人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學(xué)案：4 第1課時(shí) 氫原子光譜和玻爾的原子模型

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊(cè)PAGEPAGE14氫原子光譜和玻爾的原子模型第1課時(shí)氫原子光譜和玻爾的原子模型〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.知道光譜、線(xiàn)狀譜和連續(xù)譜的概念.2.知道氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，知道什么是光譜分析.3.知道玻爾原子理論的基本假設(shè)的主要內(nèi)容．了解能級(jí)躍遷、軌道和能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念．一、光譜1．定義：用棱鏡或光柵把物質(zhì)發(fā)出的光按波長(zhǎng)(頻率)展開(kāi)，獲得波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄．2．分類(lèi)(1)線(xiàn)狀譜：光譜是一條條的亮線(xiàn)．(2)連續(xù)譜：光譜是連在一起的光帶．3．特征譜線(xiàn)：氣體中中性原子的發(fā)光光譜都是線(xiàn)狀譜，說(shuō)明原子只發(fā)出幾種特定頻率的光，不同原子的亮線(xiàn)位置不同，說(shuō)明不同原子的發(fā)光頻率不一樣，光譜中的亮線(xiàn)稱(chēng)為原子的特征譜線(xiàn)．4．應(yīng)用：利用原子的特征譜線(xiàn)，可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法稱(chēng)為光譜分析，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，樣本中一種元素的含量達(dá)到10－13kg時(shí)就可以被檢測(cè)到．二、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．許多情況下光是由原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此光譜是探索原子結(jié)構(gòu)的一條重要途徑．2．氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律滿(mǎn)足巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝R∞(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))(n＝3,4,5，…)式中R為里德伯常量，R∞＝1.10×107m－1，n取整數(shù)．3．巴耳末公式的意義：以簡(jiǎn)潔的形式反映了氫原子的線(xiàn)狀光譜的特征．三、經(jīng)典理論的困難1．核式結(jié)構(gòu)模型的成就：正確地指出了原子核的存在，很好地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)．2．經(jīng)典理論的困難：經(jīng)典物理學(xué)既無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性，又無(wú)法解釋原子光譜的分立線(xiàn)狀譜．四、玻爾原子理論的基本假設(shè)1．軌道量子化(1)原子中的電子在庫(kù)侖引力的作用下，繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)．(2)電子運(yùn)行軌道的半徑不是任意的，也就是說(shuō)電子的軌道是量子化的(填“連續(xù)變化”或“量子化”)．(3)電子在這些軌道上繞核的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射．2．定態(tài)(1)當(dāng)電子在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同的狀態(tài)，具有不同的能量．電子只能在特定軌道上運(yùn)動(dòng)，原子的能量只能取一系列特定的值．這些量子化的能量值叫作能級(jí)．(2)原子中這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)為定態(tài)．能量最低的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，其他的狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)．3．頻率條件當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道(其能量記為En)躍遷到能量較低的定態(tài)軌道(能量記為Em，m＜n)時(shí)，會(huì)放出能量為hν的光子，該光子的能量hν＝En－Em，該式稱(chēng)為頻率條件，又稱(chēng)輻射條件．判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)氣體中中性原子的發(fā)光光譜都是線(xiàn)狀譜，并且只能發(fā)出幾種特定頻率的光．(√)(2)線(xiàn)狀譜和連續(xù)譜都可以用來(lái)鑒別物質(zhì)．(×)(3)可以利用光譜分析來(lái)鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分．(√)(4)玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說(shuō)認(rèn)為電子的軌道是量子化的．(√)(5)電子從較高的能級(jí)向較低的能級(jí)躍遷時(shí)，會(huì)放出任意頻率的光子．(×)一、光譜和光譜分析1．光譜的分類(lèi)2．太陽(yáng)光譜特點(diǎn)在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線(xiàn)，是一種吸收光譜產(chǎn)生原因陽(yáng)光中含有各種顏色的光，但當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)的高層大氣射向地球時(shí)，太陽(yáng)高層大氣中含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線(xiàn)的光，然后再向四面八方發(fā)射出去，到達(dá)地球的這些譜線(xiàn)看起來(lái)就暗了，這就形成了明亮背景下的暗線(xiàn)3.光譜分析(1)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達(dá)10－13kg.(2)應(yīng)用：a.發(fā)現(xiàn)新元素；b.鑒別物體的物質(zhì)成分．(3)用于光譜分析的光譜：線(xiàn)狀光譜和吸收光譜．(多選)下列關(guān)于光譜的說(shuō)法正確的是()A．連續(xù)譜就是由連續(xù)發(fā)光的物體產(chǎn)生的光譜，線(xiàn)狀譜是線(xiàn)狀光源產(chǎn)生的光譜B．連續(xù)譜包括一切波長(zhǎng)的光，線(xiàn)狀譜只包括某些特定波長(zhǎng)的光C．發(fā)射光譜一定是連續(xù)譜D．熾熱的液體發(fā)射連續(xù)譜〖答案〗BD〖解析〗連續(xù)譜是指光譜由連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光組成的，而不是指光源是連續(xù)的．連續(xù)譜是由熾熱固體、液體及高壓氣體發(fā)光產(chǎn)生的，同理線(xiàn)狀譜是指光譜是由一些不連續(xù)的亮線(xiàn)組成的，由稀薄氣體或金屬蒸氣所發(fā)出的光產(chǎn)生的，而不是指光源是線(xiàn)狀的，A錯(cuò)誤，B、D正確；發(fā)射光譜可以是連續(xù)譜也可以是線(xiàn)狀譜，C錯(cuò)誤．稀薄氣體發(fā)出的光譜是線(xiàn)狀譜，此光譜是一些不連續(xù)的亮線(xiàn)，僅含有一些特定頻率的光．線(xiàn)狀譜中不同的譜線(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的頻率，不同元素的原子產(chǎn)生的線(xiàn)狀譜不同，因而可以用線(xiàn)狀譜來(lái)確定物質(zhì)的成分．利用光譜分析的方法能夠鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，關(guān)于光譜分析，下列說(shuō)法正確的是()A．利用高溫物體的連續(xù)譜就可鑒別其組成成分B．利用物質(zhì)的線(xiàn)狀譜就可鑒別其組成成分C．高溫物體發(fā)出的光通過(guò)某物質(zhì)后的光譜上的暗線(xiàn)反映了高溫物體的組成成分D．同一種物質(zhì)的線(xiàn)狀譜上的亮線(xiàn)與吸收光譜上的暗線(xiàn)，由于光譜的不同，它們沒(méi)有關(guān)系〖答案〗B〖解析〗高溫物體的連續(xù)譜包括了各種頻率的光，與其組成成分無(wú)關(guān)，A錯(cuò)誤；某種物質(zhì)發(fā)射的線(xiàn)狀譜中的亮線(xiàn)與某種原子發(fā)出的某頻率的光有關(guān)，通過(guò)這些亮線(xiàn)與原子的特征譜線(xiàn)對(duì)照，即可確定物質(zhì)的組成成分，B正確；高溫物體發(fā)出的光通過(guò)某物質(zhì)后某些頻率的光被吸收而形成暗線(xiàn)，這些暗線(xiàn)由所經(jīng)過(guò)的物質(zhì)決定，C錯(cuò)誤；某種物質(zhì)發(fā)出某種頻率的光，當(dāng)光通過(guò)這種物質(zhì)時(shí)它也會(huì)吸收這種頻率的光，因此同一物質(zhì)線(xiàn)狀譜上的亮線(xiàn)與吸收光譜上的暗線(xiàn)相對(duì)應(yīng)，D錯(cuò)誤．二、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示為氫原子的光譜．圖1(1)仔細(xì)觀察，氫原子光譜具有什么特點(diǎn)？(2)閱讀課本，指出氫原子光譜的譜線(xiàn)波長(zhǎng)具有什么規(guī)律？〖答案〗(1)從右至左，相鄰譜線(xiàn)間的距離越來(lái)越?。?2)可見(jiàn)光區(qū)域的四條譜線(xiàn)的波長(zhǎng)滿(mǎn)足巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝R∞(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5，…知識(shí)深化1．氫原子光譜的特點(diǎn)：在氫原子光譜圖中的可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)，由右向左，相鄰譜線(xiàn)間的距離越來(lái)越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性．2．巴耳末公式(1)巴耳末對(duì)氫原子光譜的譜線(xiàn)進(jìn)行研究得到公式：eq\f(1,λ)＝R∞(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))(n＝3,4,5，…)，該公式稱(chēng)為巴耳末公式．式中R叫作里德伯常量，實(shí)驗(yàn)值為R∞＝1.10×107m－1.(2)公式中只能取n≥3的整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長(zhǎng)是分立的值．3．其他譜線(xiàn)：除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線(xiàn)也都滿(mǎn)足與巴耳末公式類(lèi)似的關(guān)系式．(多選)下列關(guān)于巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R∞(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))的理解，正確的是()A．巴耳末系的4條譜線(xiàn)位于紅外區(qū)B．公式中n可取任意值，故氫原子光譜是連續(xù)譜C．公式中n只能取大于或等于3的整數(shù)值，故氫原子光譜是線(xiàn)狀譜D．在巴耳末系中n值越大，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ越短〖答案〗CD〖解析〗此公式是巴耳末在研究氫原子光譜在可見(jiàn)光區(qū)的四條譜線(xiàn)時(shí)得到的，A錯(cuò)誤；公式中n只能取大于或等于3的整數(shù)，λ不能連續(xù)取值，故氫原子光譜是線(xiàn)狀譜，B錯(cuò)誤，C正確；根據(jù)公式可知，n值越大，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ越短，D正確．三、玻爾原子理論1．軌道量子化(1)軌道半徑只能夠是一些不連續(xù)的、某些分立的數(shù)值．(2)氫原子的電子軌道最小半徑為r1＝0.053nm，其余軌道半徑滿(mǎn)足rn＝n2r1，式中n稱(chēng)為量子數(shù)，對(duì)應(yīng)不同的軌道，只能取正整數(shù)．2．能量量子化(1)不同軌道對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運(yùn)動(dòng)，卻不輻射能量，因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的，原子在不同狀態(tài)有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．(2)基態(tài)：原子最低的能量狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，對(duì)應(yīng)的電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，氫原子基態(tài)能量E1＝－13.6eV.(3)激發(fā)態(tài)：除基態(tài)之外的其他能量狀態(tài)稱(chēng)為激發(fā)態(tài)，對(duì)應(yīng)的電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)．氫原子各能級(jí)的關(guān)系為：En＝eq\f(1,n2)E1(E1＝－13.6eV，n＝1,2,3，…)3．躍遷原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即高能級(jí)Emeq\o(,\s\up7(發(fā)射光子hν＝Em－En),\s\do5(吸收光子hν＝Em－En))低能級(jí)En.命題角度1對(duì)玻爾理論的理解(多選)按照玻爾理論，下列表述正確的是()A．核外電子運(yùn)動(dòng)軌道半徑可取任意值B．氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量越大C．電子躍遷時(shí)，輻射或吸收光子的能量由能級(jí)的能量差決定，即hν＝Em－En(m>n)D．氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過(guò)程中，可能輻射能量，也可能吸收能量〖答案〗BC〖解析〗根據(jù)玻爾理論，核外電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑是確定的值，而不是任意值，A錯(cuò)誤；氫原子中的電子離原子核越遠(yuǎn)，氫原子的能量越大，B正確；由躍遷規(guī)律可知，C正確；氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過(guò)程中，應(yīng)輻射能量，D錯(cuò)誤．命題角度2氫原子的能量和能量變化(多選)(2020·石城中學(xué)高二月考)氫原子的核外電子由一個(gè)軌道向另一軌道躍遷時(shí)，可能發(fā)生的情況是()A．原子吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增大B．原子放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量減小C．原子吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增大D．原子放出光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量減小〖答案〗CD〖解析〗原子吸收光子時(shí)，電子的軌道半徑增大，電場(chǎng)力做負(fù)功，電子動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能增大，根據(jù)玻爾理論得知，原子的能量增大，故C正確，A錯(cuò)誤；原子放出光子時(shí)，電子的軌道半徑減小，電場(chǎng)力做正功，電子動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能減小，根據(jù)玻爾理論得知，原子的能量減小，故D正確，B錯(cuò)誤．原子的能量及變化規(guī)律1．原子的能量：En＝Ekn＋Epn.2．電子繞氫原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)：keq\f(e2,rn2)＝meq\f(vn2,rn)，故Ekn＝eq\f(1,2)mvn2＝eq\f(ke2,2rn)電子軌道半徑越大，電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能越?。?．當(dāng)電子的軌道半徑增大時(shí)，庫(kù)侖引力做負(fù)功，原子的電勢(shì)能增大，反之，電勢(shì)能減?。?．電子的軌道半徑增大時(shí)，說(shuō)明原子吸收了能量，從能量較低的軌道躍遷到了能量較高的軌道．即電子軌道半徑越大，原子的能量En越大．1．(光譜的理解)(多選)對(duì)于光譜，下列說(shuō)法正確的是()A．大量原子發(fā)光的光譜是連續(xù)譜，少量原子發(fā)光的光譜是線(xiàn)狀譜B．線(xiàn)狀譜是由不連續(xù)的若干波長(zhǎng)的光所組成C．太陽(yáng)光譜是連續(xù)譜D．太陽(yáng)光譜是吸收光譜〖答案〗BD〖解析〗所有的原子光譜都是線(xiàn)狀譜，A錯(cuò)誤；線(xiàn)狀譜是由不連續(xù)的亮線(xiàn)組成的，不同原子具有不同的特征譜線(xiàn)，B正確；太陽(yáng)光譜是吸收光譜，C錯(cuò)誤，D正確．2．(光譜和光譜分析)(2020·滕州市第一中學(xué)新校高二月考)關(guān)于光譜和光譜分析，下列說(shuō)法正確的是()A．太陽(yáng)光譜是連續(xù)譜，分析太陽(yáng)光譜可以知道太陽(yáng)內(nèi)部的化學(xué)組成B．霓虹燈和煉鋼爐中熾熱鐵水產(chǎn)生的光譜，都是線(xiàn)狀譜C．強(qiáng)白光通過(guò)酒精燈火焰上的鈉鹽，形成的是吸收光譜D．進(jìn)行光譜分析時(shí)，可以利用發(fā)射光譜，也可以用吸收光譜〖答案〗C〖解析〗太陽(yáng)光譜是吸收光譜，這是由于太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過(guò)溫度比較低的太陽(yáng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的，所以A錯(cuò)誤；霓虹燈呈稀薄氣體狀態(tài)，因此光譜是線(xiàn)狀譜，而煉鋼爐中熾熱鐵水產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜，所以B錯(cuò)誤；強(qiáng)白光通過(guò)酒精燈火焰上的鈉鹽時(shí)，某些頻率的光被吸收，形成吸收光譜，所以C正確；發(fā)射光譜可以分為連續(xù)光譜和線(xiàn)狀譜，而光譜分析中只能用線(xiàn)狀譜和吸收光譜，因?yàn)樗鼈兌季邆涮卣髯V線(xiàn)，所以D錯(cuò)誤．3．(氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律)(多選)巴耳末通過(guò)對(duì)氫原子光譜的研究總結(jié)出巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5，…，對(duì)此，下列說(shuō)法正確的是()A．巴耳末依據(jù)核式結(jié)構(gòu)理論總結(jié)出巴耳末公式B．巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的連續(xù)性C．巴耳末依據(jù)氫原子光譜的分析總結(jié)出巴耳末公式D．巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的分立性，其波長(zhǎng)的分立值并不是人為規(guī)定的〖答案〗CD〖解析〗巴耳末公式是根據(jù)氫原子光譜總結(jié)出來(lái)的；氫原子光譜的不連續(xù)性反映了氫原子發(fā)光的分立性，即輻射波長(zhǎng)的分立特征，選項(xiàng)C、D正確．4．(玻爾理論)根據(jù)玻爾理論，下列關(guān)于氫原子的論述正確的是()A．當(dāng)氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級(jí)躍遷時(shí)，氫原子要輻射的光子能量為hν＝EnB．電子沿某一軌道繞核運(yùn)動(dòng)，若圓周運(yùn)動(dòng)的頻率為ν，則其發(fā)光的頻率也是νC．一個(gè)氫原子中的電子從一個(gè)半徑為ra的軌道自發(fā)地直接躍遷到另一個(gè)半徑為rb的軌道，已知ra>rb，則此過(guò)程原子要輻射某一頻率的光子D．氫原子吸收光子后，將從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷〖答案〗C〖解析〗氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射的光子能量等于能級(jí)差，與En不同，故A錯(cuò)誤；電子沿某一軌道繞核運(yùn)動(dòng)，處于某一定態(tài)，不向外輻射能量，故B錯(cuò)誤；電子由半徑大的軌道躍遷到半徑小的軌道，能級(jí)降低，因而要輻射某一頻率的光子，故C正確；原子吸收光子后能量增加，能級(jí)升高，故D錯(cuò)誤．5．(玻爾理