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3.光谱　氢原子光谱　4.玻尔的原子模型　能级
第四章
2026
课 标 定 位
1.了解光谱、连续光谱和线状谱等概念,知道光谱分析的应用。
2.知道氢原子光谱的实验规律。
3.知道经典物理的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分立特征。
4.知道玻尔原子理论的主要内容。
5.了解能级、能级跃迁、基态、激发态等概念。
6.掌握用玻尔原子理论简单解释氢原子模型,了解玻尔模型的不足之处及其原因。
素 养 阐 释
物理观念:连续光谱、发射光谱、吸收光谱、线状谱、原子光谱、光谱分析、能级、定态、基态、激发态、跃迁。
科学思维:玻尔量子模型的建立。
科学探究:观察氢原子光谱。
科学态度与责任:通过对光谱及光谱分析的学习,了解利用光谱探索原子结构的方法;通过对玻尔模型的建立过程以及其局限性的了解,体会科学家的探究精神。
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、光谱及光谱分析
1.光谱。
(1)定义:复色光通过分光镜后分解为一系列单色光,而且按波长的顺序排列成一条光带,称为光谱。
(2)分类
①根据特征分
连续光谱:由波长连续分布的光组成的光谱。
明线光谱:由分立的光谱线组成的光谱。
②根据成因分
发射光谱:由发光物质所发的光直接产生的光谱。如连续光谱(炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱)和明线光谱(稀薄气体发光产生的光谱)。
吸收光谱:白光通过元素蒸气时被吸收一些特定频率的光形成的谱线,也称暗线光谱。
(3)原子光谱:同一种原子发射光谱中的明线与吸收光谱中暗线的位置是相同的,称为这种原子的特征光谱,也称原子光谱。
2.光谱分析。
(1)定义:利用原子光谱来鉴别物质的化学组成中是否存在这种元素、含量有多少等,这种方法叫作光谱分析。
(2)特点:①灵敏度高;②在不破坏、不接触的情况下获取研究对象的内部信息。
二、氢原子光谱
3.里德伯常量:RH=1.10×107 m-1。
4.经典理论的局限性: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。
三、玻尔的原子模型、能级
1.量子化。
(1)轨道量子化:电子绕原子核运动的轨道是分立的、特定的。
(2)能量量子化
①能级:不同的轨道对应原子的不同状态,不同状态的原子具有不同的能量,这些不同的能量值称为能级。
②定态:电子在轨道上运动时,原子处在稳定的能量状态,称为定态。
③基态和激发态:能量最低的状态称为基态,其他状态为激发态。
2.跃迁。
(1)定义:电子从一个能量状态到另一个能量状态的突变。
(2)玻尔频率条件:当电子从能量较高的定态En跃迁到另一能量较低的定态Em时(m、n为量子数且m4.玻尔理论的意义。
(1)成功之处
玻尔理论将量子概念引入原子模型,成功解释了氢光谱,推动了量子理论的发展。
(2)局限性
不能解释谱线的强度和偏振情况,解释复杂光谱时遇到了困难。
【思考讨论】
判断下列说法的正误。
(1)连续光谱是由各种不同频率的光组成的各种颜色的光带。(　　)
(2)我们能用连续光谱来鉴定物质的组成成分。(　　)
(3)研究线状谱是探究原子结构的一条重要途径。(　　)
(4)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态。(　　)
(5)氢原子能级的量子化是氢光谱不连续的成因。(　　)
(6)玻尔理论能很好地解释氢光谱为什么是一些分立的亮线。(　　)
√
×
√
√
√
√
合作探究·释疑解惑
知识点一
光谱和光谱分析
【问题引领】
为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开 我们记录光谱有什么样的意义
提示:不同颜色的光在棱镜中的折射率不同,因此经过棱镜后的偏折程度也不同。
光谱分析的意义:考古学家对文物进行无损检测;科学家发现未知元素并测出太阳大气外层的元素组成;医学上分析药物组成、进行肿瘤诊断等为治疗提供依据;进行食品检测为健康保驾护航;分析空气质量、探测环境污染;天文学家发现有机分子、分析宇宙起源等。
【归纳提升】
1.光谱的分类
2.太阳光谱
(1)太阳光谱的特点:在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线,是一种吸收光谱。
(2)产生原因:当阳光透过太阳的高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,这就形成了连续谱背景下的暗线。
3.光谱分析
(1)优点:灵敏度高,样本中一种元素的含量达到10-10 g时就可以被检测到。
(2)应用:鉴定文物;发现新元素;帮助治疗疾病;检测食品优劣;分析空气质量,探测环境污染;研究宇宙起源等。
光谱分析可以使用发射光谱中的线状谱,也可以使用吸收光谱,因它们都有原子自身的特征谱线,但不能使用连续光谱。
【典型例题】
【例题1】 (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,不能用连续谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
答案:BC
解析:太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳的高层大气时产生的吸收光谱,是太阳发出的光谱被太阳高层大气中存在的对应元素吸收所致;白炽灯发出的是连续谱,选项A错误。月球本身不会发光,靠反射太阳光才能使我们看到它,所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分,选项D错误。光谱分析只能是线状谱和吸收光谱,连续谱是不能用来进行光谱分析的,选项C正确。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,选项B正确。
(1)太阳光谱是吸收光谱,是阳光透过太阳的高层大气时形成的,不是地球大气造成的。
(2)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的,两者均可用来进行光谱分析。
【变式训练1】 太阳光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征谱线,产生这些暗线是由于(　　)
A.太阳表面大气中缺少相应的元素
B.太阳内部缺少相应的元素
C.太阳表面大气层中存在着相应元素
D.地球表面大气层中存在着相应元素
答案:C
解析:太阳是高温物体,它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时,某些特定频率的光会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收,从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱,分析太阳的吸收光谱,可知太阳大气层的物质组成,因此,选项C正确,A、B、D错误。
【问题引领】
知识点二
氢原子光谱的规律
(1)氢原子光谱是什么光谱 它是如何获取的
(2)能否根据巴尔末公式计算出对应的氢光谱的最长波长
提示:(1)氢原子光谱是线状谱,用氢气放电管和光谱仪可以获得氢原子光谱。
(2)能。氢光谱的最长波长对应着n=3,代入巴尔末公式便可计算出最长波长。
【归纳提升】
1.氢原子的光谱
从氢气放电管可以获得氢原子光谱,如图所示。
2.氢原子光谱的特点
在氢原子光谱图中的可见光区内,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。
【典型例题】
【例题2】 (多选)巴尔末通过对氢原子光谱的研究总结出巴尔末公式=RH()(n=3,4,5,6),对此,下列说法正确的是(　　)
A.巴尔末依据核式结构理论总结出巴尔末公式
B.巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性
C.巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式
D.巴尔末公式准确反映了氢原子发光的分立性,其波长的分立值并不是人为规定的
答案:CD
解析:巴尔末是利用当时已知的、在可见光区的氢原子的四条谱线作了分析总结出的巴尔末公式,并不是依据核式结构理论总结出来的,巴尔末公式反映了氢原子发光的分立性,也就是氢原子实际只会发出若干特定频率的光,由此可知,选项C、D正确。
巴尔末公式的两点提醒
(1)巴尔末公式反映氢原子发光的规律特征,不能描述其他原子。
(2)公式是在对可见光的四条谱线分析时总结出来的,在紫外光区的谱线也适用。
答案:A
【问题引领】
知识点三
对玻尔理论的理解
人们对原子结构的认识经历了几个不同的阶段,其中有:
它们的先后顺序排列是怎样的
提示:人们对原子结构的认识先后经历了汤姆孙模型、卢瑟福模型、玻尔模型、电子云模型,故顺序应该为BCAD。
【归纳提升】
1.轨道量子化
轨道半径只能够是一些不连续的、分立的数值。
氢原子各条可能轨道上的半径rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中n是正整数,r1是离核最近的可能轨道的半径,r1=0.53×10-10 m。其余可能的轨道半径还有0.212 nm、0.477 nm等,不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值。这样的轨道形式称为轨道量子化。
3.跃迁
原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)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,高能级
Em 低能级En。
可见,电子如果从一个轨道到另一个轨道,不是以螺旋线的形式改变半径大小的,而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。
【典型例题】
【例题3】 (多选)由玻尔理论可知,下列说法正确的是(　　)
A.电子绕核运动有加速度,就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子,其电子做变速运动,但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是连续的
D.原子的轨道半径越大,原子的能量越大
答案:BD
解析:按照经典物理学的观点,电子绕核运动有加速度,一定会向外辐射电磁波,很短时间内电子的能量就会消失,与客观事实相矛盾,由玻尔假设可知选项A、C错误,B正确;原子轨道半径越大,原子能量越大,选项D正确。
【变式训练3】 (多选)按照玻尔原子理论,下列表述正确的是(　　)
A.核外电子运动轨道半径可取任意值
B.氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量越大
C.电子跃迁时,辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定,即hν=Em-En(m>n)
D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程,可能辐射能量,也可能吸收能量
答案:BC
解析:根据玻尔理论,核外电子运动的轨道半径是确定的值,而不是任意值,A错误;氢原子中的电子离原子核越远,能级越高,能量越大,B正确;由跃迁规律可知C正确;氢原子从激发态向基态跃迁的过程中,应辐射能量,D错误。
【问题引领】
知识点四
对原子能级和能级跃迁的理解
根据玻尔原子结构理论,氦离子(He+)的能级图如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离近还是远 各能级的能量满足什么规律 各能级的能量包括哪几种形式的能
【归纳提升】
1.跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量的变化
当原子从高能级向低能级跃迁时,轨道半径减小,库仑引力做正功,原子的电势能Ep减小,电子动能增大,向外辐射能量,原子能量减小。反之,原子电势能增大,电子动能减小,原子能量增大。
2.使原子发生跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
【典型例题】
【例题4】 氢原子的能级图如图所示,已知可见光光子能量范围为1.62~3.11 eV。下列说法正确的是(　　)
A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光中一定包含可见光
C.大量处于n=2能级的氢原子向基态跃迁时,发出的光子能量较大,有明显的热效应
D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,只可能发出3种不同频率的光
答案:A
解析:紫外线光子的能量一定大于可见光光子的能量,即一定大于3.11 eV,而从第3能级电离只需要1.51 eV能量,选项A正确;从高能级向第3能级跃迁时辐射光子的能量一定小于1.51 eV,因此不含可见光,选项B错误;从第2能级的氢原子向基态跃迁,辐射光子的能量为10.2 eV,是紫外线,只有红外线才有明显的热效应,选项C错误;大量氢原子从n=4能级向低能级跃迁,有6种可能的光,选项D错误。
【变式训练4】 (多选)欲使处于基态的氢原子激发或电离,下列措施可行的是(　　)
A.用10.2 eV的光子照射
B.用11 eV的光子照射
C.用14 eV的光子照射
D.用10 eV的光子照射
答案:AC
解析:由氢原子的能级图可求得E2-E1=-3.4 eV-(-13.6 eV)=10.2 eV,即10.2 eV是n=2能级与基态之间的能量差,处于基态的氢原子吸收10.2 eV的光子后将跃迁到n=2能级,可使处于基态的氢原子激发,A正确;Em-E1≠11 eV,即不满足玻尔理论关于跃迁的条件,B错误;要使处于基态的氢原子电离,照射光的能量须≥13.6 eV,而14 eV>13.6 eV,故14 eV的光子可使基态的氢原子电离,C正确;Em-E1≠10 eV,既不满足玻尔理论关于跃迁的条件,也不能使氢原子电离,D错误。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(光谱)(多选)关于光谱,以下说法正确的是(　　)
A.炽热的液体产生的发射光谱是连续光谱
B.太阳光谱中的暗线说明太阳上缺少与这些暗线相对应的元素
C.明线光谱和吸收光谱都可以对物质的成分进行分析
D.发射光谱一定是连续光谱
答案:AC
解析:炽热的液体发射连续光谱,故A正确;太阳光谱是吸收光谱,其中的暗线,说明太阳中存在与这些暗线相对应的元素,故B错误;明线光谱和吸收光谱均能对物质进行分析,故C正确;发射光谱有两种类型,分别为连续光谱和明线光谱,故D错误。
2.(光谱分析)(多选)关于光谱分析,下列说法不正确的是(　　)
A.进行光谱分析时,既可以利用连续光谱,也可以利用线状光谱
B.进行光谱分析时,必须利用明线光谱或吸收光谱
C.利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分
D.利用光谱分析可以深入了解原子的内部结构
答案:AD
解析:明线光谱和吸收光谱都是元素的特征光谱,光谱分析时,既可用明线光谱也可用吸收光谱,故A错误,符合题意,B正确,不符合题意;利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分,不可以深入了解原子的内部结构,故C正确,不符合题意,D错误,符合题意。
3.(玻尔理论)玻尔引入新的理论解释了氢原子的光谱,对于玻尔理论的成功之处,正确的是(　　)
①定态假设　②能级假设　③轨道假设　④可以解释氦原子光谱
A.①②③ B.②③④
C.①②④ D.①③④
答案:A
解析:玻尔理论的成功之处是引入量子观念,提出轨道假设,认为氢原子的核外电子的轨道是特定的,是量子化的轨道,核外电子处于不同的轨道时,氢原子都具有特定的能量,称为能级,n=1时的能级为基态,n=2,3,4,5,…时处于激发态,玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律,为量子力学的建立奠定了基础,不足之处是保留了过多的经典物理理论,故①②③正确,④错误,故A正确,B、C、D错误。
4.(能级、跃迁)右图为氢原子的能级图,下列说法正确的是(　　)
A.处于基态的氢原子可以吸收能量为12.5 eV的光子而发生跃迁
B.处于基态的氢原子被能量为12.5 eV的电子碰撞,一定不可以发生跃迁
C.大量处于n=3激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出2种不同频率的光
D.氢原子在相邻能级之间跃迁时,从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光波长最短
答案:D
5.(能级、跃迁)下图为氢原子的能级图,当氢原子在这些能级间跃迁时,分析下列问题:
(1)有可能放出几种能量的光子
(2)在哪两个能级间跃迁时,所发出光子波长最长 波长是多少 (h取6.63×10-34 J·s,c取3.0×108 m/s)
答案:(1)6　(2)在n=4和n=3能级间跃迁时发出的光子波长最长,波长为1.9×10-6 m

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