高中物理 第18章 第4节 玻尔的原子模型同步辅导与检测课件 新人教版选修35.ppt

第4节玻尔的原子模型 原子结构 对玻尔理论的评价玻尔的理论发表后 由于观点特别新颖 以致当时不少物理学家难以接受 例如 瑞利曾认为这篇文章 对我没有用 斯特恩 1888 1969年 1943年诺贝尔物理学奖获得者 尽管后来对玻尔思想的发展做出了很多贡献 也曾说过 假如玻尔的理论碰巧是对的活 我们将退出物理学界 玻尔用他的原子模型十分成功地用一个公式解释了氢原子的光谱线 不仅与已发现的巴尔末系 帕邢系符合得很好 还预言了一些氢的谱线 后来果然被赖曼发现了 此外 美国天文物理学家匹克林 1846 1919年 曾于1897年在研究星体光谱和曰冕光谱时发现了一些谱线 1912年 英国曼彻斯特大学的福勒 1868 1940年 在充有氢氦混合物的放电管里也得到一些谱线 他俩都把这些谱线说成是氢谱线 但玻尔根据自己的理论 认为应属于氦离子的 这在当时是一种出人意料之外的新观点 1913年9月 经福勒的助手伊万斯所做的实验证实 玻尔的说法是正确的 这使玻尔的理论经受了一次考验 并在整个物理界取得了 轰动性的效果 按照希维思的记述 当爱因斯坦听到这个消息时 他的大眼睛显得越发大了 他告诉我 那么 这是最伟大的发现之一 1914年 玻尔的定态能级理论就为德国物理学家弗兰克 1882 1964年 和赫兹 1887 1975年 发现电磁波的赫兹是他的叔父 用实验证实 为此 他们两人获得了1925年度诺贝尔物理学奖 1 玻尔原子理论的基本假设 1 电子的轨道量子化玻尔认为 原子中电子在 的作用下 绕原子核做圆周运动 但电子运行轨道的半径不是 只有当半径大小符合一定条件时 这样轨道才是可能的 电子在轨道上绕核的转动是 不产生 2 原子的能量量子化当电子在不同的轨道上运动时 原子处于不同的状态中 具有不同的能量 这些量子化的能量值叫做 原子中这些具有确定能量的稳定状态 称为 能量最低的状态叫做 其他的状态叫做 答案 1 库仑引力任意的稳定的电磁辐射 2 能级定态基态激发态 3 电磁辐射的频率条件电子从能量较高的定态轨道 em 跃迁到能量较低的定态轨道en m n 时 会 能量为h 的光子h 反之 电子从较低的能量态 en 跃迁到较高的能量态 em 能量为h 的光子 光子的h 原子处于 是最稳定的 当原子处于n 4的能级上时 将可能产生 种频率的光子 2 弗兰克赫兹实验弗兰克一赫兹实验采用 轰击 发现电子损失的能量 也就是汞原子吸收的能量 是分立的 从而证明汞原子的能量确实是 3 玻尔模型的局限性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 可以形象地称做 放出em en 吸收 em en 基态 6 电子汞原子 量子化的 电子云 一 玻尔原子理论的基本假设1 轨道量子化与定态 1 轨道量子化玻尔认为在库仑力作用下 原子中的电子围绕原子核做匀速圆周运动 服从经典力学规律 但是电子的轨道半径不是任意的 只能是某些分立值 这种现象叫做轨道量子化 不同的轨道对应不同的状态 在这些状态中 尽管电子在做变速运动 却不辐射电磁波 因此这些状态是稳定的 轨道半径rn n2r1 n 1 2 轨道最小半径r1 0 53 10 10m 2 能量量子化与定态 当电子在不同的轨道上运动时 原子处于不同的状态 原子在不同的状态中具有不同的能量 所以原子的能量也是量子化的 这些量子化的能量叫做能级 原子的这些具有确定能量的稳定状态 称为定态 能量最低的状态叫做基态 其他的状态叫做激发态 对氢原子而言 核外一个电子绕核运行时 若半径不同 相对应的原子能量也不相同 若使原子电离 外界必须对原子做功 使电子摆脱它与原子核之间的库仑力的束缚 所以原子电离后的能量比原子其他状态的能量都高 我们把原子电离后的能量记为零 则其他状态下的能量值都是负的 2 频率条件 1 能级的跃迁根据玻尔的原子结构模型 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 其中原子处于能量最低的基态时最为稳定 原子处在能量较高的激发态时是不稳定的 当原子处在较高能级的激发态时会自发地向较低能级跃迁 可能经过一次或几次跃迁到达基态 2 光子的发射和吸收的频率条件原子从能量较高的能级 其能量记为em 跃迁到能量较低的能级 能量记为en 时 会放出能量为h 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h em en m n 这个式子被称为频率条件 又称辐射条件 反之 当电子吸收光子时会从较低的能级跃迁到较高的能级 吸收的光子的能量同样由频率条件决定 玻尔在他提出的原子模型中所做的假没有下例哪项 a 原子处在具有一定能量的定态中 虽然电子做加速运动 但不向外辐射能量b 原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应 而电子的可能轨道的分布是不连续的c 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时 辐射 或吸收 一定频率的光子d 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率解析 a b c三项都是玻尔提出来的假设 其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出 也就是 量子化 概念 原子的不同能量状态与电子绕核运动不同的圆轨道相对应 是经典理论与量子化概念的结合 答案 d 点评 正确识记玻尔原子模型的内容是解决本题的关键 应注意电子绕核做圆周运动时 不向外辐射能量 原子辐射的能量与电子绕核运动无关 只由跃迁前后的两个能级的能量差决定 变式迁移 1 氢原子放出一个光子后 根据玻尔理论 氢原子的 a 核外电子的电势能增大b 核外电子的动能增大c 核外电子的转动周期变大d 氢原子的能量增大 解析 根据玻尔理论 氢原子由能量较高的定态跃迁到能量较低的定态才辐射出光子 反之会吸收光子 所以d错误 氢原子放出一个光子后 核外电子进入低级轨道运行 半径减小 由知 随r变小 电子线速度变大 电子动能增大 所以b正确 由t 知 r变小 线速度v变大 所以t变小 c错 当电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道时 电场力做正功 所以电子电势能变小 a错 答案 b 二 玻尔理论对氢光谱的解释1 玻尔理论对巴耳末公式的解释根据频率条件 辐射的光子的能量h em en 巴耳末公式中的正整数n和2 正好代表电子跃迁之前和跃迁之后所处的定态轨道的量子数n和2 因此 巴耳末公式代表的应该是电子从量子数分别为n 3 4 5 的能级向量子数n 2的能级跃迁时发出的光谱线 因此根据玻尔理论可以推导出巴耳末公式 并从理论上计算出里德伯常量r的值 所得结果与实验值符合得很好 同样 玻尔理论也能很好地解释甚至预言氢原子的其他谱线系 如在紫外光区的赖曼系 公式为 n 2 3 4 代表的应该是电子从量子数分别为n 2 3 4 的能级向基态跃迁时发出的光谱线 2 解释稀薄气体导电时的辉光导电现象通常情况下 原子处于基态 基态是最稳定的 气体导电管中的原子受到高速运动的电子的撞击 有可能跃迁到激发态 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 最终回到基态 放出光子 形成辉光现象 3 解释原子的特征谱线原子从高能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后两个能级之差 由于原子的能级是分立的 所以放出的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 由于不同的原子具有不同的结构 能级各不相同 因此辐射 或吸收 的光子频率也不相同 这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因 有一群氢原子处于量子数n 3激发态 当它们跃迁时 1 可能放出几种能量的光子 2 在哪两个能级间跃迁时 所发出的光子的波长最长 波长是多少 解析 由n 3的激发态向低能级跃迁的路径为n3 n2 n1或n3 n1 其中由n3 n2的跃迁能级差最小 辐射的光子能量最小 波长最长 1 共能放出三种能量的光子 即三种频率的光子 2 由氢原子能级图 e2 3 4ev e3 1 51ev h e3 e2 1 89ev 又知 则有 答案 1 三种 2 2 3能级间跃迁发出的光子波长最长 6 58 10 7m点评 如果氢原子处于高能级 对应量子数为n 则就有可能向量子数为n 1 n 2 n 3 1各能级跃迁 共可形成n 1条谱线 而跃迁至量子数为n 1的氢原子又可向n 2 n 3 1各能级跃迁 共可形成n 2条谱线 同理 还可以形成n 3 n 4 1条谱线 将以上分析结果归纳求和 则从量子数为n对应的能级向低能级n 1 n 2 1跃迁可形成的谱线总数目为 n 1 n 2 n 3 1 n n 1 2 变式迁移 2 汞原子的能级图如右下图所示 现让一束单色光照射到大量处于基态的汞原子上 汞原子只发出三种不同频率的单色光 那么 关于入射光的能量 下列说法正确的是 a 可能大于或等于7 7evb 可能大于或等于8 8evc 一定等于7 7evd 包含2 8ev 4 9ev 7 7ev三种解析 由玻尔理论可知 轨道是量子化的 能级是不连续的 只能发射不连续的单色光 于是要想发出三个不同频率的光 只有从基态跃迁到轨道3上 其能级差为e3 e1 7 7ev 故应选c 答案 c 三 玻尔模型的局限性1 玻尔理论的成功之处和局限性玻尔的原子理论成功之处在于引入了量子化概念 玻尔理论阐明了光谱的发射和吸收 解释了氢原子光谱的频率规律 即巴耳末公式 并且预言了当时还没有观测到的一些谱线 使量子理论取得了重大进展 但对于稍微复杂一些的原子 如氦原子 玻尔理论就无法解释它的光谱现象 这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子的运动规律 玻尔理论的局限性在于保留了过多经典物理理论 如 轨道 等经典概念和有关向心力 牛顿第二定律等牛顿力学规律 实际上牛顿力学在微观领域是不适用的 2 电子云建立在量子力学基础上的原子理论认为 核外电子的运动服从统计规律 而没有固定的轨道 人们只能知道电子在核外某处出现的概率大小 结果发现电子在某些地方出现的概率较大 在另一些地方出现的概率较小 电子频繁地出现在这些概率大的地方 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 可以形象地称做电子云 玻尔理论中所谓电子轨道 只不过是电子云中电子出现概率最大的地方 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 右图甲是氢原子处于n 1的能级时的电子云 氢原子处于n 2的能级时有几个可能状态 图乙画的是其中一个状态的电子云 基础巩固 1 关于假说 有如下表述 其中正确的是 a 假说是对现实中已知事物或现象的一种简化处理b 假说是对未知领域的事物或现象提出的一种推测c 假说是对一个问题的所有幻想和假定d 假说最终都可以变成科学理论解析 假说是科学家在探索微观世界的过程中 为把