物理選擇性必修第三冊(配人教版)第4章-4氫原子光譜和玻爾的原子模型

第四章原子結構和波粒二象性4氫原子光譜和玻爾的原子模型學習目標1．了解氫原子光譜的特點，知道巴爾末公式及里德伯常量(重點)2．理解玻爾理論對氫原子光譜規(guī)律的解釋(重點)3．了解玻爾理論的局限性(難點)4．知道玻爾原子結構理論的主要內容(重點)5．了解能級、躍遷、能量量子化及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念(重點)6．會用玻爾的原子結構理論解釋氫光譜(重難點)學法與考法學法：①通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構；②通過玻爾理論的學習，進一步了解氫光譜的產生；③通過對原子模型演變歷史的學習，感受科學家們細致、敏銳的科學態(tài)度和不畏權威、尊重事實、尊重科學的科學精神考法：①考查對光譜、氫原子光譜的實驗規(guī)律、經典理論的困難的理解；②考查對玻爾理論的理解；③考查對躍遷和能級的理解和應用知識導圖預習導學|新知領悟1．光譜(1)定義：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按_____________展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜．(2)分類．①線狀譜：由一條條的___________組成的光譜．②連續(xù)譜：由連在一起的___________組成的光譜．光譜、氫原子光譜的實驗規(guī)律、經典理論的困難波長亮線光帶(3)特征譜線．各種原子的發(fā)射光譜都是___________，且不同原子的亮線位置___________，故這些亮線稱為原子的___________譜線．(4)光譜分析．①定義：利用原子的___________來鑒別物質和確定物質的組成成分．②優(yōu)點：靈敏度高．線狀譜不同特征特征譜線2．氫原子光譜的實驗規(guī)律(1)光譜研究的意義．許多情況下光是由原子________電子的運動產生的，因此光譜研究是探索原子結構的重要途徑．(2)氣體發(fā)光原理．①氣體放電：玻璃管中稀薄氣體在強電場的作用下會電離，形成自由移動的正負電荷，于是氣體變成導體，導電時會發(fā)光．②氫光譜：從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜．內部(3)巴耳末公式．①公式：________________________________________.②意義：巴耳末公式以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長的__________特征．分立3．經典理論的困難(1)用經典(電磁)理論在解釋原子的____________和原子光譜的________特征時遇到了困難．(2)經典理論可以很好地應用于宏觀物體，但不能用來解釋________世界的現(xiàn)象．穩(wěn)定性分立原子在巴耳末公式中，n值越大，氫光譜的波長越長嗎？微思考【答案】不對，原子光譜是線狀譜，只能是一些分立的譜線，不是連續(xù)譜．

氫是自然界中最簡單的元素，下列關于氫原子光譜的說法正確的是 (

)A．氫原子光譜是連續(xù)譜B．氫原子光譜是氫原子的特性譜線C．經典物理學可以解釋氫原子光譜D．不同化合物中的氫的光譜不同【答案】B【解析】原子光譜是線狀譜，只能是一些分立的譜線，不是連續(xù)譜，A錯誤；不同原子的原子光譜是不同的，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，明線光譜中的明線和吸收光譜中的暗線都是特征譜線，可以進行元素的光譜分析，B正確；經典物理學不可以解釋氫原子光譜的分立特性，C錯誤；不同化合物中的氫的光譜相同，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，D錯誤．1．軌道量子論原子中的電子在________力的作用下，繞__________做圓周運動，圍繞原子核運動的電子軌道只能是某些__________，所以電子繞核運動的軌道是__________的．玻爾原子理論的基本假設庫侖原子核分立值量子化2．定態(tài)電子在這些軌道上繞核的轉動是________的，且不產生________________．當電子在不同軌道上運動時，原子處于不同的狀態(tài)，原子在不同的狀態(tài)中具有________的能量，即原子的能量是___________的，這些量子化的能量值叫作________，原子具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為________．能量最低的狀態(tài)叫作________，其他的能量狀態(tài)叫作___________．穩(wěn)定電磁輻射不同量子化能級定態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)3．躍遷當電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為Em)________到能量較低的定態(tài)軌道(其能量記為En，m＞n)時，會________能量為hν的光子，該光子的能量hν＝____________，這個式子被稱為________條件，又稱________條件．躍遷放出Em－En頻率輻射電子能吸收任意頻率的光子發(fā)生躍遷嗎？微思考【答案】不能，電子能吸收任意頻率的光子的前提是光子的能量大于0－En. (多選)由玻爾理論可知，下列說法中正確的是 (

)A．電子繞核運動有加速度，就要向外輻射電磁波B．處于定態(tài)的原子，其電子做變速運動，但它并不向外輻射能量C．原子內電子的可能軌道是連續(xù)的D．原子的軌道是不連續(xù)的【答案】BD【解析】按照經典物理學的觀點，電子繞核運動有加速度，一定會向外輻射電磁波，很短時間內電子的能量就會消失，與客觀事實相矛盾，由玻爾理論可知A、C錯誤，B正確；原子軌道是不連續(xù)的，D正確．1．玻爾理論對氫光譜的解釋(1)解釋巴耳末公式．①按照玻爾理論，從高能級躍遷到低能級時輻射的光子的能量為hν＝______________.②巴耳末公式中的正整數n和2正好代表能級躍遷之前和之后所處的______________的量子數n和2.并且理論上的計算和實驗測量的________________符合得很好．玻爾理論對氫光譜的解釋、玻爾理論的局限性Em－En定態(tài)軌道里德伯常量(2)解釋氫原子光譜的不連續(xù)性．原子從較高能級向低能級躍遷時放出光子的能量等于前后______________，由于原子的能級是________的，所以放出的光子的能量也是________的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線．兩個能級差分立分立2．玻爾理論的局限性(1)成功之處．玻爾理論第一次將_____________引入原子領域，提出了_____________的概念，成功解釋了___________光譜的實驗規(guī)律．(2)局限性．保留了___________的觀念，把電子的運動仍然看作經典力學描述下的___________運動．量子觀念定態(tài)和躍遷氫原子經典粒子軌道(3)電子云．原子中的電子沒有確定的坐標值，我們只能描述電子在某個位置出現(xiàn)________的多少，把電子這種概率分布用疏密不同的點表示時，這種圖像就像________一樣分布在原子核周圍，故稱___________．概率云霧電子云巴耳末公式是玻爾理論的一種特殊情況嗎？玻爾理論為什么能成功地解釋氫光譜？微思考【答案】巴耳末公式是玻爾理論的一種特殊情況．玻爾理論能成功地解釋氫光譜是因為將量子理論引入了原子結構中． (多選)已知氫原子的能級圖如圖所示，現(xiàn)用光子能量介于10～12.9eV范圍內的光去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法中正確的是 (

)A．在照射光中可能被吸收的光子能量有無數種B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3種C．照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有6種D．照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有3種【答案】BC多維課堂|

素養(yǎng)初培對氫原子光譜的理解問題(1)如圖甲所示，白光通過三棱鏡形成的亮線是什么？圖乙中的亮線又有什么不同？(2)根據經典的電磁理論，原子的光譜是怎樣的？而實際看到的原子的光譜是怎樣的？(3)巴耳末是依據核式結構理論總結出巴耳末公式的嗎？能否根據巴耳末公式計算出對應的氫光譜的最長波長？【答案】(1)白光通過三棱鏡形成的亮線是光譜．有的是連續(xù)的，有的是線狀分立的．(2)根據經典理論，原子可以輻射各種頻率的光，即原子的光譜應該總是連續(xù)的．實際看到的原子的光譜是分立的線狀譜．(3)不是．巴耳末公式是由當時已知的可見光中的部分譜線總結出來的，不是依據核式結構理論總結出來的．能.氫光譜的最長波長對應著n＝3，代入巴耳末公式便可計算出最長波長．1．氫原子的光譜從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜，如圖所示．4．其他譜線除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線，也都滿足與巴耳末公式類似的關系式．素養(yǎng)點評：通過對氫原子光譜的探究，培養(yǎng)“物理觀念”和“科學探究”的核心素養(yǎng)．【答案】C【解析】巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中的可見光譜系列的規(guī)律，對于氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線不適用，故D錯誤，巴耳末公式是由氫光譜中的可見光中的部分譜線總結出來的，反映了氫原子發(fā)光的不連續(xù)性，故A、B錯誤，C正確．

巴耳末公式的應用方法及注意問題1．巴耳末公式反映氫原子發(fā)光的規(guī)律特征，不能描述其他原子．2．公式中n只能取整數，不能連續(xù)取值，因此波長也是分立的值．3．公式是在對可見光區(qū)的四條譜線分析時總結出來的，在紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴耳末公式類似的關系式．4．應用時熟記公式，當n取不同值時求出一一對應的波長．根據玻爾原子模型，原子核外的電子處于一系列不連續(xù)的軌道上，原子在不同的軌道又具有不同的能量．對玻爾理論的理解問題(1)原子處于什么狀態(tài)穩(wěn)定，什么狀態(tài)不穩(wěn)定？(2)原子的能量與電子的軌道半徑具有怎樣的對應關系？(3)玻爾的原子模型軌道與盧瑟福的行星模型軌道是否相同？(4)電子由高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)時，釋放出的光子的頻率可以是任意值嗎？【答案】(1)原子處于基態(tài)時是穩(wěn)定的，原子處于激發(fā)態(tài)時是不穩(wěn)定的．(2)原子的能量與電子的軌道半徑相對應，軌道半徑大，原子的能量大，軌道半徑小，原子的能量?。?3)不同．玻爾的原子模型的電子軌道是量子化的，只有當半徑的大小符合一定條件時才有可能．盧瑟福的行星模型的電子軌道是任意的，是可以連續(xù)變化的．(4)不可以．因各定態(tài)軌道的能量是固定的，由hν＝Em－En可知，躍遷時釋放出的光子的頻率，也是一系列固定值．1．軌道量子化軌道半徑只能是一些不連續(xù)的、某些分立的值，不可能出現(xiàn)介于這些軌道半徑之間的其他值．2．能量量子化(1)電子在可能軌道上運動時，雖然是變速運動，但它并不釋放能量，原子是穩(wěn)定的，這樣的狀態(tài)也稱之為定態(tài)．(2)由于原子的可能狀態(tài)(定態(tài))是不連續(xù)的，具有的能量也是不連續(xù)的．這樣的能量值，稱為能級．量子數n越大，表示能級越高．(3)原子的能量包括：原子的原子核與電子所具有的電勢能和電子運動的動能．素養(yǎng)點評：通過對玻爾原子理論的探究，培養(yǎng)“科學探究”和“科學思維”素養(yǎng)．對玻爾理論的理解精練2

(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(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程，可能輻射能量，也可能吸收能量【答案】BC【解析】根據玻爾理論，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(guī)律可知C正確；氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程中，應輻射能量，D錯誤．變式2

(多選)關于玻爾的原子模型，下述說法中正確的有(

)A．它徹底否定了經典的電磁理論B．它發(fā)展了盧瑟福的核式結構學說C．它完全拋棄了經典的電磁理論D．它引入了普朗克的量子理論【答案】BD【解析】原子核式結構模型與經典電磁理論的種種矛盾說明，經典電磁理論已不適用于原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量子化的概念，提出了量子化的原子模型；但在玻爾的原子模型中仍然認為原子中有一很小的原子核，電子在核外繞核做勻速圓周運動，電子受到的庫侖力提供向心力，并沒有完全拋棄經典的電磁理論．

解決玻爾原子模型問題的四個關鍵1．電子繞核做圓周運動時，不向外輻射能量．2．原子輻射的能量與電子繞核運動無關，只由躍遷前后的兩個能級差決定．3．處于基態(tài)的原子是穩(wěn)定的，而處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的．4．原子的能量與電子的軌道半徑相對應，軌道半徑大，原子的能量大，軌道半徑小，原子的能量?。鐖D所示為一氫原子的能級圖．玻爾理論對氫光譜的解釋、對玻爾理論的局限性的理解【答案】(1)3種．(2)0.85eV.E≥0.85eV.(3)巴耳末公式代表的是電子從量子數n＝3,4,5…的能級向量子數為2的能級躍遷時發(fā)出的光譜線．(4)在原子內部，電子繞核運動并沒有固定的軌道，只不過當原子處于不同的定態(tài)時，電子出現(xiàn)在rn＝n2r1處的概率大．1．能級圖的理解如圖所示為氫原子能級圖．(1)能級圖中n稱為量子數，E1代表氫原子的基態(tài)能量，即量子數n＝1時對應的能量，其值為－13.6eV.En代表電子在第n個軌道上運動時的能量．(2)作能級圖時，能級橫線間的距離和相應的能級差相對應，能級差越大，間隔越寬，所以量子數越大，能級越密，豎直線的箭頭表示原子躍遷方向，長度表示輻射光子能量的大小，n＝1是原子的基態(tài)，n→∞是原子電離時對應的狀態(tài)．4．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(fā)，其光子的能量必須等于兩能級的能量差，否則不被吸收，不存在激發(fā)到n能級時能量有余，而激發(fā)到n＋1時能量不足，則可激發(fā)到n能級的問題．(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(fā)，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值(E＝En－Ek)，就可使原子發(fā)生能級躍遷．5．原子的電離：若入射光子的能量大于原子的電離能，如處于基態(tài)的氫原子電離能為13.6eV，則原子也會被激發(fā)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．素養(yǎng)點評：通過玻爾理論對氫光譜的解釋、對玻爾理論局限性的探究，培養(yǎng)“科學探究”和“科學思維”素養(yǎng)．對原子能級和能級躍遷的理解精練3

(多選)關于氫原子能級的躍遷，下列敘述中正確的是(

)A．用波長為60nm的X射線照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離出自由電子B．用能量為10.2eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)C．用能量為11.0eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)D．用能量為12.5eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)【答案】AB變式3如圖所示為氫原子的能級圖．用光子能量為13.06eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子，可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有 (

)A．15種

B．10種C．4種

D．1種【答案】B對躍遷中光子的能量的理解精練4

(多選)一群處于基態(tài)的氫原子吸收某種光子后，向外輻射了ν1、ν2、ν3三種頻率的光子，且ν1>ν2>ν3，則 (

)A．被氫原子吸收的光子的能量為hν1B．被氫原子吸收的光子的能量為hν2C．ν1＝ν2＋ν3D．hν1＝hν2＋hν3【答案】ACD【解析】氫原子吸收光子能向外輻射出三種頻率的光子，說明氫原子從基態(tài)躍遷到了第三能級，在第三能級不穩(wěn)定，又向低能級躍遷，發(fā)出光子，其中第三能級躍遷到第一能級的光子能量最大，為hν1，從第二能級躍遷到第一能級的光子能量比從第三能級躍遷到第二能級的光子能量大，其能級躍遷圖如題圖所示．由能量守恒可知，氫原子一定是吸收了能量為hν1的光子，則hν1＝hν2＋hν3，ν1＝ν2＋ν3，故A、C、D正確．變式4氫原子基態(tài)的能量為E1＝－13.6eV.大量氫原子處于某一激發(fā)態(tài)．由這些氫原子可能發(fā)出的所有的光子中，頻率最大的光子能量為－0.96E1，頻率最小的光子的能量為________eV(保留2位有效數字)，這些光子可具有________種不同的頻率．【答案】0.31

102．躍遷中光子的能量(1)若光子的能量大于處于某一定態(tài)的原子的電離能，則可被吸收，多余的能量為電子的動能．(2)當一個氫原子從某一軌道向另一軌道躍遷時，可能的情況只有一種，但大量的氫原子就會出現(xiàn)多種情況.課堂小練|

素養(yǎng)達成1．(多選)關于線狀譜，下列說法中正確的是 (

)A．每種原子處在不同溫度下發(fā)光的線狀譜不同B．每種原子處在不同的物質中的線狀譜相同C．每種原子在任何條件下發(fā)光的線狀譜都相同D．兩種不同的原子發(fā)光的線狀譜可能相同【答案】BC【解析】每種原子都有自己的結構，只能發(fā)出由內部結構決定的自己的特征譜線，不會因溫度、物質不同而改變，B、C正確．【答案】AC【解析】此公式是巴耳末在研究氫原子光譜在可見光區(qū)的四條譜線中得到的，只適用于氫原子光譜的分析，A正確，D錯誤；公式中n只能取大于等于3的整數，λ不能連續(xù)取值．故氫原子光譜是線狀譜，B錯誤，C正確．3．根據玻爾理論，下列關于氫原子的論述正確的是 (

)A．若氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級Em躍遷，則氫原子要輻射的光子能量為hν＝En－EmB．電子沿某一軌道繞核運動，若圓周運動的頻率為ν，則其發(fā)光的頻率也是νC．一個氫原子中的電子從一個半徑為ra的軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的軌道，已知ra>rb，則此過程原子要吸收某一頻率的光子D．氫原子吸收光子后，將從高能級向低能級躍遷【答案】A【解析】原子由能量為En的定態(tài)向低能級躍遷時，輻射的光子能量等于能級差，故A正確；電子沿某一軌道繞核運動，處于某一定態(tài)，