4.4 氢原子光谱和波尔的原子模型 导学案 —2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册（word版学案）

4.4 氢原子光谱和波尔的原子模型
【学习目标】
知识与技能:
1．了解光谱的定义和分类。
2．了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系。
3．了解经典原子理论的困难。
过程与方法：学习运用光普分析的方法来进行原子结构与原子运动的分析。展现连续谱线、线状谱线让学生掌握光谱分析研究的原理。
情感、态度与价值观：理解科学方法对进行科学探索的作用，并理解探究自然奥秘是一项永远止境的认识活动。
【学习重点】
氢原子光谱的实验规律
【学习难点】
经典理论的困难
【学习指导】
讨论、交流。
【学习用具】
投影片，多媒体辅助教学设备
【学习过程】
一、引入新课
讲述：粒子散射实验使人们认识到原子具有核式结构，但电子在核外如何运动呢？它的能量怎样变化呢？通过这节课的学习我们就来进一步了解有关的实验事实。
二、新课学习
1．光谱（结合课件展示）
光谱：早在17世纪，牛顿就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。光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。
（1）发射光谱：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。
发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。
①连续光谱： 叫做连续光谱。
例如：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。
②明线光谱： 叫做明线光谱。 叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。
例如：稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。
特征谱线：实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征谱线。
（2）吸收光谱：高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。
各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。
各种光谱成因知识结构图：
（3）光谱分析： 这种方法叫做光谱分析。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。
2．氢原子光谱的实验规律：氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。
巴耳末公式：
3．经典理论的困难
问题1：卢瑟福的原子核式结构模型的成功之处在哪里？
问题2：经典电磁理论的困难是什么？
问题3：按照教材中对原子核式结构模型的分析结果，经典电磁理论包含哪两点基本内容？
问题4：原子中的存在电磁场吗？如果存在，根据经典电磁理论它是由谁产生的？怎样变化？为什么？
问题5：根据经典电磁理论，原子核外的电子会向辐射电磁场即向外辐射能量吗？
问题6：根据经典电磁理论，电子能量减少会导致什么结果？
原子不稳定：
原子光谱是连续谱：
问题7：原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾给予我们什么启示？
三、互动讲练
（一）对光谱和光谱分析的认识
1．下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是(　　)
A．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B．煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C．进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续光谱
D．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
类型二：巴耳末公式的应用
2．请根据巴耳末公式＝R(－)，计算当n＝3，4，5时的波长。
（二）跟踪训练
1．对原子光谱，下列说法不正确的是(　　)
A．原子光谱是不连续的
B．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
C．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
D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素
2．氢原子光谱除了巴耳末系外，还有莱曼系，帕邢系等。其中莱曼系的表达式为＝R(－)，试求莱曼系中波长最长的波对应的频率。
【学习小结】
一、光谱
1．定义：
2．光谱分类
3．特征光谱：
4．光谱分析：
（1）定义：
（2）优点：
（3）应用：
二、氢原子光谱的实验规律
1．许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径。
2．巴耳末公式：
3．巴耳末公式的意义：
三、经典理论的困难
1．核式结构模型的成就：
2．困难：
特别提醒
光谱分析可以使用发射光谱中的线状谱，也可以使用吸收光谱，因它们都有原子自身的特征谱线，但不能使用连续光谱。
【达标检测】
一、单选题
1．如图所示为氢原子的能级图，处于某一能级的一个氢原子向低能级跃迁时共发出两个光子，用与两光子频率相同的光照射逸出功为的光电管的阴极K时，测得遏止电压之比约为，则大量处于该能级的氢原子向低能级跃迁时形成的光谱图中亮线（一种频率的光子对应一条亮线）的条数为（ ）
A．3 B．6 C．10 D．15
2．氢原子的能级如图所示，关于氢原子跃迁的描述、下列说法正确的是（　　）
A．一个能量为10.2eV的光子击中一个氢原子，一定能使氢原子跃迁到能级
B．一大群处于能级的氢原子向低能级跃迁，可以发出4种频率的光
C．从基态跃迁到能级的氢原子，吸收的光子能量可以小于12.09eV
D．一个质子击中一个自由的、静止的基态氢原子，氢原子跃迁到能级，该入射质子的动能一定不小于10.2eV
3．根据玻尔理论，电子在第n轨道运动时氢原子的能量和电子在第1轨道运动时氢原子的能量满足关系式。如图为氢原子的能级图。巴耳末线系的谱线是氢原子的电子从n>2的能级返回n＝2能级时释放出的谱线，赖曼线系的谱线是氢原子的电子从n>1的能级跃迁至n＝1能级的一系列光谱线。则赖曼线系能量最小的光子与巴耳末线系能量最大的光子的能量差约为（　　）
A．10.2eV B．6.8eV C．3.4eV D．0.54eV
4．玻尔为解释氢原子光谱画出了氢原子能级图，如图所示，一群氢原子处于n=3的激发态，当它们自发地向低能级跃迁时，下列说法中符合玻尔理论的有（　　）
A．电子的动能与势能均增大
B．氢原子跃迁时可发出连续光谱
C．由n=3跃迁到n= 1时发出光子的波长最长
D．能使逸出功为2.25eV金属钾发生光电效应的光谱线有2条
5．氢原子能级图如图所示。光子能量在1.63 eV~3.10 eV的光为可见光。已知大量处于基态（能级）的氢原子吸收某种频率的光子后能向外辐射6种频率的光子，则下列说法正确的是 （　　）
A．氢原子吸收的光子能量为12.09 eV
B．向外辐射的光子中，有4种属于可见光
C．向外辐射的光子中，有5种能使处于能级的氢原子发生电离
D．氢原子由能级向能级跃迁时可能向外辐射γ射线
6．如图甲中所示给出了氢原子光谱中四种可见光谱线对应的波长，氢原子能级图如图乙所示。由普朗克常量可计算出这四种可见光的光子能量由大到小排列依次为3.02eV、2.86eV、2.55eV和1.89eV，则下列说法中正确的是（　　）
A．谱线对应光好的能量是最大的
B．谱线对应光子的能量是最大的
C．光是由处于n=5的激发态氢原子向低能级跃迁的过程中产生的
D．若四种光均能使某金属发生光电效应，则光获取的光电子的最大初动能较大
7．氢原子能级示意图如图所示，已知大量处于基态的氢原子，当它们受到某种频率的光线照射后，可辐射出6种频率的光。下列说法正确的是（　　）
A．基态的氢原子受到照射后跃迁到n=3能级
B．用这些光照射逸出功为3.34eV的金属锌，能使金属锌逸出光电子的光子频率有4种
C．氢原子向低能级跃迁后核外电子的动能减小
D．氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级产生的光的波长最大
二、解答题
8．有若干氢原子处于的能级，已知氢原子的基态能量，普朗克常量。
(1)这些氢原子的光谱共有几条谱线？
(2)这些氢原子发出的光子的最大频率是多少？
9．将氢原子电离，就是从外部给电子以能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子。（电子电荷量e＝1.6×10－19C，电子质量m＝0.91×10－30kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s）
（1）若要使n＝2激发态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射该氢原子？
（2）若用波长为200nm的紫外线照射n＝2激发态的氢原子，则电子飞到离核无穷远处时的速度为多大？
10．玻尔建立的氢原子模型，仍然把电子的运动视为经典力学描述下的轨道运动。他认为，氢原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做匀速圆周运动。已知电子质量为m，电荷量为e，静电力常量为k，氢原子处于某激发态时电子的轨道半径为r。
（1）氢原子处于该激发态时，电子绕原子核运动，可等效为环形电流，求此等效电流值；
（2）氢原子能量等于电子绕原子核运动的动能、电子与原子核系统的电势能的总和。已知当取无穷远处电势为零时，点电荷电场中离场源电荷q为r处的各点的电势，求处于该激发态的氢原子能量。
（3）如图所示为氢原子能级示意图，若有一群氢原子处在n=5的能级，辐射出的光子中频率最高的光子的能量有多大？
参考答案：
1．B
2．D
3．B
4．D
5．C
6．B
7．D
8．（1）6；（2）
9．（1）；（2）
10．（1）；（2）；（3）
试卷第1页，共3页
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