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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（2019）选择性必修三
CONTENTS
目录
光谱
01
氢原子光谱的实验规律
02
玻尔原子理论的基本假设
04
玻尔理论对氢光谱的解释
05
经典理论的困难
03
学以致用提高练习
07
玻尔理论的局限性
06
思考与讨论：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？
新课导入
知识讲解
课堂小结
随堂练习
布置作业
1.光谱定义：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长展开，获得波长（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
一、光谱
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布置作业
2.光谱的分类：发射光谱（连续光谱、线状谱）和吸收光谱
连续光谱：由连续分布的光连在一起组成的光带，一切波长的光都有。由炽热的固体、液体和高压气体发光形成的。
线状谱：由一些不连续的亮线组成。亮线叫谱线, 各条谱线对应不同波长的光。由稀薄气体或金属蒸气发光形成的（是由游离状态的原子发射的, 也叫原子光谱）
吸收光谱：炽热的白光通过温度较低的某物质气体时, 一些频率的光被该物质吸收后在连续光谱上出现一些暗线, 叫做该物质的吸收光谱。
（1）发射光谱
（2）吸收光谱
注意：吸收光谱既可以是连续谱也可以是线状谱
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氢的发射光谱:
氢的吸收光谱:
3.光谱分析：
各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应
(1) 原子的特征谱线：每种原子只能发出具有本身特征的特定频率（或波长）的光，不同原子亮线的位置不同，这些亮线称为原子的特征谱线。（线状谱和吸收光谱都是原子的特征谱线）
(2) 光谱分析：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。
其优点是灵敏度高, 样本中一种元素的含量达到10 13 kg时就可以被检测到。
连续谱
钠的吸收光谱
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二、氢原子光谱的实验规律
可见光区
氢原子在可见光区的四条谱线
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。
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原子内部电子的运动是原子发光的原因，光谱研究是探索原子结构的重要途径。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λ可以用一个公式表示：（巴耳末公式）
式中R∞叫里德伯常量，实验测得R∞=1.10×107m 1，n只能取正整数（即取值是量子化的），它确定的这一组线谱称为巴耳末系。
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注意：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。
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四、玻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
+
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
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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,不辐射电磁波。
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）
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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=∞
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——针对原子光谱是线状谱提出
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）
例如：
从n=3能级跃迁到n=2时放出光子，放出光子的能量为hν=E3-E2，氢原子的核外电子由r3轨道跃迁到r2轨道；
从n=1能级跃迁到n=3时吸收光子，吸收光子的能量为hν=E3-E1，氢原子的核外电子由r1轨道跃迁到r3轨道。
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五、玻尔理论对氢光谱的解释
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。
-
-
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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
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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。
跃迁条件：
要么全被吸收，要么不吸收。
吸收能量
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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：
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3.玻尔理论的几个注意点
(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 ②吸收实物粒子能量（碰撞、加热）
(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。
(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（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
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六、玻尔理论的局限性
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。
②无法解释谱线的强度。
原因：保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动。
修正：玻尔理论 → 建立量子力学
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
核外电子的运动与宏观物体运动不同，没有确定的方向和轨迹。用电子云来描述电子在原子核外空间某处出现机会（几率）的大小。
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七、学以致用提高练习
1.对原子光谱,下列说法正确的是(　　)
A.原子光谱是连续的
B.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
C.各种原子的原子结构不同,但各种原子的原子光谱可能是相同的
D.分析物质发光的光谱,可以鉴别物质中含哪些元素
【答案】D
【解析】原子光谱为线状谱,A错误;各种原子都有自己的特征谱线,故B、C错误;据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成,D正确
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2.巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式 (n=3,4,5,…),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
【答案】C
【解析】巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长,不能描述氢原子发出的各种光的波长,也不能描述其他原子发出的光,故B、D错误;巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的,但它适用于整个巴耳末线系,故A错误,C正确。
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3.氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为(　　)
【答案】A
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4.玻尔首先提出能级跃迁,如图所示为氢原子的能级图,现有大量处于n=3能级的氢原子向低能级跃迁,下列说法正确的是(　　)
A.这些氢原子总共可辐射出6种不同频率的光子
B.氢原子由n=3能级跃迁到n=1能级产生的光波长最长
C.用12 eV的光子照射处于基态的氢原子时,电子可以跃迁到n=2能级
D.处于基态的氢原子吸收14 eV的能量可以发生电离
【答案】D
【解析】根据 =3知,这些氢原子可能辐射出三种不同频率的光子,故A错误;氢原子由n=3向n=1能级跃迁时辐射的光子能量最大,据E=hν= 可知:频率最大,波长最短,故B错误;处于基态的氢原子若吸收一个12 eV的光子后的能量为E=-13.6 eV+12 eV=-1.6 eV,由于不存在该能级,所以用12 eV的光子照射处于基态的氢原子时,电子不可能跃迁到n=2能级,故C错误;处于基态的氢原子吸收能量为13.6 eV的光子可以发生电离,剩余的能量变为光电子的最大初动能。
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5.利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分,关于光谱分析,下列说法中正确的是(　　)
A.利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分
B.利用物质的线状谱就可以鉴别其组成成分
C.高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D.我们观察月亮射来的光的光谱,可以确定月亮的化学组成
【答案】B
【解析】由于高温物体的光谱包括了各种频率的光,与其组成成分无关,A错误;某种物质发光的线状谱中的明线与某种原子发出的某频率的光有关,通过这些明线与原子的特征谱线对照,即可确定物质的组成成分,B正确;高温物体发出的光通过某物质后某些频率的光被吸收而形成暗线,这些暗线与所通过的物质有关,与高温物体无关,C错误;月亮反射到地面的光是太阳光,D错误。
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6.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
【答案】B
【解析】根据组合公式 ,可知,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。
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布置作业（再见）

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