1.1 第1课时 氢原子光谱和玻尔的原子结构模型 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修2

1.1 第1课时　氢原子光谱和玻尔的原子结构模型
【学习目标】
1.了解原子结构模型的诞生及人类认识原子结构的历程。
2.了解氢原子光谱、基态和激发态。
3.了解氢原子光谱的特点。
4.了解玻尔原子结构模型的基本观点及其对氢原子光谱特点的解释。　
【自主预习】
1.原子结构模型的演变
时间或年代 原子结构模型 科学家及模型
1803年 道尔顿　　　
1904年 　　　　“葡萄干布丁”模型
1911年 卢瑟福　　　
1913年 　　　　核外电子分层排布的原子结构模型
20世纪20 年代中期 　　　
2.光谱及氢原子光谱
(1)光谱
①含义:利用原子光谱仪将物质　　　　或　　　　的频率(或波长)和强度分布记录下来的谱线。
②形成原因:电子在不同轨道间　　　　时,会辐射或吸收能量。
(2)氢原子光谱属于线状光谱。
3.玻尔的原子结构模型
(1)基本观点
运动轨迹 原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动,并且不辐射能量
能量分布 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量,而且能量值是不连续的。轨道能量依n(量子数)值(1、2、3…)的增大而　　　
电子跃迁 对氢原子而言,电子处在n=1的轨道时能量最低,这种状态称为　　　　;能量高于基态能量的状态,称为　　　　。电子在能量不同的轨道之间跃迁时,辐射或吸收的能量以光的形式表现出来并被记录下来,就形成了　　　　
(2)贡献
①成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的实验事实。
②阐明了原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁,而电子所处的轨道的能量是量子化的。
【参考答案】1.原子论　汤姆孙　核式模型　玻尔　量子力学模型
2.吸收的光　发射的光　跃迁
3.升高　基态　激发态　光谱
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)玻尔提出了原子学说,并提出电子分层排布模型。(　　)
(2)氢原子外围只有一个电子,故氢原子光谱只有一条谱线。 (　　)
(3)氢原子光谱属于线状光谱。 (　　)
(4)基态氢原子转变成激发态氢原子时释放能量。(　　)
(5)焰色试验与电子跃迁有关,属于化学变化。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
2.为什么氢原子光谱是由具有特定波长、彼此分立的谱线组成的
【答案】根据玻尔理论,电子所处的轨道的能量是量子化的,轨道间的能量差也是确定的,因此形成的是具有特定波长的线状光谱。
3.举例说明什么是连续光谱
【答案】若由光谱仪获得的光谱是由各种波长的光所组成,且相近的波长差别极小而不能分辨,则所得光谱为连续光谱。如阳光等。
【合作探究】
任务1：氢原子光谱和玻尔原子结构模型
情境导入　氢原子光谱
氢原子光谱实验表明:氢原子在一般情况下并不辐射电磁波;氢原子光谱不是连续光谱,而是线状光谱。
问题生成
1.氢原子外围只有1个电子,氢原子光谱是否只有1条谱线
【答案】不是。氢原子电子跃迁到不同原子轨道时产生不同的光谱谱线。
2.下图是氢原子的两个光谱,分别是发射光谱和吸收光谱。两者有什么共同点
【答案】氢原子光谱是线状的,谱线的位置相同且是不连续的。
3.氢原子光谱为什么是线状光谱
【答案】电子在不同轨道上运动时能量不同,且能量值是不连续的,氢原子的电子从一个能级跃迁到另一个能级时,吸收或释放一定的能量,就会吸收或释放具有一定频率的光,并被光谱分析仪记录下来,得到线状光谱。
【核心归纳】
1.玻尔原子结构模型
(1)内容归纳
①原子光谱源自核外电子在能量不同的轨道之间的跃迁;
②电子所处的轨道的能量是量子化的;
③电子跃迁吸收(或放出)的能量也是量子化的。
(2)局限性:玻尔理论中只引入一个量子数n,只能解释氢原子光谱是线状光谱。无法解释多电子原子光谱的复杂现象及其在外磁场存在的谱线分裂现象,需要引入更多的量子数。
2.光谱分类
【典型例题】
【例1】原子光谱是线状光谱,是由不连续的谱线组成的,这表明(　　)。
A.在原子中只有某些电子能够跃迁产生光谱
B.原子中的电子可以处于某些特定的能量状态,即电子的能量是量子化的
C.原子发射的光是单色光
D.白光可以由多种单色光组成
【答案】B
【解析】光谱分为连续光谱和线状光谱,无论是单色光还是白光,都是连续光谱,原子光谱是线状光谱,也就是由具有特定频率的光形成的谱线。原子光谱之所以产生这种特定的谱线,是由于电子的能量是量子化的,电子跃迁的始态和终态的能量差也是量子化的。
【例2】1913年,丹麦科学家玻尔第一次认识到氢原子光谱是氢原子的电子跃迁产生的。玻尔的原子结构理论,一个很大的成就是(　　)。
A.证明了原子核外电子在圆形轨道上运动
B.提出了原子核是可以进一步细分的
C.解决了氢原子光谱和原子能级之间的关系
D.应用了量子力学理论中的概念和方法
【答案】D
【解析】玻尔提出电子在一定轨道上运动的原子结构模型,成功地解释了氢原子光谱是线状光谱的原因,为后来人们用更多的量子数来标记核外电子的运动状态,来解释复杂的原子光谱提供了可以借鉴的方法,D项符合题意。
任务2：基态和激发态
情境导入　霓虹灯是城市的美容师,每当夜幕降临时,华灯初上,五颜六色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。2022年1月29日晚,“滨城之约　燃情冬奥”泰达MSD创意街区秀如期点亮,北京冬奥会主题口号“一起向未来”燃亮了整个街区。
问题生成
1.光是怎样产生的 日常生活中看到的灯光、激光、焰火等,都与哪些原理有关
【答案】光(辐射)是电子释放能量的重要形式,电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态时,将以光的形式释放能量。日常生活中看到的灯光、激光、焰火等可见光,都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
2.电子跃迁是不是仅指电子由基态跃迁至激发态
【答案】不是。电子在不同能级中的跃迁均属于电子跃迁,可由高能量的能级跃迁至低能量的能级,也可以由低能量的能级跃迁至高能量的能级。
3.许多金属盐都可以发生焰色试验,请用原子结构的知识解释其原因
【答案】金属原子吸收能量,电子从基态跃迁到激发态后,电子从高能级轨道跃迁回到低能级轨道时,将能量以光能的形式释放出来。
【核心归纳】
1.光谱与光谱分析
光谱:不同元素的原子发生跃迁时会吸收或释放不同的光,可以用光谱仪摄取各种元素原子的电子的吸收光谱或发射光谱,总称原子光谱。
光谱分析:在现代化学中常利用原子光谱上的特征谱线来鉴定元素,称为光谱分析。
发射光谱形成示意图　吸收光谱形成示意图
2.基态、激发态与光谱的联系
当基态原子的电子吸收能量,电子会跃迁到能量较高的轨道上,变成激发态原子。电子从较高能量的激发态跃迁到较低能量的激发态乃至基态,将释放能量。
光是电子释放能量的重要形式之一。在日常生活中,我们看到的许多可见光,如灯光、霓虹灯光、激光,还包括燃放的焰火等都与原子核外电子发生跃迁释放能量有关。
【典型例题】
【例3】对充有氖气的霓虹灯管通电,灯管发出红色光。产生这一现象的主要原因是(　　)。
A.电子由激发态向较低能量的激发态或基态跃迁时以光的形式释放能量
B.电子由基态向激发态跃迁时吸收除红光以外的光线
C.氖原子获得电子后转变成发出红光的物质
D.在电流的作用下,氖原子与构成灯管的物质发生反应
【答案】A
【解析】霓虹灯发红光是因为电子吸收能量后跃迁到能量较高的能级,能量较高能级上的电子会跃迁回能量较低的能级而以光的形式释放能量。
解题引导：解答本题注意两点:(1)发光是释放能量的一种形式;(2)原子的能量:基态<激发态。
【随堂检测】
1.玻尔理论不能解释(　　)。
A.氢原子光谱为线状光谱
B.在一给定的稳定轨道上,运动的核外电子不辐射能量
C.氢原子的可见光区谱线
D.在有外加磁场时氢原子光谱有多条谱线
【答案】D
【解析】玻尔理论是针对原子的稳定存在和氢原子光谱为线状光谱的事实提出的,在有外加磁场时氢原子有多条谱线,玻尔的原子结构模型已无法解释这一现象,必须借助量子力学加以解释。
2.元素“氦、铷、铯”等是用下列哪种科学方法发现的(　　)。
A.红外光谱 B.质谱
C.原子光谱 D.核磁共振谱
【答案】C
3.以下现象与核外电子跃迁有关的是(　　)。
①霓虹灯发出有色光　②棱镜分光　③激光器产生激光　④石油蒸馏　⑤凸透镜聚光　⑥燃放的焰火在夜空中呈现五彩缤纷的礼花　⑦日光灯通电发光　⑧冷却结晶
A.①③⑥⑦ B.②④⑤⑧
C.①③⑤⑥⑦ D.①②③⑤⑥⑦
【答案】A
【解析】电子跃迁本质上是组成物质的粒子(原子、离子或分子)中电子的一种能量变化。根据能量守恒原理,粒子的外层电子从低能级跃迁到高能级的过程中会吸收能量;从高能级跃迁到低能级则会释放能量。能量大小为两个能级能量之差的绝对值。①③⑥⑦与核外电子跃迁有关。
4.下列关于同一原子中的基态和激发态说法中,正确的是(　　)。
A.基态时的能量比激发态时高
B.激发态时比较稳定
C.由基态转化为激发态过程中吸收能量
D.电子仅在激发态跃迁到基态时才会产生原子光谱
【答案】C
【解析】激发态时能量较高,较不稳定,A、B两项错误。电子从较低能量的基态跃迁到较高能量的激发态时,也会产生原子光谱,D项错误。
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