資源簡介

把食鹽放在火中灼燒，會發出黃色的光。食鹽為什么發黃光而不發其他顏色的光呢？
新課導入
第4節 氫原子光譜和玻爾的原子模型
[教材鏈接]閱讀教材“光譜”相關內容,完成下列填空:
(1)光譜:用　　　　　　　可以把物質發出的光按　　　　　　　展開,獲得
　　　　　　　　　　分布的記錄,即光譜.?
(2)線狀譜:有些光譜是一條條的　　　　,我們把它們叫作譜線,這樣的光譜叫作線狀譜.?
(3)連續譜:有的光譜看起來不是一條條分立的譜線,而是連在一起的光帶,我們把它叫作連續譜.
學習任務一
學習任務一 光譜
棱鏡或光柵　
波長(頻率)　
波長(頻率)和強度　
亮線　
(4)特征譜線:氣體中中性原子的發光光譜都是　　　　　,且不同原子的亮線位置　　　　,故這些亮線稱為原子的　　　　譜線.?
(5)光譜應用:每種原子都有自己的　　　　　　,我們可以利用它來鑒別物質和確定物質的　　　　　　.這種方法稱為　　　　　　.它的優點是靈敏度高,樣本中一種元素的含量達到10-13 kg時就可以被檢測到.?
光譜分析
線狀譜　
不同　
特征　
特征譜線　
組成成分　
[物理觀念]
學習任務一
1.光譜的分類
2.幾種光譜的比較
光譜
產生條件
光譜形式及應用
線狀譜
稀薄氣體發光形成的
由一些不連續的亮線組成,不同原子的亮線(又叫特征譜線)位置不同,可用于光譜分析
連續譜
熾熱的固體、液體或高壓氣體發光形成的
連續分布,一切波長的光都有
吸收
光譜
熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后形成的
用分光鏡觀察時,見到連續光譜背景上出現一些暗線(與特征譜線相對應),可用于光譜分析
例1 下列有關光譜問題的論述中,正確的是 (　)
A.熔化的鋼水發出的光通過分光鏡所得到的是連續光譜
B.氣體發出的光只能產生明線光譜
C.光譜分析的優點是非常靈敏與迅速
D.進行光譜分析,可以用連續光譜,也可以用吸收光譜
學習任務一
C
[解析]熾熱的固體、液體和高壓氣體發出的光形成連續光譜,但經過分光鏡后形成的光譜是線狀譜,A錯誤;
氣體發光,若為高壓氣體則產生連續光譜,若為稀薄氣體則產生明線光譜,B錯誤;
光譜分析是用元素的特征譜線與光譜對比來分析物體的化學成分,故光譜分析非常靈敏與迅速,C正確;
進行光譜分析,必須利用線狀譜或吸收光譜,連續譜不行,D錯誤.
學習任務一
3.太陽光譜
(1)特點:在連續譜的背景上出現一些不連續的暗線,是一種吸收光譜.
(2)產生原因:陽光中含有各種顏色的光,但當陽光透過太陽的高層大氣射向地球時,太陽高層大氣中含有的元素會吸收它自己特征譜線的光,然后再向四面八方發射出去,到達地球的這些譜線看起來就暗了,這就形成了明亮背景下的暗線.
[教材鏈接]閱讀教材“經典理論的困難”相關內容,完成以下填空:
經典理論的困難:盧瑟福的核式結構模型正確地指出了原子核的存在,很好地解釋了α粒子散射實驗.但是,經典物理學既無法解釋原子的穩定性,又無法解釋原子光譜的分立特征.
(1)按照經典電磁理論,核外電子將把自己繞核轉動的能量以　　　　　的形式輻射出去,因此電子繞核轉動這個系統應是　　　　　的,但事實上,原子是個很穩定的系統.?
(2)根據經典電磁理論,大量原子發光的光譜應該包含　　　　　　的連續光譜,而事實上原子光譜是由一些不連續的亮線組成的　　　　的線狀譜.?
學習任務二 氫原子光譜的實驗規律和經典理論的困難
學習任務二
分立
電磁波　
不穩定　
一切頻率　
[物理觀念 ]
學習任務二 氫原子光譜的實驗規律和經典理論的困難
學習任務二
從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜，如圖所示。
氫原子的光譜的特點
[物理觀念 ]
學習任務二 氫原子光譜的實驗規律和經典理論的困難
學習任務二
氫原子光譜的特點
核外電子繞核圓周運動
輻射電磁波
電子軌道半徑連續變小
原子不穩定
輻射電磁波頻率連續變化，連續光譜
原子是穩定的
輻射電磁波頻率只是某些特定值
經典理論無法解釋原子的穩定性和光譜的分立性
（變化的電磁場）
氫原子核式結構
實驗事實：
經典理論的困難
例2 (多選)下列關于巴耳末公式1????=R122?1????2的理解,正確的是 ( 　)
A.此公式是巴耳末在研究氫原子光譜特征時發現的
B.公式中n可取任意值,故氫原子光譜是連續譜
C.公式中n只能取大于或等于3的整數值,故氫原子光譜是線狀譜
D.公式不但適用于氫原子光譜的分析,也適用于其他原子光譜的分析
?
學習任務二
AC
[解析]此公式是巴耳末在研究氫原子光譜在可見光區的四條譜線時得到的,只適用于氫原子光譜的分析,A正確,D錯誤;
公式中n只能取大于或等于3的整數,λ不能連續取值,故氫原子光譜是線狀譜,B錯誤,C正確.
【要點總結】
學習任務二
1.巴耳末公式是對當時已知的氫原子在可見光區的四條譜線分析時總結出來的,反映氫原子的線狀光譜的特征,不能描述其他原子的.
2.其他譜線:除了巴耳末系,氫光譜在紅外和紫外光區的其他譜線也都滿足與巴耳末公式類似的關系式.
玻爾，丹麥物理學家1885年10月7日—1962年11月18日，1922獲得諾貝爾物理學獎
假設1.軌道量子化
+
rn
n=1
n=2
n=3
v
-
——針對原子核式結構模型提出
繞核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數值。
軌道量子化：
氫原子：
量子數
n=4
n=∞
學習任務三 玻爾原子理論的基本假設
學習任務三
原子的能量En：核外電子繞原子核運動時動能Ekn 原子所具有的電勢能Epn的總和
+
rn
v
e
+Ze
-
電子的動能：
原子電勢能：
原子總能量：
可與萬有引力“高軌低速大周期，大機大勢小引力”類比
電子沿不同的圓形軌道繞核運動時
原子有相對應的不同的確定的能量狀態
假設2：能量量子化（定態、能級）
⑵能級：原子在各種定態時的能量值
⑴定態：原子具有確定能量的穩定狀態
①基態：能量最低的狀態(離核最近)
②激發態：其他的能量狀態
能量量子化：
氫原子：
——針對原子的穩定性提出
原子的能量與電子所在的軌道相對應
當電子在不同的軌道上運動時，原子具有不同的能量。
n=∞
⑶電子軌道與原子能級的對應關系
基態
激發態
E4
1
2
3
4
E1
E3
E2
E∞
n
軌道與能級相對應
原子能級圖
第1激發態
∞
第n-1激發態
電子軌道圖
氫原子：
+
n=1
n=2
n=3
v
-
n=4
v
-
v
-
v
-
n=∞
假設3：頻率條件(躍遷假說）
——針對原子光譜是線狀譜提出
+
m
n
低能級（En）
高能級（Em）
電子吸收光子克服庫侖引力做功，原子能量增加
電子輻射光子，原子能量減少
躍 遷
頻率條件:
-
例3 (多選)按照玻爾原子理論,下列表述正確的是( 　)
A.核外電子運動軌道半徑可取任意值
B.氫原子中的電子離原子核越遠,氫原子的能量越大
C.電子躍遷時,輻射或吸收光子的能量由能級的能量差決定,即hν=Em-En(m>n)
D.氫原子從激發態向基態躍遷的過程,可能輻射能量,也可能吸收能量
學習任務三
[解析]根據玻爾理論,可知核外電子運動的軌道半徑是確定的值,而不是任意值,A錯誤;
氫原子中的電子離原子核越遠,能級越高,能量越大,B正確;
由躍遷規律可知,C正確;
氫原子從激發態向基態躍遷的過程中,應輻射能量,D錯誤.
BC
變式1 (多選)玻爾在他提出的原子模型中所作的假設有( 　)
A.原子處在具有一定能量的定態中,雖然電子做變速運動,但不向外輻射能量
B.原子的不同能量狀態與電子沿不同的圓軌道繞核運動相對應,而電子的可能軌道的分布是不連續的
C.電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時,輻射(或吸收)一定頻率的光子
D.電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運動的頻率
學習任務三
[解析] A、B、C三項都是玻爾提出來的假設,其核心是原子定態概念的引入與能級躍遷學說的提出,也就是“量子化”的概念,原子的不同能量狀態與電子繞核運動時不同的圓軌道相對應,是經典理論與量子化概念的結合.電子躍遷時輻射的光子的頻率與能級間的能量差有關,與電子繞核做圓周運動的頻率無關.
ABC
【要點總結】
1.原子從一種定態躍遷到另一種定態時,輻射或吸收光子的頻率滿足的關系為:
高能級Em 低能級En
2.原子的能量及其變化規律
(1)電子繞原子核運動:k????2????2=m????2????,故Ekn=12m????????2=????????22????????.
(2)電子的軌道半徑增大,則電子繞核運動的動能減小,庫侖力做負功,電勢能增大.
(3)電子的軌道半徑增大時,說明原子吸收了光子,電子從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道,原子的能量增大.
3.電離:若入射光子的能量大于原子的電離能,如處于基態的氫原子電離能為13.6 eV,則電子也會被激發躍遷,這時核外電子脫離原子核的束縛成為自由電子,光子能量大于電離能的部分成為自由電子的動能.
?
學習任務三
軌道量子化：
氫原子：
能量量子化：
氫原子：
頻率條件:
玻
爾
原
子
模
型
?13.6
?
?3.4
?
?1.51
?
?0.85
?
E/eV
0
學習任務四 玻爾理論對氫光譜的解釋及其局限性
學習任務四
1.電子從高能級向低能級躍遷（自發躍遷）
處于激發態的原子是不穩定的，可自發地經過一次或幾次躍遷到達基態。
發射光子的能量：
——發射光子
由于能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發射光譜只有一些分立的亮線。
-
-
2.電子從低能級向高能級躍遷（受激躍遷）
吸收光子的能量：
——吸收光子
-
-
-
吸收光子的能量必須等于能級差
-
-
處于某個能級的電子吸收能量，掙脫原子核的束縛，成為自由電子的現象，叫做電離。電離后自由電子動能EK = hv - En
發射光譜的明線與吸收光譜的暗線頻率相同
電子從低能級向高能級躍遷（受激躍遷）：
①吸收光子（光照）
★★★
1）原子的電離:原子由某一定態軌道躍遷到最高能級n=∞的過程。（對于能量大于或等于13.6eV的光子，氫原子電離，即原子結構被破壞）
電離后電子剩余動能為：
注意：En為負值
電離條件：
2）光子使原子躍遷（n→m）:光子的能量必須等于能級差，才能被吸收。（對于能量小于13.6eV的光子，光子能量必須恰好等于能級差?????????=????????????????????(????＞????)；即要么全被吸收，要么不吸收。）
?
躍遷條件：
要么全被吸收，要么不吸收。
吸收能量
②吸收實物粒子能量（碰撞、加熱）
只要實物粒子（如微觀粒子中的電子、α粒子等）能量足以使氫原子向高能級躍遷，就能被氫原子全部吸收或部分吸收而使氫原子向高能級躍遷，多余能量仍為實物粒子動能（自己保留）。
電離后電子剩余動能為：
2）實物粒子使原子躍遷（n→m） :
實物粒子的能量可以全部或部分被吸收，需要多少，吸收多少。多余的能量由實物粒子自己保留。
1）原子的電離:原子由某一定態軌道躍遷到最高能級n=∞的過程。
電離條件：
注意：En為負值
躍遷條件：
從高能級向低能級躍遷（自發躍遷）
從低能級向高能級躍遷（受激躍遷）
玻爾在解決核外電子的運動時成功引入了量子化的觀念
同時又應用了“粒子、軌道”等經典概念和有關牛頓力學規律
除了氫原子光譜外，在解決其他問題上遇到了很大的困難
沒有繞開經典理論
無法解釋復雜一點的原子的光譜現象
無法解釋譜線的強度等
1.玻爾理論的局限性
玻爾理論的局限性
2、原子結構理論的發展過程
湯姆孫發現電子
湯姆孫的西瓜模型
α 粒子散射實驗
盧瑟福的核式結構模型
原子不可割
湯姆孫的西瓜模型
原子穩定性事實氫光譜實驗
盧瑟福的核式結構模型
復雜（氦）原子光譜
量子力學理論
玻爾模型
建 立
否 定
建 立
否 定
建 立
否 定
否 定
觀察與實驗所獲得的事實
建
立
科
學
模
型
提
出
科
學
假
說
玻爾模型
徹底放棄經典概念，用電子云概念取代經典的軌道概念
建 立
電子云
電子在某處單位體積內出現的概率
學習任務四
例4 [2023·天津一中月考] 圖示為氫原子能級圖以及氫原子從n=3、4、5、6能級躍遷到n=2能級時輻射的四條光譜線,已知氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級時輻射光子的波長為656 nm,下列說法正確的是　　 (　)
A.四條譜線中波長最長的是Hδ
B.用633 nm的光照射能使氫原子從n=2能級躍遷到n=3能級
C.一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時,最多產生3種譜線
D.如果用能量為10.3 eV的電子轟擊,一定不能使基態的氫原子受激發
C
學習任務四
[解析]根據能級躍遷規律可知hν=Em-En、ν=????????,可知四條譜線中波長最長的是Hα,故A錯誤;
氫原子從n=3能級躍遷到n=2能級時輻射光子的波長為656 nm,所以氫原子從n=2能級躍遷到n=3能級也需要656 nm的光照射,故B錯誤;
一群處于n=3能級的氫原子向低能級躍遷時,最多產生C32=3種譜線,故C正確;
當實物粒子轟擊氫原子時,只要實物粒子的能量大于或等于能級躍遷所需要的能量就可以發生躍遷,電子的能量大于從基態躍遷到第一激發態需要的能量10.2 eV,故用能量為10.3 eV的電子轟擊,能使基態的氫原子受激發,故D錯誤.
?
【要點總結】
使原子能級躍遷的兩種粒子——光子與實物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激發,光子的能量必須等于兩能級的能量差.
(2)原子還可吸收外來實物粒子(例如自由電子)的能量而被激發,由于實物粒子的動能可部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于兩能級的能量差(E=Em-En),就可使原子發生能級躍遷.
學習任務四
課堂小結
氫原子光譜和
玻爾的原子模型
光譜
氫原子光譜的特點
經典理論的困難
玻爾原子理論的基本假設
玻爾理論對氫原子光譜的解釋
原子的穩定性
頻率的不連續性
定態假設
躍遷假設??????=????2?????1
?
量子假設
????n =????1????2
?
課后習題
1.什么是線狀譜，什么是連續譜？原子的發射光譜是怎樣的光譜？不同原子的發射光譜是否有可能相同？
1.由不連續的亮線組成的光譜叫線狀譜。
由波長連續分布的光組成的連在一起的光帶叫連續譜。原子的發射光譜是線狀光譜。不同原子的發射光譜不相同。
課后習題
2.參考圖4.4-6，用玻爾理論解釋，當巴耳末公式
n＝5時計算出的氫原子光譜的譜線，是哪兩個能
級之間的躍遷造成的？
2.該氫原子光譜的譜線是從量子數為5的能級躍遷到量子數為2的能級形成的。
課后習題
3.根據巴耳末公式，指出氫原子光譜在可見光范圍內波長最長的前兩條譜線所對應的n，它們的波長各是多少？氫原子光譜有什么特點？
課后習題
4.如果大量氫原子處在n＝3的能級，會輻射出幾種頻率的光？其中波長最短的光是在哪兩個能級之間躍遷時發出的？
4.3種；波長最短的光是從n=3的能級躍遷到n=1的能級時發出的。
提示：大量原子處在n=3的能級上，能輻射3種頻率的光，分別是：從n=3的能級躍遷到n=2的能級時發出的光；從n=2的能級躍遷到n=1的能級時發出的光；從n=3的能級躍遷到n=1的能級時發出的光。
波長最短的光，頻率最大，對應的光子能量最大。從n=3的能級躍遷到n=1的能級時，釋放的光子能量最大，發出的光波長最短。
課后習題
5.請用玻爾理論解釋：為什么原子的發射光譜都是一些分立的亮線？
課后習題
6.要使處于n＝2的激發態的氫原子電離，它需要吸收的能量為多大？
課后習題
7.包含各種波長的復合光，被原子吸收了某些波長的光子后，連續光譜中這些波長的位置上便出現了暗線，這樣的光譜叫作吸收光譜。請用玻爾理論解釋：為什么各種原子吸收光譜中的每一條暗線都跟這種原子的發射光譜中的一條亮線相對應？

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