新教材适用2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性4氢原子光谱和玻尔的原子模型课件新人教版选择性必修第三册

这是一份新教材适用2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性4氢原子光谱和玻尔的原子模型课件新人教版选择性必修第三册，共60页。
第四章　原子结构和波粒二象性4. 氢原子光谱和玻尔的原子模型目标体系构建1．了解光谱、线状谱和连续谱等概念，知道氢原子光谱的实验规律。2．了解玻尔理论的基本假设的主要内容。能用玻尔原子理论解释氢原子能级图及光谱。3．了解玻尔模型的不足之处及原因。1．知道什么是光谱，能说出连续谱和线状谱的区别。2．知道玻尔原子理论的基本假设、电子的轨道量子化和原子的能量量子化。3．了解能级、定态、基态、激发态和跃迁的概念，会根据能级图计算两个能级之差。4．了解玻尔模型的成就和局限性，知道氢原子光谱的产生机理。5．知道电子云是电子在各个位置出现概率大小的直观表示。课前预习反馈 1．定义：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按_______(频率)展开，获得_______(频率)和强度分布的记录，即光谱。2．分类(1)线状谱：有些光谱是一条条的_______，叫作谱线，这样的光谱叫作线状谱。(2)连续谱：有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的_______，叫作连续谱。(3)特征谱线：气体中中性原子的发射光谱都是_________，且不同原子的亮线位置_______，故这些亮线称为原子的_______谱线。波长波长亮线光带线状谱不同特征(4)光谱分析①定义：利用原子的___________来鉴别物质和确定物质的组成成分。②优点：灵敏度高。说明：同一种原子可以发射和吸收同一种频率的谱线。特征谱线『判一判』(1)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素。(　　)√『想一想』能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分？答案：不能。月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。1．巴耳末公式2．意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的___________的特征。说明：氢原子光谱是线状谱，只有一系列特定波长的光。『判一判』(2)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。(　　)线状光谱√1．用经典电磁理论在解释原子的_________时遇到了困难。2．用经典电磁理论在解释原子光谱是_______的线状谱时遇到了困难。『判一判』(3)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象。(　　)稳定性分立×1．玻尔原子模型(1)原子中的电子在_______力的作用下，绕_________做圆周运动。(2)电子绕核运动的轨道是_________的。(3)电子在这些轨道上绕核的转动是_______的，且不产生______ _____。库仑原子核量子化稳定电磁辐射2．定态当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有_______的能量，即原子的能量是_________的，这些量子化的能量值叫作_______，原子具有确定能量的稳定状态，称为_______。能量最低的状态叫作_______，其他的能量状态叫作_________。3．跃迁当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)_______到能量较低的定态轨道(其能量记为Em，n＞m)时，会_______能量为hν的光子，该光子的能量hν＝__________，这个式子被称为_______条件，又称_______条件。不同量子化能级定态基态激发态跃迁放出En－Em频率辐射『判一判』(4)玻尔认为原子的能量是量子化的，不能连续取值。(　　)(5)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。(　　)√×『选一选』(多选)下列关于玻尔理论的解释中正确的是(　　　)A．原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量B．原子中，虽然核外电子不断做变速运动，但只要能量状态不改变，就不会向外辐射能量C．原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子D．原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的ABD解析： 原子从高能级向低能级跃迁时要辐射一定频率的光子，而从低能级向高能级跃迁时要吸收一定频率的光子，选项C错误，A、B、D正确。1．玻尔理论对氢光谱的解释(1)解释巴耳末公式①按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为hν＝_____________。②巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所处的___________的量子数n和2。并且理论上的计算和实验测量的_____________符合得很好。En－Em定态轨道里德伯常量(2)解释氢原子光谱的不连续性原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后_______________，由于原子的能级是_______的，所以放出的光子的能量也是_______的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。两个能级之差分立分立2．玻尔理论的局限性(1)成功之处玻尔理论第一次将__________引入原子领域，提出了____________的概念，成功解释了_________光谱的实验规律。(2)局限性保留了太多___________的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的_______运动。量子观念定态和跃迁氢原子经典粒子轨道(3)电子云原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现_______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_______一样分布在原子核周围，故称_________。说明：电子从能量较高的定态轨道，跃迁到能量较低的定态轨道，会放出光子；反之会吸收光子。概率云雾电子云『判一判』(6)玻尔的原子理论模型可以很好地解释氦原子的光谱现象。(　　)(7)电子的实际运动并不是具有确定坐标的质点的轨道运动。(　　)×√课内互动探究探究光谱及光谱分析要|点|提|炼1．光谱的分类2．太阳光谱(1)太阳光谱的特点：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。(2)对太阳光谱的解释：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，这就形成了连续谱背景下的暗线。3．光谱分析这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10－10 克，就可以从光谱中发现它的特征谱线将其检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用：(1)检查物质的纯度。(2)鉴别和发现元素。(3)天文学上光谱的红移表明恒星的远离等等。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。典|例|剖|析　　　　　(多选)关于光谱，下列说法正确的是(　　　)A．炽热的液体发射连续谱B．发射光谱一定是连续谱C．线状谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析D．霓虹灯发光形成的光谱是线状谱解析： 炽热的液体发射的光谱为连续谱，选项A正确；发射光谱可以是连续谱也可以是线状谱，选项B错误；线状谱和吸收光谱都对应某种元素的光谱，都可以对物质成分进行分析，选项C正确；霓虹灯发光形成的光谱是线状谱，选项D正确。ACD　　　　　　　　(多选)对原子光谱，下列说法正确的是(　　)A．线状谱和吸收光谱可用于光谱分析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．连续谱可以用来鉴别物质中含哪些元素解析： 线状谱和吸收光谱都含有原子的特征谱线，因此可用于光谱分析，A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B错误，C正确；对线状谱进行光谱分析可鉴别物质组成，连续谱不能用于光谱分析，D错误。AC探究氢原子光谱的实验规律(1)公式中n只能取整数，不能连续取值，波长也只会是分立的值，反映了辐射波长的分立特征。(2)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。解题指导：注意氢原子光谱可见光区的四条谱线对应n的取值分别为3,4,5,6；n的取值越小，波长越大。DA．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱D．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子的光谱AC解析： 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线中得到的，只适用于氢原子光谱的分析，选项A正确，D错误；公式中n只能取不小于3的整数，则λ不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，选项B错误，C正确。探究对玻尔理论的理解要|点|提|炼1．轨道量子化(1)轨道半径只能是一些不连续的、某些分立的数值。(2)轨道半径公式：rn＝n2r1，式中n称为量子数，对应不同的轨道，只能取正整数。氢原子的最小轨道半径r1＝0.53×10－10 m。2．能量量子化(1)与轨道量子化对应的能量不连续的现象。3．跃迁原子从一种定态(设能量为Em)跃迁到另一种定态(设能量为En)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：所以，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形状改变其半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上，玻尔将这种现象称跃迁。典|例|剖|析　　　　　(多选)关于玻尔理论，以下论断正确的是(　　)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．不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量解析： 由轨道量子化假设知A正确；根据能级假设和频率条件知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B、C错误，D正确。AD　　　　　　　　关于玻尔的原子结构理论，下列说法正确的是(　　)A．原子可以处于连续的能量状态中B．原子的能量状态是不连续的C．原子中的核外电子绕核做加速运动时一定向外辐射能量D．原子中的电子绕核运转的轨道半径是连续的解析： 玻尔针对经典物理学在原子结构问题上遇到的困难，引入量子化理论建立了新的原子结构模型，主要内容为：电子轨道是量子化的，原子的能量是量子化的，处在定态的原子不向外辐射能量，由此可知B正确。B要|点|提|炼1．能级图的理解(1)氢原子能级图中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。探究氢原子跃迁的规律(2)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。(3)氢原子从高能级向n＝1,2,3的能级跃迁时发出的光谱线分别属于赖曼系, 巴耳末系和帕邢系(如图)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＝Em－En(Em、En是始末两个能级，且m>n)能级差越大，放出光子的频率就越高。4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子(1)原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hν＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级 E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hν大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收。(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)，就可使原子发生能级跃迁。(3)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能。(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。电子在可能的轨道上绕核运动时，r增大，则Ek减小，Ep增大，E增大；反之，r减小，则Ek增大，Ep减小，E减小，与卫星绕地球运行相似。典|例|剖|析　　　　　用能量为12.75 eV的光子照射一群处于基态的氢原子，已知氢原子的基态能量E1＝－13.6 eV，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，求：(1)这群氢原子的光谱共有几条谱线？(2)这群氢原子发出的光子的最大频率是多少？(3)这群氢原子发出的光子的最长波长是多少？解题指导：解答本题可按以下思路分析：(2)频率最高的光子能量最大，对应的跃迁能级差也最大，即从n＝4跃迁到n＝1发出的光子能量最大，根据玻尔第二假设，发出光子的能量：hν＝12.75 eV代入数据，解得：ν≈3.1×1015 Hz。答案：(1)6条　(2)3.1×1015 Hz　(3)1.884×10－6 m　　　　　　　　μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子，它在原子核物理的研究中有重要作用。如图所示为μ氢原子的能级示意图，假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n＝2能级的μ氢原子，μ氢原子吸收光子后，发出频率为ν1、ν2、ν3、ν4、ν5和ν6的光子，且频率依次增大，则E等于(　　)A．h(ν3－ν1) B．h(ν3＋ν1)C．hν3 D．hν4C解析： μ氢原子吸收光子后能发出六种频率的光，说明μ氢原子是从n＝4能级向低能级跃迁，则吸收的光子的能量E＝E4－E2，E4－E2恰好对应着频率为ν3的光子，故吸收的光子的能量为hν3。核心素养提升原子跃迁时需注意的几个问题1．注意一群原子和一个原子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了。2．注意间接跃迁与直接跃迁 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况下辐射(或吸收)光子的频率可能不同。3．注意跃迁与电离hν＝Em－En只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制，这是因为原子一旦电离，原子结构即被破坏，因而不再遵守有关原子结构的理论。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，原子电离后产生的自由电子的动能越大。至于实物粒子和原子碰撞的情况，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动能大于或等于原子某两定态能量之差，就可使原子受激发而向较高能级跃迁。　　　　　(多选)欲使处于基态的氢原子激发或电离，下列措施可行的是(　　　)A．用10.2 eV的光子照射　　　　　　　　　　　　　 B．用11 eV的光子照射C．用14 eV的光子照射 D．用11 eV的电子碰撞ACD解析：由玻尔理论可知，氢原子在各能级间跃迁时，只吸收能量值刚好等于某两个能级之差的光子。由氢原子能级图知道10.2 eV刚好等于n＝2和n＝1两能级之差，而11 eV则不是氢原子基态和任一定态能量之差，故处于基态的氢原子只吸收前者，而不吸收后者。对于14 eV的光子其能量大于氢原子的电离能(即13.6 eV)。足以使处于基态的氢原子电离，使电子成为自由电子，因而不受玻尔跃迁条件的束缚。用电子去碰撞氢原子时，入射电子的动能可全部或部分地被氢原子吸收，所以如果入射电子的动能大于基态和某个激发态的能量之差，也可使氢原子激发。故正确答案为ACD。课堂达标检测一、光谱1．(多选)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BC解析：太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续光谱，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，D错误；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续光谱是不能用来做光谱分析的，所以C正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯都是稀薄气体发出的光，产生的光谱都是线状谱，B正确。2．(2022·河南郑州中牟一中高二下期中)关于线状谱，下列说法中正确的是(　　)A．每种原子处在不同温度下的线状谱不同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的线状谱都相同D．两种不同的原子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、组成物质不同而改变，故C正确。CA三、玻尔原子理论4．根据玻尔理论，下列说法正确的是(　　)A．原子处于定态时，虽然电子做变速运动，但并不向外辐射能量B．氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，其电势能的减少量等于动能的增加量C．氢原子可以吸收小于使氢原子电离的任意能量的光子，因而电子轨道半径可以连续增大D．电子没有确定轨道，只存在电子云A解析： 氢原子具有的稳定能量状态称为定态，处于定态时电子绕核运动，但它并不向外辐射能量，故A正确；氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，其电势能的减少量大于动能的增加量，故B错误；原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的，当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才辐射或吸收能量，所以氢原子只能吸收特定频率的光子的能量，故C错误；根据玻尔理论知，核外电子具有量子化的确定的轨道，玻尔理论并未引入电子云概念，故D错误。5．(多选)关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法正确的是(　　)A．经典电磁理论可以解释原子的稳定性B．根据经典电磁理论知，电子绕原子核转动时，电子会不断地释放能量，最后坠落到原子核上C．根据经典电磁理论知，原子光谱应该是连续的D．对氢原子光谱的分析彻底否定了经典电磁理论BC解析： 根据经典电磁理论知，电子绕原子核转动时，电子会不断地释放能量，最后坠落到原子核上，原子不应该是稳定的，并且发射的光谱应该是连续的。对氢原子光谱的分析只是证明经典电磁理论不适用于对微观现象的解释，并没有完全否定经典电磁理论。综上，选项B、C正确。C7．(2023·云南省云天化中学高二春季开学试题)为了做好疫情防控工作，小区物业利用红外测温仪对出入人员进行体温检测。红外测温仪的原理是：被测物体辐射的光线只有红外线可被捕捉，并转变成电信号。图为氢原子能级示意图，已知红外线单个光子能量的最大值为1.62 eV，要使氢原子辐射出的光子可被红外测温仪捕捉，最少应给处于n＝2激发态的氢原子提供的能量为(　　)A．10.20 eV B．2.89 eVC．2.55 eV D．1.89 eVC解析： 处于n＝2能级的原子吸收10.20 eV的能量后被电离，而不能吸收2.89 eV的能量，则选项A、B错误； 处于n＝2能级原子能吸收2.55 eV的能量而跃迁到n＝4的能级，然后向低能级跃迁时辐射光子，其中从n＝4到n＝3跃迁时辐射出的光子能量小于1.62 eV可被红外测温仪捕捉，选项C正确； 处于n＝2能级的原子能吸收1.89 eV的能量而跃迁到n＝3的能级，从n＝3到低能级跃迁时辐射光子的能量均大于1.62 eV，不能被红外测温仪捕捉，选项D错误。