玻尔的原子模型核心素养教案

玻尔的原子模型

一.核心素养

1.物理观念

（1）了解玻尔原了•结构假说的主要内容。知道轨道量子化、能级、能量量子化以及基

态、激发态的概念：知道原子跃迁的频率条件。

（2）了解玻尔理论对氢光谱的解释。

（3）了解坡尔模型的局限性。

2.科学思维、科学探究

通过玻尔假设培养建构玻尔原子模型的能力；培养学生批判性思维的意识；以及在

探索中尝试解释经典物理学无法解释的两个问题的答案。

3.科学态度和责任

培养学生对科学的探究精神，让学生养成敢于提出问题，勇于探索答案的科学习惯。

二.教学重点

玻尔的原子结构假说的两个内容：

（1）轨道量子化与定态；

（2）频率条件。

三.教学难点

1.原子的能量包括哪些：原子能量、动能、势能的变化。

2.玻尔理论对氢光谱的解释。

四.教学方法

教师引导、讲解，学生讨论、交流。

五.教学过程

卢瑟福的核式结构模型指出了原子核的存在，很好的解释了a粒子散射实验。而上一节

课我们研究氢原子光谱。发现经典理论在解释原子结构时遇到了困难。

遇到了什么困难？

I电子绕核运动将不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最落在原

子核上，而使原子变得不稳定。可事实是原子是稳定的。

2玻尔认为由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率，连续变

化，原子光谱应该是连续光谱。但原子光谱是分立的线状谱。

以上两个矛盾就表明了，宏观世界的经典理论在微观世界中不再适用。那么就急需提出

一种新的理论来解释以上两个矛盾。为了解决这个问题，1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟

福学说的基础上，把普朗克的量子理论应用到原子系统上，提出了波尔原子结构假说，这就

是本节课的主要内容。

假说主要包含三个方面。

一.玻尔原子理论的基本假设

I.轨道量子化

玻尔认为原子中的电子在库伦力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律。

类似于前面学过的天体运动。例如人造地球卫星绕地球做圆周运动，万有引力提供向心

力。在原子结构中，电子绕核做圆周运动，库伦力提供向心力。

它们的区别在于，人造卫星只要取合适的速率，它的半径可以对应

任意一个值，而电子做圆周运动的轨道半径却不是任意的。

如图所示，电子可以分别在轨道1,轨道2,轨道3上运动。但是

在1、2之间无轨道。同样，在2,3之间也无轨道。即这些轨道是不连续•I

的，量子化的。,

所以，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值。以氢原子为例，’

2

氢原子中电子轨道的最小半径rl=0.053nmo之后每个轨道半径rn=nn(n=l,2,3......)以此类推

我们把这个假说叫做轨道量子化假说，其核心思想就是，电子绕核运动的轨道是不连续

的。

2.能级假说

当电子在一个确定的轨道上运动时，原子所具有的能量是确定的。我们把这种原子具有

确定能量的稳定状态称为定态。这也就解释了第一个矛盾，当电子在确定轨道上运动的，原

子是稳定的，

电子在不同轨道上运动时，原子所具有的能量是不一样的。轨道是晟子化的，那原子的

能量也是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。

以氢原子为例。请同学们看下面两幅图。左图是氢原子能级图，右图对应轨道示意图。

H

5

4

3

2

N对应量子数。一条凯道对应一个能级,通过量子数将能级和轨道一一对应起来。右边

这一列是对应不同能级原子所具有的能量。

当电子在第一轨道上运动时，原子所具

有的能展最少，我们把能最最低的状态叫基

态。经计算，此时氢原子所具有的能量

Ei=-13.6eV其它的状态，能量都比基态要

2

高，称为激发态。所具有的能量En=Ec/n

(n=1,2,3....)

【提问】1原子的能量包括什么？为什

么能量值都为负值？

电子绕核运动的动能和电子一一原子

核这个系统具有的势能。而我们往往取无限远处为零势能点，所以电子离核越近，所具能量

越低，便体现出整体为负值。

2请比较-3.4eV和-1.51eV那个值大？

后者大些，因为能量是标量。所以可知，当电子离原子核越近，原子所具有的能量越小,

此时原了越稳定；相反，当电子离核越远，原子所具有的能量越大，原子状态越不您定。

3.频率条件

电子既然在一系列定态轨道上运动，原子处于稳定的状态，这个状态下，并不会向外辐

射电磁波。那我们是如何观察到原子光谱的？

玻尔回答了这个疑问：电子在某个确定的轨道上运动时，原子处于稳定的状态，但电子

在原子内部会由一个轨道跳到另一个轨道，对应的原子由一个能量状态变为另一种能量状

态，我们将其称之为跃迁.电子的跃迁分为两类：从高能级向低能级跃迁，和从低能及向高

能级跃迁。

①高低：辐射光子hv=Em-En（m>n）②低一高：吸收光子hv二E“「En（in>n）

原子在始、末两个能级Em和En（Em'En）间跃迁时，发射（或吸收）光子的能量恰

好等于能级的能量差:hv=Em-En

例：如图所示是氢原子的能级图，一群处于n=4n0

-0.54eV

的激发态的氢原子向低能级跃迁时。-0.85eV

3-1.51eV

（I）能辐射出多少种频率不同的光子？

（2）在哪两个能级间跃ii时，所发出光子的波长2-3.4eV

最长？

解答：辐射出6种频率不同的光子；

从4到3跃迁时，所辐射光子的能量最少，频率-13.6eV

最短，对应波长最长。

频率假设解释了为什么看到的原子光谱是分立的线状谱，因为能级是量子化的，能极差

也是分立化的，不同能级之间跃迁向外辐射或从外界吸收的电磁波的频率是不一样的，体现

在光谱上就是分立的线状谱。

二.玻尔理论对氢光谱的解释

1.根据玻尔理论推导出巴尔末公式，从理论上算出里德伯常量R的值。

例：电子从第3轨道跃迁到第2轨道

/ip=£?-E2

1=116£V1_1

Zch2232

l=1.10xl07（^-^）

AND

求出当电子从第3轨道跃迁至第2轨道时，原子向外辐射电磁波的波长。所以巴尔末公

式可以用来求电子从量子数大于2的轨道跃迁到量子数为2的轨道时原子向外辐射电磁波的

波长。

2.玻尔理论很好解释甚至预言氢原子的其他谱线。

我们将这一片对应的区域成为巴尔末系，除了巴耳末系外，赖曼系和帕邢系先后被发现。

电子从量子数大于I的轨道跃迁到量子数为1的轨道时原子向外辐射的电磁波为赖曼系；

电子从量子数大于3的轨道跃迁到量子数为3的轨道时原子向外辐射的电磁波为帕邢系等。

玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的所有谱线。

三.玻尔模型的局限性

回顾原子结构的认识史：

否定一建立一nmr-

汤姆孙发现电子皿原子不可割e「汤姆孙的西瓜模型

否定建立

a粒子散射实验皿"汤姆孙的西瓜模型呻卢瑟福的核式结构模型皿

否定—建立一

原子稳定性事实氢光谱实验"口”卢瑟福的核式结构模型皿玻尔模型

【问】：玻尔模型一定是完全正确的么？

玻尔模型成功地解释了氢原子光谱，但解释其他原子光谱遇到了困难，比如无法解释氨

原子光谱。

玻尔理论成功的解释并预言了氢原子辐射的电磁波的问题，但是也有它的局限性。成功

在于在解决核外电子的运动时引入了量子化的观念。但局限在于同时又应用了“粒子、轨道”

等经典概念和有关牛顿力学规律，而在宏观世界中适应（1勺经典理论在微观世界中并不适用，

所以导致玻尔理论无法解释复杂的原子结构模型

如何完善玻尔原子结构理论？

用电子云取代经

典的轨道概念，彻底

摒弃经典理论。

所以，玻尔原子

结构模型也并不是完

全正确的理论。但是

它在对原子结构的认识上做出了巨大的贡献，是他成功地把量子理论引入原子结构中，玻尔

因此也获得诺贝尔物理学奖。玻尔理论是经典物理向量子力学的过度。

课堂小结：

1.玻尔原子理论的基本假设

2.玻尔理论对氢光谱的解释

3.玻尔模型的局限性

六.板书设计

第4节玻尔的原子模型