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4.4氢原子光谱和玻尔的原子模型 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本节内容主要分为两大部分：第一部分是光谱、氢原子光谱的实验规律和经典理论的困难；第二部分是波尔原子理论的基本假设、波尔理论对氢原子光谱的解释和玻尔理论的局限性。第二部分的是本节的中点难点。
本节内容再现了原子结构理论在实践中接受检验、推理、再检验、再修正的过程。要在教学过程中使学生体会到，从原子结构的核式结构（理论）到经典理论难以解释（实践）再到玻尔原子结构假设说（新理论）再到对氢光谱的成功解释（再实践）的科学探究过程，领会科学方法和科学精神。
波尔意识到经典理论在解释原子结构方面的困难，在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子概念的启发下，把量子观念引人原子系统，提出了自己的原子结构假说，包括轨道量子化与定态、跃迁的频率条件（又叫辐射条件）。尽管波尔模型后来被证明很不完善，但仍是人们认识原子结构的一个重要标志。
【学情分析】
（一）学情分析
物理观念：了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。明确玻尔原子模型的意义。
科学思维：领悟理论与实践结合的科学思想。掌握发现错误-分析原因-提出假设-实验验证的科学探究方法
科学探究：物理学史中重要理论和实验的产生有其历史发展的必然性，在对这种必然性以及理论与实验的科学性的分析过程就是一种非常可行的科学探究过程。
科学态度与责任： 理解人类对原子的认识和研究经历了一个十分漫长的过程， 这一过程也是辩证发展的过程，通过教学让学生体验科学家所进行的科学探究，领会科学方法和科学精神。
【教学目标】
（一）教学目标
物理观念：知道玻尔原子理论基本假设的内容，了解能级、能级跃迁、能量量子化、基态、激发态等概念和相关的实验规律。
科学思维：掌握玻尔理论对氢光谱的解释，能用原子能级图分析、推理、计算，提高解决问题的能力。
科学探究：通过对氢原子光谱实验规律的探究及玻尔理论的理解，揭示物理现象的科学本质，提高探究能力。
科学态度与责任：学会用事实说话，坚持实事求是的科学态度，体验科学家的艰辛，激发探索科学规律的热情。
【教学重难点】
（一）教学重难点
重点:
玻尔原子理论的基本假设
难点:
玻尔理论对氢光谱的解释
【新课导入】
（一）新课导入
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。
卢瑟福核式结构模型与经典的电磁理论发生了矛盾：无法解释原子的稳定性；无法解释原子光谱的分立性
【新课讲解】
（一）光谱
光谱
1.光谱的定义
我们知道自然界中的白光其实是复合光，由多种不同频率的光组成，用三棱镜或者光栅可以把物质发出的光按波长展开，从而获得光的频率和强度分布的记录，就是光谱。
问题：那光谱有哪些类别呢？
2.光谱的分类
①连续谱：光谱是连在一起的光带
它由连续分布的一切波长的光簇组成。如图，所示的钨丝白炽灯的光谱。一般来说，炽热的固体，液体或高压气体发出的光都形成连续光谱。比如炽热的钢水。
②线状谱：光谱是一条条分立的亮线。
它只由游离状态的原子发射，所以也叫原子光谱。一般来说，稀薄气体或金属的蒸气发出的光会形成线状谱，线状谱中的亮线叫谱线。比如图中的三条就是线状谱，虽然期间也有一些地方连续，但是中间断了。
3.特征谱线
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。
4.光谱分析
同种元素的原子产生的线状谱是相同的，但不同元素的原子产生了，线状谱是不同的。意味着可以从线状谱中鉴别物质的元素组成，这种光谱分析法，对于鉴别化学元素有着巨大的意义。它不仅判断迅速，而且异常灵敏，只要某种元素的含量达到十的负10-10克，就可以通过特征谱线将其检测出来。
（一）氢原子光谱的实验规律
氢原子光谱的实验规律
原子内部电子的运动是原子发光的原因，所以光谱研究，可以用来探索原子内部结构，从而验证卢瑟福核式结构。我们从最简单的原子氢原子下手。
实验表明：在可见光区，光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。氢原子光谱一共有四条谱线。
思考：测出氢原子光谱的谱线位置之后，那么它有什么规律呢？
可见光区谱线规律——巴尔末公式
n=3，4，5
里德伯常量：=1.10×10-7m-1
n有两层含义：
①每一个n值分别对应一条谱线。
②n只能取正整数3,4,5…,不能取连续值，反映了氢原子光谱波长的分立特征（线状谱）。
用它计算出的波长与实际测量值的相对误差不超过1/4万，吻合的非常好。巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子光谱的分立特征，对光谱学和近代物理学的后续发展产生了重要影响。
问题：这个简洁的结构揭示了怎样的原子结构呢？
（一）经典理论的困难
经典理论的困难
1.矛盾一
原子的特征光谱是分立的，不连续的，如果用经典理论来看，这也说明电子在原子中做怎样的运动呢？
经典理论：电子要以一定的速度绕着原子核转动。同时外辐射能量，造成电子的能量越来越小。运动的轨道半径也会越来越小，最终落在原子核上。即原子是不稳定的。
事实是：原子是稳定系统。
2.矛盾二
经典理论：辐射电磁波的频率也应该变大，并且应该是连续变化的。
事实是：辐射的光谱是不连续。
这些矛盾说明物理学迫切需要新理论，新观念。那具体是什么新理论呢？
（一）玻尔原子理论的基本假设
玻尔原子理论的基本假设
1、轨道量子化——针对原子核式结构模型提出
①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值
②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：（n=1，2，3....）
氢原子：=0.053nm
2、能量量子化（定态、能级）——针对原子的稳定性提出
①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
②能级：原子的在各种定态时的能量值
能量量子化：
氢原子：
3、频率条件(跃迁假说)——针对原子光谱是线状谱提出
跃迁：原子在从高（低）能级跳到低（高）能级电子辐射（吸收）光子的过程。
频率条件:
成功解释了氢光谱的所有谱线
（一）玻尔理论对氢光谱的解释
玻尔理论对氢光谱的解释
1、向低轨道跃迁：发射光子
跃迁时发射光子的能量：
光子的能量必须等于能级差
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。
说明：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、向高轨道跃迁：吸收光子
跃迁时吸收光子的能量：
吸收光子的能量必须等于能级差，因此吸收光谱也是一些分立的暗线
当光子的能量大于或等于该能级的能量时，
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
课堂练习1、根据玻尔原子结构理论，氢原子的能级图如图所示。一个（或一群）处于第n能级的氢原子，向基态（第1能级）跃迁时，最多可辐射多少种不同频率的光？
跃迁时电子动能、原子势能、原子能量的变化
1.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。
2.当n增大即轨道半径增大时。库伦力做负功，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。
（一）玻尔理论的局限性
波尔理论的局限性
玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性。
①复杂一点的原子，就无法解释它的光谱现象（如氦）
②无法解释谱线的强度
原因：保留了静电粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述小的轨道运动。
解决办法：必须彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念，而使用量子力学的描述。
回顾人类探索原子结构的历程
到此原子结构的认识史，就大致讲完了，早年间人们以为原子不可再分，后来汤姆孙发现电子提出原子具有内部结构，然后a粒子散射实验否定了汤姆孙枣糕模型，于是有了卢瑟福核式模型。而他无法解释原子稳定性和光谱现象，所以波尔做了修正。最后复杂原子光谱说明波尔模型也不够完善，电子云模型要更贴切一些。
可以看到，每一种新理论的建立，都是依靠观察和实验所获得的事实，但他们要不断的被新的实验事实推翻、修正，科学上是以这样的方式在不断前进。 而前进道路上的每一步，都为这个进程做出了贡献，正如波尔模型虽然最终被修正了，但他讲量子论的影响大大扩展了，功不可没。
科学漫步——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。
【板书】
（一）板书
一、玻尔原子理论的假设
1、轨道量子化
2、能量量子化
3、频率条件
二、玻尔理论对氢光谱的解释
1、跃迁
2、电离
三、玻尔理论的局限性
1、氦原子光谱
2、电子云
【课后反思】
（一）课后反思
本节到此原子结构的认识史就大致讲完了，学生对原子内部的结构有个大概的认识，但是期间许多科学家提出的模型都是由局限性的，即使最后的波尔理论也是如此，那么这就会给学生一种感受——这些东西不重要。教学时可以看到，每一种新理论的建立，都是依靠观察和实验所获得的事实，但他们要不断的被新的实验事实推翻、修正，科学上是以这样的方式在不断前进。而前进道路上的每一步，都为这个进程做出了贡献，正如波尔模型虽然最终被修正了，但他讲量子论的影响大大扩展了，功不可没。

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