物理人教版（2019）选择性必修第三册4.4氢原子光谱和玻尔的原子模型（共45张ppt）

(共45张PPT)
氢原子光谱和玻尔的原子模型
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α粒子散射实验否定了J.J.汤姆孙的原子模型，肯定原子核的存在。但还无法知道原子核外边的电子的情况，需要通过更多的实验事实研究.
在对电子运动情况的研究中，光谱的观察提供了很多资料，通过观察和研究物质发射光形成的光谱，总结谱线的规律，逐渐认识原子的构造.
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一、光谱
经三棱镜散射后，不同频率的光分开(折射率与光的频率有关)， 照在感光底片上，不同波长(即频率)的光出现在底片上不同位置.
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各种频率的电磁波被分解后，形成按波长排列的图案，称为光谱.光谱是电磁辐射的波长成分和强度分布的记录.
用光谱仪可以把光波按波长展开，把不同成分的强度记录下来，或者把按波长展开后的光谱摄成相片，这种光谱仪称为摄谱仪.光谱仪使用棱镜作为分光器，有各种设计.
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棱镜摄谱仪示意图
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S是一条狭缝，在相片上形成一条条谱线.谱线的位置取决于波长.将一个已知波长的光谱和待测的光谱并排地设在相片上，测出两光谱的谱线的位置，进行比较，从而测定各谱线的波长.
线状光谱
谱线是一条一条、分立的.
线状光谱由原子发射形成.
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不同原子发光频率不同，在光谱上对应的位置不同.线状光谱就像是原子的“指纹”，称为原子的特征谱线.
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带状光谱
谱线分段密集，每段中不同波长的数值很多，差别很小.带状光谱由分子发射.
连续光谱
光源发出的光具有各种波长，相近波长的差别极其微小，在光谱相片上的谱线密接起来形成连续光谱.例如白炽电灯的光谱是连续光谱.
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思考问题：实验积累了大量的光谱数据，包括各种原子、分子、液体、固体等.你会选择哪种原子的光谱进行研究？
“柿子先挑软的捏”. 氢原子结构最简单，从氢原子的光谱容易发现、总结得到规律.
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二、氢原子光谱的实验规律
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谱线 颜色 波长( ) 强度
Hα 红 6562.10 最强
Hβ 深绿 4860.74 次强
Hγ 青 4340.10 次弱
Hδ 紫 4101.20 最弱
Hα
Hδ
Hγ
Hβ
表 1 氢光谱可见区的四条谱线
瑞士中学数学教师巴耳末(Johann Jakob Balmer,1825-1898)受到巴塞尔大学物理教授哈根拜希(E.Hagenbach)的鼓励对氢光谱进行研究，1884年发现可用公式表示各谱线的波长关系.
里德伯常量R=1.10×107m-1
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1885年，巴耳末发表论文，记述道：
“在H.W.沃格尔和胡金斯对氢光谱紫外线测量的基础上，我曾试图建立一公式，以满意地代表各谱线的波长。这件工作得到了哈根拜希教授的鼓励.”
“埃格斯特朗对氢谱线的精确测量使我有可能为这些谱线的波长确定一共同因子，至少可以对这四根谱线以惊人的精度得到它们的波长，这一公式是光谱定律的生动表示式.”
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计算值 埃格斯特朗测量值 差值
Hα=6562.08 6562.10 +0.02
Hβ=4860.8 4860.74 -0.06
Hγ=4340 4340.10 +0.1
Hδ=4101.3 4101.20 -0.1
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表 2 计算值与实验测量值(单位： )
巴耳末公式打开了光谱奥秘的大门，找到了译解原子“密码”的依据，此后光谱规律陆续总结出来，原子光谱逐渐形成一门系统的学科。
巴耳末没有给出光谱规律的物理解释.那么，经典物理理论是如何解释光谱的？经典理论的预言和实验结果符合吗？
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三、经典理论的困难
经典电磁理论对光的产生的解释
电子绕核做圆周运动，库仑力作为向心力.电子的周期性运动使得激发的电磁场周期性变化，周期性变化的电磁场辐射出电磁波，即产生光.
经典电磁理论能够定性解释原子为什么会辐射出光波.
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辐射的电磁波是连续的
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电子辐射电磁波的频率等于绕原子核转动的频率.随着电子不断辐射电磁波，电子能量减少，频率连续变化，原子光谱应该是连续的.实际的原子光谱是线状谱.
原子是不稳定的.
按照经典理论，电子最终会坠落到原子核上，原子不会稳定存在，也不会形成分子和丰富多彩的宇宙。这是经典电磁理论的致命弱点.
经典电磁理论无法解释微观世界规律.
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四、玻尔原子理论的基本假设
1913年初，玻尔的好友、光谱学家汉森(H.M.Hansen,1886-1956)拜访玻尔，询问原子结构和光谱学中的谱线有何关系.玻尔不熟悉光谱学，认为光谱学太复杂.光谱就像蝴蝶翅膀上的颜色那样有趣而难懂，不可能从原子结构的基础上作出解释.
汉森详细解释了巴耳末的发现，以及尚未得到解释的巴耳末经验公式.
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玻尔“三部曲”
在巴耳末公式的启发下，1913年4月、6月和8月，玻尔完成《论原子和分子的结构》三篇具有划时代意义的论文，发表在英国《哲学杂志》，史称玻尔“三部曲”.
玻尔将卢瑟福、普朗克、爱因斯坦的思想结合，创造性地将光的量子理论引入原子结构理论，克服经典理论在原子稳定性问题的困难，成功地解释氢原子光谱.
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玻尔理论的基本假设
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轨道量子化与定态假设
电子轨道是量子化的，只能取一些特定值.电子处于不同的轨道，原子处于不同的状态(称为定态).电子在各轨道绕核做圆周运动，不辐射电磁波.
电子轨道量子化取值导致原子的能量取一些分立值，称为原子的能级.能量最低的态称为基态，其他称为激发态.
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轨道量子化条件
玻尔假定电子的轨道只能取一些特定值，电子轨道半径 r 必须满足，
r×p=n n=1,2,3……
p为电子动量，即p=mev. me为电子质量，v为电子在轨道上运动的速度.
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频率条件（辐射条件）
当电子从一个稳定态跃迁到另一个稳定态，辐射出电磁波.电磁波波长满足，
Em和En分别为氢原子处于两个定态时的能量值，且En>Em.
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hv =En-Em
五、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子轨道半径
轨道量子化 rmev=n n=1，2，3……
电子绕核做圆周运动，
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v
rn
容易求出

氢原子能量
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系统势能
能量量子化！
n r/ E/eV
1 0.529 -13.6
2 2.116 -3.4
3 4.761 -1.51
4 8.464 -0.85
5 13.225 -0.54
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表 1 量子化的轨道半径和能级
巴耳末公式的破解
巴耳末公式
电子从高能级 n 跃迁到 n =2时，有
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两式对比，里德伯常量为
将相关常数代入，计算值与实验测量值在误差范围内符合.
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n=2
n=1
n=3
n=4
电子的量子化轨道(半径按比例绘制)
巴尔末线系
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0
-3.4
-13.6
-1.51
-0.85
-0.54
3
4
2
5
∞
1
n
E/eV
赖曼系
巴耳末系
帕邢系
布喇开系
氢原子能级图
原子的线状光谱
原子的能级是分立的，两能级的差值也是分立的，根据频率条件，只能辐射出特定频率的光。
原子的特征谱线
不同原子能级不同，辐射出的光频率不同。
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对玻尔理论的反应
斯特恩与冯·劳厄立下誓言说“如果那个疯狂的玻尔模型是正确的，他们就从此脱离物理学.”
瑞利勋爵：“…但我以为它对我毫无用处.……但这不适合我”
爱因斯坦“要是它真的是正确的话，那么它是一个非常有趣的理论”
1913年9月，玻尔收到索末菲一封赞美的信.
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索迪谈到玻尔理论“……惊人地符合实验测定”.
1914年2月，卢瑟福说“所有物理学家都对玻尔理论有很大的兴趣，这一理论也十分重要，因为它是对建构简单原子和分子、并解释它们光谱的最早的明确尝试.”1914年3月，卢瑟福说，“然而要说玻尔理论是否正确，他的贡献……是否具有重大价值和影响则为时尚早.”
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玻尔理论取得巨大成功，解释了氢光谱的巴尔末公式；给出里德伯常量的表达式；阐明光谱的发射和吸收.
玻尔的成功在于其全面地继承了前人的工作，正确地加以综合，面临旧的经典理论和新的实验事实的矛盾时勇敢地肯定实验事实，冲破旧理论地束缚，最终建立能基本适用原子现象的定态跃迁原子模型.
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例 1 根据氢原子能级图计算：电子从n=5轨道跃迁到n=2轨道辐射的电磁波波长.
解 n=5，E5=-0.54eV；n=2，E2=-3.4eV.
根据辐射条件，有
解得
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六、玻尔模型的局限性
不能解释比氢原子更复杂的原子结构
不能计算光谱强度
无法说明为什么电子在定态轨道上不辐射能量
电子有确定的轨道，违反海森伯不确定性关系
玻尔理论还很不完善，电子的运动不可能像玻尔假设的那样简单.玻尔理论没有完全揭示微观粒子运动规律，是“普朗克的量子观念与经典力学的混合”产物.
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1925-1926年建立的量子力学是玻尔量子论的发展，众多物理学家共同完成量子大厦的建立.量子力学准确地描述微观粒子遵循的规律，量子力学的预言一一被实验证实.
量子力学认为，原子核外电子没有确定轨道，只能预测电子出现的概率，根据薛定谔方程和玻恩的概率波解释对氢原子做出更完满准确的解释.
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课堂小结
光谱
氢原子光谱的实验规律
巴尔末公式
经典理论的困难
玻尔原子理论的基本假设
①轨道量子化②频率条件
玻尔理论的局限性
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课堂练习 1
如果大量氢原子处于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？若n=4呢？
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-3.4eV
-13.6eV
-1.51eV
3
2
1
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-3.4eV
-13.6eV
-1.51eV
3
2
1
4
-0.85eV
课堂练习 2
氢原子从能级A跃迁到能级B时，辐射波长为 λ1 的光子，从能级B跃迁到能级C吸收波长为 λ2 的光子，若λ1>λ2.问：从能级C跃迁到能级A，是吸收光子还是辐射光子？光的波长是多少？
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解 从能级A跃迁到能级B，
从能级B到跃迁到能级C，
从能级C到跃迁到能级A，有
∴辐射出光子，波长为 λ1λ2/(λ1-λ2)
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