第四章 4 氢原子光谱和波尔的原子模型 （课件）—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第三册59张PPT

第四章 原子结构与波粒二象性
3　原子的核式结构模型
选修第三册 人教版
学习目标
知道阴极射线的组成，体会电子发现过程中所蕴含的科学方法，知道电荷是量子化的.
01
了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容.
02
知道原子和原子核大小的数量级，知道原子核的电荷数．
03
知识梳理
一、电子的发现
1．阴极射线：阴极发出的一种射线．它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光．
2．汤姆孙的探究
根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电(填“正电”或“负电”)的粒子流，并求出了这种粒子的比荷．组成阴极射线的粒子被称为电子．
3．对阴极射线的认识
(1)对阴极射线本质的认识——两种观点
①电磁波说，代表人物——赫兹，他认为这种射线是一种电磁辐射．
②粒子说，代表人物——汤姆孙，他认为这种射线是一种带电粒子流．
(2)阴极射线带电性质的判断方法
①方法一：在阴极射线所经区域加上电场，通过打在荧光屏上的亮点位置的变化和电场的情况确定阴极射线的带电性质．
②方法二：在阴极射线所经区域加一磁场，根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定阴极射线的带电性质．
(3)实验结果
根据阴极射线在电场中和磁场中的偏转情况，判断出阴极射线是粒子流，并且带负电．
4．密立根实验：电子电荷的精确测定是由密立根通过著名的“油滴实验”做出的．目前公认的电子电荷的值为e＝1.6×10－19_C(保留两位有效数字)．
(1)让带电粒子通过相互垂直的匀强电场和匀强磁场，如图1所示，使其做匀速直线运动，根据二力平衡，即F洛＝F电(Bqv＝qE)，得到粒子的运动速度v＝????????.
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5．带电粒子比荷的测定
图1
(2)撤去电场，如图2所示，保留磁场，让粒子在匀强磁场中运动，由洛伦兹力提供向心力，即Bqv＝m????2????，根据轨迹偏转情况，由几何知识求出其半径r.
(3)由以上两式确定粒子的比荷表达式：????????=????????2????.
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带电粒子比荷的测定
图2
6．电荷的量子化：任何带电体的电荷只能是e的整数倍．
7．电子的质量me＝9.1×10－31 kg(保留两位有效数字)，质子质量与电子质量的比值为＝1_836.
8．电子发现的意义
(1)电子发现以前人们认为物质由分子组成，分子由原子组成，原子是不可再分的最小微粒．
(2)现在人们发现了各种物质里都有电子，而且电子是原子的组成部分．
(3)电子带负电，而原子是电中性的，说明原子是可再分的．
二、原子的核式结构模型
1．汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”，如图1.
图1
2．α粒子散射实验：
(1)α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．
(2)实验现象
①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；
②少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”．
(3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型．
3．实验现象的分析
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
(2)少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量比它本身大得多的物质的作用．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
(3)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内．
4．核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．
5．卢瑟福的原子核式结构模型
在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转．
三、原子核的电荷与尺度
1．原子核的电荷数：各种元素的原子核的电荷数，即原子内的电子数，非常接近它们的原子序数，这说明元素周期表中的各种元素是按原子中的电子数来排列的．
2．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数．
3．原子核的大小：用核半径描述核的大小．一般的原子核，实验确定的核半径的数量级为10－15 m，而整个原子半径的数量级是10－10 m，两者相差十万倍之多．
1.（2021·徐汇一模）阴极射线（?? ）
A.?就是 射线 B.?没有质量???????????????
C.?在磁场中会发生偏转 D.?需要介质才能传播
例题
【答案】 C
【考点】玻尔原子理论
【解析】【解答】A．阴极射线和 射线都是电子流，但β射线中的电子来自于原子核内中子的β衰变，而阴极射线中的电子来源于原子核外电子的电离，故二者是有区别的，A不符合题意；
B．电子具有质量，B不符合题意；
C．电子带负电，在磁场中因受洛伦兹力会发生偏转，C符合题意；
D．电子流在真空中也可传播，D不符合题意。
故答案为：C。
参考答案
2.（2019高二下·广州期末）如图，在 粒子散射实验中，图中实线表示 粒子的运动轨迹，假定金原子核位置固定， 为某条轨迹上的三个点，其中 两点距金原子核的距离相等（?? ）
例题
A.?卢瑟福根据 粒子散射实验提出了能量量子化理论
B.?大多数 粒子击中金箔后几乎沿原方向返回
C.?从 经过 运动到 的过程中 粒子的电势能先减小后增大
D.? 粒子经过 两点时动能相等
【答案】 D
【考点】原子的核式结构
【解析】【解答】A.卢瑟福通过对 粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，普朗克根据黑体辐射的规律第一次提出了能量量子化理论，A不符合题意；
B.根据 粒子散射现象可知，大多数 粒子击中金箔后几乎沿原方向前进，B不符合题意；
参考答案
C. 粒子受到电场力作用，根据电场力做功特点可知 粒子从 经过 运动到 的过程中电场力先做负功后做正功，所以 粒子的电势能先增大后减小，C不符合题意；
D .由于 、 两点距金原子核的距离相等，所以 、 两点电势相等，根据 可知 粒子在 、 两点电势能相等，根据能量守恒可知 粒子在 、 两点动能相等，D符合题意。
故答案为：D
THANKS
第四章 原子结构与波粒二象性
4　氢原子光谱和玻尔的原子模型
第1课时　氢原子光谱和玻尔的原子模型
选修第三册 人教版
学习目标
知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容．了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念．
03.
知道氢原子光谱的实验规律，知道什么是光谱分析.
02.
知道光谱、线状谱和连续谱的概念.
01.
知识梳理
一、光谱
1．定义：用棱镜或光栅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．特征谱线：气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光，不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率不一样，光谱中的亮线称为原子的特征谱线．
3．光谱的分类
4．太阳光谱
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}特点
在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱
产生原因
阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了明亮背景下的暗线
5．光谱分析
(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－13 kg.
(2)应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分．
(3)用于光谱分析的光谱：线状光谱和吸收光谱．
6．应用：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，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10－13 kg时就可以被检测到．
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，因此光谱是探索原子结构的一条重要途径．
2．巴耳末公式
(1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到公式：＝R∞(122?1????2)(n＝3,4,5，…)，该公式称为巴耳末公式．式中R叫作里德伯常量，实验值为R∞＝1.10×107 m－1.
(2)公式中只能取n≥3的整数，不能连续取值，波长是分立的值．
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3．巴耳末公式的意义：以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征．
4．氢原子光谱的特点：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性．
5．其他谱线：除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式．
三、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线状谱．
四、玻尔原子理论的基本假设
1．轨道量子化
(1)原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动．
(2)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(填“连续变化”或“量子化”)．
(3)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．能量量子化
(1)不同轨道对应不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的，原子在不同状态有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．
(2)基态：原子最低的能量状态称为基态，对应的电子在离核最近的轨道上运动，氢原子基态能量E1＝－13.6 eV.
(3)激发态：除基态之外的其他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．
氢原子各能级的关系为：En＝1????2E1(E1＝－13.6 eV，n＝1,2,3，…)
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3．跃迁
原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它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，即发射光子???????=?????????????????吸收光子???????=?????????????????
高能级Em低能级En.
4．频率条件
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＜n)时，会放出能量为hν的光子，该光子的能量hν＝En－Em，该式称为频率条件，又称辐射条件．
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5．原子的能量及变化规律
（1）原子的能量：En＝Ekn＋Epn.
（2）电子绕氢原子核运动时：????????2????????2=????????????2????????，
故Ekn＝12mvn2＝????????22????????2
电子轨道半径越大，电子绕核运动的动能越小．
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（3）当电子的轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大，反之，电势能减小．
（4）电子的轨道半径增大时，说明原子吸收了能量，从能量较低的轨道跃迁到了能量较高的轨道．即电子轨道半径越大，原子的能量En越大．
1.（2020高二下·滕州月考）关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是（?? ）
A.?太阳光谱是连续谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学组成
B.?霓虹灯和炼钢炉中炽热铁水产生的光谱，都是线状谱
C.?强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱
D.?进行光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以用吸收光谱
例题
【答案】 C
【考点】氢原子光谱
【解析】【解答】A．太阳光谱是吸收光谱，这是由于太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的，所以A不符合题意；
B．霓虹灯呈稀薄气体状态，因此光谱是线状谱，而炼钢炉中炽热铁水产生的光谱是连续光谱，所以B不符合题意；
参考答案
C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐时，某些频率的光被吸收，形成吸收光谱，所以C符合题意；
D．发射光谱可以分为连续光谱和线状谱，而光谱分析中只能用线状谱和吸收光谱，因为它们都具备特征谱线，所以D不符合题意。
故答案为：C。
2.（2020高二下·赤峰月考）关于光谱，下列说法正确的是（??? ）
A.?大量原子发出的光谱是连续谱，少量原子发出的光是线状谱
B.?线状谱由不连续的若干波长的光组成
C.?做光谱分析时只能用发射光谱，不能用吸收光谱
D.?做光谱分析时只能用吸收光谱，不能用发射光谱
例题
【答案】 B
【考点】玻尔原子理论
【解析】【解答】A.原子发出的光谱是特征光谱，是线状谱，A不符合题意；
B.线状谱只包含对应波长的若干光，B符合题意；
CD.做光谱分析一定要用线状谱，既可以是发射光谱也可以是吸收光谱，C、D不符合题意。
故答案为：B
参考答案
2　氢原子光谱和玻尔的原子模型
第四章 原子结构与波粒二象性
选修第三册 人教版
第2课时　玻尔理论对氢光谱的解释　氢原子能级跃迁
学习目标
能用玻尔理论解释氢原子光谱．了解玻尔理论的不足之处和原因.
进一步加深对玻尔理论的理解，会计算原子跃迁过程中吸收或放出光子的能量.
知道使氢原子电离的方式并能进行有关计算．
1
2
3
知识梳理
一、玻尔理论对氢光谱的解释
1．氢原子能级图(如图1所示)
图1
2．解释巴耳末公式
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.
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．
6．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N＝????????2＝????(?????1)2
7．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＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m>n)，
能级差越大，发射光子的频率就越高．
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二、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
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述某时刻电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云．
三、能级跃迁的几种情况的对比
1．自发跃迁与受激跃迁的比较
(1)自发跃迁：
①由高能级到低能级，由远轨道到近轨道．
②释放能量，放出光子(发光)：hν＝E初－E末．
③大量处于激发态为n能级的原子可能的光谱线条数：????(?????1)2.
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(2)受激跃迁：
①由低能级到高能级，由近轨道到远轨道．
②吸收能量????.光照射????.实物粒子碰撞
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2．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，则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能级时能量不足，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差值，就可使原子发生能级跃迁．
3．一个氢原子跃迁和一群氢原子跃迁的区别
(1)一个氢原子跃迁的情况分析
图2
①确定氢原子所处的能级，画出能级图．
②根据跃迁原理，画出氢原子向低能级跃迁的可能情况示意图．
例如：一个氢原子最初处于n＝4激发态，它向低能级跃迁时，有4种可能情况，如图2，情形Ⅰ中只有一种频率的光子，其他情形为：情形Ⅱ中两种，情形Ⅲ中两种，情形Ⅳ中三种．
注意：上述四种情形中只能出现一种，不可能两种或多种情形同时存在．
(2)一群氢原子跃迁问题的计算
①确定氢原子所处激发态的能级，画出跃迁示意图．
②运用归纳法，根据数学公式N＝????????2＝????(?????1)2确定跃迁时辐射出几种不同频率的光子．
③根据跃迁能量公式hν＝Em－En(m>n)分别计算出各种光子的频率．
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四、电离
1．电离：指电子获得能量后脱离原子核的束缚成为自由电子的现象．
2．电离能是氢原子从某一状态跃迁到n＝∞时所需吸收的能量，其数值等于氢原子处于各定态时的能级值的绝对值．如基态氢原子的电离能是13.6 eV，氢原子处于n＝2激发态时的电离能为3.4 eV.
3．氢原子吸收光子发生跃迁和电离的区别
(1)氢原子吸收光子从低能级向高能级跃迁时，光子的能量必须等于两能级的能级差，即hν＝Em－En(m>n)．
(2)氢原子吸收光子发生电离时，光子的能量大于或等于氢原子的电离能就可以．
如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，氢原子电离后产生的自由电子的动能越大．
1.（2021·唐山模拟）氢原子吸收一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是（?? ）
A.?电子绕核旋转的轨道半径增大?????????????????????????????
B.?电子的动能会增大
C.?氢原子的电势能减小???????????????????????????????????????????
D.?氢原子的能级减小
例题
【答案】 A
【考点】玻尔原子理论
【解析】【解答】氢原子吸收一个光子后，由玻尔理论可知，由低能级跃迁到高能级，电子绕核旋转的轨道半径增大，电子的动能减小，氢原子的电势能增大，氢原子的能级增大。
故答案为：A。
参考答案
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