高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性4 氢原子光谱和玻尔的原子模型图文课件ppt

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第四章 原子结构和波粒二象性4 氢原子光谱和玻尔的原子模型图文课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了教学目标，教学重点，教学难点，氢原子光谱的实验规律，经典理论的困难，它的能量怎样变化，了解光谱分析的作用，光谱的分类，①连续光谱，实例霓虹灯发出的光等内容，欢迎下载使用。

了解光谱、连续谱和线状谱等概念
知道氢原子光谱的实验规律
知道经典物理的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分力特性
让学生进一步体会物理规律是在接受实践检验的过程中不断地发展和完善的
卢瑟福所提出的原子核式结构是什么？
①原子的中心有一个带正电的原子核 ②它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量 ③电子则在核外空间运动
电子在核的周围怎样运动？
知道什么是发射光谱，吸收光谱
知道什么是线状谱、连续谱
牛顿发现了日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做光谱
光谱：用光栅或棱镜把光按波长分开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录。（有时候只记录波长成分）
光谱分为发射光谱和吸收光谱
发射光谱：物体发光直接产生的光谱
由连续分布的一切波长的光组成
特点：整个光谱区域都是亮的
产生：炽热的固体、液体及高压气体的光谱
实例：白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水
②线状光谱（明线光谱）
只含有一些不连续的亮线的光谱，线状谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。
产生：稀薄气体或金属的蒸汽的发射光谱
          线状光谱由游离状态的原子发射的，也叫原子光谱
①各种原子的发射光谱都是线状光谱，说明原子只发出几种特定频率的光。 
②不同原子的亮线位置（谱线）不同，说明不同原子的发光频率不同。因此线状光谱的谱线被称为原子的特征谱线。
高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过低温物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。
现象：光谱区域存在一条条暗线
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（线状光谱）中的一条明线相对应。
吸收光谱也是原子的特征谱线
由于每种原子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物质的化学组成。这种方法叫做光谱分析。
实例：利用太阳光的吸收光谱可以研究太阳高层大气层所含元素
光是原子内部电子的运动产生的，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。
优点：灵敏度高
样本中一种元素的含量达到              时就可以被检测到
利用白炽灯的光谱，能否检测出灯丝的成分？
不能，白炽灯的光谱是连续谱，不是原子的特征谱线，因而无法检测出灯丝的成分
玻璃管中稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光。
知道发射氢原子光谱的实验装置
知道巴尔末公式总结了氢原子光谱的波长 
从氢气放电管可以获得氢原子光谱
氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单
1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的4条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：
①每一个n值分别对应一条谱线。
②n只能取正整数3，4，5······，不能取连续值，反映了原子光谱波长的分立特性（线状光谱）
巴耳末公式的意义： 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
n > 6 的符合巴耳末公式的光谱线大部分在紫外区
人们把一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系
除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫外光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式
（1）各种原子的发射光谱都是线状谱，并且只能发出几个特定的频率
（2）可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分
（3）光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究时探索原子核内部结构的一条重要途径
（4）稀薄气体的分子在强电场的作用下会变成导体并发光
（5）巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数
巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱。即辐射波长的分离特征。
卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好的解释了粒子的散射实验。
但是用卢瑟福的核式结构模型和经典力学、电磁学的理论，却无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。
了解用经典理论无法解释原子的稳定性
了解用经典理论无法解释氢原子光谱的分立特征
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
原子光谱是不连续的线状谱
什么是线状谱，什么是连续谱？原子的发射光谱是怎样的光谱？不同原子的发射光谱是否有可能相同？
由不连续的亮线组成的光谱叫线状谱。由波长连续分布的光组成的连在一起的光带叫连续谱。 原子的发射光谱时线状光谱。不同原子的发射光谱不相同
根据巴耳末公式，指出氢原子光谱在可见光范围内波长最长的两条谱线所对应的n，它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？
可知，氢原子光谱在可见光范围内波长最长的2条谱线所对应的n应为3、4 当n=3时，得                            当n=4时，得                          氢原子光谱时分立的线状谱。它在可见光区的谱线满足巴耳末公式，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  
经典物理学在解释原子光谱时遇到了什么困难？
经典物理学在解释原子光谱时线状谱时遇到了困难。 按照经典电磁理论，电子在核外做加速运动，应该辐射电磁波，电子能量逐渐减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小，电子将沿螺旋线轨道落入原子核。电子绕核运行辐射电磁波的频率等于电子绕核运行的频率。 随着轨道半径连续变化，绕核频率也连续变化，辐射电磁波的频率也连续变化，由此可以退出：原子光谱时连续谱。 这与原子光谱时线状谱的实验事实相矛盾
知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容
了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念
能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型
了解玻尔模型的不足之处及其原因
玻尔原子理论的基本假设
玻尔理论对氢光谱的解释
回顾科学家对原子结构的认识史
但是与经典的电磁理论发生了矛盾
轨道上运动的电子带有电荷
运动中要辐射电磁波，损失能量
经典物理学观点下，原子将发生“塌陷”
辐射电磁波的频率也会连续变化
事实上，辐射电磁波的频率只是某些不连续确定的值
人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线
了解到卢瑟福的原子模型所遇到的困难，他认为产生困难的原因不在于模型本身，而在于经典理论。
在巴耳末简洁公式、普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦光子说的启发下，玻尔大胆提出自己的原子结构假说
了解轨道量子化与定态假设
知道能量量子化、轨道量子化、能级、定态、基态、激发态、跃迁等概念
1、轨道量子化：针对原子核式结构模型提出
围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，即电子的轨道是量子化的。 
电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。 
原子的能量值是核外电子绕原子核运动时的动能与原子所具有的电势能的总和。 
原子在各种定态时的能量值叫做能级
电子处于内层轨道时能量较低还是外层轨道时原子所具有的能量较低？
原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应
基态：能量值最低、轨道半径最小的状态
激发态：除基态外的状态
电离：原子吸收能量使电子脱离原子束缚的现象
2、能量量子化：针对原子的稳定性提出
当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。
原子中这些具有特定能量的稳定状态，称为定态。
玻尔指出，原子只能处在一系列不连续的能量状态之中，这些状态中能量是稳定的。所以原子的能量也量子化的。
量子数：按能级由低到高为1、2、3…n(n为整数)  如：氢原子各能级可表示为  
能量最低的状态   （ 离核最近）
量 子 数
跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。
电子从低能级向高能级跃迁
电子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功， 增大电势能，原子的能量增加，要吸收能量
电子从高能级向低能级跃迁
电子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功，减小电势能，原子的能量减少，要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出。 
3、跃迁假说（频率条件）：针对原子光谱是线状谱提出
这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即
称为频率条件，又称辐射条件
当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定
玻尔从他的三条假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量。
那么，玻尔理论是如何解释氢光谱的呢？
能根据氢原子基态能级推导不同激发态能级
能利用玻尔理论解释氢原子光谱
原子在始、末两个能级      和                    间跃迁时发射光子的频率可以由下式决定：
原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能极差 
由于原子的能级是分力的，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
氢 原 子 的 能 级 图
玻尔理论还能很好地解释甚至预言氢原子其他谱线系
巴 耳 末 系
布 喇 开 系
普 丰 德 系
巴耳末公式中的正整数n与玻尔理论的量子数n之间有什么关系？
玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量
巴耳末公式中的n应该是电子从量子数分别为n=3,4,5……的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线
氢原子能级跃迁与光谱图
请同学们用这几个公式推出巴耳末公式
结果与实验值符合的很好
玻尔理论解释气体导电发光
现在建筑上常要安装各式各样的霓虹灯，用以夜间装饰。如图所示，各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异，因此利用不同气体可制成五颜六色的霓虹灯。这其中蕴含着什么物理道理？
通常情况下，原子处于基态，基态是最稳定的。 气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。 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，放出光子，最终回到基态。
这就是气体导电时发光的机理
玻尔理论解释不同元素的谱线有不同的特征
玻尔理论又是如何说明为什么不同元素的谱线有不同特征呢？
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。 又由于不同原子具有不同的结构，能级各不同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不同。 
电子从低能级（如基态）向高能级（如第一激发态）跃迁时，需要吸收能量
若给它10.1eV的能量，电子能否发生跃迁？
若给它13.6的能量，电子将会如何运动？大于13.6eV的能量呢？
基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。
激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。
跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）
能量变化情况：当轨道半径减小时，库仑力做正功，原子的电势能Ep减少，电子动能增加，原子能量减少。
反之，轨道半径增大时，原子电势能增加，电子动能减少，原子能量增加
原子发光现象：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，这就是原子发光现象。
激 发 态
（电子克服库仑引力做功，电势能增大，原子的能量增加）
（电子所受库仑力做正功，电势能减小，原子的能量减少）
原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不吸收
电子由高能量状态跃迁到低能量状态时，释放出的光子的频率可以是任意值吗？
不可以。因个定态轨道的能量是固定的，由                    可知，跃迁时释放出的光子的频率也是一系列固定值。
氢原子从高能级向低能级跃迁时，是不是能级越高，释放的光子能量越大？
一群氢原子处于n=4激发态，最多向外辐射多少种频率的光子？
氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时
也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态，
因此处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能为     种情况。
注意一群原子和一个原子
氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现
注意直接跃迁与间接跃迁
原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况的辐射（或吸收）光子的频率不同，但都满足频率条件
原子若是吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发
实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，
所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值（                 ）
就可使原子发生能级跃迁
玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域，比较完满地解释了氢原子光谱，
他所提出的定态和跃迁这两个概念，解决了原子的稳定性及原子发射和吸收电磁辐射之谜，对量子论的建立有着深远影响
但是玻尔理论也有它的局限性
玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题，但是也有它的局限性。 
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
①量子化条件的引进没有适当的理论解释 ②氦原子光谱
严格讲玻尔理论是经典理论加上量子化条件的混合物，使得它无法解释复杂原子的光谱现象。 
思想：必须彻底放弃经典概念？
关键：用电子云概念取代经典的轨道概念
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图象就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。 
电子在某处单位体积内出现的概率——电子云
如图，用玻尔理论解释，当巴耳末公式n=5时计算出的氢原子光谱的谱线，是哪两个能级之间的跃迁造成的？
根据巴耳末公式，n=5时计算出的氢原子光谱的谱线是量子数为5的能级跃迁到量子数为2的能级形成的
请用玻尔理论解释：为什么原子的发射光谱都是一些分立的亮线？
由于原子能级是分立的，能级差也是分立的，辐射的光子的能量也是分立，有确定的频率，所以原子光谱只有一些分立的亮线
如果大量氢原子处在n=3的能级，会辐射出几种频率的光？其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发出的？
大量原子处在n=3的能级上，能辐射3中频率的光。波长最短的光是从n=3的能级跃迁到n=1的能级时发出的光