4.4氢原子光谱和波尔的原子模型 教案

4.4氢原子光谱和波尔的原子模型
〖教材分析〗
本节教材在介绍了光谱后，重点讲述了氢原子光谱的实验规律。并给出了巴尔末公式，牡丹石从公式中看出物理量之间的关系，看出物理量变化趋势，该公式能简洁的反应了墙院子辐射波长的分立特征。由于经典理论的困难提出了波尔理论。波尔理论的三个假设是本章的重点内容有的需要计算，注意分层次教学。通过本节的教学再次让学生体验科学家所进行的科学探究，领会科学方法和科学精神。
〖教学目标与核心素养〗
物理观念∶知道氢原子光谱的规律，理解波尔原子模型的三个假设。
科学思维∶能用能级图来分析光谱的规律，理解理论的局限性与不足。
科学探究：通过波尔理论氢原子光谱的规律的解释程培养学生分析能力，揭示物理现象的科学本质。
科学态度与责任∶从实验规律出发，实事求是，学习科学家艰苦奋斗的精神，激发学生热爱科学的热情。
〖教学重难点〗
教学重点：氢原子光谱的实验规律，波尔理论的基本假设。
教学难点：波尔理论的基本假设。
〖教学准备〗
多媒体课件等。
〖教学过程〗
一、新课引入
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
动图播放焰色反应，冲击学生视觉。
a粒子散射的实验使我们知道原子具有核式结构，但电子在原子核的周围怎样运动 这些还要通过其他事实才能认识。
二、新课教学
（一）光谱
1.光谱的定义
我们知道自然界中的白光其实是复合光，由多种不同频率的光组成，用三棱镜或者光栅可以把物质发出的光按波长展开，从而获得光的频率和强度分布的记录，就是光谱。
问题：那光谱有哪些类别呢？
2.光谱的分类
①连续谱：光谱是连在一起的光带
它由连续分布的一切波长的光簇组成。如图，所示的钨丝白炽灯的光谱。一般来说，炽热的固体，液体或高压气体发出的光都形成连续光谱。比如炽热的钢水。
②线状谱：光谱是一条条分立的亮线。
它只由游离状态的原子发射，所以也叫原子光谱。一般来说，稀薄气体或金属的蒸气发出的光会形成线状谱，线状谱中的亮线叫谱线。比如图中的三条就是线状谱，虽然期间也有一些地方连续，但是中间断了。
3.特征谱线
原子只发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此，这些亮线称为原子的特征谱线。
4.光谱分析
同种元素的原子产生的线状谱是相同的，但不同元素的原子产生了，线状谱是不同的。意味着可以从线状谱中鉴别物质的元素组成，这种光谱分析法，对于鉴别化学元素有着巨大的意义。它不仅判断迅速，而且异常灵敏，只要某种元素的含量达到十的负10-10克，就可以通过特征谱线将其检测出来。
（二）氢原子光谱的实验规律
原子内部电子的运动是原子发光的原因，所以光谱研究，可以用来探索原子内部结构，从而验证卢瑟福核式结构。我们从最简单的原子氢原子下手。
实验表明：在可见光区，光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。氢原子光谱一共有四条谱线。
思考：测出氢原子光谱的谱线位置之后，那么它有什么规律呢？
可见光区谱线规律——巴尔末公式
n=3，4，5
里德伯常量：=1.10×10-7m-1
n有两层含义：
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，反映了氢原子光谱波长的分立特征（线状谱）。
用它计算出的波长与实际测量值的相对误差不超过1/4万，吻合的非常好。巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子光谱的分立特征，对光谱学和近代物理学的后续发展产生了重要影响。
问题：这个简洁的结构揭示了怎样的原子结构呢？
（三）经典理论的困难
1.矛盾一
原子的特征光谱是分立的，不连续的，如果用经典理论来看，这也说明电子在原子中做怎样的运动呢？
经典理论：电子要以一定的速度绕着原子核转动。同时外辐射能量，造成电子的能量越来越小。运动的轨道半径也会越来越小，最终落在原子核上。即原子是不稳定的。
事实是：原子是稳定系统。
2.矛盾二
经典理论：辐射电磁波的频率也应该变大，并且应该是连续变化的。
事实是：辐射的光谱是不连续。
这些矛盾说明物理学迫切需要新理论，新观念。那具体是什么新理论呢？
（四）波尔原子理论的基本假设
经典理论在原子世界遇到了困难，它无法解释原子的稳定性以及线状光谱。 那这是不是说卢瑟福的核式结构模型完全错误呢？
波尔在普朗克的能量量化和爱因斯坦的光量子理论的基础上对原子核式结构，做一些修正，使他能够解释原子稳定性和线状光谱。
1.轨道量子化
针对原子核式结构模型提出轨道量子化的假设。
①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值
波尔认为原子中的电子在库仑力的作用下绕原子核做圆周运动，但电子的轨道不是任意的，轨道半径的大小必须符合一定的条件，也就是说电子的轨道是量子化，即绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值。
②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射
波尔假设电子在这些轨道上运行是稳定的，不产生电磁辐射。在玻尔理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值。例如，在氢原子中，电子轨道的最小半径是r1=0.053nm；电子还可能在半径是0.212 nm、0.477nm……的轨道上运行，但是轨道半径不可能是介于这些数值中间的某个值。用公式表示就是rn=n2r1，n=1、2、3。
2.定态（能量量子化）
电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，于是就具有不同的能量因此原子的能量也是量子化的。可以用公式，n=1、2、3表示。
①能级：各轨道上量子化的能量
②定态：原子中具有确定能量的稳定状态
能量最低的状态叫做基态，氢原子基态的能量E1=-13.6eV，其他状态叫做激发态，如图1、2、3叫做量子数。三个能量就分别用E1、E2、E3表示，量子数越大能量越大。这就解决了原子稳定性的问题。
3.频率条件
按照玻尔的观点，电子在一系列定态轨道上运动，不会发生电磁辑射。那么，如何解释观察到的原子光谱呢
玻尔假定原子系统的变化只能是从一个稳定态，完全跃迁到另一个稳定态。在此过程中需要以电磁辐射的形式吸收或者释放能量
hv=En-Em(n>m)
当从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，电子要产生辐射向外发射能量。当然反过来，电子吸收光子后就能从较低的能级跃迁到较高的能级，吸收光子的频率同样由频率条件决定。这样就可以解释线状谱线了。
动态图展示跃迁过程。
（五）玻尔理论对氢光谱的解释
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及相应的能量。
1.验证巴尔末公式
根据波尔理论，氢原子核外只有一个电子，它绕原子核做圆周运动，轨道半径和能量都是分立的。
按照波尔的频率条件，原子从较高能级3跃迁到较低能级2时，辐射的光子能量等于两个能级的能量差hv=E3-E2。
参照巴耳末公式，对比发现巴耳末公式也代表电子从量子数为3的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。
按照这个思路，可以根据玻尔理论推导出巴耳末公式，并从理论上算出里德伯常量的值。这样得到的结果与实验值符合得很好。
2.用图表示氢原子各能极
除了公式，还可以用图表示氢原子各能极，其中2、3、4等能级的能量大小可以，E1=-13.6eV计算出来。从图上看，巴尔末系的谱线就得用这样的跃迁。
3.解释气体导电发光
通常的原子总是处于最稳定的基态下，当原子受到高速运动的电子撞击时，有可能吸收能量跃迁到激发态，而处于激发态的原子是不稳定的，会自发的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。
问题：那不同元素的原子为什么有不同的特征谱线呢？
这个由于不同原子具有不同的结构，能级各不相同，因此辐射的光子频率也就不相同。这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。
各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异。街道上的霓虹、试电笔中的氖管，都是由灯管内的气体原子从高能级向低能级跃迁而发光的。食盐被灼烧时发的光，也主要是由食盐蒸气中钠原子的能级跃迁而造成的。
以上就是玻尔理论对氢光谱的解释。
（六）波尔理论的局限性
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。
①复杂一点的原子，就无法解释它的光谱现象（如氦）
②无法解释谱线的强度
原因：保留了静电粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述小的轨道运动。
解决办法：必须彻底放弃经典概念，用电子云概念取代经典的轨道概念，而使用量子力学的描述。
回顾人类探索原子结构的历程
到此原子结构的认识史，就大致讲完了，早年间人们以为原子不可再分，后来汤姆孙发现电子提出原子具有内部结构，然后a粒子散射实验否定了汤姆孙枣糕模型，于是有了卢瑟福核式模型。而他无法解释原子稳定性和光谱现象，所以波尔做了修正。最后复杂原子光谱说明波尔模型也不够完善，电子云模型要更贴切一些。
可以看到，每一种新理论的建立，都是依靠观察和实验所获得的事实，但他们要不断的被新的实验事实推翻、修正，科学上是以这样的方式在不断前进。 而前进道路上的每一步，都为这个进程做出了贡献，正如波尔模型虽然最终被修正了，但他讲量子论的影响大大扩展了，功不可没。
科学漫步——光谱分析
由基尔霍夫开创的光谱分析方法对鉴别化学元素有着巨大的意义。许多化学元素，像艳、物、铊、铜、镓，都是在实验室里通过光语分析发现的。
光谱分析还为深入原子世界打开了道路。近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。
课堂练习
例1：关于原子光谱，下列说法正确的是（）
原子光谱是不连续的
由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的
各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含有那些元素
解析：原子光谱为线状谱，选项A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故选项B错误，选项C正确；对各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，选项D正确。故选ACD。
例2：关于波尔理论，下列说法正确的是（ ）
原子的不同定态对应于电子沿不同的圆形轨道绕核运动
当原子处于激发态时，原子向外辐射能量
只有当原子处于基态是，原子才不向外辐射能量
不论当原子处于何种定态，原子等候不向外辐射能量
解析：根据波尔理论的第三条假设知选项A正确，不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量，原子只有从一个定态跃迁到另一个定态时，才辐射或吸收能量，所以选项BC错误。故选AD。
例3：如图所示为氢原子能级图。大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时发出不同频率的光。用这些光照射金属钙。已知金属钙的逸出功为3.20 eV。能够从金属钙的表面照射出光电子的光共有(　 　)
A.2种 B.3种 C.4种 D.5种
解析：根据组合公式 ,可知,大量的处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,能发出6种不同频率的光电子,
它们的能量分别是E1=-0.85eV-(-1.51 eV)=0.66 eV
E2=-0.85eV-(-3.40eV)=2.55eV
E3=-0.85eV-(-13.6eV)=12.75eV
E4=-1.51 eV-(-3.40eV)=1.89eV
E5=-1.51eV-(-13.6eV)=12.0 eV
E6=-3.40eV-(-13.6eV)=10.2eV
可见有三种光电子的能量大于3.20 eV，故能够从金属钙的表面照射出光电子的光共有三种，故B正确。
例4：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之间跃迁时发出的
解析：能辐射3种频率的光。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。
〖板书设计〗
4.4氢原子光谱和波尔的原子模型
一、光谱
1.光谱∶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。
2.光谱的分类①连续谱 ∶光谱是连在一起的光带。
②线状谱 ∶光谱是一条条分立的亮线。
特征谱线∶每种原子只能发出具有本身特征的某些频率的光
.光谱分析 ∶ 鉴别物质和确定物质的组成成分，发现新元素
二、氢原子光谱的实验规律
可见光区谱线规律——巴尔末公式n=3，4，5
三、经典理论的困难
经典理论无法解释原子的稳定性和光谱的分立性
波尔原子理论的基本假设
轨道量子化
①绕核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值
②电子在轨道绕核转动是稳定的，不产生电磁辐射
2.定态（能量量子化）
3.频率条件 hv=En-Em （n>m）
五、玻尔理论对氢光谱的解释
六、波尔理论的局限性
〖教学反思〗
本节到此原子结构的认识史就大致讲完了，学生对原子内部的结构有个大概的认识，但是期间许多科学家提出的模型都是由局限性的，即使最后的波尔理论也是如此，那么这就会给学生一种感受——这些东西不重要。教学时可以看到，每一种新理论的建立，都是依靠观察和实验所获得的事实，但他们要不断的被新的实验事实推翻、修正，科学上是以这样的方式在不断前进。而前进道路上的每一步，都为这个进程做出了贡献，正如波尔模型虽然最终被修正了，但他讲量子论的影响大大扩展了，功不可没。
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