氢原子光谱和玻尔的原子模型+高二下学期物理人教版（2019）选择性必修3

把食盐放在火中灼烧，会发出黄色的光。食盐为什么发黄光而不发其他颜色的光呢？物理选择性必修3第四章

原子结构和波粒二象性

第四节氢原子光谱和玻尔的原子模型学习目标（看完举手示意）1．了解光谱的定义和分类。2．了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系。3．了解经典原子理论的困难。4．了解玻尔原子理论的主要内容。5．了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。学生自学阅读课本P84-89内容找到书中的知识点、重点、疑难点。完成举手示意阅读过程中标注出书中的关键字、词、句、段。一读、二划、三找、四梳理、五结论自学指导1（限时2分钟）1.阅读课本84-85页光谱和氢原子光谱的实验规律部分①光谱的概念是什么？②什么是线状谱，什么是连续谱？③发射光谱和吸收光谱的概念分别是什么？④光谱分析是什么？⑤氢原子光谱的实验规律是什么？①光谱的概念是什么？②什么是线状谱，什么是连续谱？精讲点拨用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长展开获得波长和强度分布的记录。线状谱：只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。连续谱：连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。1、光谱光谱：光按波长（频率）和强度分布的记录（有时只是波长成分的记录）。用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长（频率）展开红橙黄绿青蓝紫用分光镜观察连续光谱用分光镜观察原子光谱③发射光谱和吸收光谱的概念分别是什么精讲点拨物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。④光谱分析是什么？⑤氢原子光谱的实验规律是什么？精讲点拨既然每种原子都有自己的特征谱线，我们就可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。这种方法称为光谱分析。氢原子光谱的实验规律：瑞士科学家巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线作了分析，发现这些谱线的波长λ满足一个简单的公式，即巴耳末公式：n有两层含义，一是n取一个值，可求出氢光谱中一条谱线的波长说明每一个n值分别对应一条谱线，二是n值只能取正整数值3，4，5，…3、光谱分析由于每一种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学成分。这种方法叫做光谱分析。光谱分析法由基尔霍夫开创的。

（1）原理：利用发射光谱和吸收光谱。（2）优点：非常灵敏而且迅速。样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到。（3）应用：发现新元素和研究天体的化学组成。原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。（4）同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，明线光谱和吸收光谱中的谱线都是原子的特征光谱，都可以用于光谱分析。氢原子的光谱可见光区氢原子在可见光区的四条谱线3、可见光的波长范围：4.0×10-7m～7.6×10-7m(400nm～760nm)。1、氢原子在可见光区有四条谱线。氢原子光谱呈现分立的明线条纹，在可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。紫外区红外区2、氢原子的谱线由不同色亮线组成，每种颜色对应着一种波长。巴耳末系波长公式：R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1.10×107m-1n＝3，4，5，...

除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。（可见光区的四条谱线）原子内部电子的运动是原子发光的原因。因此，光谱是探索原子结构的一条重要途径。经典理论的困难

巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。卢瑟福原子核式模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。

1、按经典物理学电子绕核旋转，作加速运动，电子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，最后落回到原子核上形成原子坍塌。但事实上原子是个稳定的系统。电子绕核转动的经典图景核外电子绕核运动辐射电磁波电子轨道半径连续变小原子不稳定辐射电磁波频率连续变化事实上：原子是稳定的辐射电磁波频率只是某些确定值

2、轨道及转动频率不断变化，辐射的电磁波频率也是连续的，即原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线状谱。事实上：原子是稳定的；原子光谱是线状谱、分立的。

这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏观物休，但它不能解释原子世界的现象。1.阅读课本85-87页经典理论的困难和玻尔原子理论的基本假设部分①两个矛盾分别是什么？②玻尔原子理论的基本假设有哪些？2.阅读课本87-89页玻尔理论对氢光谱的解释和玻尔理论的局限性部分①玻尔理论对氢光谱的解释②玻尔理论的局限性③电子云的概念是什么？自学指导2（限时2分钟）1.阅读课本85-87页经典理论的困难①两个矛盾分别是什么？②玻尔原子理论的基本假设有哪些？精讲点拨矛盾一：无法解释原子的稳定性。矛盾二：无法解释原子光谱的分立性。1）定态（能级）假设2）跃迁假设3）轨道量子化假设①玻尔理论对氢光谱的解释精讲点拨从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量。氢原子的大小：氢原子的电子的各条可能轨道的半径rn=n2r1，氢原子的能级：①原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量En（包括动能和势能），原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。玻尔，丹麦物理学家1885年10月7日—1962年11月18日，1922获得诺贝尔物理学奖假设1、轨道量子化+rnn=1n=2n=3v-——针对原子核式结构模型提出绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。轨道量子化：氢原子：量子数n=4n=∞假设2：能量量子化（定态、能级）⑵能级：原子的在各种定态时的能量值⑴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：其他的能量状态能量量子化：氢原子：——针对原子的稳定性提出原子的能量与电子所在的轨道相对应当电子在不同的轨道上运动时，原子具有不同的能量。n=∞假设3：频率条件(跃迁假说）——针对原子光谱是线状谱提出+mn低能级（En）高能级（Em）电子吸收光子克服库仑引力做功，原子能量增加电子辐射光子，原子能量减少跃迁频率条件:-1、电子从高能级向低能级跃迁（自发跃迁）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：——发射光子

由于能级是分立的，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。--2、电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁）吸收光子的能量：——吸收光子---吸收光子的能量必须等于能级差--处于某个能级的电子吸收能量，挣脱原子核的束缚，成为自由电子的现象，叫做电离。电离后自由电子动能EK=hv-En发射光谱的明线与吸收光谱的暗线频率相同电子从低能级向高能级跃迁（受激跃迁）：①吸收光子（光照）★★★1）原子的电离:原子由某一定态轨道跃迁到最高能级n=∞的过程。（对于能量大于或等于13.6eV的光子，氢原子电离，即原子结构被破坏）电离后电子剩余动能为：注意：En为负值电离条件：

跃迁条件：要么全被吸收，要么不吸收。吸收能量②吸收实物粒子能量（碰撞、加热）只要实物粒子（如微观粒子中的电子、α粒子等）能量足以使氢原子向高能级跃迁，就能被氢原子全部吸收或部分吸收而使氢原子向高能级跃迁，多余能量仍为实物粒子动能（自己保留）。电离后电子剩余动能为：2）实物粒子使原子跃迁（n→m）:实物粒子的能量可以全部或部分被吸收，需要多少，吸收多少。多余的能量由实物粒子自己保留。1）原子的电离:原子由某一定态轨道跃迁到最高能级n=∞的过程。电离条件：注意：En为负值氢原子能级图跃迁条件：2.阅读课本87-89页玻尔理论的局限性部分②玻尔理论的局限性精讲点拨玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。玻尔在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难没有绕开经典理论无法解释复杂一点的原子的光谱现象无法解释谱线的强度等1、玻尔理论的局限性2.阅读课本87-89页玻尔理论的局限性部分③电子云的概念是什么？精讲点拨根据量子力学，原子中电子的坐标没有确定的值。因此，我们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，而不能把电子的运动看成一个具有确定坐标的质点的轨道运动。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。2、原子结构理论的发展过程汤姆孙发现电子汤姆孙的西瓜模型α

粒子散射实验卢瑟福的核式结构模型原子不可割汤姆孙的西瓜模型原子稳定性事实氢光谱实验卢瑟福的核式结构模型复杂（氦）原子光谱量子力学理论玻尔模型建立否定建立否定建立否定否定观察与实验所获得的事实建立科学模型提出科学假说玻尔模型彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念建立电子云电子在某处单位体积内出现的概率

延长曝光时间，可发现在光波干涉理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大；各暗纹区域，光子出现的概率最小。令入射光极弱，光子数目极少，光子将会在屏上出现的确切位置无法预测。双缝干涉实验光的波粒二象性的统计观点解释l摄影底板或显微观察继续延长曝光时间，可得到明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测；光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。单缝衍射像圆孔衍射像在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。物理选择性必修3第四章

原子结构和波粒二象性

第五节粒子的波动性和量子力学的建立学习目标（看完举手示意）1．理解光的波粒二象性和粒子的波动性2．理解物质波的概念，掌握物质波的实验验证。学生自学阅读课本P92-96内容找到书中的知识点、重点、疑难点。完成举手示意阅读过程中标注出书中的关键字、词、句、段。一读、二划、三找、四梳理、五结论

他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。

1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。其波长

称为德布罗意波长。粒子性波动性普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。实物粒子具有波粒二象性。后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性1.阅读课本92页粒子的波动性部分①找到德布罗意波是什么？②物质波的频率和波长都如如何计算？2.阅读课本92-93页物质波的实验验证部分①找到实验的探究思路是什么？②这个实验最终验证了什么？3.阅读课本94-96页量子力学的建立和量子力学的应用部分①量子力学的建立过程是怎样的？②量子力学的应用有哪些？自学指导1（限时2分钟）1、①找到德布罗意波是什么？②物质波的频率和波长都如如何计算？精讲点拨每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系这种与实物粒子相联系的波后来称为德布罗意波，也叫做物质波。物质波的频率：

波长：2、①找到实验的探究思路是什么？②这个实验最终验证了什么？精讲点拨光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似图17.3-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性。他们为此获得了1937