资源简介

(共34张PPT)
4.4 氢原子光谱
和玻尔的原子模型
（第2课时）
高中物理选择性必修第三册课件
主讲老师：xxx
高中物理选择性必修第三册
经典理论的困难
玻尔原子理论的基本假设
玻尔理论对氢光谱的解释
玻尔理论的局限性
经典理论的困难
第一部分
困难1
01.
高中物理选择性必修第三册
经典物理学中，认为核外电子绕核旋转，电子将不断向四周辐射电磁波，能量不断减少，轨道半径变小，逐渐靠近原子核，最后落回到原子核上，形成原子坍塌。与原子是个稳定系统的事实相矛盾。
高中物理选择性必修第三册
另一方面，根据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。随着绕核运动轨道半径的不断变化，电子运动的频率也要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续光谱。然而，事实上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的分立的线状谱。
困难2
02.
尽管经典物理学可以很好地应用于宏观物体，但它不能解释原子世界的现象。
玻尔原子理论
的基本假设
第二部分
丹麦物理学家玻尔
01.
高中物理选择性必修第三册
丹麦物理学家玻尔意识到了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的概念的启发下，他在1913 年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说。
假说1：轨道量子化与定态
02.
高中物理选择性必修第三册
+
rn
n=1
n=2
n=3
v
-
轨道量子化：
n=4
n=∞
绕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，也就是说，电子的轨道是量子化的。
量子数 n=1, 2, 3……
氢原子：
高中物理选择性必修第三册
能级：原子的在各种定态时的能量值
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（离核最近）
② 激发态：其他能量状态
电子只能在特定轨道上运动，电子沿不同轨道绕核运动时，原子具有相应的、不同的、确定的能量。
假说1：轨道量子化与定态
03.
基态
激发态
( n=1, 2, 3……)
问题与思考
04.
高中物理选择性必修第三册
按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动，不会发生电磁辐射。那么，如何解释观察到的原子光谱呢？
假说2：频率条件（跃迁假说）
05.
高中物理选择性必修第三册
玻尔假定：当电子从能量较高的定态轨道（其能量记为En）跃迁到能量较低的定态轨道（能量记为Em，m < n）时，会放出能量为hv的光子（h是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即
hv=Em－En
这个式子称为频率条件，又称辐射条件。
+
m
n
-
不连续
玻尔理论
对氢光谱的解释
第三部分
∞
1
2
3
4
5
n
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E/eV
布喇开系
莱曼系
巴耳末系
帕邢系
量子数
能级
基态
激发态
+
n=1
n=2
n=3
-
电子
原子核
量子数
氢原子能级图
玻尔理论对氢光谱的解释
01.
高中物理选择性必修第三册
在巴耳末公式中如果把分母中的 2 换为其他自然数，就得到了其他谱线系的波长。它们对应于氢原子从较高能级向其他能级跃迁时辐射的光。
玻尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子的其他谱线系，即氢原子从高能级向m ＝ 1，3，4，5能级跃迁，也会产生相应的光谱。它们也都被实验观测到了，分别称为赖曼系、帕邢系、布喇开系等。
电子从高能级向低能级跃迁
02.
高中物理选择性必修第三册
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：
能级是分立的，放出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。
氢原子能级图
电子从低能级向高能级跃迁
03.
高中物理选择性必修第三册
吸收光子的能量：
氢原子能级图
原子的跃迁：
对于能量小于13.6eV的光子，光子能量必须恰好等于能级差要么全被吸收，要么不吸收。
hv=Em－En
原子的电离
04.
高中物理选择性必修第三册
1.吸收光子（光照）
电离后的自由电子动能：
对于能量大于或等于13.6eV的光子：氢原子电离，原子结构被破坏
（En<0）
电离条件：
2.吸收实物粒子能量（碰撞、加热）
只要实物粒子（如：电子、α粒子等）的能量足以使氢原子向高能级跃迁，就可以被氢原子全部吸收或部分吸收而使氢原子向高能级跃迁，多余能量由实物粒子保留，仍为实物粒子动能。
思考与讨论
05.
高中物理选择性必修第三册
1
2
3
4
5
∞
n
量子数
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0
E /eV
一群氢原子处于n=4激发态，最多向外辐射多少种频率的光子？
=6种
氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时，可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态。因此处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能为 种情况。
拓展学习1：一群原子和一个原子
06.
高中物理选择性必修第三册
氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。
高中物理选择性必修第三册
拓展学习2：直接跃迁与间接跃迁
07.
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。两种情况的辐射（或吸收）光子的频率不同，但都满足频率条件。
高中物理选择性必修第三册
拓展学习3：跃迁与电离
08.
hν=En-Em只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况,对于光子和原子作用使原子电离的情况,则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6 eV,只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大。
玻尔理论的局限性
第四部分
玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
玻尔理论的成功
01.
高中物理选择性必修第三册
1.玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念。
2.玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
玻尔理论的局限性
02.
高中物理选择性必修第三册
1.玻尔理论的不足之处在于保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。
2.玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。
电子云
03.
高中物理选择性必修第三册
当原子处于不同的状态时，电子在各处出现的概率是不一样的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来就像云雾一样，人们形象地把它叫作电子云（electroncloud）。
n ＝ 1
n ＝2
总结提升
第五部分
高中物理选择性必修第三册
课堂小结
经典困难
光谱
解释
理论
局限
玻尔
假设
无法解释原子的稳定及光谱的不连续问题
轨道、能级、跃迁
保留了经典粒子的观念，无法解释复杂的光谱现象
例题1
例题精选
01.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】B
关于玻尔的氢原子模型，下列说法正确的是（ ）
A．按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动时向外辐射电磁波
B．电子只有吸收能量等于两个能级差的光子才能从低能级跃迁到高能级
C．原子只能处于一系列不连续的能量状态中，其中“基态”的原子能量最大
D．玻尔的氢原子模型彻底解决了卢瑟福原子结构模型的缺陷，原子结构从此不再神秘
例题1
例题解析
02.
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动时不会向外辐射电磁波，故A错误；B．根据频率条件（也称辐射条件）
可知电子只有吸收能量等于两个能级差的光子才能从低能级跃迁到高能级，故B正确；C．原子只能处于一系列不连续的能量状态中，其中“基态”的原子能量最低，故C错误；D．玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，但没有解决卢瑟福原子模型在其它方面的困难，故D错误。故选B。
例题2
例题精选
03.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】C
图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=4的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29eV的金属钠，则（　　）
A．用0.80eV的光子照射n=4能级的氢原子，可使氢原子电离
B．n=4跃迁到n=1放出的光子波长最长
C．有4种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D．逸出光电子的最大初动能为12.75eV
例题2
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．由能级图可知，n=4能级的氢原子电离需要的能量至少为0.85eV，故用0.80eV的光子照射n=4能级的氢原子，不可使氢原子电离，故A错误；B．n=4跃迁到n=1放出的光子能量最大，根据可知放出的光子波长最短，故B错误；C．由能级图可知，可知有4种频率的光子能使金属钠产生光电效应，故C正确；D．n=4跃迁到n=1放出的光子能量最大，则有根据光电效应方程可得逸出光电子的最大初动能为故D错误。故选C。
例题解析
04.
例题3
例题精选
05.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】D
如图所示为玻尔的氢原子电子轨道示意图。一群处于n＝4能级的原子向低能级跃迁，下列说法中正确的是（　　）
A．一共能产生3种不同的光子
B．一共能产生4种不同的光子
C．其中从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子动量最小
D．其中从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子能量最大
例题3
高中物理选择性必修第三册
【解析】AB．一群处于n＝4能级的原子向低能级跃迁，一共能产生6种不同的光子，AB错误；
CD．光子能量与氢原子能级差成正比，由氢原子的能级公式可知，从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子能量最大，因而辐射光子的能量（频率）也最大，对应的波长最小，根据，因此从能级n＝4跃迁到n＝1产生的光子的动量也最大，故 C 错误，D 正确。故选 D。
例题解析
06.
THANKS
谢谢观看

展开更多......

收起↑