高二物理 选修3-5 18.4 玻尔的原子模型

三维目标1．知识与技能(1)了解玻尔原子结构假说的主要内容。知道轨道量子化、能级、能量量子化以及基态、激发态的概念；知道原子跃迁的频率条件。(2)了解玻尔理论对氢光谱的解释。(3)了解玻尔模型的局限性。2．过程与方法：学生通过对玻尔理论的学习，探索经典物理学无法解释的两个问题的答案。3．情感、态度与价值观：培养学生对科学的探究精神，让学生养成敢于提出问题，勇于探索答案的科学习惯。教学重点：玻尔的原子结构假说的两个内容：（1）轨道量子化与定态；（2）频率条件。教学难点：1．原子的能量包括哪些；原子能量、动能、势能的变化。2．玻尔理论对氢光谱的解释。一、玻尔提出原子模型的背景卢瑟福的原子核式结构学说很好地解释了a粒子的散射实验，初步建立了原子结构的正确，但无法解释原子的稳定性和线状谱。1、电子以很大的速度绕核运动，就象行星绕着太阳运动那样。按照经典理论，绕核运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少。随着能量的减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小,于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，就像绕地球运动的人造卫星受到上层大气阻力不断损失能量后要落到地面上一样。这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样。2、同时，按照经典电磁理论，电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续谱。以上矛盾表明，从宏观现象总结出来的经典电磁理论不适用于原子这样小的物体产生的微观现象。为了解决这个矛盾，1913年玻尔在卢瑟福学说的基础上，把普朗克的量子理论运用到原子系统上，并结合巴尔末的巴尔末公式，提出了玻尔理论。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,这些现象叫做轨道量子化；且电子在这些轨道上绕核的转动，并不向外辐射能量。这些状态叫定态。mrv原子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态（定态）。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。针对原子的稳定性提出能级1.定态：原子中具有确定能量的稳定状态。2.能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。3.基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，而且最稳定，这种定态叫基态。4.激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。电子处于激发态是不够稳定的，易发生跃迁。１２３４５Ｅ４Ｅ１Ｅ３Ｅ２Ｅ５量子数能级图原子在光的照射下从高(低)能态跳到低(高)能态发射(吸收)光子的过程nEn针对原子光谱是线状谱提出当电子从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时，它会辐射（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，即即hv=E初-E终，称为频率条件，又称辐射条件。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。(注意：我们把原子电离后的能量记为零，即选取电子离核处于无穷远处时氢原子的能量为零，则其他状态下的能量值就是负的。)氢原子能级图12rnrn21nEEn3,2,1neVE6.131mr1011053.0基态激发态跃迁（电子克服库仑引力做功增大电势能，动能减小，原子的总能量增加）吸收光子（电子所受库仑力做正功减小电势能，动能增大，原子的总能量减少）辐射光子光子的发射和吸收氢原子的能级图－－－－－－－－－－－－－－－－－１２３４５-13.6eV-3.4-1.51-0.85-0.540eVnE/eV∞基态激发态三、玻尔理论对氢光谱的解释能级的跃迁根据波尔模型，原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，这些状态分为基态和激发态两种。其中原子在基态时是稳定的，在激发态时是不稳定的，当原子处于激发态时会自发地向低能态跃迁，经过一次或几次跃迁到基态。即原子能级跃迁时，处于激发态的原子可能经过一次跃迁回基态；也可能由较高能级的激发态先跃迁到较低能级的激发态，最后回到基态。而一个原子由较高能级回到基态，到底发生了多少次跃迁是不确定的。－－－－－－－－－－－－－－－－－１２３４５-13.6eV-3.4eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0eV∞基态2)1(nnN跃迁次数：1层5种2层4种3层3种4层2种5层1种6n-1n-2n-3n-4n-5=1氢原子能级跃迁与光谱图巴耳末系-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0n=1n=2n=3n=4n=5n=问题1：巴尔末公式有正整数n出现，这里我们也用正整数n来标志氢原子的能级。221211nRλ,5,43，n巴尔末公式：n=6n=5n=4n=1n=3n=2根据：E=hc/λΔE=1.89eV=3.03×10-19J所以，λδ=hc/ΔE=6.63×10-34×3.0×10-8/3.03×10-19J=6.57×10-7(m)HδHγHβHα221111()3,4,5,...2Rnnm7　　巴耳末公式R=1.1010　　里德伯常量E3=-1.51eVE2=-3.40eV巴尔末系氢辐射光谱HδHγHβHαn=6n=5n=4n=1n=3n=2巴尔末系氢吸收光谱为什么氢原子光谱是线状谱原子吸收光子由低能态向高能态跃迁规律：1、hν(光子的能量)=Ek(两能级的能量差)，发生跃迁2、hν≠Ek，不发生跃迁3、hν≥E∞-E1，发生电离，且Ek=hν-(E∞-E1)原子被实物粒子轰击由低能态向高能态跃迁规律：实物粒子的动能不一定全部转移给原子，即Ek≥Em-Em-1，原子即可被激发同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律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除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难。四、玻尔模型的局限性不能解释较复杂的原子，并且还不能解释谱线的强度怎样修改玻尔模型？思想：能否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[例1]1.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ACD2、下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是（）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加速运动，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C3、根据玻尔理论，氢原子中，量子数N越大，则下列说法中正确的是（）A、电子轨道半径越大B、核外电子的速率越大C、氢原子能级的能量越大D、核外电子的电势能越大4、根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径（）A、可以取任意值B、可以在某一范围内取任意值C、可以取一系列不连续的任意值D、是一系列不连续的特定值DACD5、按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知rarb，则在此过程中（）A、原子要发出一系列频率的光子B、原子要吸收一系列频率的光子C、原子要发出某一频率的光子D、原子要吸收某一频率的光子C6.氢原子的能级图如右图所示，欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子，氢原子需要吸收的能量至少是：A.13.60evB.10.20evC.0.54evD.27.0ev-13.6eV-3.40eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0n=1n=2n=3n=4n=5n=A