4.4 氫原子光譜和玻爾的原子模型

“教學(xué)評(píng)”一體化教學(xué)設(shè)計(jì)課時(shí)設(shè)計(jì)課題4.4氫原子光譜和玻爾的原子模型課型新授課eq\o\ac(□,√)復(fù)習(xí)課□試卷講評(píng)課□其他課□授課班級(jí)高二年級(jí)（）班授課時(shí)間2023年月日教學(xué)內(nèi)容分析本節(jié)內(nèi)容主要分為兩大部分：第一部分是光譜、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和經(jīng)典理論的困難；第二部分是波爾原子理論的基本假設(shè)、波爾理論對(duì)氫原子光譜的解釋和玻爾理論的局限性。第二部分的是本節(jié)的中點(diǎn)難點(diǎn)。本節(jié)內(nèi)容再現(xiàn)了原子結(jié)構(gòu)理論在實(shí)踐中接受檢驗(yàn)、推理、再檢驗(yàn)、再修正的過(guò)程。要在教學(xué)過(guò)程中使學(xué)生體會(huì)到，從原子結(jié)構(gòu)的核式結(jié)構(gòu)（理論）到經(jīng)典理論難以解釋?zhuān)▽?shí)踐）再到玻爾原子結(jié)構(gòu)假設(shè)說(shuō)（新理論）再到對(duì)氫光譜的成功解釋?zhuān)ㄔ賹?shí)踐）的科學(xué)探究過(guò)程，領(lǐng)會(huì)科學(xué)方法和科學(xué)精神。波爾意識(shí)到經(jīng)典理論在解釋原子結(jié)構(gòu)方面的困難，在普朗克關(guān)于黑體輻射的量子論和愛(ài)因斯坦關(guān)于光子概念的啟發(fā)下，把量子觀念引人原子系統(tǒng)，提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說(shuō)，包括軌道量子化與定態(tài)、躍遷的頻率條件（又叫輻射條件）。盡管波爾模型后來(lái)被證明很不完善，但仍是人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要標(biāo)志。學(xué)習(xí)者分析物理觀念：了解人類(lèi)探索原子及其結(jié)構(gòu)的歷史。知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)氫原子光譜的分析，了解原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。明確玻爾原子模型的意義。科學(xué)思維：領(lǐng)悟理論與實(shí)踐結(jié)合的科學(xué)思想。掌握發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤-分析原因-提出假設(shè)-實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)探究方法科學(xué)探究：物理學(xué)史中重要理論和實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生有其歷史發(fā)展的必然性，在對(duì)這種必然性以及理論與實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性的分析過(guò)程就是一種非?？尚械目茖W(xué)探究過(guò)程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：理解人類(lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程，通過(guò)教學(xué)讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)家所進(jìn)行的科學(xué)探究，領(lǐng)會(huì)科學(xué)方法和科學(xué)精神。學(xué)習(xí)目標(biāo)了解光譜、連續(xù)譜和線狀譜等概念。知道氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。知道經(jīng)典理論的困難在于無(wú)法解釋氫原子的穩(wěn)定性和光譜的分立特性。了解波爾原子理論的基本假設(shè)的主要內(nèi)容。能用玻爾原子理論解釋氫原子能級(jí)圖及光譜教學(xué)準(zhǔn)備多媒體課件活動(dòng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)評(píng)價(jià)任務(wù)活動(dòng)一：新知引入導(dǎo)入新課核外電子繞核運(yùn)動(dòng)——輻射電磁波——電子軌道半徑連續(xù)變小——原子不穩(wěn)定——輻射電磁波頻率連續(xù)變化。事實(shí)上：原子是穩(wěn)定的；輻射電磁波頻率只是某些確定值。盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾：無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性；無(wú)法解釋原子光譜的分立性體會(huì)經(jīng)典理論的困難和盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典的電磁理論之間的矛盾。通過(guò)對(duì)經(jīng)典電磁理論和盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)在對(duì)比中學(xué)習(xí)新知識(shí)?；顒?dòng)二：新知探究講授新課一、玻爾原子理論的基本假設(shè)1、軌道量子化——針對(duì)原子核式結(jié)構(gòu)模型提出①繞核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值②電子在軌道繞核轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射軌道量子化：（n=1，2，3....）氫原子：r1=0.053nm2、能量量子化（定態(tài)、能級(jí)）——針對(duì)原子的穩(wěn)定性提出①定態(tài)：原子中具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)基態(tài)：能量最低的狀態(tài)(離核最近)激發(fā)態(tài)：其他的能量狀態(tài)②能級(jí)：原子的在各種定態(tài)時(shí)的能量值能量量子化：氫原子：3、頻率條件(躍遷假說(shuō))——針對(duì)原子光譜是線狀譜提出躍遷：原子在從高（低）能級(jí)跳到低（高）能級(jí)電子輻射（吸收）光子的過(guò)程。頻率條件:成功解釋了氫光譜的所有譜線二、玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋1、向低軌道躍遷：發(fā)射光子躍遷時(shí)發(fā)射光子的能量：光子的能量必須等于能級(jí)差處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，可自發(fā)地經(jīng)過(guò)一次或幾次躍遷到達(dá)基態(tài)。說(shuō)明：由于能級(jí)是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發(fā)射光譜只有一些分立的亮線。2、向高軌道躍遷：吸收光子躍遷時(shí)吸收光子的能量：吸收光子的能量必須等于能級(jí)差，因此吸收光譜也是一些分立的暗線當(dāng)光子的能量大于或等于該能級(jí)的能量時(shí)，處于某個(gè)能級(jí)的電子吸收能量，掙脫原子核的束縛，成為自由電子的現(xiàn)象，叫做電離。電離后自由電子動(dòng)能EK=hv-En課堂練習(xí)1、根據(jù)玻爾原子結(jié)構(gòu)理論，氫原子的能級(jí)圖如圖所示。一個(gè)（或一群）處于第n能級(jí)的氫原子，向基態(tài)（第1能級(jí)）躍遷時(shí)，最多可輻射多少種不同頻率的光？躍遷時(shí)電子動(dòng)能、原子勢(shì)能、原子能量的變化1.當(dāng)n減小即軌道半徑減小時(shí)。庫(kù)侖力做正功，電子動(dòng)能增加、原子勢(shì)能減小、向外輻射能量，原子能量減小。2.當(dāng)n增大即軌道半徑增大時(shí)。庫(kù)倫力做負(fù)功，電子動(dòng)能減小、原子勢(shì)能增大、從外界吸收能量，原子能量增大。三、玻爾模型的局限性玻爾理論成功的解釋并預(yù)言了氫原子輻射的電磁波的問(wèn)題，但是也有它的局限性在解決核外電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)成功引入了量子化的觀念，同時(shí)又應(yīng)用了“粒子、軌道”等經(jīng)典概念和有關(guān)牛頓力學(xué)規(guī)律。除了氫原子光譜外，在解決其他問(wèn)題上遇到了很大的困難，量子化條件的引進(jìn)沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉?。學(xué)習(xí)玻爾原子理論的基本假設(shè)。學(xué)習(xí)玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋?zhuān)斫廛S遷和電離的概念。小組討論，并完成表格。思考躍遷時(shí)電子動(dòng)能，原子勢(shì)能、原子能量的變化情況?；仡櫩茖W(xué)家們對(duì)電子結(jié)構(gòu)的探索歷程，了解波爾理論的局限性。了解玻爾原子理論的基本假設(shè)，學(xué)習(xí)科學(xué)的發(fā)展是一個(gè)不斷質(zhì)疑的過(guò)程，鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想。引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度理解電子的躍遷，將能級(jí)躍遷和能量守恒結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)會(huì)掌握能量守恒的思想。通過(guò)小組討論，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，總結(jié)出一個(gè)（或一群）氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)輻射出的不同頻率光的種類(lèi)。結(jié)合能量守恒定律解決問(wèn)題。觀察與實(shí)驗(yàn)所獲得的事實(shí)，建立科學(xué)模型提出科學(xué)假說(shuō)。學(xué)會(huì)用事實(shí)說(shuō)話，堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，體驗(yàn)科學(xué)家的艱辛，激發(fā)探索科學(xué)規(guī)律的熱情。教學(xué)活動(dòng)三：習(xí)題鞏固拓展提高1、下面關(guān)于玻爾理論的解釋中，不正確的說(shuō)法是（）A、原子只能處于一系列不連續(xù)的狀態(tài)中，每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一定的能量B、原子中，雖然核外電子不斷做加速運(yùn)動(dòng)，但只要能量狀態(tài)不改變，就不會(huì)向外輻射能量C、原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，一定要輻射一定頻率的光子D、原子的每一個(gè)能量狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子軌道，并且這些軌道是不連續(xù)的解析：AB：符合能量量子化的原理；C：可能吸收一定頻率的光子；D：符合軌道量子化的原理。2、(2020北京東城區(qū)一模)如圖所示為氫原子能級(jí)圖。大量處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)發(fā)出不同頻率的光。用這些光照射金屬鈣。已知金屬鈣的逸出功為3.20eV。能夠從金屬鈣的表面照射出光電子的光共有()A.2種B.3種C.4種D.5種解析：根據(jù)組合公式,可知,大量的處于n=4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),能發(fā)出6種不同頻率的光電子,它們的能量分別是E1=-0.85eV-(-1.51eV)=0.66eV,E2=-0.85eV-(-3.40eV)=2.55eV,E3=-0.85eV-(-13.6eV)=12.75eV,E4=-1.51eV-(-3.40eV)=1.89eV,E5=-1.51eV-(-13.6eV)=12.09eV,E6=-3.40eV-(-13.6eV)=10.2eV,可見(jiàn)有三種光電子的能量大于3.20eV,故能夠從金屬鈣的表面照射出光電子的光共有三種,故B正確,A、C、D錯(cuò)誤。答案：B3、要使處于基態(tài)的氫原子從基態(tài)躍遷到n=4激發(fā)態(tài)，則照射光光的頻率必須為多少？躍遷后能發(fā)出幾種頻率不同的光？解析：E1=-13.6eV，E4=-0.85eV由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)需吸收能量，可用一定頻率的光照射。則：吸收光子的能量hv=E4-E1。V=(-0.85+13.6)x1.6x10-19/6.63x10-