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第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型
第四章
人教版 选择性必修第三册
光谱
01
氢原子光谱的实验规律
02
经典理论的困难
03
玻尔原子理论的基本假设
04
玻尔理论对氢光谱的解释
05
玻尔理论的局限性
06
新课导入
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？
光 谱
PART 01
用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开
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）。
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
光谱的分类：发射光谱和吸收光谱。
光 谱
发射光谱
定义：由发光体直接产生的光谱
连续光谱
｛
产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发光形成的
光谱的形式：连续分布（连在一起的光带），一切波长的光都有
明线光谱
｛
（原子光谱）
产生条件：稀薄气体或金属蒸气发光形成的光谱
光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）
吸收光谱
定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱
产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的
光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）——也是原子的特征谱线。
产生
方式
（线状光谱）
2、各种光谱的特点及成因
氢的明线光谱
氢的吸收光谱
连续谱
光谱举例
钠蒸气
光谱中产生的一组暗线，每
条暗线的波长都跟那种气体
原子的特征谱线相对应。
钠的吸收光谱
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：利用发射光谱和吸收光谱。
（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。
（4）同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，明线光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。
3、光谱分析
【例题】(多选)下列关于光谱的说法正确的是(　　)
A.连续光谱就是由连续发光的物体产生的光谱，线状谱是线状光源产生的光谱
B.通过对连续谱的光谱分析，可鉴定物质成分
C.连续光谱包括一切波长的光，线状谱只包括某些特定波长的光
D.通过对线状谱的明线光谱分析或对吸收光谱的暗线分析，可鉴定物质成分
CD
小试牛刀
【例题】(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是(　　)
A.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C.进行光谱分析时,可以用线状谱,不能用连续光谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
BC
小试牛刀
氢原子光谱的实验规律
PART 02
氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。从氢气放电管可以获得氢原子光谱。
可见光区
氢原子在可见光区的四条谱线
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。
紫外区
红外区
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。
氢原子的光谱
巴耳末系波长公式：
R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1.10×107 m-1
n＝3，4，5，...
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。
（可见光区的四条谱线）
原子内部电子的运动是原子发光的原因。因此，光谱是探索原子结构的一条重要途径。
【例题】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所有情况，其波长的分立值并不是人为规定的
小试牛刀
C
【例题】下列说法中正确的是(　　)
A.巴耳末公式所计算得出的波长与氢原子光谱中的波长是一一对应的关系
B.根据巴耳末公式不仅可以分析氢原子光谱,也可以分析其他原子的发光光谱
C.由巴耳末公式得到的波长都在可见光波段
D.氢原子光谱中有红外光区、可见光区和紫外光区
D
小试牛刀
经典理论的困难
PART 03
经典理论的困难
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。
电子绕核转动的经典图景
核外电子绕核运动
辐射电磁波
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
事实上：
原子是稳定的
辐射电磁波频率只是
某些确定值
　 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。
事实上：原子是稳定的；原子光谱是线状谱、分立的。
这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏观物休，但它不能解释原子世界的现象。
【例题】(多选)关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法中正确的是(　　)
A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性
B．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上
C．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的
D．氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论
小试牛刀
BC
玻尔原子理论的基本假设
PART 04
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
玻尔原子理论假设的基础
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
+
rn
n=1
n=2
n=3
v
-
——针对原子核式结构模型提出
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1、轨道量子化
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：
——针对原子的稳定性提出
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=∞
假设2：能量量子化（定态、能级）
⑶电子轨道与原子能级的对应关系
基态
激发态
E4
1
2
3
4
E1
E3
E2
E∞
n
轨道与能级相对应
原子能级图
第1激发态
∞
第n-1激发态
电子轨道图
氢原子：
+
n=1
n=2
n=3
v
-
n=4
v
-
v
-
v
-
n=∞
——针对原子光谱是线状谱提出
+
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:
-
假设3：频率条件(跃迁假说）
【例题】关于玻尔原子理论，下列说法中不正确的是(　　)
A．继承了卢瑟福的核式结构模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设
B．氢原子核外电子的轨道半径越大，核外电子动能越大
C．能级跃迁吸收(辐射)光子的频率由两个能级的能量差决定
D．原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量
小试牛刀
B
【例题】(多选)氢原子吸收一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是(　 　)A．电子绕核旋转的轨道半径增大B．电子的动能减小C．氢原子的电势能增大D．氢原子的能级减小
小试牛刀
ABC
玻尔理论对氢光谱的解释
PART 05
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。
-
-
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
电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁）：
①吸收光子（光照）
★★★
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。（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：
2）光子使原子跃迁（n→m）:光子的能量必须等于能级差，才能被吸收。（对于能量小于13.6eV的光子，光子能量必须恰好等于能级差即要么全被吸收，要么不吸收。）
跃迁条件：
要么全被吸收，要么不吸收。
吸收能量
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
氢原子能级图
跃迁条件：
从高能级向低能级跃迁（自发跃迁）
从低能级向高能级跃迁（受激跃迁）
【例题】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
小试牛刀
C
玻尔理论的局限性
PART 06
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
玻尔理论的局限性
光谱分析
由基尔霍夫开创的光谱分析方法对鉴别化学元素有着巨大的意义。许多化学元素，像艳、物、铊、铜、镓，都是在实验室里通过光语分析发现的。
光谱分析还为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。
科学漫步
典例分析
PART 07
(1)少量原子发出的是线状谱，大量原子发出的是连续谱。(　　)
(2)连续谱一定是大量不同元素共同发出的光谱。(　　)
(3)氢原子光谱有无数条分立谱线，其中有四条谱线在可见光范围内。(　　)
(4)巴耳末公式能描述整个氢原子光谱。(　　)
(5)电子的轨道半径不是任意的，只有当半径的大小符合一定条件时，这样的轨道才是可能的。(　　)
(6)氢原子吸收或辐射光子的频率条件是hν＝En－Em(m(7)氢原子各能级的能量指电子绕核运动的动能。(　　)
(8)玻尔理论能解释不同元素的原子光谱。(　　)
√
√
×
×
×
×
√
×
判一判
1、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（ ）
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
小试牛刀
2、一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子(　　)
A．放出光子，能量增加
B．放出光子，能量减少
C．吸收光子，能量增加
D．吸收光子，能量减少
B
小试牛刀
3、(多选)根据玻尔理论，氢原子中量子数n越大，下列说法中正确的是（ ）
A．电子轨道半径越大
B．核外电子的速率越大
C．氢原子能级的能量越大
D．核外电子的电势能越大
ACD
小试牛刀
4、（多选）欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是（ ）
用10.2eV的光子照射；
用11eV的光子照射；
用11eV的电子碰撞；
用10.2eV的电子碰撞。
AC
小试牛刀
5、根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是( )
A.当氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，氢原子要辐射的光子能量为hν＝En
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ra的轨道自发地直接跃迁到另一个半径为rb的轨道，已知ra>rb，则此过程原子要辐射某一频率的光子
D.氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁
C
小试牛刀
6、(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
小试牛刀
7、(多选)如图是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是 (　 　)
A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的光子
B.这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2 eV
C.从n＝3能级跃迁到n＝2能级时发出的光波长最长
D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁
AC
小试牛刀
8、如图所示为氢原子能级图。大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时发出不同频率的光。用这些光照射金属钙。已知金属钙的逸出功为3.20 eV。能够从金属钙的表面照射出光电子的光共有(　 　)
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
解析：
大量的处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,能发出6种不同频率的光电子,它们的能量分别是E1=-0.85 eV-(-1.51 eV)=0.66 eV,E2=-0.85 eV-(-3.40 eV)=2.55 eV,E3=-0.85 eV-(-13.6 eV)=12.75 eV,E4=-1.51 eV-(-3.40 eV)=1.89 eV,E5=-1.51 eV-(-13.6 eV)=12.09 eV,E6=-3.40 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,
可见有三种光电子的能量大于3.20 eV,故能够从金属钙的表面照射出光电子的光共有三种,故B正确,A、C、D错误。
B
小试牛刀

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