4.4 氢原子光谱和玻尔的原子模型 培优教学课件 -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实验规律与玻尔原子模型，通过“食盐灼烧发黄光”现象导入，从光谱分类、特征谱线切入，衔接经典电磁理论困境，搭建从宏观现象到微观量子化理论的学习支架。 其亮点在于以实验现象（如太阳吸收光谱暗线、氢原子分立谱线）为基础，通过经典理论无法解释原子稳定性与光谱分立性的矛盾，引导科学推理构建玻尔量子化假设，结合能级跃迁计算、一群原子跃迁分析等例题，培养物理观念与科学思维。助力学生建立量子化认知，为教师提供逻辑清晰的教学路径与多样化实践素材。

4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 第四章 原子结构和波粒二象性 人教版选择性必修第三册 导入新课 把不同物质放在火中灼烧，会发出不同颜色的光。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？ 学习目标 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 通过分析氢原子光谱的分立特征与经典电磁理论的矛盾，理解玻尔模型提出的背景与逻辑。 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 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。 重点难点 重点 1.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； 2.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。 难点 1.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。 1. 氢原子光谱 2. 玻尔原子理论的基本假设 3. 玻尔理论对氢光谱的解释 4. 课堂总结 5. 练习与应用 学习内容 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、氢原子光谱 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 一、氢原子光谱 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（频率）和强度分布的记录（有时只是波长成分的记录） 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 形式：连续分布，包含有从红光到紫光各种色光的光谱。 一、氢原子光谱 2.光谱的分类：发射光谱（连续光谱、线状谱）和吸收光谱 ①连续光谱：由连续分布的光连在一起组成的光带，一切波长的光都有。 （1）发射光谱 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）。 炽热的固体 炽热的液体 高(气)压的气体 一、氢原子光谱 ②线状谱：由一些不连续的亮线组成。亮线叫谱线, 各条谱线对应不同波长的光。由稀薄气体或金属蒸气发光形成的 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。 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。 原子的特征谱线 一、氢原子光谱 （2）吸收光谱：炽热的白光通过温度较低的某物质气体时, 一些频率的光被该物质吸收后在连续光谱上出现一些暗线, 叫做该物质的吸收光谱。 注意：吸收光谱既可以是连续谱也可以是线状谱 吸收光谱中每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。 太阳的光谱是吸收光谱 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。 一、氢原子光谱 用分光镜观察连续光谱 原子的发射光谱 钠的吸收光谱 一、氢原子光谱 X射线照射激发荧光，通过分析荧光判断越王勾践宝剑的成分。 3.光谱分析：每种原子都有自己的特征谱线，我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。 优点：灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10−13 kg时就可以被检测到。同种物质吸收光谱中的暗线与它线状谱中的明线相对应，线状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。 钠的吸收光谱 一、氢原子光谱 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。 一、氢原子光谱 可见光区 氢原子在可见光区的四条谱线 紫外区 红外区 4.氢原子的光谱 （1）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 （2）氢原子的谱线由不同色亮线组成，每种颜色对应着一种波长。 一、氢原子光谱 原子内部电子的运动是原子发光的原因，光谱研究是探索原子结构的重要途径。1885年，瑞士科学家巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的4条谱线作了分析，发现这些谱线的波长λ可以用一个公式表示：（巴耳末公式） 式中R∞叫里德伯常量，实验测得R∞=1.10×107m−1，n只能取正整数（即取值是量子化的），它确定的这一组线谱称为巴耳末系。 一、氢原子光谱 一、氢原子光谱 例1.（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 一、氢原子光谱 例2.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 二、玻尔原子理论的基本假设 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 二、玻尔原子理论的基本假设 卢瑟福原子核式模型很好地解释了α粒子散射实验，无法解释原子光谱的分立特性。 二、玻尔原子理论的基本假设 1.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 二、玻尔原子理论的基本假设 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 2.玻尔原子理论的基本假设 假设1：轨道量子化 假设2：能量量子化（定态、能级） 假设3：频率条件(跃迁假说) 二、玻尔原子理论的基本假设 假设1：轨道量子化——针对原子核式结构模型提出 （1）原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动。 （2）绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值 （3）电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射 轨道量子化： 氢原子： 量子数 + rn v n=1 n=2 n=3 - 二、玻尔原子理论的基本假设 假设2：能量量子化（定态、能级）——针对原子的稳定性提出 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。 ①能级：各轨道上量子化的能量 ②定态：原子中具有确定能量的稳定状态 基态：能量最低的状态(离核最近) 激发态：其他的能量状态 氢原子：E1=-13.6eV n=1、2、3 n=1 n=2 n=3 E3 E1 E2 基 激 激 第1激发态 二、玻尔原子理论的基本假设 假设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 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），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 + m n - 低能级（En） 高能级（Em） 电子吸收光子克服库仑引力做功，原子能量增加 电子辐射光子，原子能量减少 跃迁 频率条件: 二、玻尔原子理论的基本假设 Hδ Hγ Hβ Hα H 频率条件： 玻 尔 原 子 模 型 轨道量子化： 量子数 氢原子： 能量量子化： 氢原子： hv = Em - En (Em>En) 二、玻尔原子理论的基本假设 例3.根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后（　　） A.原子的能量增加，电子的动能减少 B.原子的能量增加，电子的动能增加 C.原子的能量减少，电子的动能减少 D.原子的能量减少，电子的动能增加 D 三、玻尔理论对氢光谱的解释 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 三、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。 hv=E3-E2 三、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。 - - 三、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 三、玻尔理论对氢光谱的解释 ①吸收光子（光照） 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： 跃迁条件： 要么全被吸收，要么不吸收。 三、玻尔理论对氢光谱的解释 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： 三、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） 三、玻尔理论对氢光谱的解释 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。 三、玻尔理论对氢光谱的解释 注意一群原子和一个原子 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。 注意直接跃迁与间接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况的辐射（或吸收）光子的频率不同，但都满足频率条件。 三、玻尔理论对氢光谱的解释 1 2 3 4 5 ∞ n 量子数 -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E /eV 思考与讨论：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？ 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。 三、玻尔理论对氢光谱的解释 3.解释气体导电发光与特征谱线 气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，发生跃迁到激发态，放出光子，最终回到基态。 能级分立 →能量分立 →分立的亮线 各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异。 →特征谱线 三、玻尔理论对氢光谱的解释 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 4.玻尔理论的局限性 三、玻尔理论对氢光谱的解释 5.原子结构理论的发展过程 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 复杂（氦）原子光谱 量子力学理论 玻尔模型 建 立 否 定 建 立 否 定 建 立 否 定 否 定 玻尔模型 彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念 建 立 电子云 电子在某处单位体积内出现的概率 三、玻尔理论对氢光谱的解释 例4.氢原子能级示意如图。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 三、玻尔理论对氢光谱的解释 例5.如图所示，氢原子从n>2的某一能级跃迁到n=2的能级，辐射出能量为2. 55eV.问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它辐射上述能力的光子？ 解： 氢原子从n>2的某一能级跃迁到n=2的能级，满足 hν=En-E2=2. 55eV En=hν+E2=-0.85eV,所以n=4 基态氢原子要跃迁到n=4的能级，应提供 ΔE=E4-E1=12.75eV ∞ 1 2 3 4 5 n -13.6 -3.4 -1.51 -0.85 -0.54 0 E/eV 四、课堂总结 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 四、课堂总结 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 hv = Em - En 五、练习与应用 第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型 五、练习与应用 1. （多选）玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有( ) A. 原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做变速运动，但不向外辐射能量 B. 原子的不同能量状态与电子沿不同的轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的 C. 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射（或吸收）一定频率的光子 D. 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 ABC 五、练习与应用 2.(多选)氢原子各个能级的能量如图所示，大量氢原子由n＝1能级跃迁到n＝4能级，在它回到n＝1能级过程中，下列说法中正确的是(　 　) A.可能激发出频率不同的光子只有6种 B.可能激发出频率不同的光子只有3种 C.可能激发出的光子的最大能量为12.75 eV D.可能激发出的光子的最大能量为0.66 eV AC 五、练习与应用 3.根据玻尔理论，下列说法正确的是（　　） A.原子处于定态时，虽然电子做变速运动，但并不向外辐射能量 B.氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，电势能的减少量大于动能的增加量 C.氢原子可以吸收小于使氢原子电离能量的任意能量的光子，因而轨道半径可以连续增大 D.电子没有确定轨道，只存在电子云 AB 五、练习与应用 4.图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=4的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29eV的金属钠，则（　　） A．用0.80eV的光子照射n=4能级的氢原子，可使氢原子电离 B．n=4跃迁到n=1放出的光子波长最长 C．有4种频率的光子能使金属钠产生光电效应 D．逸出光电子的最大初动能为12.75eV C Lavf58.46.101 Lavf56.15.102 $