新教材2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性4.氢原子光谱和玻尔的原子模型课件新人教版选择性必修第三册

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第四章4.氢原子光谱和玻尔的原子模型1.知道什么是光谱,能说出连续谱和线状谱的区别。(物理观念)2.能记住氢原子光谱的实验规律。(物理观念)3.知道玻尔原子理论的基本假设、电子的轨道量子化和原子的能量量子化。(物理观念)4.了解能级、定态、基态、激发态和跃迁的概念,会根据能级图计算两个能级之差。(科学思维)5.了解玻尔模型的成就和局限性,知道氢原子光谱的产生机理,会用hν=En-Em解题。(科学思维)6.知道电子云是电子在各个位置出现概率大小的直观表示。(物理观念)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升学以致用·随堂检测全达标目录索引 基础落实·必备知识全过关一、光谱及氢原子光谱的实验规律1.光谱(1)定义:用棱镜或光栅可以把物质发出的光按　　　　(频率)展开,获得　　　　(频率)和强度分布的记录,即光谱。 (2)分类①线状谱:有些光谱是一条条的　　　　,叫作谱线,这样的光谱叫作线状谱。　不同原子发光频率不同  ②连续谱:有的光谱看起来不是一条条分立的谱线,而是连在一起的　　　　,叫作连续谱。 波长波长亮线光带③特征谱线气体中中性原子的发光光谱都是　　　　　　,且不同原子的亮线位置　　　　,故这些亮线称为原子的　　　　谱线。 (3)光谱分析①定义:利用原子的　　　　　　来鉴别物质和确定物质的组成成分。 ②优点:灵敏度高。元素含量达到10-13 kg就能被检测到 线状谱不同特征特征谱线2.氢原子光谱的实验规律和经典理论的困难(1)氢原子光谱的实验规律①巴耳末公式氢原子光谱是线状谱,只有一系列特定波长的光 ②意义:巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的　　　　　　的特征。 (2)经典理论的困难①用经典电磁理论在解释原子的　　　　　　时遇到了困难。 ②用经典电磁理论在解释原子光谱是　　　　的线状谱时遇到了困难。 用经典理论解释不通 线状光谱稳定性分立二、玻尔原子理论的基本假设1.玻尔原子模型(1)原子中的电子在　　　　　的作用下,绕　　　　　做圆周运动。(2)电子绕核运动的轨道是　　　　　的。 (3)电子在这些轨道上绕核的运动是　　　的,不产生　　　　　　。 特定的不连续的轨道  库仑引力原子核量子化稳定电磁辐射2.定态当电子在不同轨道上运动时,原子处于不同的状态,具有　　　 的能量,即原子的能量只能取一系列特定的值,这些量子化的能量值叫作　　　　。原子具有确定能量的稳定状态,称为　　　　。能量最低的状态叫作　　　　,其他的状态叫作　　 　　。 动能和势能的总和 3.跃迁当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)　　　　到能量较低的定态轨道(能量记为Em,n>m)时,会　　　　能量为hν的光子,这个光子的能量由前后两个能级的　　 　　决定,即hν=　　　　　,这个式子被称为频率条件,又称　　 　条件。 不同能级定态基态激发态跃迁放出能量差En-Em 辐射三、玻尔理论对氢光谱的解释及其局限性1.玻尔理论对氢光谱的解释(1)解释巴耳末公式①按照玻尔的频率条件,原子从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为hν=　　　　　　。 ②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　　　　　　　的量子数n和2。并且理论上的计算和实验测量的　　　　　　　　符合得很好。 公式中的2换为其他自然数,就得到其他谱线系的波长定态轨道En-Em 里德伯常量(2)解释氢原子光谱的不连续性原子从较高的能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后　　 　　　　　。由于原子的能级是　　　　的,所以放出的光子的能量也是　　　　的。因此,原子的发射光谱只有一些分立的亮线。 不同的原子能级不同,辐射光子的频率不同 两个能级之差分立分立2.玻尔理论的局限性　(1)成功之处玻尔的原子理论第一次将　　　　观念引入原子领域,提出了定态和跃迁的概念,成功地解释了　　　　　　光谱的实验规律。 (2)局限性保留了经典粒子的观念,仍然把电子的运动看作经典力学描述下的　　　　运动。 (3)电子云原子中电子的坐标没有确定的值,我们只能描述某时刻电子在某点附近单位体积内出现的　　　　是多少。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表示电子在各个位置出现的概率,画出图来就像　　　　一样,故称　　　　　　。 量子氢原子轨道概率云雾电子云情境链接如图所示为某氢原子的光谱。仔细观察,氢原子光谱具有什么特点? 提示 从右至左,相邻谱线间的距离越来越小。 教材拓展阅读教材P90科学漫步。早在17世纪时,牛顿就发现了太阳光通过三棱镜后的色散现象,并把实验中得到的彩色光带叫作光谱。1814年,德国物理学家夫琅禾费对太阳光谱进行了细心的检验,并编绘了太阳光谱图。该光谱图内有多条黑线,夫琅禾费对其中8条重要的黑线做了标识。这些黑线后来就成为比较不同玻璃材料折射率的标准,并为光谱精确测量提供了基础。此后,许多科学家对光谱进行了实验研究,认识到光谱与物质的化学成分有关,从而促进了光谱分析技术的应用。请结合对光谱的认识,谈一谈在日常生活中光谱的应用。提示 光谱分析可以检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求;光谱分析可以帮助人们发现新元素;光谱分析可以鉴定食品的优劣;光谱分析可以鉴定文物等。易错辨析(1)各种原子的发射光谱都是线状谱。(　　)(2)巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数。(　　)(3)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的。(　　)(4)电子吸收任意频率的光子时,会从较低的能量态跃迁到较高的能量态。(　　)(5)玻尔的原子理论模型可以很好地解释氢原子的光谱现象。(　　)(6)电子的实际运动并不具有确定的轨道。(　　)√ × 提示巴耳末公式中的n只能取大于2的正整数。 √ × 提示原子中的电子吸收光子的能量必须满足hν=En-Em才能从较低的能级跃迁到较高的能级。√ √ 重难探究·能力素养全提升探究点一　光谱及氢原子光谱的规律由于各种元素的原子结构不同,在光源的作用下都可以产生自己的特征光谱。如果一个样品经过激发在感光板上有几种元素的谱线出现,就证明该样品中有这几种元素。光谱分析十分突出的优点是一次可以分析多种元素,精度、灵敏度高,且不需纯样品,只需利用已知谱图,即可进行光谱定性分析。图甲为a、b、c、d四种元素的线状谱,图乙是某矿物的线状谱。试探究:(1)通过光谱分析可以了解该物质缺乏的是什么元素?(2)请说出你的依据。要点提示 (1)b元素、d元素。(2)由矿物的线状谱与几种元素的线状谱进行对照,b元素和d元素的谱线在该线状谱中不存在。1.光谱的分类 2.光谱分析(1)优点:灵敏度高,分析物质的最低含量达10-13 kg。(2)应用:①应用光谱分析发现新元素。②鉴别物体的物质成分;研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。③应用光谱分析鉴定食品优劣。3.巴耳末公式(n=3,4,5,…),该公式称为巴耳末公式。(2)公式中只能取n≥3的整数,不能连续取值,波长是分立的值。4.其他谱线除了巴耳末系,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。5.经典理论的困难(1)无法解释原子的稳定性按照经典物理学,核外电子受到原子核的库仑引力作用,不可能是静止的,它一定以一定的速度绕核转动。电子做周期性运动,它产生的电磁场就在周期性变化,而周期性变化的电磁场会激发电磁波,即电子不断把自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去,因此电子绕核转动是不稳定的,电子会失去能量,轨道半径逐渐变小,最后落在原子核上。但是事实不是这样,原子是个很稳定的系统。(2)无法解释原子光谱的分立特征根据经典电磁理论,电子辐射的电磁波的频率就是它绕核转动的频率。电子越转能量越小,它离原子核就越来越近,转得也越来越快,这个变化是连续的,也就是说,我们应该看到原子辐射出各种频率(波长)的光,即原子的光谱应该总是连续的,而实际上我们看到的是分立的线状谱。这些矛盾说明经典理论可以很好地应用于宏观物体,但不能解释原子世界的现象。(n=3,4,5,…),对此,下列说法正确的是(　　)A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性C.巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的所有情况,其波长的分立值并不是人为规定的C解析 巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长,不能描述氢原子发出的各种光的波长,也不能描述其他原子发出的光,故B、D错误;巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的,但它适用于整个巴耳末线系,故A错误,C正确。方法技巧　巴耳末公式的应用方法及注意问题(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征,不能描述其他原子。(2)公式中n只能取整数,不能连续取值,因此波长也只能是分立的值。(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析总结出的,巴耳末系在紫外区的谱线也适用。(4)应用时熟记公式,当n取不同值时求出一一对应的波长λ。1.关于原子的特征谱线,下列说法不正确的是(　　)A.不同原子的发光频率是不一样的,每种原子都有自己的特征谱线B.使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气,可得到钠元素的特征谱线C.可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分D.原子的特征谱线是原子具有核式结构的有力证据D解析 不同原子的发光频率是不一样的,每种原子都有自己的特征谱线,选项A正确;强烈的白光通过低温的钠蒸气时,某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱,选项B正确;每种原子都有自己的特征谱线,可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分,选项C正确;α粒子散射实验是原子具有核式结构的有力证据,选项D错误。本题选不正确的,故选D。探究点二　玻尔原子理论的基本假设玻尔认为,电子只能在一些半径取分立值的轨道上运动,如氢原子中电子运行轨道的最小半径是0.53×10-10 m,其他的玻尔半径只能是2.12×10-10 m、4.77×10-10 m等,玻尔半径不可能是介于这些值之间的中间值,经典物理学的观点是怎么样的?要点提示 根据经典理论,随着不断向外辐射能量的电子能量的减少,电子绕原子核运行轨道的半径连续地减小,于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核,就像绕地球运动的人造地球卫星受到阻力作用不断损失能量后,要落到地面上的一样。1.轨道量子化(1)轨道半径只能够是某些分立的数值。(2)氢原子的电子最小轨道半径r1=0.053 nm,其余轨道半径满足rn=n2r1,n为量子数,n=1,2,3,…2.能量量子化(1)不同轨道对应不同的状态,在这些状态中,尽管电子做变速运动,却不辐射能量,因此这些状态是稳定的(定态),原子在不同状态有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。(2)基态原子最低的能量状态称为基态,对应的电子在离核最近的轨道上运动,氢原子基态能量E1=-13.6 eV。(3)激发态较高的能量状态称为激发态,对应的电子在离核较远的轨道上运动。3.能级跃迁与光子的发射和吸收原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,即高能级Em 低能级En。 特别提示　原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子。4.氢原子跃迁中的能量转化问题(1)原子能量变化规律原子的能量包括原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。即En=Ekn+Epn= ,随n增大而增大,随n的减小而减小,其中E1=-13.6 eV 。(2)电子动能变化规律②从库仑力做功上判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,电子的动能减小。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,电子的动能增大。(3)原子的电势能的变化规律①通过库仑力做功判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小。②利用原子能量公式En=Ekn+Epn 判断,当轨道半径增大时,原子能量增大,电子的动能减小,故原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子的动能增大,故原子的电势能减小。【例2】 (多选)根据玻尔理论,激发态的氢原子辐射出一个光子后,关于电子绕氢原子核运动的情况,下列说法正确的是(　　)A.电子的轨道半径变小B.由于辐射出光子,电子动能变小C.电子势能变小D.因为能量变小,根据公式ε=hν,其绕氢原子核运动的频率变小AC解析 激发态的氢原子辐射出一个光子后,由高能级向低能级跃迁,电子的轨道半径变小,静电力做正功,电子势能变小,动能变大,B错误,A、C正确;设电子的质量为m,电子的轨道半径为r,绕原子核运动的频率为f,根据静电力提供向心力 =m(2πf)2r,得半径减小,频率增大,D错误。2.(2023山东临沂月考)已知氢原子的基态能量为-13.6 eV,核外电子的第一轨道半径为0.53×10-10 m,电子质量me=9.1×10-31 kg,电荷量为-1.6×10-19 C,静电力常数k=9.0×109 N·m2/C2,求电子跃迁到第三轨道时,氢原子的能量、电子的动能和原子的电势能。答案 -1.51 eV　1.51 eV　-3.02 Ev 电子在第三轨道时半径为r3=32r1=9r1 由于E3=Ek3+Ep3,故原子的电势能为Ep3=E3-Ek3=-1.51 eV-1.51 eV=-3.02 eV。探究点三　对氢原子的能级结构和跃迁问题的理解原子从一种定态跃迁到另一种定态时,会吸收或辐射出一定频率的光子。 试探究:(1)若从E3跃迁到E1是否只有E3→E1一种可能?(2)如果是一群氢原子处于量子数为n的激发态,最多能辐射出多少条谱线?要点提示 (1)不是。可以是E3→E1,也可以是E3→E2,E2→E1。 1.对能级图的理解(1)能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量(电子的动能与电势能的和)。(2)能级横线间的距离越大,能级差越大;量子数越大,能级越密;竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小;n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。2.能级跃迁处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为 n 的激发态时,可能辐射3.光子的发射原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,发射光子的频率由下式决定。hν=En-Em(Em、En是始末两个能级且m