第18章 第4节玻尔的原子模型-能级(27张ppt)
文档属性
| 名称 | 第18章 第4节玻尔的原子模型-能级(27张ppt) |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 637.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-05-24 11:10:51 | ||
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文档简介
2.4 玻尔的原子模型 能级
汤姆孙发现电子
汤姆孙的枣糕模型
α粒子散射实验
卢瑟福的核式结构模型
回顾科学家对原子结构的认识史
原子不可割
汤姆孙的枣糕模型
原子稳定性事实
氢光谱实验
否定
建立
否定
建立
否定
卢瑟福的核式结构模型
建立
出现矛盾
出现矛盾
?
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说1:轨道量子化
+
分 立 轨 道
针对原子核式结构模型提出
围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值.
且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射.
+
m
r
v
一、玻尔原子理论的基本假设
电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态．波尔指出，原子的不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也量子化的.
（三个重要假设）
假说2:能量量子化
针对原子的稳定性提出
+
m
r
v
能级：量子化的能量值
定态：原子中具有确定能量的稳定状态
Ｅ４
１
２
３
４
５
Ｅ１
Ｅ３
Ｅ２
Ｅ５
量子数
基态：能量最低的状态（离核最近）
——基态
激发态：其他的状态
激发态
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说2:能量量子化
能级图
轨道图
1
2
3
基
态
激发态
跃迁
（电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加）
吸收光子
（电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少）
辐射光子
光子的发射和吸收
+
Em
En
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说3:频率条件（跃迁假说）
针对原子光谱是线状谱提出
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，n>m）时，会放出能量为hv的光子（h是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，
即hv＝Ｅn-Ｅm
称为频率条件，又称辐射条件.
v
原子在始、末两个能级En和Em（ En>Em ）间跃迁时发射光子的频率可以由前后能级的能量差决定：
+
Em
En
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说3:频率条件（跃迁假说）
针对原子光谱是线状谱提出
v
玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量．
氢原子能级
二、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子的能级图
－－－－－－－－－－－－－－－－－
１
２
３
４
５
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0 eV
n
E/eV
∞
基态
激发态
赖曼系
巴耳末系
帕邢系
布喇开系
普丰德系
二、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子能级跃迁与光谱图
巴耳末系
-13.6 eV
-3.40 eV
-1.51 eV
-0.85 eV
-0.54 eV
0
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=?
问题1：请用玻尔的原子结构理论解释形成巴尔末系的原因，并计算当n=4时，巴尔末系中这条谱线的波长
巴尔末公式：
n=6
n=5
n=4
n=1
n=3
n=2
根据：E=hv，λ=c/v
又Eδ =1.89eV= 3.03 ×10-19J
所以， λ δ=hc/ Eδ
= 6.63×10-34 ×3.0 ×10-8 / 3.03 ×10-19J
= 6.57 ×10-7(m)
（巴尔末系）
Hδ
Hγ
Hβ
Hα
二、玻尔理论对氢光谱的解释
Hδ
Hγ
Hβ
Hα
n=6
n=5
n=4
n=1
n=3
n=2
巴尔末系氢吸收光谱
二、玻尔理论对氢光谱的解释
解释巴尔末公式
解释氢原子光谱不连续
二、玻尔理论对氢光谱的解释
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．
在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念
同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律
除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难．
三、玻尔模型的局限性
氦原子光谱
量子化条件的引进没有适当的理论解释。
汤姆孙发现电子
汤姆孙的西瓜模型
α粒子散射实验
卢瑟福的核式结构模型
原子不可割
汤姆孙的西瓜模型
原子稳定性事实
氢光谱实验
否定
建立
否定
建立
否定
卢瑟福的核式结构模型
建立
出现矛盾
出现矛盾
?
玻尔模型
复杂（氦）原子光谱
量子力学理论
玻尔模型
否定
建立
观察与实验所获得的事实
出现矛盾
建
立
科
学
模
型
提
出
科
学
假
说
拓展与提高
怎样修改玻尔模型？
思想：必须彻底放弃经典概念？
关键：用电子云概念取代经典的轨道概念
电子在某处单位体积内出现的概率——电子云
原子结构的认识史
重点一：
能熟练画出氢原子能级图
E
n
E
2
E
1
-13.6
E
3
E
4
E
5
基态
电离态
第一激发态
主量子数
能量
巴耳末系末态
赖曼系末态
第二激发态
第三激发态
8
6
5
4
3
2
1
(eV)
E
1
13.6
eV
E
n
E
1
n
2
记住关键数据和公式
(
(
v
h
E
n
E
m
学以致用
重点二：
掌握能级跃迁概念及谱线计算方法
h
10
34
6.63
J
s
10
19
1.60
J
E
n
E
1
n
2
n
2
eV
13.6
13.6
n
2
(
(
v
h
E
n
E
m
优点：
突出能级概念。
可看成理论公式。
E
1
主量子数
电离态
n
1
2
3
4
8
5
E
E
2
-13.6
E
3
E
4
E
5
能量
(eV)
第三激发态
第二激发态
第一激发态
基态
-3.39
-1.15
-0.85
-0.54
若大量氢原子处于主量子数 的激发态,
会辐射几种频率的光；
在哪两个能级之间跃迁？
最短波长光的频率是多少？
n
5
其中波长最短的光是
巴耳末系末态
[例1]
练习：对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ）
A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设
B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点表示赞同
C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系
D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的
ACD
学以致用
四、原子能级跃迁问题
1．跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量
的变化：
当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小．反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．
2．使原子激发的两种粒子一光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n+1时能量不足，则可激发到n能级的问题．
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=En-Ek)，均可使原子发生能级跃迁．
氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现．
对于量子数为n的一群氢原子，向较低的激发态或基态跃迁时，可能产生的谱线条数为
3. 一群原子和一个原子的跃迁问题
4. 跃迁与电离的问题
原子跃迁时．不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差．若想把处于某一定态上的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量．如基态氢原子电离，其电离能为13.6 eV，只要能量等于或大于13.6 eV的光子都能被基态氢原子吸收而电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的电子具有的动能越大．
五、夫兰克一赫兹实验
①方法和原理：使加速的电子通过低压汞蒸气，与汞原子发生碰撞。测量电子损失的能量和汞原子获得的能量。
②实验的结果，表现在接收极电流随K—G间电压的变化关系图，会分析此图，是做出结论的关键。
夫兰克—赫兹管的IA～UG2K曲线
O
IA
a
c
b
d
e
U1
U2
U3
U4
U5
U6
(uA)
UG2K
o
证明了汞原子能量量子化。该实验卓越的设计思想和实验技巧，以及它在建立原子量子学说方面做出的贡献，受到人们的赞誉。
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(一)
原子是稳定的
电子绕核运动将不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定．
+
+
经典理论认为
事实
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(二)
由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率,连续变化,原子光谱应该是连续光谱
经典理论认为
事实
原子光谱是不连续的线状谱
汤姆孙发现电子
汤姆孙的枣糕模型
α粒子散射实验
卢瑟福的核式结构模型
回顾科学家对原子结构的认识史
原子不可割
汤姆孙的枣糕模型
原子稳定性事实
氢光谱实验
否定
建立
否定
建立
否定
卢瑟福的核式结构模型
建立
出现矛盾
出现矛盾
?
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说1:轨道量子化
+
分 立 轨 道
针对原子核式结构模型提出
围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值.
且电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射.
+
m
r
v
一、玻尔原子理论的基本假设
电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态．波尔指出，原子的不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也量子化的.
（三个重要假设）
假说2:能量量子化
针对原子的稳定性提出
+
m
r
v
能级：量子化的能量值
定态：原子中具有确定能量的稳定状态
Ｅ４
１
２
３
４
５
Ｅ１
Ｅ３
Ｅ２
Ｅ５
量子数
基态：能量最低的状态（离核最近）
——基态
激发态：其他的状态
激发态
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说2:能量量子化
能级图
轨道图
1
2
3
基
态
激发态
跃迁
（电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加）
吸收光子
（电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少）
辐射光子
光子的发射和吸收
+
Em
En
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说3:频率条件（跃迁假说）
针对原子光谱是线状谱提出
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，n>m）时，会放出能量为hv的光子（h是普朗克常量），这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，
即hv＝Ｅn-Ｅm
称为频率条件，又称辐射条件.
v
原子在始、末两个能级En和Em（ En>Em ）间跃迁时发射光子的频率可以由前后能级的能量差决定：
+
Em
En
一、玻尔原子理论的基本假设
（三个重要假设）
假说3:频率条件（跃迁假说）
针对原子光谱是线状谱提出
v
玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量．
氢原子能级
二、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子的能级图
－－－－－－－－－－－－－－－－－
１
２
３
４
５
-13.6
-3.4
-1.51
-0.85
-0.54
0 eV
n
E/eV
∞
基态
激发态
赖曼系
巴耳末系
帕邢系
布喇开系
普丰德系
二、玻尔理论对氢光谱的解释
氢原子能级跃迁与光谱图
巴耳末系
-13.6 eV
-3.40 eV
-1.51 eV
-0.85 eV
-0.54 eV
0
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=?
问题1：请用玻尔的原子结构理论解释形成巴尔末系的原因，并计算当n=4时，巴尔末系中这条谱线的波长
巴尔末公式：
n=6
n=5
n=4
n=1
n=3
n=2
根据：E=hv，λ=c/v
又Eδ =1.89eV= 3.03 ×10-19J
所以， λ δ=hc/ Eδ
= 6.63×10-34 ×3.0 ×10-8 / 3.03 ×10-19J
= 6.57 ×10-7(m)
（巴尔末系）
Hδ
Hγ
Hβ
Hα
二、玻尔理论对氢光谱的解释
Hδ
Hγ
Hβ
Hα
n=6
n=5
n=4
n=1
n=3
n=2
巴尔末系氢吸收光谱
二、玻尔理论对氢光谱的解释
解释巴尔末公式
解释氢原子光谱不连续
二、玻尔理论对氢光谱的解释
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．
在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念
同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律
除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难．
三、玻尔模型的局限性
氦原子光谱
量子化条件的引进没有适当的理论解释。
汤姆孙发现电子
汤姆孙的西瓜模型
α粒子散射实验
卢瑟福的核式结构模型
原子不可割
汤姆孙的西瓜模型
原子稳定性事实
氢光谱实验
否定
建立
否定
建立
否定
卢瑟福的核式结构模型
建立
出现矛盾
出现矛盾
?
玻尔模型
复杂（氦）原子光谱
量子力学理论
玻尔模型
否定
建立
观察与实验所获得的事实
出现矛盾
建
立
科
学
模
型
提
出
科
学
假
说
拓展与提高
怎样修改玻尔模型？
思想：必须彻底放弃经典概念？
关键：用电子云概念取代经典的轨道概念
电子在某处单位体积内出现的概率——电子云
原子结构的认识史
重点一：
能熟练画出氢原子能级图
E
n
E
2
E
1
-13.6
E
3
E
4
E
5
基态
电离态
第一激发态
主量子数
能量
巴耳末系末态
赖曼系末态
第二激发态
第三激发态
8
6
5
4
3
2
1
(eV)
E
1
13.6
eV
E
n
E
1
n
2
记住关键数据和公式
(
(
v
h
E
n
E
m
学以致用
重点二：
掌握能级跃迁概念及谱线计算方法
h
10
34
6.63
J
s
10
19
1.60
J
E
n
E
1
n
2
n
2
eV
13.6
13.6
n
2
(
(
v
h
E
n
E
m
优点：
突出能级概念。
可看成理论公式。
E
1
主量子数
电离态
n
1
2
3
4
8
5
E
E
2
-13.6
E
3
E
4
E
5
能量
(eV)
第三激发态
第二激发态
第一激发态
基态
-3.39
-1.15
-0.85
-0.54
若大量氢原子处于主量子数 的激发态,
会辐射几种频率的光；
在哪两个能级之间跃迁？
最短波长光的频率是多少？
n
5
其中波长最短的光是
巴耳末系末态
[例1]
练习：对玻尔理论的下列说法中，正确的是（ ）
A、继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设
B、对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点表示赞同
C、用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系
D、玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的
ACD
学以致用
四、原子能级跃迁问题
1．跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量
的变化：
当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能Ep减小，电子动能增大，原子能量减小．反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．
2．使原子激发的两种粒子一光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n+1时能量不足，则可激发到n能级的问题．
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=En-Ek)，均可使原子发生能级跃迁．
氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现．
对于量子数为n的一群氢原子，向较低的激发态或基态跃迁时，可能产生的谱线条数为
3. 一群原子和一个原子的跃迁问题
4. 跃迁与电离的问题
原子跃迁时．不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差．若想把处于某一定态上的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量．如基态氢原子电离，其电离能为13.6 eV，只要能量等于或大于13.6 eV的光子都能被基态氢原子吸收而电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的电子具有的动能越大．
五、夫兰克一赫兹实验
①方法和原理：使加速的电子通过低压汞蒸气，与汞原子发生碰撞。测量电子损失的能量和汞原子获得的能量。
②实验的结果，表现在接收极电流随K—G间电压的变化关系图，会分析此图，是做出结论的关键。
夫兰克—赫兹管的IA～UG2K曲线
O
IA
a
c
b
d
e
U1
U2
U3
U4
U5
U6
(uA)
UG2K
o
证明了汞原子能量量子化。该实验卓越的设计思想和实验技巧，以及它在建立原子量子学说方面做出的贡献，受到人们的赞誉。
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(一)
原子是稳定的
电子绕核运动将不断向外辐射电磁波，电子损失了能量，其轨道半径不断缩小，最终落在原子核上,而使原子变得不稳定．
+
+
经典理论认为
事实
卢瑟福的核式结构学说与经典电磁理论的矛盾(二)
由于电子轨道的变化是连续的，辐射电磁波的频率等于绕核运动的频率,连续变化,原子光谱应该是连续光谱
经典理论认为
事实
原子光谱是不连续的线状谱