高三物理氫原子光譜與能級結(jié)構(gòu)

1、 教師助手 學(xué)生幫手 家長朋友 第四節(jié) 氫原子光譜與能級結(jié)構(gòu)三維教學(xué)目標(biāo)1、知識與技能（1）了解光譜的定義和分類；（2）了解氫原子光譜的實驗規(guī)律，知道巴耳末系；（3）了解經(jīng)典原子理論的困難。2、過程與方法：通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，感受科學(xué)發(fā)展與進(jìn)步的坎坷。3、情感、態(tài)度與價值觀：培養(yǎng)我們探究科學(xué)、認(rèn)識科學(xué)的能力，提高自主學(xué)習(xí)的意識。教學(xué)重點：氫原子光譜的實驗規(guī)律。教學(xué)難點：經(jīng)典理論的困難。教學(xué)方法：教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備。（一）引入新課 粒子散射實驗使人們認(rèn)識到原子具有核式結(jié)構(gòu)，但電子在核外如何運動呢？它的能量怎樣變化呢？通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)我們就來進(jìn)一步了解

2、有關(guān)的實驗事實。（二）進(jìn)行新課1、光譜（結(jié)合課件展示） 早在17世紀(jì)，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過三棱鏡后的色散現(xiàn)象，并把實驗中得到的彩色光帶叫做光譜。（如圖所示） 光譜是電磁輻射（不論是在可見光區(qū)域還是在不可見光區(qū)域）的波長成分和強度分布的記錄。有時只是波長成分的記錄。（1）發(fā)射光譜 物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。 發(fā)射光譜可分為兩類：連續(xù)光譜和明線光譜。問題：什么是連續(xù)光譜和明線光譜？（連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應(yīng)不同波長的光） 熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如白熾燈

3、絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。如圖所示。 稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。如圖所示。（2）吸收光譜 高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子

4、的特征譜線。太陽的光譜是吸收光譜。如圖所示。 課件展示：氫、鈉的光譜、太陽光譜： 投影各種光譜的特點及成因知識結(jié)構(gòu)圖：（3）光譜分析 由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結(jié)構(gòu)。2、氫原子光譜的實驗規(guī)律 氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。（課件展示）4、玻爾理論對氫光譜的解釋（1）基態(tài)和激發(fā)態(tài)基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態(tài)，叫基態(tài)。激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級時，電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運動，這種定態(tài)，叫激發(fā)態(tài)。（

5、2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸收能量的過程。原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。說明：氫原子中只有一個核外電子，這個電子在某個時刻只能在某個可能軌道上，或者說在某個時間內(nèi)，由某軌道躍遷到另一軌道可能情況只有一種。可是，通常容器盛有的氫氣，總是千千萬萬個原子在一起，這些原子核外電子躍遷時，就會有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級圖中表示出來的那些情況。（1）夫蘭克赫茲實驗的歷史背景及意義 1911年，盧瑟福根據(jù)粒子散射實驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗

6、克量子假說運用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個重要概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間躍遷時伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。隨著英國物理學(xué)家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨立的實驗方法的驗證。隨后，在1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨立），簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。 1925年，由于他二人的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎（1926年于德國洛丁根補發(fā)）。夫蘭克-赫茲

7、實驗至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗。（2）夫蘭克赫茲實驗的理論基礎(chǔ)根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值En（n=1，2，3），這些能量值稱為能級。最低能級所對應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級所對應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時就會吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。 （h為普朗克恒量）本實驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實現(xiàn)，并滿足能量選擇定則： （V為激發(fā)電位）夫蘭克-赫茲實驗玻璃容器充以需測量的氣體，本實驗

8、用的是汞。電子由陰級K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場，G與接收極A之間有減速電場。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過加速、碰撞后，進(jìn)入KG空間時，能量足以沖過減速電場，就成為電流計的電流。（3）實驗原理 改進(jìn)的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。 設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eV<E1-E0時，電子能量幾乎不損失。如果eVE1-E0=E，則汞原子從電子中取得能量E，而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，E=eVC。相應(yīng)的電位差VC即為汞原子的第一激發(fā)電位。 在實驗中，逐漸增加VG2K，由電流計讀出板極電流IA，得到如下圖所示的變化曲線：（4）實驗結(jié)論 夫蘭克赫茲實驗證明了原子被激發(fā)到不同的狀態(tài)時，吸收的能量是不連續(xù)的，進(jìn)而說明