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高中物理选择性必修第三册 第四章：原子结构和波粒二象性 第 4节: 氢原子光谱和波尔的原子模型
第 2节：氢原子光谱和波尔的原子模型
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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
光谱：光按波长（频率）和强度分布的记录（有时只是波长成分的记录）。
用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
2、光谱的分类
光谱是连在一起的,一切波长的光都有（如炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱）
①连续谱：
一些不连续的明线的光谱，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光（如稀薄气体、金属的蒸气或原子的发射光谱）
②线状谱：
(原子光谱）
发射光谱:
一、光谱
一、光谱
3、特征谱线和光谱分析
（1）气体中中性原子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。
不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮
线称为原子的特征谱线。
（1）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。
①原理：利用原子的线状谱
②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。
③应用：发现新元素和研究天体的化学组成。
原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。
一、光谱
3、特征谱线和光谱分析
三、氢原子光谱
1、氢原子光谱的特征
氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。
（3）可见光的波长范围： 4.0×10-7m～7.6×10-7m (400nm～760nm)。
（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，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。
（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。
三、氢原子光谱
2、氢原子光谱的线系
巴耳末系波长公式：（上图中可见光区的四条谱线）:
n=3，4，5，...
R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1.10×107 m-1
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。
可见光线系
氢原子光谱的其他线系
莱曼线系
红外区还有三个线系
帕邢系
布喇开系
普丰特系
紫外线区
n＝2，3，4，...
n＝4，5，6，...
n＝5，6，7，...
n＝6，7，8，...
三、氢原子光谱
2、氢原子光谱的线系
四、经典理论的困难
巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。
1、按经典物理学电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落回到原子核上形成原子坍塌。但事实上原子是个稳定的系统。
　 2、轨道及转动频率不断变化，辐射的电磁波频率也是连续的， 即原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线状谱。
这些矛盾说明，尽管经典物理学可以很好的应用于宏观物体，但它不能解释原子世界的现象，必须用新的理论来解释氢原子光谱。
五、波尔原子理论的基本假设
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
假设1、轨道量子化——针对原子核式结构模型提出
+
rn
n=1
n=2
n=3
v
-
绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。
轨道量子化：
氢原子：
量子数
n=4
n=∞
假设2：能量量子化（定态、能级）——针对原子的稳定性提出
⑵能级：原子的在各种定态时的能量值
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
能量量子化：
氢原子：
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，原子具有不同的能量。
n=∞
五、波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
五、波尔原子理论的基本假设
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:
+
m
n
-
电子从高能级（Em）向低能级（En）跃迁只能发射特定频率的光子
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
?0.85
?
?13.6
?
?3.4
?
?1.51
?
E/eV
0
六、波尔理论对氢光谱的解释
波尔原子理论总结
1、电子从高能级向低能级跃迁（自发跃迁）——发射光子
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。
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。
发射光子的能量：
-
-
六、波尔理论对氢光谱的解释
-
-
-
吸收光子的能量：
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
六、波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
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
1、玻尔理论的局限性
七、波尔理论的局限性
2、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
观察与实验所获得的事实
建
立
科
学
模
型
提
出
科
学
假
说
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
七、波尔理论的局限性
1．下列说法正确的是（　　）
A．烧红的煤块和白炽灯发光产生的光谱都是连续光谱
B．生活中试电笔内氖管和霓虹灯发光产生的光谱都是连续光谱
C．用光谱管观察酒精灯火焰上钠盐的光谱可以看到钠的连续谱
D．神舟七号飞船内的三名宇航员在绕着地球飞行中能够观察到太阳的连续谱
A
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2．如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为（　　）
A．a元素
B．b元素
C．c元素
D．d元素
B
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3．根据玻尔模型，原子中电子绕核运转的半径（　　）
A．可以取任意值
B．可以在某一范围内取任意值
C．可以取一系列不连续的任意值
D．是一系列不连续的特定值
D
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4．用能量为12.75eV的光子去激发处于基态的一群氢原子，受激发后的氢原子向低能级跃迁时可以放出几种频率的光子（　　）
A．12种
B．6种
C．5种
D．3种
B
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5．关于玻尔理论的局限性，下列说法中正确的是（　　）
A．玻尔的原子模型与原子的核式结构模型本质上是完全一致的
B．玻尔理论的局限性是保留了过多的经典物理理论
C．玻尔理论的局限性在于提出了定态和能级之间跃迁的概念
D．玻尔第一次将量子观念引入原子领域，是使玻尔理论陷入局限性的根本原因
B
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6．对原子光谱，下列说法正确的是（　　）
A．原子光谱是不连续的
B．原子光谱是连续的
C．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的
D．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
AD
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7．如图所示是氢原子的能级图，大量处于n＝5激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出10种不同频率的光子，其中莱曼系是指氢原子由高能级向n＝1能级跃迁时释放的光子，则（???????）
A．10种光子中频率最低的是从n＝5激发态跃迁到基态时产生的
B．10种光子中有4种属于莱曼系
C．使n＝5能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量
D．从n＝2能级跃迁到基态释放光子的能量大于从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放光子的能量
BD
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