资源简介

5.1　课时2　氢原子光谱与原子的能级结构
【学习目标】
1.通过任务1及其活动,探究氢原子光谱的特点,知道经典理论解释氢原子光谱实验规律时遇到的困难,体会新理论诞生的必要性。(科学探究、科学态度与责任)
2.通过任务2及其活动,知道玻尔原子理论的基本假设,体会玻尔的模型构建思想。知道能级与能级跃迁,能用玻尔理论对氢原子光谱进行解释。(科学思维、科学探究)
3.通过任务3及其活动,知道玻尔理论的局限性。(科学态度与责任)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:按照经典理论:原子是稳定的还是不稳定的 光谱是连续的还是不连续的 这是否符合物理事实



思考2:如果大量氢原子处在n=3能级,会辐射几种频率的光 其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发出的


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)氢原子吸收或辐射光子的频率条件是hν=Em-En(m>n)。 (　　)
(2)氢原子各能级的能量指电子绕核运动的动能。 (　　)
(3)根据玻尔理论,氢原子中量子数n越大,核外电子的电势能越大。 (　　)
(4)玻尔理论能解释不同元素的原子光谱。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　氢原子光谱
　　观测氢原子光谱的实验装置图如图所示。在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2 kV~3 kV的高压,使氢气放电,氢原子在电场的激发下发光,通过分光镜可观察到氢原子的光谱。
观测氢原子光谱的实验装置
1.氢原子的光谱具有怎样的特点



2.经典理论在解释氢原子光谱时遇到了哪些困难



3.经典电磁理论与氢原子光谱现象存在矛盾,给予我们什么启示



1.氢原子光谱
(1)原子光谱:某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱,这种光谱被称为原子光谱。原子光谱是了解原子结构最重要的直接证据。
(2)氢原子光谱的特点:氢原子光谱是①　　　　的。
2.经典理论的困难
(1)按照经典物理学理论,核外电子在库仑力的作用下绕核做周期性的运动,会激发②　　　　向外辐射能量,那么原子是不稳定的,而事实上,原子是个很稳定的系统。
(2)根据经典物理学理论,电子绕核运动的频率的变化应该是③　　　　的,即原子的光谱应该总是④　　　　的,而实际上观察到的原子光谱却是分立的线状谱。
应用1　氢原子光谱的特征
(多选)有关氢原子光谱的说法正确的是 (　　)
A.氢原子的发射光谱是连续谱
B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光
C.氢原子光谱说明氢原子辐射波长是分立的
D.氢原子光谱只有四条谱线
氢原子的光谱是连续谱还是线状谱 其谱线只有4条吗



应用2　经典理论的局限性
(多选)以下论断正确的是 (　　)
A.按经典电磁理论,核外电子受原子核库仑引力,不能静止,只能绕核运转,电子绕核加速运转,不断向外辐射电磁波
B.按经典理论,绕核运转的电子不断向外辐射能量,电子将逐渐接近原子核,最后落入原子核内
C.按照卢瑟福的核式结构理论,原子核外电子绕核旋转时原子是不稳定的,说明该理论不正确
D.经典电磁理论可以很好地应用于宏观物体,但不能用于解释原子世界的现象
经典理论适用于什么情况



任务2　原子的能级结构
　　1885年,瑞士数学教师J.J.巴耳末发现氢原子可见光波段的光谱巴耳末系,并给出经验公式,此后,物理学家们又相继发现了在红外光波段的帕邢系、在紫外光波段的莱曼系、在近红外光波段的布喇开系……这些谱系都是分立的、不连续的,你知道这是为什么吗 阅读课本中“原子的能级结构”的内容,回答下列问题。
1.玻尔轨道量子化假设的内容是怎样的



2.能量量子化假设的内容是怎样的 如何解释原子的稳定性


3.玻尔原子理论的频率条件是怎样的 如何解释原子线状谱线


4.一群n=4能级的氢原子会放出几种光子 请用数学方法归纳一群处于n能级的氢原子可能放出光子种类的公式。


1.玻尔原子模型的基本假设
(1)轨道假设:电子绕核运行的轨道半径只能是一些⑤　　　　的数值,即电子的轨道是量子化的。
(2)能级假设:当电子在不同的轨道上运动时,原子具有不同的能量,即原子的能量(能级)是⑥　　　　的。原子中具有确定能量的稳定状态叫作定态,能量最低的状态叫作⑦　　　　,其他状态叫作激发态。
(3)跃迁假设:当电子从能量较高的定态轨道(能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En)时,会放出能量为hν的光子,则有关系式:⑧　　　　。
2.玻尔理论对氢光谱的解释
(1)通常情况下,原子处于基态,这种状态最稳定。
(2)原子受到激发,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,⑨　　　　(选填“放出”或“吸收”)光子,光子的能量等于前、后两个能级之差,因此原子的发射光谱只有一些⑩　　　　的亮线。
3.不同原子具有不同的结构,能级各不相同,因此辐射或吸收的光子的　　　　也不同,这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。
应用1　玻尔理论的应用
如图所示,1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级,普朗克常量h=6.626×10-34 J·s。处在n=4能级的一群氢原子向低能级跃迁时,能发出若干种频率不同的光子,在这些光中,波长最短的是哪一种 最短波长是多少
波长最短,光子能量最大还是最小





应用2　能级跃迁与光电效应结合问题
氢原子的能级图如图所示,若大量氢原子处于n=4能级要向低能级跃迁,则下列说法正确的是 (　　)
A.大量氢原子跃迁时可能发出3种不同频率的光
B.氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时,氢原子能量减小,电子动能减小
C.用能量为0.70 eV和0.80 eV的两种光子同时照射大量氢原子,有可能使处于n=4能级的氢原子电离
D.从n=4能级跃迁到n=2能级释放的光子照射逸出功为2.25 eV的金属时,产生的光电子最大初动能是0.30 eV
氢原子电离的条件是什么 光电效应方程是怎样的


归纳总结
1.对于大量处于n激发态的氢原子向基态跃迁时,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现,最多可辐射N==种频率的光子;对于一个处于n激发态的氢原子向基态跃迁时,由于氢原子核外只有一个电子,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,只能出现所有可能情况中的一种,因此最多可辐射(n-1)种频率的光子。
2.对光子的发射和吸收问题,注意以下几点:用光子使氢原子激发,由低能级向高能级跃迁,若光子的能量大于其电离能,可以使氢原子电离;若小于或等于其电离能,则光子的能量必须是两能级之差;若用实物粒子(如电子)使氢原子激发,由低能级向高能级跃迁,只要电子的能量大于或等于两能级之差即可。
任务3　玻尔理论的局限性
　　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。
1.玻尔理论是否能解释一切原子光谱呢


2.“量子力学”中原子的电子是怎么样运动



3.什么是电子云



　　玻尔模型的局限性
　　(1)玻尔理论的成功之处:首次把　　　　引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
(2)玻尔模型的不足之处:仍然把电子的运动看作经典力学描述下的　　　　运动。虽然引入了轨道量子化的概念和条件,却不能解释轨道量子化的原因。
(3)根据电子某时刻在某点附近单位体积内出现的　　　　,用疏密不同的点表示,这种图像就像云雾一样分布在原子核的周围,形象地称作电子云。
应用　玻尔理论和电子云
(多选)下列关于玻尔理论和电子云的说法正确的是 (　　)
A.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
B.玻尔理论的成功之处是引入量子观念
C.玻尔理论的成功之处是它保留了经典理论中的一些观点,如电子轨道的概念
D.在电子云示意图中,小黑点密的区域表示电子在该区域出现的概率大
(1)玻尔理论具有局限性的根本原因是什么
(2)电子云中点的疏密有什么意义





【随堂检测·精评价】
1.(任务1)对原子光谱,下列说法正确的是 (　　)
A.每种原子在不同温度下发光的线状谱不同
B.因为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.因为原子的结构不同,所以各种原子的原子光谱也不相同
D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同
2.(任务2)(多选)关于玻尔理论,以下论断正确的是 (　　)
A.原子的不同定态对应电子沿不同的圆形轨道绕核运动
B.当原子处于激发态时,原子一定向外辐射能量
C.只有当原子处于基态时,原子才不向外辐射能量
D.不论原子处于何种定态,原子都不向外辐射能量
3.(任务2)氢原子的能级示意图如图所示。关于氢原子跃迁,下列说法中不正确的是 (　　)
A.一群处于n=5激发态的氢原子向低能级跃迁时,最多可产生10种不同频率的光子
B.处于n=3激发态的氢原子吸收具有1.87 eV能量的光子后被电离
C.用12 eV的光子照射处于基态的氢原子,氢原子仍处于基态
D.氢原子从高能级向低能级跃迁时,动能增大,电势能增大
4.(任务3)下列说法正确的是 (　　)
A.原子的核式结构模型是汤姆孙建立的
B.在α粒子散射实验中,绝大多数粒子发生了大角度偏转
C.玻尔模型能够解释所有原子的光谱现象
D.玻尔认为,电子的轨道是量子化的,原子的能量也是量子化的
参考答案
自主预习·悟新知
思考1:按照经典物理学理论,原子是不稳定的,其光谱应该总是连续的。这与物理事实相矛盾。
思考2:大量氢原子处在n=3能级,能辐射三种频率的光。波长最短的是从n=3能级跃迁到n=1能级时发出的光。
判断　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.由实验得到的氢原子光谱是分立的(不连续的), 如图所示。
2.经典理论在解释氢原子光谱时遇到了如下两个困难。
(1)按经典理论,电子绕核旋转,做周期性运动,将不断向四周辐射电磁波,它的能量不断减小,从而将逐渐靠近原子核,最后落入原子核中,而事实上原子是稳定的。
(2)由于轨道及转动频率连续变化,辐射电磁波的频率应是连续变化的,原子光谱应是连续的光谱。而实验测得的原子光谱是不连续的谱线。
3.这些矛盾说明,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,这启示我们要敢于质疑创新,而且预示着对原子世界需要有一个不同于经典物理学的新理论。
知识生成　①分立　②电磁波　③连续　④连续
应用探究
例1　【提示】是线状谱;其谱线不止4条。
【答案】BC
【解析】氢原子的发射光谱是线状谱,每一条谱线对应一定频率的光,且是不连续的,氢原子光谱的谱线有很多,但在可见光区只有四条。
例2　【提示】经典理论适用于宏观物体,不适用于微观原子。
【答案】ABD
【解析】卢瑟福的核式结构没有问题,认为原子不稳定的主要问题在于经典电磁理论不能用来解释原子世界的现象,C项错误,而其他选项表述无误。
任务2
问题引领
1.玻尔认为原子中的电子在库仑力的作用下绕原子核做圆周运动,但电子的轨道不是任意的,轨道半径的大小必须符合一定的条件,也就是说电子的轨道是量子化的,即绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。玻尔假设电子在这些轨道上的运行是稳定的,不产生电磁辐射。
2.电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,于是就具有不同的能量,因此原子的能量也是量子化的。可以用E1,E2,E3,…,En表示。能量最低的状态叫作基态,其他状态叫作激发态,图中1、2、3叫作量子数。三个能量分别用E1、E2、E3表示,量子数越大能量越大。这就解决了原子稳定性的问题。
3.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。玻尔假定原子系统的变化只能是从一个稳定态完全跃迁到另一个稳定态。在此过程中需要以电磁辐射的形式吸收或者释放能量hν=En-Em(n>m)。当从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时,电子要产生辐射向外发射能量。当然反过来,电子吸收光子后就能从较低的能级跃迁到较高的能级,吸收光子的频率同样由频率条件决定。这样就可以解释线状谱线了。
4.一群处于n=4能级的氢原子直接向较低能级跃迁有3种可能,而跃迁到n=3能级的氢原子直接向较低能级跃迁又有2种可能;跃迁到n=2能级的氢原子直接向基态跃迁。因此一群处于n=4能级的氢原子共有6种跃迁方式,会辐射6种频率的光子。
处于n=2能级的氢原子直接跃迁有1种可能,处于n=3能级的氢原子直接跃迁有2种可能,处于n=4能级的氢原子直接跃迁有3种可能……处于n能级的氢原子直接跃迁有(n-1)种可能,所以一群处于n能级的氢原子各种跃迁的形式种类共有N=1+2+3+…+(n-1)==,即一群处于n能级的氢原子可能放出种光子。
知识生成　 ⑤分立　⑥量子化　⑦基态　⑧hν=Em-En　⑨放出　⑩分立　频率
例3　【提示】波长最短,光子能量最大。
【答案】从n=4能级跃迁到n=1能级时辐射的光的波长最短　9.74×10-8 m
【解析】根据ΔE=hν=h,可知λ=,所以跃迁释放的能量越大,其波长越短,由能级图可知n=4跃迁到n=1时辐射的光子能量最大,所以其波长最短
根据玻尔理论,由hν=En-Em知,氢原子跃迁时辐射的光波频率ν=,代入E4=-0.85 eV,E1=-13.6 eV,再根据c=λν,即可计算出辐射的光波波长λ=9.74×10-8 m。
例4　【提示】氢原子电离的条件是氢原子吸收的能量大于或等于氢原子的初态能级;光电效应方程为Ek=hν-W0。
【答案】D
【解析】大量的氢原子处于n=4的激发态,可能发出光子频率的种数=6种,A项错误;氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时,放出能量,故氢原子能量减小,同时电子向原子核靠近,库仑力做正功,故电子动能增加,B项错误;由于n=4能级的氢原子的能量为-0.85 eV,要出现电离,则光子的能量至少为0.85 eV,因此能量为0.70 eV 和0.8 eV的光不可能使处于n=4能级的氢原子出现电离现象,C项错误;n=4能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量较大,ΔE=E4-E2=-0.85 eV-(-3.40) eV=2.55 eV,根据Ek=hν-W0可得光电子获得的最大动能Ek=0.30 eV,D项正确。
任务3
问题引领
1.尽管玻尔理论成功解释了氢原子光谱,但是对复杂的原子光谱不能做出解释,原因是玻尔理论仍然以经典理论为基础,保留了经典粒子的观点。
2.根据量子力学,原子中电子的坐标没有确定的值,只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少,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。
3.如果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,人们形象地把它叫作电子云。
知识生成　量子观念　轨道　概率
应用探究
例5　【提示】(1)玻尔理论具有局限性的根本原因是理论创新不够彻底,保留了经典理论中的一些观点。(2)电子云中点的疏密表示电子在各位置出现的概率。
【答案】ABD
【解析】玻尔理论的成功之处是引入量子观念,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,但不足之处是保留了经典粒子理论,A、B两项正确,C项错误;在电子云示意图中,用小黑点来表示电子在各个位置出现的概率,小黑点密的区域表示电子出现的概率大,疏的区城表示电子出现的概率小,D项正确。
随堂检测·精评价
1.C　【解析】每种原子都有自己的结构,只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线,不会因温度、物质不同而改变。C项正确。
2.AD　【解析】由玻尔理论的轨道假设知,原子的不同能量状态对应电子的不同运行轨道,A项正确。由玻尔理论的能量假设知,原子从一种定态跃迁到另一种定态时会辐射或吸收一定频率的光子,不论原子处于何种定态,都不会向外辐射能量,B、C两项错误,D项正确。
3.D　【解析】一群处于n=5激发态的氢原子,向低能级跃迁时最多可发出=10种不同频率的光,A项正确;处于n=3激发态的氢原子的能量为-1.51 eV,它吸收具有1.87 eV>1.51 eV 能量的光子后被电离,B项正确;处于基态的氢原子吸收一个12 eV的光子后的能量为-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,氢原子仍处于基态,C项正确;氢原子中的电子从高能级向低能级跃迁时轨道半径减小,该过程中电场力做正功,电势能减小,根据 =可知动能增大,D项错误。
4.D　【解析】原子的核式结构模型是卢瑟福建立的,A项错误; 在α粒子散射实验中,只有少数粒子发生了大角度偏转,B项错误;玻尔模型只能解释氢原子的光谱现象,C项错误;玻尔认为,电子的轨道是量子化的,原子的能量也是量子化的,D项正确。

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