氫原子光譜與玻爾的原子模型

氫原子光譜與玻爾的原子模型復(fù)習(xí)回顧1、湯姆生通過(guò)陰極射線管，發(fā)現(xiàn)了電子并測(cè)出其荷質(zhì)比。2、盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)得出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。氫原子光譜早在17世紀(jì)，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過(guò)三棱鏡后的色散現(xiàn)象光譜，全稱是光學(xué)頻譜，是復(fù)色光通過(guò)色散系統(tǒng)（如光柵、棱鏡）進(jìn)行分光后，依照光的波長(zhǎng)（或頻率）的大小順次排列形成的圖案。一、什么是光譜？連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。

連續(xù)光譜：是否所有物質(zhì)發(fā)的光都是這樣的光譜？連續(xù)光譜：觀察氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)：1.裝置：高壓發(fā)生器2~3kv氫氣光譜管分光鏡2、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜氫原子光譜有什么特點(diǎn)？思考與討論明線光譜：只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實(shí)踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長(zhǎng)的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。2、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜光譜特點(diǎn)：1.不連續(xù)，只是些亮線組成2.不同色，每種顏色對(duì)應(yīng)著一種波長(zhǎng)3.不等距，相鄰兩種光的波長(zhǎng)間距不相同發(fā)射光譜可分為兩類：連續(xù)光譜和明線光譜。物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。1.發(fā)射光譜：2.吸收光譜：成因：高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光）通過(guò)物質(zhì)時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。特點(diǎn)：在連續(xù)光譜上缺失了某些成份的光3.發(fā)射光譜與吸收光譜的對(duì)應(yīng)關(guān)系：二、光譜分類各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對(duì)應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽(yáng)的光譜是吸收光譜。4.光譜分析及應(yīng)用

由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定的物質(zhì)的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。（1）檢測(cè)半導(dǎo)體材料硅和鍺等的純度（2）發(fā)現(xiàn)新元素（3）利用光譜分析可以研究天體的物質(zhì)成分（4）利用光譜分析可以研究原子結(jié)構(gòu)關(guān)于光譜和光譜分析的下列說(shuō)法正確的是()A．日光燈產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜B．太陽(yáng)光譜中的暗線說(shuō)明太陽(yáng)上缺少與這些暗線相對(duì)應(yīng)的元素C．我們能通過(guò)光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成份D．連續(xù)光譜是不能用來(lái)作光譜分析的反饋練習(xí)D氫原子是最簡(jiǎn)單的原子，其光譜也最簡(jiǎn)單。紅綠三、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律巴末耳（瑞士中學(xué)數(shù)學(xué)老師）的研究巴耳末公式N>6的符合巴耳末公式的光譜線（大部分在紫外區(qū)，看不見(jiàn)）巴耳末系人們把一系列符合巴耳末公式的光譜線統(tǒng)稱為巴耳末系適用區(qū)域：可見(jiàn)光區(qū)、紫外線區(qū)－1氫原子光譜的其他線系萊曼線系

紅外區(qū)還有三個(gè)線系帕邢系布喇開(kāi)系普豐特系紫外線區(qū)19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類叩開(kāi)了微觀世界的大門，物理學(xué)家根據(jù)研究提出了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的各種模型，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好的解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到了多數(shù)人的支持，但是與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾．著名的粒子散射實(shí)驗(yàn)四、經(jīng)典的電磁理論的困難

按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)去推斷，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子帶有電荷，運(yùn)動(dòng)中要輻射電磁波，電子損失了能量，其軌道半徑不斷縮小，最終落在原子核上．由于電子軌道的變化是連續(xù)的，輻射電磁波的頻率也會(huì)連續(xù)變化．事實(shí)上，原子是穩(wěn)定的，輻射電磁波的頻率也只是某些確定的值．四、經(jīng)典的電磁理論的困難

人們?cè)缭诹私庠觾?nèi)部結(jié)構(gòu)之前就已經(jīng)觀察到了氣體光譜，不過(guò)那時(shí)候無(wú)法解釋為什么氣體光譜只有幾條互不相連的特定譜線玻爾的原子模型1、圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，這些現(xiàn)象叫做軌道量子化；2、不同的軌道對(duì)應(yīng)著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子在做變速運(yùn)動(dòng)，卻不輻射能量，因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的；3、原子在不同的狀態(tài)之中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。1913年玻爾提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說(shuō)玻爾五、玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說(shuō)玻爾理論的基本假設(shè)能量量子化假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)現(xiàn)象：氫原子光譜是分立(線狀)的，原子是穩(wěn)定的.設(shè)想：原子內(nèi)部的能量也是不連續(xù)的。1913年丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福核模型基礎(chǔ)上，結(jié)合普朗克量子假設(shè)和原子光譜的分立性，提出假設(shè)：玻爾理論的基本假設(shè)能級(jí)的躍遷假設(shè):

當(dāng)原子從一種定態(tài)躍遷道另一種定態(tài)時(shí)，它要發(fā)射(或吸收)一定頻率的光子.光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即

hv=E初-E末E初>E末

發(fā)射光子，E初<E末吸收光子hvEnEmhvEmEn光子的發(fā)射和吸收軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的?；鶓B(tài)：在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級(jí)E1

(n=1),這個(gè)最低能級(jí)對(duì)應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較高的能級(jí)E2，E3…上，這些能級(jí)對(duì)應(yīng)的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能級(jí)躍遷，躍遷時(shí)釋放出來(lái)的能量以光子的形色向外輻射，這就是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的能量等于兩能級(jí)間的能量差。氫原子的能級(jí)能級(jí)：原子的各個(gè)定態(tài)的能量值就叫做它的能級(jí)基態(tài)：在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級(jí)E1

(n=1),這個(gè)最低能級(jí)對(duì)應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較高的能級(jí)E2，E3…上，這些能級(jí)對(duì)應(yīng)的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能級(jí)躍遷，躍遷時(shí)釋放出來(lái)的能量以光子的形色向外輻射，這就是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的能量等于兩能級(jí)間的能量差。電子軌道能級(jí)基態(tài)激發(fā)態(tài)原子在始、末兩個(gè)能級(jí)Em和En（Em>En）間躍遷時(shí)發(fā)射光子的頻率可以由下式?jīng)Q定：光子的發(fā)射和吸收玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用庫(kù)侖定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，計(jì)算出了氫的電子可能的軌道半徑和對(duì)應(yīng)的能量．氫原子能級(jí)六、玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋１２３４５n∞以無(wú)窮遠(yuǎn)處為參考位置0eV10.2eV12.1eV12.8eV吸收能量放出能量氫原子能級(jí)結(jié)構(gòu)En-3.4eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0eV-13.6eV賴曼系普豐德系布喇開(kāi)系帕邢系巴耳末高能級(jí)低能級(jí)例題：用12.75eV的光子照射一群基態(tài)的氫原子。(1)試確定氫原子所能達(dá)到的能級(jí)；(2)所處能級(jí)自發(fā)地向較低的能級(jí)躍遷的過(guò)程中，最多可放出多少條頻率不同的光譜線？解：（1）n=4n=1n=2n=4n=3（2）6條氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)的軌道過(guò)程中()A．原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增大B．原子要放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量也減小C．原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量增大D．原子要吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增加反饋練習(xí)D夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)歷史背景及意義:1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說(shuō)運(yùn)用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間躍遷時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。隨著英國(guó)物理學(xué)家埃萬(wàn)斯對(duì)光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后，在1914年，德國(guó)科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨(dú)立)，簡(jiǎn)單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)（1914）實(shí)驗(yàn)裝置K極G極電壓VG極加反向電壓P極熱陰極柵極VAKGP接受極電子在其中的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單描述:從熱陰極K發(fā)出,經(jīng)UGK電場(chǎng)加速運(yùn)動(dòng)到柵極G；由于接受極電壓小于柵極電壓，電子在G—>P過(guò)程中將減速；只有到G極的電子具有較大能量時(shí)，才可以克服反電場(chǎng)UPG到達(dá)接受極板P，從而才可能通過(guò)回路，形成電流。因此回路中的電流依賴于電子運(yùn)動(dòng)到柵極后的能量。（1）調(diào)節(jié)UGK兩端電壓，回路中電流將增加。（單調(diào)關(guān)系）（2）容器內(nèi)充滿氣體又如何？(1)改變V，到達(dá)P極的電子增加。(2)V=4.9v后，形成一峰值(3)每隔V=4.9v，就有一峰值出現(xiàn)。為什么?051015100200300（V）實(shí)驗(yàn)結(jié)果:熱陰極柵極VAKGP接受極汞蒸氣獲得1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)汞原子選擇吸收，其內(nèi)存在一個(gè)能量為4.9eV的量子態(tài)。電子能量小于4.9eV時(shí)，電子碰撞汞原子時(shí)其能量幾乎沒(méi)有損失。電子能量=4.9eV？=2*4.9eV

？…

玻爾理論成功的解釋并預(yù)言了氫原子輻射的電磁波的