4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 课件 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件聚焦氢原子光谱和玻尔原子模型，涵盖光谱分类、氢原子光谱规律、经典理论困难及玻尔理论假设与解释等核心内容。以“食盐灼烧发黄光”现象导入，通过问题驱动串联光谱概念、实验规律到理论突破的知识脉络，搭建递进式学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学探究，通过典例分析（如结合“羲和号”卫星Hα/Hβ谱线）、思考讨论（单个与一群氢原子跃迁差异）等环节，引导学生建构量子化模型，培养模型建构与科学推理能力。结构化小结系统梳理知识，助力学生形成物理观念，教师可借助丰富实例提升教学效率。

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 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？ 一、光谱 1.光谱: 用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长展开，获得波长（频率）和强度分布的记录。 一、光谱 2.光谱分类：线状谱和连续谱 （1）线状光谱：光谱是一条条的亮线 （2）连续光谱：光谱是连在一起的光带 ①特征谱线：气体中中性原子（稀薄气体或金属的蒸气）的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。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。 ②光谱分析：根据光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分。 ③优点：非常灵敏而且迅速。 —基尔霍夫 炽热的固体、液体及高压气体发射的光谱（如白炽灯丝、烛焰、炽热的钢水）。 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 二、氢原子光谱的实验规律 1.氢原子的光谱： —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。 1885年，瑞士科学家巴耳末发现： 巴耳末公式 反映了氢原子的线状光谱的特征 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。 三、经典理论的困难 无法解释原子光谱的分立性 核外电子绕核运动 电子不断向四周辐射电磁波，能量减小 原子是稳定的 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 无法解释原子的稳定性 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。 ——典例分析 【例1】下列对氢原子光谱实验规律的认识正确的是 （ ） A. 因为氢原子核外只有一个电子，所以氢原子只能产生一种波长的光 B. 氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线 C. 氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线 D. 氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关 B ——典例分析 【例2】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 A 四、玻尔原子理论的基本假设 假说1.轨道量子化 ①电子绕核运动的电子轨道半径稳定的，不产生电磁辐射； + 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 他在1913 年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。 ②电子轨道半径只能是某些分立的数值； ③当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。 电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。 n=1 n=2 n=3 E3 E1 E2 基 激 激 能级：这些量子化的能量值 基态：能量最低的状态(离核最近) 激发态：其他的能量状态 定态：原子具有确定能量的稳定状态 ( n=1, 2, 3……) 根据波尔理论，电子只能在特定轨道上运动，因此，原子的能量也只能取特定的值。 四、玻尔原子理论的基本假设 假说2.能量量子化（定态） 按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动，不会发生电磁辐射。那么，如何解释观察到的原子光谱呢？ 假说3：频率条件（跃迁假说） 当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为En）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为Em，m < n）时，会放出能量为hv的光子（h是普朗克常量）: 这个式子称为频率条件，又称辐射条件。 E4 1 2 3 4 5 E1 E3 E2 E5 E∞ n 基态 激发态 原子能级图 放出 吸收 四、玻尔原子理论的基本假设 五、玻尔理论对氢光谱的解释 在巴耳末公式中如果把分母中的 2 换为其他自然数，就得到了其他谱线系的波长。它们对应于氢原子从较高能级向其他能级跃迁时辐射的光。 玻尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子的其他谱线系，即氢原子从高能级向m ＝ 1，3，4，5能级跃迁，也会产生相应的光谱。它们也都被实验观测到了，分别称为赖曼系、帕邢系、布喇开系等。 1.解释巴尔末公式 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 ∞ 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 量子数 能级 基态 激发态 + n=1 n=2 n=3 - 电子 原子核 量子数 氢原子能级图 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） 处于基态的原子非常稳定。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回到基态。 ——放出光子 2.电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁） ——吸收光子 气体导电时发光的机理：当气体放电管中的气体导电时，其中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态，之后自发跃迁到基态并发光。 2.解释气体导电时发光 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 3.解释氢原子光谱的不连续性 原子从较高的能级向较低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差，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 探究新知——玻尔理论对氢光谱的解释 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）的光子频率也不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。 各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异。街道上的霓虹灯、试电笔中的氖管，都是由灯管内的气体原子从高能级向低能级跃迁而发光的。食盐被灼烧时发的光，也主要是由食盐蒸气中钠原子的能级跃迁而造成的。 4.解释原子的特征谱线 ——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 BD ——典例分析 【例4】 根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确是 （ ） A. 氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁 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的轨道直接跃迁到另一个半径为的轨道，则此过程原子要辐射某一频率的光子 D. 若氢原子由能级向低能级跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为 D 思考与讨论 1 2 3 4 5 ∞ n 量子数 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E /eV 一个氢原子处于n=4激发态，最多向外辐射多少种频率的光子？ 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？ 种 n-1种 五、玻尔理论的局限性 （1）玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念。 （2）玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。 （1）玻尔理论的不足之处在于保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。 （2）玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。 1.成功之处： 2.局限性： 探究新知——玻尔理论的局限性 3. 电子云 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。 玻尔理论的不足之处在于保留经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下描述下的轨道运动，实际上，根据量子力学，原子中电子的坐标没有确定的值。 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 特征谱线 光谱分析 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 1.地铁靠站时列车车体和屏蔽门之间安装有光电传感器。如图甲所示，若光线被乘客阻挡，电流发生变化，工作电路立即报警。如图乙所示，光线发射器内大量处于 n=3激发态的氢原子向低能级跃迁时，辐射出的光中只有a、b两种可以使该光电管阴极逸出光电子，图丙所示为a、b光单独照射光电管时产生的光电流I与光电管两端电压U的关系图线。下列说法正确的是(　　) 课堂练习 A.该光电管阴极材料的逸出功大于 1.89eV B.a光的频率高于b光的频率 C.经同一障碍物时，b光比a更容易发生明显衍射 D.若部分光线被遮挡，则放大器的电流将增大，从而引发报警 A 课堂练习 2.如图为氢原子能级示意图的一部分，关于氢原子，下列说法正确的是(　　) A.一个氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级，可能放出3种不同频率的光子 B.氢原子发射光谱属于连续光谱 C.从n=4能级跃迁到n=3能级，氢原子会向外放出 光子，能量降低 D.处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率 是一样的 C 课堂练习 3.光谱分析仪能够灵敏、迅速地根据物质的光谱来鉴别物质，及确定它的化学组成和相对含量。如图所示为氢原子的能级示意图，则关于氢原子在能级跃迁过程中辐射或吸收光子的特征，下列说法中正确的是(　　) A.大量处于n＝4能级的氢原子向基态跃迁时，能辐射出3种不同频率的光子 B.大量处于n＝3能级的氢原子吸收能量为0.9 eV的 光子可以跃迁到n＝4能级 C.处于基态的氢原子吸收能量为14 eV的光子可以 发生电离 D.氢原子发射光谱属于连续光谱 C 课堂练习 4.用a、b两种可见光照射同一光电效应装置，测得光电流与电压的关系图像如图甲所示，图乙为氢原子的能级图。下列说法正确的是（　　） A.a光的频率比b光的大 B.用a光照射时，获得的光电子最大初动能较大 C.用大量E=12.75eV的光子去照射基态的氢原子可辐射出3种不同频率的光子 D.若a光是氢原子从n=3跃迁到n=2时发出的，则b光可能是从n=4跃迁到n=2时发出的 D $