4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 课件-2025-2026学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦氢原子光谱及玻尔原子模型，通过焰色反应等生活实例导入新课，结合卢瑟福模型与经典理论的矛盾搭建学习支架，帮助学生衔接前后知识。 其亮点在于注重实验演示与问题驱动，通过分光镜观察光谱等活动培养科学思维，例题与练习梯度设计深化能量量子化等物理观念，为教师提供系统教学素材，助力提升学生探究能力和课堂效率。

完成一个小目标，需要一个大智慧！ 授课教师：李长青 4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 学习目标 人教版(2019)选必修 第一册 1.了解光谱、线状谱、连续谱、特征谱线等概念。 2.知道氢原子光谱的实验规律 3.了解能级、频率条件以及基态、激发态等概念。 知道玻尔原子理论基本假设。 4.能应用玻尔的原子理论解释氢原子光谱。 5.了解玻尔模型的不足之处及其原因。 1 温故知新 如果将经典理论应用于原子核式结构模型，则...... 卢瑟福原子的核式结构模型与经典电磁理论相互矛盾 能 量 连 续 变 化 辐 射 频 率 连 续 原子 不稳定 原子 稳定 矛盾 矛盾 线状谱（事实） 连续谱 能量减少 电子轨道半径减小 （事实） 引入新观念 新课导入 思考与讨论： 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其他颜色的光呢？ 烟花为什么是五颜六色的? 焰色效应、光谱色混合 学习任务一： 光谱 【光谱的形成】 棱镜 观察光谱的实验装置 光谱分析仪 气体放电管 金属导杆 感应圈 光谱：用棱镜或光栅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。 演示与观察： 1.连续谱 特点： 连续分布，一切波长的光都有。 700nm 600nm 500nm 400nm 用分光镜观察连续光谱 演示与观察： （线状谱） ⑵特点： ⑴产生： 2.线状谱 稀薄气体发光形成的光谱 光谱是一条条不连续的亮线 原子的特征谱线 用分光镜观察原子光谱 ●每一种原子都有自己的特征光谱 ●不同原子，其特征光谱不同 实例：几种光谱 7 演示与观察： 高温物体发出的白光（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。 ⑵特点： ⑴产生： 连续光谱背景上出现的一些暗线。如：太阳的光谱 3.吸收光谱 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。 用分光镜观察吸收光谱 3.光谱分析 ⑴优点 ⑵应用 根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成 非常灵敏、迅速 检查物质纯度、发现新元素和研究天体的化学组成。 原子的特征谱线 原子 光谱分析 氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。 学习任务二： 氢原子光谱的实验规律 ●每一个n值分别对应一条谱线 ●体现原子光谱波长具有分立特性 公式意义： 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式： R∞为里德伯常量 可见光区 紫外区 红外区 (400nm～760nm) 氢原子光谱的其它线系 红外区还有三个线系 帕邢系 布喇开系 普丰特系 莱曼线系 紫外线区 赖曼系（紫外线） 帕邢系（红外线） 布喇开系 普丰特系 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 + 巴耳末系 学习任务评价一 【例1】关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是（     ） A．太阳光谱是连续谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学组成 B．霓虹灯和炼钢炉中炽热铁水产生的光谱，都是线状谱 C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱 D．进行光谱分析时，可以利用连续光谱，也可以用吸收光谱 C 【例2】（多选）地球上接收到的太阳光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线。下列说法正确的是( ) A．太阳光谱是连续光谱 B．太阳表面大气层中存在着相应的元素 C．这些暗线是由于太阳光通过太阳大气层中温度较低的气体时被气体吸收形成的 D．这些暗线是由于太阳光通过太阳大气层中温度较低的气体时发射的 BC 【例3】巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式 ，对此，下列说法正确的是（    ） A．巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式 B．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性 C．巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式 D．巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际，其波长的分立值并不是 人为规定的 C 学习任务三： 经典理论的困难 困难一：无法解释原子的稳定性 困难二：无法解释原子光谱的分立性 核外电子绕核运动 辐射电磁波 事实上： 原子是稳定的 事实上：辐射电磁波频率只是某些确定值 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 玻尔原子理论假设的基础 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 学习任务四： 玻尔原子理论的基本假设 假说1：轨道量子化 针对原子核式结构模型提出 围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射，也就是说，电子的轨道是量子化的。 + rn v n=1 n=2 n=3 - 假说2：定态（能级）假说 针对原子的稳定性提出 电子在不同的轨道上运动，原子处于不同的状态。根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，因此，原子的能量也只能取一系列特定的值。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。 最稳定 假说3：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 低能级 （En） 高能级 （Em） 电子辐射光子(原子能量减少) 跃 迁 电子吸收光子(原子能量增加) 电子吸收和发射光子满足的频率条件 m n + - 注意：En=Ek+EP 随着r增大：En =Ek +EP 跃迁时电子动能、原子势能、原子能量的变化 当n减小即轨道半径减小时，库仑力做正功，电子动能增加、原子势能减小、向外辐射能量，原子能量减小。 当n增大即轨道半径增大时，库仑力做负功，电子动能减小、原子势能增大、从外界吸收能量，原子能量增大。 电子轨道与原子能级的对应关系： 轨道与能级相对应 第n-1激发态 电子轨道图 第1激发态 原子能级图 轨道量子化： 氢原子： 能量量子化： 氢原子： 频率条件: （辐射条件） 玻 尔 原 子 模 型 13.6 3.4 1.51 0.85 E/eV 0 氢原子的跃迁 1.电子从高能级向低能级跃迁（自发跃迁） 处于激发态的原子是不稳定的，可自发地经过一次或几次跃迁到达基态。 发射光子的能量： ——发射光子 由于能级是分立的，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。 + n=1 n=2 n=3 n=4 n=∞ 从高能级向低能级跃迁（自发跃迁） 2.电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁） 吸收光子的能量： ——吸收光子 吸收光子的能量必须等于能级差 处于某个能级的电子吸收能量，挣脱原子核的束缚，成为自由电子的现象，叫做电离。电离后自由电子动能EK = hv - En 发射光谱的明线与吸收光谱的暗线频率相同 + n=1 n=2 n=3 n=4 n=∞ 从低能级向高能级跃迁（受激跃迁） + r1 r2 r3 氢原子能级图问题 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: ∞ 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: ∞ 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: 跃迁条件： ∞ 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: 跃迁条件： 【例4】(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 学习任务评价二 [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。 思考： ⑴巴耳末公式描述的几种波长的光 应是怎样产生的？ ⑵处于第三能级（第二激发态）的 氢原子可能发出几种波长的光？ 1. 解释巴耳末系公式 学习任务五： 玻尔理论对氢光谱的解释 ⑴气体导电发光 ●处于基态的原子，受到电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态，处于激发态的原子会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。 ⑵氢原子光谱的不连续性 ⑶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。 ●跃迁时发射光子的能量： 能级分立 光子能量分立 光谱为不连续亮线 2.解释下列现象 【分析】 气体导电发光与特征谱线的解释 气体放电管产生阴极射线，气体原子受到高速运动的电子的撞击，发生跃迁到激发态，再向低能级跃迁，放出光子，最终回到基态。 不同原子结构不同 →能级不同 →辐射光子 频率不同 跃迁时发射光子的能量各异。 →特征谱线 学习任务六： 玻尔理论的局限性 玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性 在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念 同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律 除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难 氦原子光谱 量子化条件的引进没有适当的理论解释 玻尔模型的局限性 汤姆孙发现电子 汤姆孙的西瓜模型 α 粒子散射实验 卢瑟福的核式结构模型 原子不可割 汤姆孙的西瓜模型 原子稳定性事实氢光谱实验 卢瑟福的核式结构模型 出现矛盾 ? 玻尔模型 复杂（氦）原子光谱 量子力学理论 玻尔模型 出现矛盾 否 定 建 立 否 定 建 立 出现矛盾 否 定 建 立 否 定 建 立 怎样修改玻尔模型？ 思想：必须彻底放弃经典概念 关键：用电子云概念取代经典的轨道概念 电子在某处单位体积内出现的概率 — 电子云 建 立 科 学 模 型 提 出 科 学 假 说 观察与实验所获得的事实 学习任务评价三 【例5】 下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是 (　 　) A.原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量 B.原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变， 就不会向外辐射能量 C.原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子 D.原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道不连续 C 【例6】如图所示为氢原子能级图。大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时发出不同频率的光。用这些光照射金属钙。已知金属钙的逸出功为3.20 eV。能够从金属钙的表面照射出光电子的光共有 (　　) A.2种 B.3种 C.4种 D.5种 B E1=-0.85 eV-(-1.51 eV)=0.66 eV, E2=-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV, E3=-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV, E4=-1.51 eV-(-3.40 eV)=1.89 eV, E5=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV, E6=-3.40 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV, 【例7】如图所示为玻尔的氢原子电子轨道示意图。一群处于n＝4能级的原子向低能级跃迁，下列说法中正确的是（　　） A．一共能产生3种不同的光子 B．一共能产生4种不同的光子 C．其中从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子动量最小 D．其中从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子能量最大 D 【解析】AB．一群处于n＝4能级的原子向低能级跃迁，一共能产生6种不同的光子，AB错误； CD．光子能量与氢原子能级差成正比，由氢原子的能级公式可知，从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子能量最大，因而辐射光子的能量（频率）也最大，对应的波长最小，根据，因此从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子的动量也最大，故 C 错误，D 正确。故选 D。 课堂小结 光谱 非4 人 氢原子 光谱 非4 人 氢原子能级图 玻尔原子模型 1.玻尔假说: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: 【试一试】(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 【1】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62ev-3.11ev，下列说法正确的是（　　） A．从能级n=4跃迁到n=3比从能级n=3跃迁到n=2辐射出光的波长短 B．原子从高能级向n=3能级跃迁时，发出的光是可见光 C．大量处于n=4能级的氢原子跃迁到基态的过程中 可以释放出6种频率的光子 D．处于n=2能级的氢原子可以吸收能量为2ev的光子 C 课堂练习 【2】氢原子的能级图如图所示。 （1）一个处于n=4能级氢原子跃迁到n=1能级，最多可以辐射出 种频率的光子。 （2）一群处于第3激发态的氢原子跃迁到基态，最多可以辐射出 种频率的光子。 （3） 处于基态的氢原子在某单色光束的照射下， 只能发出频率为v1 、v2 、v3 的三种 光， 且v1＜v2＜v3 , 则该单色光的光子能量为（ ） A． hv1 B． hv2 C． hv3 D． h(v1 +v2+ v3) 3 6 c 【2】氢原子的能级图如图所示。 （1）欲使处于基态的氢原子跃迁到第n=3能级，应该用 eV的光子照射. 思考：下列措施同样可使处于基态的氢原子跃迁到第3能级？ ①用12eV的光子照射或用13eV的光子照射 ②用12eV的电子碰撞、用12.09V的电子碰撞、 或用13eV电子碰撞？ 跃迁 光子： 实物粒子： 若吸收光子的能量，光子的能量必须等于两能级的能量差,否则不吸收 由于粒子的动能可部分地被原子吸收，故粒子的能量大于两能级的能量差即可 【2】氢原子的能级图如图所示。 （2）下列措施可使处于基态的氢原子电离? ①用12eV的光子照射、用13.6eV的光子照射或用的14eV光子照射同样可行？ ②用12eV的电子碰撞、用13.6eV的电子碰撞、或用14eV电子碰撞同样可行？ 电离 光子： 实物粒子： 光子的能量大于或等于该能级的能量， 电离后自由电子动能EK = hv -En 实物粒子的能量大于该能级的能量 跃迁 光子： 实物粒子： 若吸收光子的能量，光子的能量必须等于两能级的能量差,否则不吸收 由于粒子的动能可部分地被原子吸收，故粒子的能量大于两能级的能量差即可 电离 光子： 实物粒子： 光子的能量大于或等于该能级的能量， 电离后自由电子动能EK = hv - En 实物粒子的能量大于该能级的能量 看 观 谢 谢 光谱 01. 高中物理选择性必修第三册 光 谱 光谱分析 01. 高中物理选择性必修第三册 光谱分析 Lavf60.4.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 Lavf56.15.102 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $