4. 氢原子光谱和玻尔的原子模型（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 选择性必修三•人教版 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 量子论的建立是 20 世纪物理学的最大成就之一。量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一 大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式 和社会形态。 导入新课 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？ 物理观念 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。 科学思维 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。 科学探究 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。 科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。 学习目标 重点难点 重点 光谱、连续谱和线状谱等概念，氢原子光谱的实验规律 难点 玻尔原子理论的基本假设的主要内容 一、光 谱 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、光 谱 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 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。 1、光谱 一、光 谱 发射光谱：由发光体直接产生的光谱 吸收光谱： 连续光谱 明线光谱 （线状光谱/原子光谱） 2、光谱的分类 连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱 一、光 谱 连续分布、包含一切波长的光的光谱，叫做连续光谱。 连续光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的彩色光带，包含从红光到紫光的各种色光。 炽热的固体、液体、高压气体的发射光谱是连续光谱。 如：白炽灯丝、炽热钢水、烛焰发出的光都会形成连续光谱。 一、光 谱 只含有不连续分布的明线的光谱，叫做明线光谱，也称线状光谱。 明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应不同波长的光。 明线光谱是由游离状态的原子发射的，原子不同，明线光谱不同。 每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，也称原子光谱。 如：稀薄气体、金属蒸气、原子的发射光谱。 一、光 谱 高温物体发出的白光（包含连续分布的一切波长的光）通过温度较低的物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。 即连续光谱背景上出现的一些暗线。如：太阳的光谱（1919年基尔霍夫） 一、光 谱 实验表明，各种原子发射的光谱都是线状谱。 原子只能发出几种具有本身特征的特定频率的光，不同原子亮线的位置不同，因此这些亮线称为原子的特征谱线。 一、光 谱 钨丝白炽灯的光谱 铁电极弧光的光谱 分子状态的氢光谱 钡光谱 由于每一种元素都有自己的特征谱线，可以通过原子的特征谱线来鉴别物质、确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分析。它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10-13g时就可以被检测到，常用于发现新元素和研究天体的化学组成。 二、氢原子光谱的实验规律 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 二、氢原子光谱的实验规律 氢的 吸收光谱 氢的 明线光谱 氢原子是最简单的原子，光谱也最简单。 光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。 二、氢原子光谱的实验规律 原子内部电子的运动是原子发光的原因，因此，光谱研究是探索原子结构的一条重要途径。 1885年，瑞士科学家巴耳末发现： 巴耳末公式： n=3,4,5，… 式中叫作里德伯常量，实验测得的值为 二、氢原子光谱的实验规律 n＝4，5，6，... 帕邢系 n＝6，7，8，... 普丰特系 n＝5，6，7，... 红外区： 布喇开系 紫外区： n＝2，3，4，... 莱曼线系 三、经典理论的困难 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、经典理论的困难 经典物理学中，认为核外电子绕核旋转，电子将不断向四周辐射电磁波，能量不断减少，轨道半径变小，逐渐靠近原子核，最后落回到原子核上，形成原子坍塌。与原子是个稳定系统的事实相矛盾。 三、经典理论的困难 另一方面，根据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。随着绕核运动轨道半径的不断变化，电子运动的频率也要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续光谱。然而，事实上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的分立的线状谱。 尽管经典物理学可以很好地应用于宏观物体，但它不能解释原子世界的现象。 四、玻尔原子理论的基本假设 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、玻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 四、玻尔原子理论的基本假设 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 四、玻尔原子理论的基本假设 轨道量子化： 氢原子： 能量量子化： 氢原子： 频率条件: 玻 尔 原 子 模 型 13.6 3.4 1.51 0.85 E/eV 0 四、玻尔原子理论的基本假设 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 - - 四、玻尔原子理论的基本假设 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 四、玻尔原子理论的基本假设 ①吸收光子（光照） 1）原子的电离:原子由某一定态轨道跃迁到最高能级n=∞的过程。（对于能量大于或等于13.6eV的光子，氢原子电离，即原子结构被破坏） 电离后电子剩余动能为： 注意：En为负值 电离条件： 2）光子使原子跃迁（n→m）:光子的能量必须等于能级差，才能被吸收。（对于能量小于13.6eV的光子，光子能量必须恰好等于能级差即要么全被吸收，要么不吸收。） 跃迁条件： 要么全被吸收，要么不吸收。 四、玻尔原子理论的基本假设 ②吸收实物粒子能量（碰撞、加热） 只要实物粒子（如微观粒子中的电子、α粒子等）能量足以使氢原子向高能级跃迁，就能被氢原子全部吸收或部分吸收而使氢原子向高能级跃迁，多余能量仍为实物粒子动能（自己保留）。 电离后电子剩余动能为： 2）实物粒子使原子跃迁（n→m） : 实物粒子的能量可以全部或部分被吸收，需要多少，吸收多少。多余的能量由实物粒子自己保留。 1）原子的电离:原子由某一定态轨道跃迁到最高能级n=∞的过程。 电离条件： 注意：En为负值 跃迁条件： 四、玻尔原子理论的基本假设 一群氢原子处于n=4激发态，最多向外辐射多少种频率的光子？ 1 2 3 4 5 ∞ n 量子数 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E /eV =6种 氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时，可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态。因此处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能为 种情况。 四、玻尔原子理论的基本假设 氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。 四、玻尔原子理论的基本假设 hν=En-Em只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况,对于光子和原子作用使原子电离的情况,则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6 eV,只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大。 玻尔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 没有绕开经典理论 无法解释复杂一点的原子的光谱现象 无法解释谱线的强度等 玻尔理论的局限性 四、玻尔原子理论的基本假设 五、课堂总结 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 氢原子光谱和 玻尔的原子模型 光谱 氢原子光谱的特点 经典理论的困难 玻尔原子理论的基本假设 玻尔理论对氢原子光谱的解释 原子的稳定性 频率的不连续性 定态假设 跃迁假设 量子假设 六、练习与应用 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 六、练习与应用 1.　(多选)按照玻尔原子理论，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 六、练习与应用 【答案】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． 六、练习与应用 2.氢原子的能级图如图所示，大量氢原子处于n＝3能级，关于这些氢原子，下列说法正确的是(　　) A．氢原子向低能级跃迁只能发出2种不同频率的 光子 B．氢原子跃迁到n＝1能级，辐射光子的能量最大 C．氢原子跃迁到n＝2能级，辐射光子的频率最高 D．氢原子跃迁到n＝4能级，需吸收1.51 eV的能量 六、练习与应用 【答案】B 【解析】大量氢原子处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁只能发出C＝3种不同频率的光子，A错误；氢原子跃迁到n＝1能级，能级差最大，则辐射光子的能量最大，频率最高，B正确，C错误；氢原子跃迁到n＝4能级，需吸收(－0.85 eV)－(－1.51 eV)＝0.66 eV的能量，D错误． 六、练习与应用 3.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 【答案】BD 六、练习与应用 【答案】BD 【解析】氢原子n＝3与n＝2的能级差小于n＝4与n＝2的能级差，则Hα与Hβ相比，Hα的波长大、频率小，A错误，B正确；Hβ对应的光子能量为E＝(－0.85)eV－(－3.40) eV＝2.55 eV，C错误；氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量E＝(－3.40) eV－(－13.60) eV＝10.2 eV，Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态，D正确． 七、提升训练 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 七、提升训练 1.　(多选)一群处于基态的氢原子吸收某种光子后，向外辐射了ν1、ν2、ν3三种频率的光子，且ν1＞ν2＞ν3，则(　　) A．被氢原子吸收的光子的能量为hν1 B．被氢原子吸收的光子的能量为hν2 C．ν1＝ν2＋ν3 D．hν1＝hν2＋hν3 七、提升训练 【解析】氢原子吸收光子能向外辐射出三种频率的光子，说明氢原子从基态跃迁到了第三能级，在第三能级不稳定，又向低能级跃迁，发出光子，其中第三能级跃迁到第一能级的光子能量最大，为hν1，从第二能级跃迁到第一能级的光子能量比从第三能级跃迁到第二能级的光子能量大，其能级跃迁图如题图所示．由能量守恒可知，氢原子一定是吸收了能量为hν1的光子，则hν1＝hν2＋hν3，ν1＝ν2＋ν3，故A、C、D正确． 【答案】ACD 七、提升训练 2．如图所示为氢原子的电子轨道示意图，根据玻尔原子理论，下列说法正确的是(　　) A．能级越高，氢原子越稳定 B．能级越高，电子动能越大 C．电子的轨道可能是一些连续的数值 D．从n＝2跃迁到n＝1比从n＝3跃迁到n＝2 辐射出的光子动量大 七、提升训练 【答案】D 七、提升训练 七、提升训练 七、提升训练 【答案】C $