4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型（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 人教版（2019）选择性必修 第三册 第四节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 建立原子的核式结构模了解氢原子光谱的实验规律、玻尔原子模型的基本假设（定态、跃迁、轨道量子化），理解能级、基态、激发态、电离能等核心概念；从“卢瑟福核式结构”到“玻尔模型”的对比视角，理解玻尔模型解决原子稳定性与光谱分立性问题的基本思路，认识量子化观念对原子物理发展的重要意义。 科学思维 通过分析氢原子光谱的分立特征与经典电磁理论的矛盾，经历“发现问题—提出假设—构建模型”的过程；理解玻尔模型提出的背景与逻辑，提升模型建构、科学推理与理论论证的能力，体会从经典理论到早期量子论的思维跃迁，初步建立量子化的物理思维方式。 科学探究 基于氢原子光谱的实验数据与图像规律，分析巴尔末线系的特征，推导里德伯公式与玻尔能级公式的对应关系；设计并分析氢原子能级跃迁的模拟过程，归纳能级跃迁与光子发射/吸收的规律，验证玻尔模型对氢原子光谱的解释能力，体会“实验规律—理论模型—数学表达”的科学探究路径。 科学态度与责任 了解玻尔模型对现代原子物理学的奠基意义，体会科学家面对经典理论困境时的突破与创新；认识科学理论的局限性（玻尔模型的成功与不足），增强对科学本质的理解；联系现代光谱分析技术（如原子吸收光谱、激光光谱）在材料检测、天文观测中的应用，感受原子理论对科技发展的深远影响，树立尊重科学、勇于质疑的科学态度。。 学习目标 光谱 01 教学内容 氢原子光谱的实验规律 02 经典理论的困难 03 玻尔原子理论的基本假设 04 玻尔理论对氢光谱的解释 05 玻尔理论的局限性 06 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 氢原子光谱的实验规律与特征，玻尔原子模型的三个基本假设。 玻尔模型对氢原子光谱的解释，利用能级公式计算氢原子的能级差、光子频率与波长。 从经典理论的困境到玻尔量子化假设的逻辑推理过程，理解玻尔模型的成功与局限性，建立量子化的思维方式。 重点难点 课堂导入——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？ 01 PART 01 第一部分 光谱 探究新知 7 探究新知——光谱 1.光谱定义: 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。 探究新知——光谱 2.光谱分类：发射光谱和吸收光谱。 (1)、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：连续光谱和线状光谱（明线光谱）。 探究新知——光谱 (1)、发射光谱 ① 连续光谱 a.定义：由波长连续分布的光组成的连在一起的光带叫连续光谱。 c.产生：炽热的固体、液体及高压气体发射的光谱是连续光谱（如白炽灯丝、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱）。 b.特点：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。 即连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱。 炽热的固体 炽热的液体 高(气)压的气体 探究新知——光谱 (1)、发射光谱 ② 明线光谱 a.定义：只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。也叫线状（光）谱。 c.产生：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。 b.特点：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。 d.特征谱线：实验证明，各种原子发射的光谱都是线状谱。说明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。 探究新知——光谱 （2）、吸收光谱 ① 定义：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。即连续光谱背景上出现的一些暗线。 ②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。实验表明，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线与发射光谱中明线相对应，也是原子的特征谱线。 ③太阳的光谱是吸收光谱。 探究新知——光谱 探究新知——光谱 3.光谱分析 由于每一种元素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它的化学成分。这种方法叫做光谱分析。光谱分析法由基尔霍夫开创的。 优点：非常灵敏而且迅速。样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到。 应用：发现新元素和研究天体的化学组成。 同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，明线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。 探究新知——光谱 3.光谱分析 由基尔霍夫开创的光谱分析方法对鉴别化学元素有着巨大的意义。许多化学元素，像艳、物、铊、铜、镓，都是在实验室里通过光语分析发现的。 光谱分析还为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。 探究新知——典例分析 【例1】下列说法正确的是 A.线状谱中的亮线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线 B.各种原子的线状谱中的亮线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应 C.气体发出的光只能产生线状谱 D.甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了甲物质的吸收光谱 探究新知——典例分析 【解析】吸收光谱中的暗线和线状谱中的亮线相对应，都是特征谱线，但通常吸收光谱中的暗线要比线状谱中的亮线少，所以A正确，B错误； 气体发光，若为高压气体则产生连续谱，若为稀薄气体则产生线状谱，所以C错误； 甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱，所以D错误。 探究新知——光谱 发射 光谱 发光物体直接产生光谱 连续谱 特点 连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱 产生 由炽热的固体、液体以及高压气体产生 线状谱 特点 只含有一些不连续的亮线的光谱 产生 由稀薄气体或金属蒸气产生 【总结提升】 探究新知——光谱 【总结提升】 吸收 光谱 高温物体发出的白光通过某种物质后，某些波长的光被物质吸收后形成的光谱 特点 连续光谱的背景上出现一些暗线 产生 由炽热的物体发出的白光通过温度较低的气体产生 与线状谱的关系 各种原子的吸收光谱的暗线和线状谱的亮线相对应，即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的，通常吸收光谱中的暗线比线状谱中的亮线要少一些，这些亮线或暗线称为该原子的特征谱线 02 PART 02 第二部分 氢原子光谱的实验规律 探究新知 20 探究新知——氢原子光谱的实验规律 1.观测氢原子光谱 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。 探究新知——氢原子光谱的实验规律 2.氢原子的光谱： 氢原子在可见光区有四条谱线。氢原子光谱呈现分立的明线条纹，在可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。 巴耳末公式： 里德伯常量 除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。 探究新知——典例分析 【例2】(2024·淮安市高二期末)已知巴耳末公式 =R∞-，则在巴耳末系中 A.n值越大，对应的频率ν越大 B.n值越大，对应的波长λ越长 C.n值越大，对应的光子能量ε越小 D.n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 探究新知——典例分析 【解析】由巴耳末公式可知n值越大，对应的光子波长越短。由公式ε=hν，c=λν可知光子波长越短，频率越大，对应的能量越大，故A正确，B、C错误； 公式中n只能取大于或等于3的整数，λ不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，故D错误。 03 PART 03 第三部分 经典理论的困难 探究新知 25 探究新知——经典理论的困难 矛盾一：无法解释原子的稳定性 矛盾二：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 电子绕核转动的经典图景 04 PART 04 第四部分 玻尔原子理论的基本假设 探究新知 27 探究新知——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 ②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射 ①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值； + rn v n=1 n=2 n=3 - 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 探究新知——玻尔原子理论的基本假设 假说2.能量量子化（定态、能级） 针对原子的稳定性提出 原子的能量与电子所在的轨道相对应 当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，于是就具有不同的能量。 n=1 n=2 n=3 E3 E1 E2 基 激 激 ⑴定态：原子具有确定能量的稳定状态 ①基态：能量最低的状态(离核最近) ②激发态：其他的能量状态 ⑵能级：原子的在各种定态时的能量值 探究新知——玻尔原子理论的基本假设 基态 激发态 E4 1 2 3 4 E1 E3 E2 E∞ n 轨道与能级相对应 原子能级图 第1激发态 ∞ 第n-1激发态 氢原子： + n=1 n=2 n=3 v - n=4 v - v - v - n=∞ ⑶电子轨道与原子能级的对应关系 假说2.能量量子化（定态、能级） 针对原子的稳定性提出 探究新知——玻尔原子理论的基本假设 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 原子在始、末两个能级和（>）间跃迁时，发射（或吸收）光子的频率可以由前后能级的能量差决定： （>） 探究新知——玻尔原子理论的基本假设 假说3：频率条件（跃迁假说） 针对原子光谱是线状谱提出 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 探究新知——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: （辐射条件） 玻 尔 原 子 模 型 13.6 3.4 1.51 0.85 E/eV 0 05 PART 05 第五部分 玻尔理论对氢光谱的解释 探究新知 34 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 验证巴尔末公式 －－－－－－－－－ 1 2 3 4 5           0 n E/eV ∞ 赖曼系（紫外线） 巴耳末系（可见光） 帕邢系（红外线） 布喇开系 逢德系 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 成功解释了氢光谱的所有谱线 + 波尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子的其他谱系线。 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 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。 - - 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 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 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 1.从高能级向低能级跃迁 发射光子：以光子形式辐射出去（原子发光现象）。 2.从低能级向高能级跃迁 （1）吸收光子 对于能量大于或等于13.6eV的光子（电离）；对于能量小于13.6eV的光子（要么全被吸收，要么不吸收）。 （2）吸收实物粒子能量 只要实物粒子动能足以使氢原子向高能级跃迁，就能被氢原子吸收全部或部分动能而使氢原子向高能级跃迁，多余能量仍为实物粒子的动能。 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 从高能级向低能级跃迁（自发跃迁） 探究新知——典例分析 【例3】(多选)(2024·重庆卷)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 探究新知——典例分析 【解析】ΔEHα=E3-E2=-1.51 eV-(-3.40 eV)=1.89 eV，ΔEHβ=E4-E2=-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV，由ΔE=hν=h知，Hα的频率小、波长大，故A、C错误，B正确；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，故Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态，D正确。 探究新知——典例分析 【例4】氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下述说法中正确的是 A.电子绕核旋转的半径增大 B.氢原子的能量增大 C.氢原子的电势能增大 D.氢原子核外电子的速率增大 探究新知——典例分析 【解析】电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，放出光子，原子总能量减少，根据k=m，Ek=mv2，解得Ek=k，可知半径越小，电子动能越大，电子的速率越大，原子的电势能越小，故A、B、C错误，D正确。 06 PART 06 第六部分 玻尔理论的局限性 探究新知 44 探究新知——玻尔理论的局限性 1.玻尔理论的局限性 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 探究新知——玻尔理论的局限性 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 2. 原子结构理论的发展过程 探究新知——玻尔理论的局限性 →建立量子力学 3. 玻尔模型的修改 电子在某处单位体积内出现的概率 — 电子云 课堂小结 氢原子光谱和玻尔的原子模型 光谱 氢原子光谱的实验规律 经典理论的困难 玻尔原子理论的基本假设 玻尔理论对氢光谱的解释 玻尔理论的局限性 分类 特征谱线 光谱分析 吸收光谱 发射光谱 连续谱 线状谱 巴耳末公式：=R∞-n=3，4，5，…) 无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立线状谱 轨道量子化 能量量子化 跃迁假说 玻尔原子理论的基本假设 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 课堂练习 谢谢聆听 鼎力物理制作，盗版必究 谢谢聆听 $