　) (2)电子吸收某种频率的光子时会从较低的能级跃迁到较高的能级。(　　) (3)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁。(　　) (4)玻尔的原子模型可以很好地解释氦原子的光谱现象。(　　) (5)电子的实际运动并不具有确定的轨道。(　　) (6)玻尔理论能很好地解释氢光谱为什么是一些分立的亮线。(　　) √ √ × 提示 电子只能吸收特定频率的光子发生跃迁。 × 提示 玻尔的原子模型可以很好地解释氢原子的光谱现象,不能解释氦原子的光谱现象。 √ √ 即学即用 练一练 (多选)按照玻尔原子模型,下列表述正确的是(　　) A.核外电子运动的轨道半径可取任意值 B.氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量越大 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=Em-En(m>n) D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程,可能辐射能量,也可能吸收能量 BC 解析 根据玻尔理论,核外电子运动的轨道半径是确定的值,而不是任意值,A错误;氢原子中的电子离原子核越远,能级越高,能量越大,B正确;由跃迁规律可知C正确;氢原子从激发态向基态跃迁的过程中,应辐射能量,D错误。 重难探究·能力素养全提升 探究点一　玻尔原子模型 导学探究 如图所示为分立轨道示意图。 分立轨道示意图 (1)电子的轨道有什么特点? (2)氢原子只有一个电子,电子在这些轨道间跃迁时会伴随什么现象发生? 要点提示 (1)电子的轨道是不连续的,是量子化的。 (2)电子在轨道间跃迁时会吸收光子或辐射出光子。 知识归纳 1.轨道量子化 (1)轨道半径只能是不连续的、某些分立的数值。 (2)氢原子中电子轨道的最小半径为r1=0.053 nm,其余轨道半径满足rn=n2r1,式中n称为量子数,对应不同的轨道,只能取正整数。 “量子化”意味着“不连续” 2.能量量子化 (1)不同轨道对应不同的状态,在这些状态中,电子在可能轨道上运动时,尽管是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态称为定态,原子在不同状态有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。 (2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续的。这样的能量值,称为能级,能量最低的状态称为基态,其他的状态叫作激发态。 对氢原子,以无穷远处为势能零点时,其能级公式 (n=1,2,3,…),其中E1代表氢原子的基态的能级,即电子在离核最近的可能轨道上运动时原子的能量值,E1=-13.6 eV。n是正整数,称为量子数。量子数n越大,表示能级越高。 (3)原子的能量包括:原子的原子核与核外电子所具有的电势能和电子运动的动能。 3.跃迁 原子从一种定态(设能量为Em)跃迁到另一种定态(设能量为En)时,它辐射(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。 可见,电子如果从一个轨道到另一个轨道,不是以螺旋线的形式改变半径大小的,而是从一个轨道“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。 典例剖析 【例题1】 　根据玻尔理论,下列关于氢原子的论述正确的是(　　) A.若氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子要辐射的光子能量为hν=En B.电子沿某一轨道绕核运动,若圆周运动的频率为ν,则其发光的频率也是ν C.一个氢原子中的电子从一个半径为Ra的轨道自发地直接跃迁到另一个半径为Rb的轨道,已知Ra>Rb,则此过程原子要辐射某一频率的光子 D.氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁 C 解析 原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,辐射的光子能量等于能级差,与En不同,故A错误;电子沿某一轨道绕核运动,处于某一定态,不向外辐射光子,故B错误;电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道,能级降低,因而要辐射某一频率的光子,故C正确;原子吸收光子后能量增加,能级升高,故D错误。 规律方法　解决玻尔原子模型问题的四个关键 (1)电子绕原子核做圆周运动时,不向外辐射能量。 (2)原子辐射的能量与电子绕原子核运动无关,只由跃迁前后的两个能级差决定。 (3)处于基态的原子是稳定的,而处于激发态的原子是不稳定的。 (4)原子的能量与电子的轨道半径相对应:轨道半径大,原子的能量大;轨道半径小,原子的能量小。 对点演练 1.(多选)光子的发射和吸收过程是(　　) A.原子从基态跃迁到激发态要放出光子,放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差 B.原子不能从低能级向高能级跃迁 C.原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级,辐射出光子后从较高能级跃迁到较低能级 D.原子无论是吸收光子还是辐射出光子,吸收的光子或辐射出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差 CD 解析 由玻尔理论的跃迁假设知,原子处于激发态不稳定,可自发地向低能级发生跃迁,以光子的形式放出能量,光子的吸收是光子辐射的逆过程,原子在吸收光子后,会从较低能级向较高能级跃迁,但不管是吸收光子还是辐射出光子,光子的能量总等于两能级的能量差,即hν=Em-En(m>n),故选项C、D正确。 探究点二　能级跃迁　玻尔理论对氢原子光谱的解释 导学探究 (1)如何解释氢气导电发光现象? 要点提示 通常情况下原子处于基态,基态是最稳定的状态。氢气在放电管中受到高速运动的电子的撞击,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,最终又回到基态。 (2)它的谱线为什么又是分立的? 要点提示 氢原子从高能级向低能级跃迁时,放出的光子能量等于前后两个能级的能量差。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。由于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也不相同,这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。 知识归纳 1.氢原子能级图(如图所示) (1)能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时氢原子的能量。 (2)作能级图时,能级横线间的距离和相应的能级差相对应,能级差越大,间隔越宽,所以量子数越大,能级越密,竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小,n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。 2.能级跃迁:处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为 。 3.光子的辐射:原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,辐射光子的频率由下式决定。 hν=Em-En(Em、En是始、末两个能级且m>n),能级差越大,辐射出光子的频率就越高。 4.光子的吸收:原子只能吸收一些特定频率的光子,原子吸收光子后会从较低能级向较高能级跃迁,吸收光子的能量仍满足hν=Em-En(m>n)。 典例剖析 【例题2】 　氢原子能级示意图如图所示。现有大量氢原子处于n=3能级上,下列说法正确的是(　　) A.这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子 B.从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的 光子频率低 C.从n=3能级跃迁到n=4能级需吸收0.66 eV的能量 D.n=3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6 eV的能量 C 解析 大量氢原子处于n=3能级,跃迁到n=1最多可辐射出 =3种不同频率的光子,故A错误;根据能级图可知从n=3能级跃迁到n=1能级辐射的光子能量为hν1=(13.6-1.51)eV,从n=3能级跃迁到n=2能级辐射的光子能量为hν2=(3.4-1.51)eV,比较可知从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的光子频率高,故B错误;根据能级图可知从n=3能级跃迁到n=4能级,需要吸收的能量为E=(1.51-0.85)eV=0.66 eV,故C正确;根据能级图可知氢原子处于n=3能级的能量为-1.51 eV,故要使其电离至少需要吸收1.51 eV的能量,故D错误。 D 对点演练 2.(2025北京模拟)如图为玻尔模型中氢原子能级示意图,一群处于n=4能级的氢原子向较低能级跃迁时会发出频率不同的光。下列关于这群氢原子的发射光谱的说法,正确的是(　　) A.是连续谱 B.最多有3种频率 C.波长最长的是从n=4能级跃迁到n=1能级所发出的光 D.只有3种不同频率的光能使逸出功为3.34 eV的锌板 发生光电效应 解析 该发射光谱是线状光谱,A错误;该发射光谱最多有6种频率,B错误;根据h=Em-En,波长最长的是从n=4能级跃迁到n=3能级所发出的光,C错误;只有从n=4能级跃迁到n=1能级、从n=3能级跃迁到n=1能级、从n=2能级跃迁到n=1能级发出的光子的能量大于3.34 eV,所以只有3种不同频率的光能使逸出功为3.34 eV的锌板发生光电效应,D正确。 学以致用·随堂检测全达标 1 2 3 1.氢原子辐射出一个光子后,根据玻尔理论,下列判断正确的是(　　) A.电子绕核旋转的轨道半径增大 B.电子的动能减小 C.氢原子的电势能增大 D.氢原子的能级减小 D 解析 氢原子辐射出光子后,由高能级跃迁到低能级,轨道半径减小,电子动能增大,此过程中库仑力做正功,电势能减小。 4 1 2 C 2.(2024江西卷)近年来,江西省科学家发明硅衬底氮化镓基系列发光二极管(LED),开创了国际上第三条LED技术路线。某氮化镓基LED材料的简化能级如图所示,若能级差为2.20 eV(约3.52×10-19 J),普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则发光频率约为(　　) A.6.38×1014 Hz B.5.67×1014 Hz C.5.31×1014 Hz D.4.67×1014 Hz 解析 辐射出的光子能量ε=3.52×10-19 J,由光子的能量公式ε=hν得ν= =5.31×1014 Hz。 3 4 1 2 C 3 4 3.氢原子的能级示意图如图所示,基态能量为-E0,氢原子处于激发态第n能级的能量En=(n=2,3,4,…)。现用某种频率的单色光照射大量处于n=1能级的氢原子,使其刚好跃迁到n=4能级。下列说法正确的是(　　) A.入射光光子的能量等于 B.其中一个氢原子从n=4能级向低能级跃迁,最多可辐射6种 不同频率的光子 C.氢原子从n=4能级向低能级跃迁时,辐射出的波长最长的光子对应的能量为 D.由激发态跃迁到基态的赖曼系光子的能量有可能小于高能级跃迁到n=2能级的巴尔末系光子的能量 1 2 3 4 1 2 4.大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线,其中最长和最短波长分别为λ1和λ2,则该激发态与基态的能量差为　　　　　(已知普朗克常量为h,光速为c)。  解析 该激发态与基态的能量差为辐射出所有光子的最大能量值,对应光子的波长最短,则有ε=hν= 。 3 4 En=(n=1,2,3,…) ν=-) hν=Em-En= En=E1 高能级Em低能级En N= 解析 根据题意可知,n=4能级的能量为E4==-,则使n=1能级的氢原子刚好跃迁到n=4能级的入射光光子的能量等于E=E4-E1=E0,故A错误;一个氢原子从n=4能级向低能级跃迁,最多可辐射3种不同频率的光子,故B错误;根据题意有ΔE=Em-En=hν=h,所以由n=4能级跃迁到n=3能级辐射出的光子波长最长,则辐射出的波长最长的光子对应的能量为ΔE=E4-E3=,故C正确;从n=2跃迁到n=1能级时,由激发态跃迁到基态的赖曼系光子的频率最小,光子的能量为ΔE21=E2-E1=,而高能级跃迁到n=2能级辐射出的光子的最大能量为Δ<ΔE21,故D错误。 $