《学霸笔记 同步精讲》第4章 4.氢原子光谱和玻尔的原子模型 5.粒子的波动性和量子力学的建立（课件）高中物理人教版选择性必修3 (1)

(共45张PPT)
4.氢原子光谱和玻尔的原子模型
5.粒子的波动性和量子力学的建立
第四章
2026
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道光谱以及氢原子光谱的实验规律。
2.理解玻尔理论及其相关概念。
3.了解粒子的波动性和量子力学的建立。
1.通过氢原子光谱的实验规律学习培养科学探究精神。
2.通过学习玻尔理论培养科学思维。
3.通过学习粒子波动性和量子力学的建立过程培养科学态度与责任。
自主预习 新知导学
一、光谱　氢原子光谱的实验规律以及经典理论的困难
1.光谱:用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长(频率)展开,获得波长(频率)和强度分布的记录。
2.分类。
(1)线状谱:光谱是一条条的 亮线 。
(2)连续谱:光谱是 连在一起 的光带。
3.特征谱线:各种原子的发光光谱都是 线状谱 ,光谱中的亮线称为原子的 特征谱线 。利用原子的 特征谱线 ,可以鉴别物质和确定物质的 组成成分 ,这种方法称为 光谱分析 。
4.氢原子光谱的实验规律。
氢原子光谱在可见光区的谱线满足巴耳末公式 ：
式中R∞叫作 里德伯 常量,实验测得的值为R∞=1.10×107 m-1,n只能取整数。巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的 线状 光谱的特征。
5.某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线具有什么关系 利用光谱分析能不能探索原子的结构
答案：某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的。
能。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。
6.经典理论的困难。
(1)核式结构模型的成就:正确地指出了 原子核 的存在,很好地解释了α粒子散射实验。
(2)经典理论的困难:经典物理学既无法解释原子的稳定性,又无法解释原子光谱的分立特征。
二、玻尔原子理论的基本假设
1.轨道量子化与定态。
(1)轨道量子化:原子中的电子在 库仑引力 的作用下,绕原子核做 圆周运动 。电子运行轨道的半径不是任意的,也就是说电子的轨道是 量子化 的。电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的,不产生 电磁辐射 。
(2)定态。
①原子的能量只能取一系列特定的值。这些量子化的能量值叫作能级。
②原子中这些具有确定能量的稳定状态,称为 定态 。
③基态:原子能量 最低 的状态称为基态,对应的电子在离核最 近 的轨道上运动。
④激发态:较高的能量状态称为激发态,对应的电子在离核较远的轨道上运动。
2.频率条件与跃迁。
当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em,m三、玻尔理论对氢光谱的解释
1.氢原子能级图(如图所示)。
2.解释巴耳末公式。
按照玻尔理论,原子从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为hν= En-Em 。巴耳末公式中的正整数n和2,正好代表能级跃迁之前和跃迁之后所处的 定态轨道 的量子数n和2。因此,巴耳末公式代表的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。
3.解释气体导电发光。
通常情况下,原子处于基态,非常稳定,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。
4.解释氢原子光谱的不连续性。
原子从较高的能级向低能级跃迁时放出的光子的能量等于前后 两个能级之差 。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。
5.解释不同原子具有不同的特征谱线。
不同的原子具有不同的结构, 能级 各不相同,因此辐射(或吸收)的 光子频率 也不相同。
四、玻尔理论的局限性
1.成功之处。
玻尔的原子理论第一次将 量子观念 引入原子领域,提出了 定态 和 跃迁 的概念,成功地解释了 氢原子 光谱的实验规律。
2.局限性。
保留了 经典粒子 的观念,仍然把电子的运动看作经典力学描述下的 轨道 运动。
3.电子云。
原子中电子的坐标没有确定的值,我们只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的 概率 是多少。如果用疏密不同的点表示电子在各个位置出现的概率,画出图来就像 云雾 一样,叫作 电子云 。
五、粒子的波动性和量子力学的建立
1.物质波:实物粒子也具有波动性,即每一个运动的 粒子 都与一个对应的波相联系。粒子的能量 ε 和动量p 跟它所对应的波的频率ν和波长 λ 之间,遵从 。这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波,也叫作物质波。
2.德布罗意提出物质波的观念被实验证实,表明电子、质子、原子等粒子也具有波粒二象性。
3.量子力学的建立与应用。
(1)量子力学:描述微观世界行为的理论被称为量子力学,是统一描述微观世界物理规律的普遍理论。
(2)量子力学应用:量子力学被应用到众多具体物理系统中,得到了与实验符合得很好的结果,获得了极大的成功。借助量子力学,人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱。(　　)
(2)玻尔认为原子的能量是量子化的,不能连续取值。(　　)
(3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。(　　)
(4)处于基态的原子是不稳定的,会自发地向其他能级跃迁,放出光子。
(　　)
(5)不同的原子具有相同的能级,原子跃迁时辐射的光子频率是相同的。
(　　)
(6)玻尔认为电子运行轨道半径是任意的,就像人造地球卫星,能量大一些,轨道半径就会大一点。(　　)
×
×
×
×
×
√
2.当一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时,可能的情况有几种
答案：当一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时,可能的情况只有 一种。
合作探究 释疑解惑
知识点一
光谱　氢原子光谱
【问题引领】
下图为不同物体发出的不同光谱。
1.钨丝白炽灯的光谱与其他三种光谱有什么区别
2.铁电极弧光灯的光谱、氢光谱、钡光谱的特征相同吗
提示： 1.钨丝白炽灯的光谱是连在一起的光带,其他三种光谱是一条条的亮线。
2.不同。
【归纳提升】
1.光谱的分类
(1)发射光谱:物质发光直接获得的光谱,分为连续光谱和线状光谱(或原子光谱)。
(2)吸收光谱:连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。
2.几种光谱的比较
【典型例题】
【例题1】 (多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是(　　)
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,不能用连续谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
BC
解析:太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳的高层大气时产生的吸收光谱,是太阳发出的光谱被太阳高层大气中存在的对应元素吸收所致,白炽灯发出的是连续谱,选项A错误。月球本身不会发光,靠反射太阳光才能使我们看到它,所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分,选项D错误。光谱分析只能是线状谱和吸收光谱,连续谱是不能用来进行光谱分析的,选项C正确。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,选项B正确。
误区警示 (1)太阳光谱是吸收光谱,是阳光透过太阳的高层大气时形成的,不是地球大气造成的。
(2)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的,两者均可用来做光谱分析。
【变式训练1】 利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分。关于光谱分析,下列说法正确的是(　　)
A.利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B.利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C.高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D.同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线由于光谱的不同,它们没有关系
B
解析：高温物体的光谱包括了各种频率的光,与其组成成分无关,A错误。某种物质发光的线状谱中的亮线与某种原子发出的某频率的光有关,通过这些亮线与原子的特征谱线对照,即可确定物质的组成成分,B正确。高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸收而形成暗线,这些暗线由所经过的物质决定,C错误。某种物质发出某种频率的光,当光通过这种物质时它也会吸收这种频率的光,因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应,D错误。
【问题引领】
知识点二
玻尔理论
根据玻尔原子模型,原子核外的电子处于一系列不连续的轨道上,原子在不同的轨道又具有不同的能量。原子处于什么状态稳定,处于什么状态不稳定 原子的能量与电子的轨道半径具有怎样的对应关系
提示：原子处于基态时是稳定的,处于激发态时不稳定。原子的能量与电子的轨道半径相对应,轨道半径大,原子的能量大,轨道半径小,原子的能量小。
【归纳提升】
1.轨道量子化:轨道半径只能是一些不连续的、某些分立的数值。这样的轨道形式称为轨道量子化。
2.能量量子化。
(1)电子在可能轨道上运动时,尽管是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态也称之为定态。
(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续的。这样的能量值,称为能级。能量最低的状态称为基态,其他的状态叫作激发态。
(3)原子的能量包括:原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。
3.跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,会辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,发射或吸收光子hν=En-Em。
【典型例题】
【例题2】 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道的过程中,下列说法正确的是(　　)
A.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大
B.原子要放出光子,电子的动能减小,原子的电势能减小
C.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能减小
D.原子要吸收光子,电子的动能减小,原子的电势能增大
D
解析：根据玻尔理论,氢原子核外电子在离核较远的轨道上运动时能量较大,必须吸收一定能量的光子后,电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道,故B错误。氢原子核外电子绕核做圆周运动,由原子核对电子的库仑力提供向心力,即 。由此式可知,电子离核越远,即r越大时,电子的动能越小,故A、C错误。r变大时,库仑力对核外电子做负功,因此电势能增大,故D正确。
科学思维 解决玻尔原子模型问题的四个关键
(1)电子绕核做圆周运动时,不向外辐射能量。
(2)原子辐射的能量与电子绕核运动无关,只由跃迁前后的两个能级差决定。
(3)处于基态的原子是稳定的,而处于激发态的原子是不稳定的。
(4)原子的能量与电子的轨道半径相对应,轨道半径大,原子的能量大,轨道半径小,原子的能量小。
【变式训练2】 (多选)关于玻尔理论,以下叙述正确的是(　　)
A.原子的不同定态对应于电子沿不同的圆形轨道绕核运动
B.当原子处于激发态时,原子向外辐射能量
C.只有当原子处于基态时,原子才不向外辐射能量
D.不论当原子处于何种定态时,原子都不向外辐射能量
解析：据玻尔理论假设知选项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B、C错误,选项D正确。
AD
【问题引领】
知识点三
玻尔理论对氢光谱的解释
1.根据巴耳末公式 计算出的氢原子光谱线是玻尔模型中电子怎样跃迁发出的
2.电子在核外的运动真的有固定轨道吗 玻尔理论中的轨道量子化又如何解释
提示：1.巴耳末公式代表的是电子从量子数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。
2.在原子内部,电子绕核运动并没有固定的轨道,只不过当原子处于不同的定态时,电子出现在rn=n2r1处的概率大。
【归纳提升】
1.能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量。
作能级图时,能级横线间的距离和相应的能级差相对应,能级差越大,间隔越宽,所以量子数越大,能级越密,竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小,n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。
2.能级跃迁:处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为 。
3.光子的发射:原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,发射光子的频率由下式决定。
hν=En-Em(m、n是始末两个能级且m【典型例题】
【例题3】 (多选)氢原子的能级图如图所示,大量处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁时,一共可以辐射出6种不同频率的光子,其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子,则(　　)
BC
A.6种光子中波长最长的是由n=4的激发态
跃迁到基态时产生的
B.6种光子中有2种属于巴耳末系
C.使n=4能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量
D.若从n=2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应,则从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应
解析：n=4激发态跃迁到基态时释放光子的能量最大,根据E=h 知,波长最短,故A错误。由题知6种光子中有2种属于巴耳末系,它们分别是从n=4能级跃迁到n=2能级与从n=3能级跃迁到n=2能级时释放的光子,故B正确。n=4能级的氢原子具有的能量为-0.85 eV,故要使其发生电离,能量变为0,至少需要0.85 eV的能量,故C正确。从n=2能级跃迁到基态释放的光子能量为13.6 eV-3.4 eV=10.2 eV,能使某金属板发生光电效应,而从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子能量3.4 eV-1.51 eV=1.89 eV<10.2 eV,不一定能使该板发生光电效应,故D错误。
科学思维 能级跃迁规律
大量处于n激发态的氢原子向基态跃迁时,最多可辐射 种频率的光子。一个处于n激发态的氢原子向基态跃迁时,最多可辐射(n-1)种频率的光子。
【变式训练3】 (多选)用光子能量为E的光束照射容器中的氢气,氢原子吸收光子后,能发射频率为ν1、ν2、ν3的三种光子,且ν1<ν2<ν3。入射光束中光子的能量应是(　　)
A.hν3
B.h(ν1+ν2)
C.h(ν2+ν3)
D.h(ν1+ν2+ν3)
解析：氢原子吸收光子后发射三种频率的光,可知氢原子由基态跃迁到了第三能级,能级跃迁如图所示,由图可知该氢原子吸收的能量为hν3或h(ν1+ν2)。
AB
课堂小结
随堂练习
1.(光谱)关于线状谱,下列说法正确的是(　　)
A.每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B.每种原子处在不同的物质中的线状谱不同
C.每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同
解析：每种原子都有自己的结构,只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线,不会因温度、物质不同而改变,选项C正确。
C
2.(原子跃迁)处于n=3能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有(　　)
A.1种
B.2种
C.3种
D.4种
解析：对于处于n=3能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有3种,选项C正确。
C
3.(氢原子光谱实验规律的理解)(多选)下列对氢原子光谱实验规律的认识正确的是(　　)
A.虽然氢原子核外只有一个电子,但氢原子也能产生多种波长的光
B.氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线
C.氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
D.氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关
解析：氢原子光谱是线状谱,是一系列波长不连续的特征谱线,并不是只含有一种波长的光,不是亮度不连续的谱线,A、B正确,C错误。氢原子光谱是氢原子的特征谱线,只要是氢原子发出的光的光谱就相同,与放电管的放电强弱无关,D错误。
AB
4.(氢原子能级图的理解)下图为氢原子的能级图。当氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时,辐射光子a;当氢原子从n=3的能级跃迁到n=1的能级时,辐射光子b,则下列判断正确的是(　　)
A.光子a的能量大于光子b的能量
B.光子a的波长小于光子b的波长
C.光子a的频率小于光子b的频率
D.b光比a光更容易发生衍射现象
C
解析：氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级发射的光子能量
hν1=E4-E2=(-0.85+3.4) eV=2.55 eV,从n=3的能级跃迁到n=1的能级发射的光子能量hν2=E3-E1=(-1.51+13.6) eV=12.09 eV,所以选项A错误,C正确。因λ= ,故λ1>λ2,选项B、D错误。