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第4节 氢原子光谱和玻尔的原子模型
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
绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；
少数α粒子（约占1/8000）发生了大角度偏转。
极少数偏转角度甚至大于90 ，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。
复习引入
1、卢瑟福的α 粒子散射实验现象是什么？
2、卢瑟福所提出的原子核式结构是怎样的？
（1）在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核．
（2）原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里．
（3）带负电的电子在核外空间绕着核旋转．
复习引入
1. 光谱：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长展开，获得波长和强度分布的记录。
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，实验中得到的彩色光带叫做光谱。
光谱的分类：
发射光谱和吸收光谱
一、光谱
一、光谱
连续光谱
明线光谱
发射光谱
由发光体直接产生的光谱
（线状谱）
实验证明，各种原子发射的光谱都是线状谱，说明原子只能发出几种具有本身特征的特定波长的光。不同原子亮线的位置不同，因此这些亮线称为原子的特征谱线。
吸收光谱
高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。即连续光谱背景上出现的一些暗线。
2、分类
（连续分布，一切波长的光都有）
明线谱中的亮线叫谱线，对应不同波长的光
一、光谱
这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此同种物质吸收光谱中的暗线与它发射光谱中明线相对应，也是原子的特征谱线。
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。
氢的发射光谱
3、光谱分析
3、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。
（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。
一、光谱
Na的发射光谱
Na的吸收光谱
二、氢原子光谱的实验规律
1.氢原子的光谱
氢原子的谱线在可见光区有四条，每种颜色对应着一种波长。
1885年，瑞士科学家巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的4条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：
2.巴耳末公式
每一个n值分别对应一条谱线；n只能取正整数3，4，5······，不能取连续值，反映了原子光谱波长的分立特性（线状光谱）。
n的两层含义：
氢原子光谱的其他线系
莱曼线系
帕邢系
1890年瑞典物理学家里德伯给出氢原子光谱公式:
紫外线区
红外线区
二、氢原子光谱的实验规律
可见光的波长范围：
(400nm～760nm)
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，它跟经典电磁理论发生了矛盾。
三、经典理论的困难
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(一)
原子是稳定的
电子绕核运动时，产生变化的电磁场，将不断向外辐射电磁波，电子的能量不断损失，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定．
经典理论认为
事实
三、经典理论的困难
由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率，连续变化，原子光谱应该是连续光谱。
经典理论认为
事实
原子光谱是不连续的线状谱
三、经典理论的困难
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(二)
为了解决这个矛盾，1913年丹麦的物理学家玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，提出了自己的原子结构假说。
玻尔原子模型
玻尔原子理论的
三条基本假设
假设1：轨道量子化
假设2：能量量子化（定态、能级）
假设3：频率条件(跃迁假说)
在普朗克能量量子化、爱因斯坦光子说、巴耳末简洁公式启发下,
发展了卢瑟福的核式结构学说，是半经典半量子的假说
四、玻尔原子理论的基本假设
假说1:轨道量子化假设
玻尔认为，原子中电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动。但电子运行轨道的半径不是任意的，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。
轨道量子化
四、玻尔原子理论的基本假设
当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。根据玻尔理论，电子只能在特定轨道上运动，原子的能量也只能去一系列特定的数值，即能量量子化。
能级：原子的在各种定态（各轨道上）时的能量值
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(电子离核最近)
② 激发态：其他的能量状态
几
个
概
念
假说2:能量量子化假说
四、玻尔原子理论的基本假设
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
+
n=1
n=2
n=3
v1
-
n=4
v2
-
v3
-
v4
-
n=∞
四、玻尔原子理论的基本假设
原子的能量与电子所在的轨道相对应
n为正整数，叫做量子数。n越大，表示能级越高，电子离核越远。
假说3:频率条件（跃迁假说）
玻尔假定：电子从一种定态轨道（设能量为Em）跃迁到另一种定态（设能量为En）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即：
hν = Em - En
(m＞n)
四、玻尔原子理论的基本假设
高能级Em 低能级En
玻尔提出原子结构假说后，就想通过实验证明，寻寻觅觅，结果就找到了氢原子很符合他的模型。
五、玻尔理论对氢光谱的解释
1.氢原子的能级公式和能级图：★★★
玻尔利用库仑力提供向心力，计算出了氢原子的电子可能的轨道半径和原子系统对应的总能量。(一般取电子离核处无穷远时系统电势能为零)
（n = 1,2,3···）
r1 = 0.053 nm
（n = 1,2,3···）
式中n为正整数，叫做量子数。n越大，表示能级越高，电子离核越远。
轨道半径：
能级公式：
五、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子能级图★★★
玻尔理论对氢光谱规律的解释
通常情况下，原子处于基态，非常稳定。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子，最终回到基态。这就是气体导电时发光的机理。
巴耳末系
玻尔理论不仅成功解释了氢原子的巴耳末系谱线，解释氢原子光谱的不连续性,甚至预言了氢原子的其他谱线系
【例1】(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
【例2】（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10eV的电子碰撞。
AC
【例3】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
C
(1) 注意吸收光子能量与吸收实物粒子能量跃迁的条件：
① 吸收光子的能量：
只有满足hν＝Em - En ，才能由低能级n 跃迁到高能级m
如果吸收光子能量为hν > -En，原子电离，核外电子成自由电子
② 吸收实物粒子的能量：（实物粒子撞击氢原子，使氢原子获得能量。）
实物粒子能量（动能）大于或等于两能级之差Em - En 时，氢原子就能由低能级n 向高能级m 跃迁，多余的能量仍为实物粒子动能。
(2) 电离：电子脱离原子核束缚，成为自由电子
光子能量只要大于等于电离能即可，多的能量转化为自由电子动能。
不同能级的电离能不同, 如基态的电离能为13.6eV, n=3能级的电离能为1.51eV。
2. 玻尔理论的几个注意点：★★★
(3) 注意“一群”氢原子与“一个”氢原子的区别：
一群氢原子处于n激发态时，能辐射出的光谱线条数最多为 n(n-1)/2 条 .
一个氢原子处于n激发态时，能辐射出的光谱线条数最多为（n-1）条 .
(4) 注意直接跃迁与间接跃迁
原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况辐射(或吸收)光子的频率不同。
(5) 氢原子的核外电子轨道半径变化后的原子的能量变化：
r变小，电子的动能变大，电子的势能变小，氢原子的总能量变小
r变大，电子的动能变小，电子的势能变大，氢原子的总能量变大
2. 玻尔理论的几个注意点：★★★
将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁概念，完美解释了氢原子光谱的实验规律。
1.玻尔理论的可取之处
2.玻尔理论的不足之处
（1）无法解释较复杂原子的光谱。因为玻尔理论保留了“粒子”等经典概念和把电子的运动仍然看作经典力学下描述的轨道运动。
（2）没有认识到电子的波粒二象性，即电子出现位置是一种几率情况。
卢瑟福原子模型
玻尔原子模型
汤姆孙原子模型
电子
原子核
原子核
电子
+
近代原子模型
原子核
六、玻尔模型的局限性
用疏密不同的点表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像云雾一样，可以形象地称为电子云．图甲是氢原子处于 n＝1 的能级时的电子云；当氢原子处于 n＝2 的能级时，它有几个可能的状态，图乙画的是其中一个状态的电子云．对于氢原子，计算表明，玻尔理论中的电子轨道正是电子出现概率最大的地方．
3.实际上，原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原子内的核外整个空间，只是在不同地方出现的概率不同．当原子处在不同的能量状态时，电子在各处出现的概率是不一样的。
六、玻尔模型的局限性
一、光谱：波长成分的记录——发射光谱（连续光谱、线状谱）和吸收光谱
二、氢原子光谱的实验规律——巴耳末公式
三、经典理论的困难——无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立性特征
四、玻尔原子理论的基本假设——轨道量子化、能量量子化、跃迁假说
五、玻尔理论对氢光谱的解释
六、玻尔理论的局限性——保留了静电粒子的观念
课堂小结

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