新教材同步系列2024春高中物理第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4氫原子光譜和玻爾的原子模型課件新人教版選擇性必修第三冊(cè)

第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4氫原子光譜和玻爾的原子模型學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)法與考法1．了解氫原子光譜的特點(diǎn)，知道巴耳末公式及里德伯常量(重點(diǎn))2．了解玻爾理論的局限性(難點(diǎn))3．了解能級(jí)躍遷、能量量子化及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念(重點(diǎn))4．會(huì)用玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論解釋氫光譜(重難點(diǎn))學(xué)法：①通過對(duì)氫原子光譜的分析，了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)；②通過學(xué)習(xí)玻爾理論，進(jìn)一步了解氫原子光譜考法：①考查對(duì)光譜、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律、經(jīng)典理論的局限的理解；②考查對(duì)玻爾理論的理解；③考查對(duì)躍遷和能級(jí)的理解和應(yīng)用知識(shí)導(dǎo)圖

課前?自主預(yù)習(xí)光譜、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律、經(jīng)典理論的困難1．光譜(1)定義：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按________展開，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜．(2)分類．①線狀譜：由一條條的________組成的光譜．②連續(xù)譜：由連在一起的________組成的光譜．波長(zhǎng)亮線光帶(3)特征譜線．各種原子的發(fā)射光譜都是________，且不同原子的亮線位置_____，故這些亮線稱為原子的________譜線．(4)光譜分析．①定義：利用原子的___________來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分．②優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高．線狀譜不同特征特征譜線2．氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律(1)光譜研究的意義．許多情況下光是由原子________電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的重要途徑．(2)氣體發(fā)光原理．①氣體放電：玻璃管中稀薄氣體在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)電離，形成自由移動(dòng)的正負(fù)電荷，于是氣體變成導(dǎo)體，導(dǎo)電時(shí)會(huì)發(fā)光．②氫光譜：從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜．內(nèi)部(3)巴耳末公式．①公式：________________________________．②意義：巴耳末公式以簡(jiǎn)潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長(zhǎng)的________特征．分立3．經(jīng)典理論的困難(1)用經(jīng)典(電磁)理論在解釋原子的_________和原子光譜的_______特征時(shí)遇到了困難．(2)經(jīng)典理論可以很好地應(yīng)用于宏觀物體，但不能用來解釋________世界的現(xiàn)象．穩(wěn)定性分立原子在巴耳末公式中，n值越大，氫光譜的波長(zhǎng)越長(zhǎng)嗎？【答案】不對(duì)，原子光譜是線狀譜，只能是一些分立的譜線，不是連續(xù)譜．氫是自然界中最簡(jiǎn)單的元素，下列關(guān)于氫原子光譜的說法正確的是 (

)A．氫原子光譜是連續(xù)譜B．氫原子光譜是氫原子的特性譜線C．經(jīng)典物理學(xué)可以解釋氫原子光譜D．不同化合物中的氫的光譜不同【答案】B【解析】原子光譜是線狀譜，只能是一些分立的譜線，不是連續(xù)譜，A錯(cuò)誤；不同原子的原子光譜是不同的，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，明線光譜中的明線和吸收光譜中的暗線都是特征譜線，可以進(jìn)行元素的光譜分析，B正確；經(jīng)典物理學(xué)不可以解釋氫原子光譜的分立特性，C錯(cuò)誤；不同化合物中的氫的光譜相同，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，D錯(cuò)誤．玻爾原子理論的基本假設(shè)1．軌道量子論原子中的電子在________力的作用下，繞_________做圓周運(yùn)動(dòng)，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道只能是某些_________，所以電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道是_________的．庫(kù)侖原子核分立值量子化2．定態(tài)電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是_______的，且不產(chǎn)生__________.當(dāng)電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同的狀態(tài)，原子在不同的狀態(tài)中具有________的能量，即原子的能量是________的，這些量子化的能量值叫作________，原子具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為________．能量最低的狀態(tài)叫作________，其他的能量狀態(tài)叫作_________．穩(wěn)定電磁輻射不同量子化能級(jí)定態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)3．躍遷當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為Em)________到能量較低的定態(tài)軌道(其能量記為En，m＞n)時(shí)，會(huì)________能量為hν的光子，該光子的能量hν＝________，這個(gè)式子被稱為_______條件，又稱_______條件．躍遷放出Em－En

頻率輻射電子能吸收任意頻率的光子發(fā)生躍遷嗎？【答案】不能，電子能吸收任意頻率的光子的前提是光子的能量大于0－En．

(多選)由玻爾理論可知，下列說法中正確的是 (

)A．電子繞核運(yùn)動(dòng)有加速度，就要向外輻射電磁波B．處于定態(tài)的原子，其電子做變速運(yùn)動(dòng)，但它并不向外輻射能量C．原子內(nèi)電子的可能軌道是連續(xù)的D．原子的軌道是不連續(xù)的【答案】BD【解析】按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)，電子繞核運(yùn)動(dòng)有加速度，一定會(huì)向外輻射電磁波，很短時(shí)間內(nèi)電子的能量就會(huì)消失，與客觀事實(shí)相矛盾，由玻爾理論可知A、C錯(cuò)誤，B正確；原子軌道是不連續(xù)的，D正確．玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋和局限性1．玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋(1)解釋巴耳末公式．①按照玻爾理論，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)輻射的光子的能量為hν＝____________．②巴耳末公式中的正整數(shù)n和2正好代表能級(jí)躍遷之前和之后所處的____________的量子數(shù)n和2．并且理論上的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的____________符合得很好．Em－En

定態(tài)軌道里德伯常量(2)解釋氫原子光譜的不連續(xù)性．原子從較高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子的能量等于前后________________，由于原子的能級(jí)是________的，所以放出的光子的能量也是________的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線．兩個(gè)

能級(jí)差

分立分立2．玻爾理論的局限性(1)成功之處．玻爾理論第一次將__________引入原子領(lǐng)域，提出了____________的概念，成功解釋了________光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．(2)局限性．保留了__________的觀念，把電子的運(yùn)動(dòng)仍然看作經(jīng)典力學(xué)描述下的________運(yùn)動(dòng)．量子觀念定態(tài)和躍遷氫原子經(jīng)典粒子軌道(3)電子云．原子中的電子沒有確定的坐標(biāo)值，我們只能描述電子在某個(gè)位置出現(xiàn)________的多少，把電子這種概率分布用疏密不同的點(diǎn)表示時(shí)，這種圖像就像________一樣分布在原子核周圍，故稱__________．概率云霧電子云巴耳末公式是玻爾理論的一種特殊情況嗎？玻爾理論為什么能成功地解釋氫光譜？【答案】巴耳末公式是玻爾理論的一種特殊情況．玻爾理論能成功地解釋氫光譜是因?yàn)閷⒘孔永碚撘肓嗽咏Y(jié)構(gòu)中．

(多選)已知?dú)湓拥哪芗?jí)圖如圖所示，現(xiàn)用光子能量介于10～12.9eV范圍內(nèi)的光去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法中正確的是

(

)A．在照射光中可能被吸收的光子能量有無數(shù)種B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3種C．照射后可能觀測(cè)到氫原子發(fā)射不同波長(zhǎng)的光有6種D．照射后可能觀測(cè)到氫原子發(fā)射不同波長(zhǎng)的光有3種【答案】BC【解析】根據(jù)躍遷規(guī)律hν＝Em－En和能級(jí)圖，可知A錯(cuò)誤，B正確；氫原子吸收光子后能躍遷到最高為n＝4的能級(jí)，能發(fā)射的光子的波長(zhǎng)有C＝6種，故C正確，D錯(cuò)誤．課堂?重難探究－對(duì)氫原子光譜的理解1．氫原子的光譜從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜，如圖所示．2．氫原子光譜的特點(diǎn)在氫原子光譜圖中的可見光區(qū)內(nèi)，由右向左，相鄰譜線間的距離越來越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性．3．巴耳末公式(2)公式中只能取n≥3的整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長(zhǎng)是分立的值．4．其他譜線除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線，也都滿足與巴耳末公式類似的關(guān)系式．對(duì)氫原子光譜的理解例1氫原子光譜的巴耳末系中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的譜線的波長(zhǎng)為λ1，其次為λ2，問：(2)其中最長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子能量是多少？變式1光譜分析為深入原子世界打開了道路．關(guān)于光譜，下列說法正確的是

(

)A．原子發(fā)射連續(xù)光譜是因?yàn)殡娮永@原子核運(yùn)動(dòng)的變化是連續(xù)的B．玻爾的原子理論能成功的解釋各種原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律C．原子吸收光譜中的每一條暗線都跟這種原子的發(fā)射光譜中的一條亮線相對(duì)應(yīng)D．進(jìn)行光譜分析時(shí)，可以用連續(xù)譜，也可以用線狀譜【答案】C【解析】電子繞原子核運(yùn)動(dòng)的變化都是不連續(xù)的，我們看到的原子光譜都是線狀譜，A錯(cuò)誤；玻爾原子理論僅能成功的解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，B錯(cuò)誤；原子都是由原子核和電子組成的，但不同原子的原子結(jié)構(gòu)不同，各種原子的原子光譜都有各自的特征譜線，原子吸收光譜中的每一條暗線都跟這種原子發(fā)射光譜中的一條亮線相對(duì)應(yīng)，C正確；只有線狀譜和吸收光譜與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以用來鑒別物質(zhì)，D錯(cuò)誤．巴耳末公式的應(yīng)用及注意問題1．巴耳末公式反映氫原子發(fā)光的規(guī)律特征，不能描述其他原子．2．公式中n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值，因此波長(zhǎng)也是分立的值．3．公式是在對(duì)可見光區(qū)的四條譜線分析時(shí)總結(jié)出來的，在紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴耳末公式類似的關(guān)系式．4．應(yīng)用時(shí)熟記公式，當(dāng)n取不同值時(shí)求出一一對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)．－對(duì)玻爾理論的理解1．軌道量子化軌道半徑只能是一些不連續(xù)的、某些分立的值，不可能出現(xiàn)介于這些軌道半徑之間的其他值．2．能量量子化(1)電子在可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然是變速運(yùn)動(dòng)，但它并不釋放能量，原子是穩(wěn)定的，這樣的狀態(tài)也稱之為定態(tài)．(2)由于原子的可能狀態(tài)(定態(tài))是不連續(xù)的，具有的能量也是不連續(xù)的．這樣的能量值，稱為能級(jí)．量子數(shù)n越大，表示能級(jí)越高．(3)原子的能量包括：原子的原子核與電子所具有的電勢(shì)能和電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能．3．躍遷：原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí)，它輻射(或吸收)一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，

可見，電子如果從一個(gè)軌道到另一個(gè)軌道，不是以螺旋線的形式改變半徑大小的，而是從一個(gè)軌道上“跳躍”到另一個(gè)軌道上．玻爾將這種現(xiàn)象叫作電子的躍遷．對(duì)玻爾理論的理解例2

(多選)按照玻爾原子理論，下列表述正確的是 (

)A．核外電子運(yùn)動(dòng)軌道半徑可取任意值B．氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量越大C．電子躍遷時(shí)，輻射或吸收光子的能量由能級(jí)的能量差決定，即hν＝Em－En(m＞n)D．氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程，可能輻射能量，也可能吸收能量【答案】BC【解析】根據(jù)玻爾理論，核外電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是確定的值，而不是任意值，A錯(cuò)誤；氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，能級(jí)越高，能量越大，B正確；由躍遷規(guī)律可知C正確；氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程中，應(yīng)輻射能量，D錯(cuò)誤．變式2

(多選)關(guān)于玻爾的原子模型，下列說法中正確的有 (

)A．它徹底否定了經(jīng)典的電磁理論B．它發(fā)展了盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說C．它完全拋棄了經(jīng)典的電磁理論D．它引入了普朗克的量子理論【答案】BD【解析】原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的種種矛盾說明，經(jīng)典電磁理論已不適用于原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量子化的概念，提出了量子化的原子模型；但在玻爾的原子模型中仍然認(rèn)為原子中有一很小的原子核，電子在核外繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，電子受到的庫(kù)侖力提供向心力，并沒有完全拋棄經(jīng)典的電磁理論．解決玻爾原子模型問題的四個(gè)關(guān)鍵1．電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，不向外輻射能量．2．原子輻射的能量與電子繞核運(yùn)動(dòng)無關(guān)，只由躍遷前后的兩個(gè)能級(jí)差決定．3．處于基態(tài)的原子是穩(wěn)定的，而處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的．4．原子的能量與電子的軌道半徑相對(duì)應(yīng)，軌道半徑大，原子的能量大，軌道半徑小，原子的能量?。柪碚搶?duì)氫光譜的解釋、對(duì)玻爾理論的局限性的理解1．能級(jí)圖的理解：如圖所示為氫原子能級(jí)圖．(1)能級(jí)圖中n稱為量子數(shù)，E1代表氫原子的基態(tài)能量，即量子數(shù)n＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的能量，其值為－13.6eV．En代表電子在第n個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量．(2)作能級(jí)圖時(shí)，能級(jí)橫線間的距離和相應(yīng)的能級(jí)差相對(duì)應(yīng)，能級(jí)差越大，間隔越寬，所以量子數(shù)越大，能級(jí)越密，豎直線的箭頭表示原子躍遷方向，長(zhǎng)度表示輻射光子能量的大小，n＝1是原子的基態(tài)，n→∞是原子電離時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)．3．光子的發(fā)射：原子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)以光子的形式放出能量，發(fā)射光子的頻率由下式?jīng)Q定．hν＝Em－En(Em、En是始末兩個(gè)能級(jí)且m＞n)能級(jí)差越大，放出光子的頻率就越高．4．使原子能級(jí)躍遷的兩種粒子——光子與實(shí)物粒子(1)原子若是吸收光子的能量而被激發(fā)，其光子的能量必須等于兩能級(jí)的能量差，否則不被吸收，不存在激發(fā)到n能級(jí)時(shí)能量有余，而激發(fā)到n＋1時(shí)能量不足，則可激發(fā)到n能級(jí)的問題．(2)原子還可吸收外來實(shí)物粒子(例如，自由電子)的能量而被激發(fā)，由于實(shí)物粒子的動(dòng)能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于兩能級(jí)的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子發(fā)生能級(jí)躍遷．5．原子的電離：若入射光子的能量大于原子的電離能，如處于基態(tài)的氫原子電離能為13.6eV，則原子也會(huì)被激發(fā)躍遷，這時(shí)核外電子脫離原子核的束縛成為自由電子，光子能量大于電離能的部分成為自由電子的動(dòng)能．對(duì)原子能級(jí)和能級(jí)躍遷的理解例3

(多選)關(guān)于氫原子能級(jí)的躍遷，下列敘述中正確的是 (

)A．用波長(zhǎng)為60nm的X射線照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離出自由電子B．用能量為10.2eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)C．用能量為11.0eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)D．用能量為12.5eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)【答案】AB變式3如圖所示為氫原子的能級(jí)圖．用光子能量為13.06eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子，可能觀測(cè)到氫原子發(fā)射不同波長(zhǎng)的光有

(

)A．15種

B．10種C．4種 D．1種【答案】B

【解析】由hν＝En－E1得，En＝E1＋hν＝－0.54eV，由能級(jí)圖知n＝5，即氫原子吸收光子后處于n＝5的激發(fā)態(tài)，則發(fā)出的光子種類為N＝C＝10種，故B正確．對(duì)躍遷中光子的能量的理解例4

(多選)一群處于基態(tài)的氫原子吸收某種光子后，向外輻射了ν1、ν2、ν3三種頻率的光子，且ν1＞ν2＞ν3，則 (

)A．被氫原子吸收的光子的能量為hν1B．被氫原子吸收的光子的能量為hν2C．ν1＝ν2＋ν3D．hν1＝hν2＋hν3【答案】ACD【解析】氫原子吸收光子能向外輻射出三種頻率的光子，說明氫原子從基態(tài)躍遷到了第三能級(jí)，在第三能級(jí)不穩(wěn)定，又向低能級(jí)躍遷，發(fā)出光子，其中第三能級(jí)躍遷到第一能級(jí)的光子能量最大，為hν1，從第二能級(jí)躍遷到第一能級(jí)的光子能量比從第三能級(jí)躍遷到第二能級(jí)的光子能量大，其能級(jí)躍遷圖如題圖所示．由能量守恒可知，氫原子一定是吸收了能量為hν1的光子，則hν1＝hν2＋hν3，ν1＝ν2＋ν3，故A、C、D正確．【答案】C2．躍遷中光子的能量(1)若光子的能量大于處于某一定態(tài)的原子的電離能，則可被吸收，多余的能量為電子的動(dòng)能．(2)當(dāng)一個(gè)氫原子從某一軌道向另一軌道躍遷時(shí)，可能的情況只有一種，但大量的氫原子就會(huì)出現(xiàn)多種情況．小練?隨堂鞏固1．(多選)關(guān)于線狀譜，下列說法中正確的是 (

)A．每種原子處在不同溫度下發(fā)光的線狀譜不同B．每種原子處在不同的物質(zhì)中的線狀譜相同C．每種原子在任何條件下發(fā)光的線狀譜都相同D．兩種不同的原子發(fā)光的線狀譜可能相同【答案】BC【解析】每種原子都有自己的結(jié)構(gòu)，只能發(fā)出由內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的自己的特征譜線，不會(huì)因溫度、物質(zhì)不同而改變，B、C正確．A．此公式是巴耳末在研究氫原子光譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)的B．公式中n可取任意值，故氫原子光譜是連續(xù)譜C．公式中n只能取不小于3的整數(shù)值，故氫原子光譜是線狀譜D．公式僅適用于氫原子光譜的分析，不適用于其他原子的光譜【答案】B【解析】此公式是巴耳末在研究氫原子光譜在可見光區(qū)的四條譜線中得到的，只適用于氫原子光譜的分析，A、D正確；公式中n只能取大于等于3的整數(shù)，λ不能連續(xù)取值，故氫原子光譜是線狀譜，B錯(cuò)誤，C正確．3．根據(jù)玻爾理論，下列關(guān)于氫原子的論述正確的是 (

)A．若氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級(jí)Em躍遷，則氫原子要輻射的光子能量為hν＝En－EmB．電子沿某一軌道繞核運(yùn)動(dòng)，若圓周運(yùn)動(dòng)的頻率為ν，則其發(fā)光的頻率也是νC．一個(gè)氫原子中的電子從一個(gè)半徑為ra的軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的軌道，已知ra＞rb，則此過程原子要吸收某一頻率的光子D．氫原子吸收光子后，將從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷【答案】A【解析】原子由能量為En的定態(tài)向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射的光子能量等于能級(jí)差，故A正確；電子沿某一軌道繞核運(yùn)動(dòng)，處于某一定態(tài)，不向外輻射能量，故B錯(cuò)誤；電子由半徑大的軌道躍遷到半徑小的軌道，能級(jí)降低，因而要輻射某一頻率的光子，故C錯(cuò)誤；原子吸收光子后能量增加，能級(jí)升高，故D錯(cuò)誤．4．(2023年衡陽期末)二十大報(bào)告中提到我國(guó)進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家的行列，

在一些尖端科技如衛(wèi)星通信等方面取得了重大進(jìn)展．“北斗三號(hào)”采用星載氫原子鐘，其精度比“北斗二號(hào)”的星載銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級(jí)．如圖所示為氫原子的能級(jí)圖，以下判斷正確的是 (

)A．處于n＝3能級(jí)的氫原子可以輻射任意頻率的光子B．欲使處于基態(tài)的氫原子被激發(fā)，可用12.09eV的光子照射C．當(dāng)氫原子從能級(jí)n＝5的狀態(tài)躍遷到能級(jí)n＝3的狀態(tài)時(shí)，要吸收光子D．用能級(jí)n＝2躍遷到能級(jí)n＝1輻射出的光照射金屬鉑(逸出功為6.34eV)時(shí)