氫原子光譜與玻爾的原子模型

1、氫原子光譜與玻爾氫原子光譜與玻爾的原子模型的原子模型1、湯姆生通過陰極射線管，發(fā)現(xiàn)了電子并測出其荷質(zhì)比。、湯姆生通過陰極射線管，發(fā)現(xiàn)了電子并測出其荷質(zhì)比。2、盧瑟福根據(jù)、盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)得出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。粒子散射實(shí)驗(yàn)得出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。氫 原 子 光 譜早在早在1717世紀(jì)，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過三世紀(jì)，牛頓就發(fā)現(xiàn)了日光通過三棱鏡后的色散現(xiàn)象棱鏡后的色散現(xiàn)象光譜，光譜，全稱是光學(xué)頻譜，是復(fù)色光通過色散全稱是光學(xué)頻譜，是復(fù)色光通過色散系統(tǒng)（如光柵、棱鏡）進(jìn)行分光后，系統(tǒng)（如光柵、棱鏡）進(jìn)行分光后，依照光依照光的波長（或頻率）的大小順次排列形成的圖的波長（或頻率）的大小順次排列形

2、成的圖案案。 一、一、什么是光譜？什么是光譜？ 連續(xù)分布連續(xù)分布的包含有從紅光到紫的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。光各種色光的光譜叫做連續(xù)光譜。熾熱熾熱的固體、液體和高壓氣體的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭連續(xù)光譜。例如白熾燈絲發(fā)出的光、燭焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光焰、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光譜。譜。 連續(xù)光譜連續(xù)光譜：是否所有物質(zhì)發(fā)的光都是這樣的光譜？是否所有物質(zhì)發(fā)的光都是這樣的光譜？連續(xù)光譜：連續(xù)光譜：觀察氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)：觀察氫原子的光譜實(shí)驗(yàn)：1.裝置：裝置：高壓發(fā)生器高壓發(fā)生器23kv氫氣光譜管氫氣光譜管分光

3、鏡分光鏡2、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜氫原子光譜有什么特點(diǎn)？氫原子光譜有什么特點(diǎn)？思考與討論思考與討論明線光譜：明線光譜：只含有一些只含有一些不連續(xù)的亮線不連續(xù)的亮線的光譜叫做明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。波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是明線是明線光譜。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(shí)踐證明，原子不同，發(fā)射的明線光叫原子的光譜。實(shí)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

4、本身特征的某些波譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此長的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。明線光譜的譜線也叫原子的特征譜線。2、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜、氫氣發(fā)光時(shí)的光譜光譜特點(diǎn)：光譜特點(diǎn)：1.不連續(xù)，只是些不連續(xù)，只是些亮線亮線組成組成2.不同色，每種顏色對應(yīng)著一種波長不同色，每種顏色對應(yīng)著一種波長3.不等距，相鄰兩種光的波長間距不相同不等距，相鄰兩種光的波長間距不相同發(fā)射光譜可分為兩類：發(fā)射光譜可分為兩類：連續(xù)光譜連續(xù)光譜和和明線光譜明線光譜。物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。發(fā)射光譜。1.發(fā)射光譜：發(fā)射光譜：2.吸收光譜：吸收光譜：成因：

5、成因：高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切高溫物體發(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(shí)，波長的光）通過物質(zhì)時(shí)，某些波長某些波長的光的光被物質(zhì)吸收被物質(zhì)吸收后產(chǎn)后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜。生的光譜，叫做吸收光譜。特點(diǎn)：特點(diǎn)：在連續(xù)光譜上在連續(xù)光譜上缺失了某些成份的光缺失了某些成份的光3.發(fā)射光譜與吸收光譜的對應(yīng)關(guān)系：發(fā)射光譜與吸收光譜的對應(yīng)關(guān)系：二、二、光譜分類光譜分類各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原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，子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)。這表明，低溫氣體低溫氣體原子吸收的光，

6、恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時(shí)發(fā)出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽的光譜是吸收光譜。太陽的光譜是吸收光譜。4.光譜分析及應(yīng)用光譜分析及應(yīng)用 由于每種原子都有自己的特征譜線，因此可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)和確定的物質(zhì)的化學(xué)組以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定的物質(zhì)的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。成。這種方法叫做光譜分析。（1）檢測半導(dǎo)體材料硅和鍺等的純度）檢測半導(dǎo)體材料硅和鍺等的純度 （2）發(fā)現(xiàn)新元素）發(fā)現(xiàn)新元素 （3）利用光譜分析可以研究天體的物質(zhì)成分）利用光譜

7、分析可以研究天體的物質(zhì)成分 （4）利用光譜分析可以研究原子結(jié)構(gòu)）利用光譜分析可以研究原子結(jié)構(gòu) 關(guān)于光譜和光譜分析的下列說法正確的是關(guān)于光譜和光譜分析的下列說法正確的是 ( )A日光燈產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜日光燈產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜 B太陽光譜中的暗線說明太陽上缺少與這些暗線相對太陽光譜中的暗線說明太陽上缺少與這些暗線相對應(yīng)的元素應(yīng)的元素C我們能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成份我們能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成份 D連續(xù)光譜是不能用來作光譜分析的連續(xù)光譜是不能用來作光譜分析的D氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。紅紅綠綠三、三、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律氫原子光譜的

8、實(shí)驗(yàn)規(guī)律巴末耳（瑞士中學(xué)數(shù)學(xué)老師）的研究巴末耳（瑞士中學(xué)數(shù)學(xué)老師）的研究巴耳末公式巴耳末公式1氫原子光譜的其他線系氫原子光譜的其他線系萊曼線系萊曼線系 221111nR,4 ,32，n紅紅外外區(qū)區(qū)還還有有三三個(gè)個(gè)線線系系帕邢系帕邢系221311nR,6 ,5 ,4n布喇開系布喇開系221411nR，7 ,6 ,5n普豐特系普豐特系221511nR， 87 ,6n 19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類叩開了微觀世界的大門，物理學(xué)家根據(jù)研究提出了關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的各種模型，盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好的解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得到了多數(shù)人的支持，但是與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生了矛盾著名的 粒子散射實(shí)驗(yàn)四、四、經(jīng)典的電磁理論的困

9、難經(jīng)典的電磁理論的困難 按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)去推斷，在軌道上運(yùn)動(dòng)的電子帶有電荷，運(yùn)動(dòng)中要輻射電磁波，電子損失了能量，其軌道半徑不斷縮小，最終落在原子核上由于電子軌道的變化是連續(xù)的，輻射電磁波的頻率也會(huì)連續(xù)變化 事實(shí)上，原子是穩(wěn)定的，輻射電磁波的頻率也只是某些確定的值四、四、經(jīng)典的電磁理論的困難經(jīng)典的電磁理論的困難 人們早在了解原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)之前就已經(jīng)觀察到了氣體光譜，不過那時(shí)候無法解釋為什么氣體光譜只有幾條互不相連的特定譜線玻爾的原子模型1、圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，這些現(xiàn)象叫做軌道量子化；2、不同的軌道對應(yīng)著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子在做變速運(yùn)動(dòng)，卻不輻射能量，

10、因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的；3、原子在不同的狀態(tài)之中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。1913年玻爾提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說玻玻爾爾五、五、玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說玻爾的原子結(jié)構(gòu)假說玻爾理論的基本假設(shè)玻爾理論的基本假設(shè)能量量子化假設(shè)：能量量子化假設(shè)：原子原子只能處于一系列只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫。這些狀態(tài)叫定態(tài)定態(tài)現(xiàn)象：現(xiàn)象：氫原子光譜是分立氫原子光譜是分立(線狀線狀)的，原子是穩(wěn)定的的，原子是穩(wěn)定的.設(shè)想：設(shè)想：原子內(nèi)部的能量也是

11、不連續(xù)的。原子內(nèi)部的能量也是不連續(xù)的。F1913年丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福核模型基礎(chǔ)年丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福核模型基礎(chǔ)上，結(jié)合普朗克量子假設(shè)和原子光譜的分立性，提上，結(jié)合普朗克量子假設(shè)和原子光譜的分立性，提出假設(shè)：出假設(shè)：玻爾理論的基本假設(shè)玻爾理論的基本假設(shè)能級的躍遷假設(shè)能級的躍遷假設(shè): : 當(dāng)原子從一種定態(tài)躍遷道另一當(dāng)原子從一種定態(tài)躍遷道另一種定態(tài)時(shí)，它要發(fā)射種定態(tài)時(shí)，它要發(fā)射(或吸收或吸收)一定頻率的光子一定頻率的光子.光光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即 hv= E初初- - E末末hvEnEmhvEmEn光子的發(fā)射和吸收軌道量子化假設(shè)：軌道量子

12、化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)。原子的能量狀不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)。原子的能量狀態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。不連續(xù)的。基態(tài)：基態(tài)：在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級E1 (n=1),這個(gè)最低能級對應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。這個(gè)最低能級對應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較 高的能級高的能級E2，E3上，這些能級對應(yīng)的定態(tài)上，這些能級對應(yīng)的定態(tài) 稱為激發(fā)態(tài)。稱為激發(fā)態(tài)。 處

13、于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能級躍遷，躍遷時(shí)釋放出來的能量以光子的形色向外輻級躍遷，躍遷時(shí)釋放出來的能量以光子的形色向外輻射，這就是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的射，這就是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的能量等于兩能級間的能量差。能量等于兩能級間的能量差。氫原子的能級氫原子的能級能級：原子的各個(gè)定態(tài)的能量值就叫做它的能級能級：原子的各個(gè)定態(tài)的能量值就叫做它的能級基態(tài)：基態(tài)：在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級在正常狀態(tài)下，氫原子處于最低的能級E1 (n=1),這個(gè)最低能級對應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。這個(gè)最低能級對應(yīng)的定態(tài)稱為基態(tài)。激發(fā)態(tài)：激發(fā)

14、態(tài)：當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較當(dāng)電子受到外界激發(fā)時(shí)，可從基態(tài)遷到較 高的能級高的能級E2，E3上，這些能級對應(yīng)的定態(tài)上，這些能級對應(yīng)的定態(tài) 稱為激發(fā)態(tài)。稱為激發(fā)態(tài)。 處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能級躍處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向較低的能級躍遷，躍遷時(shí)釋放出來的能量以光子的形色向外輻射，這就遷，躍遷時(shí)釋放出來的能量以光子的形色向外輻射，這就是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的能量等于兩能是氫原子發(fā)光的現(xiàn)象。原子輻射出的光子的能量等于兩能級間的能量差。級間的能量差。1E1n2n3n4n2E3E4E 原子在始、末兩個(gè)能級Em和En（ EmEn ）間躍遷時(shí)發(fā)射光子的頻率可

15、以由下式?jīng)Q定：光子的發(fā)射和吸收nmEEh 玻爾從上述假設(shè)出發(fā)，利用庫侖定律和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，計(jì)算出了氫的電子可能的軌道半徑和對應(yīng)的能量氫原子能級12rnrn121EnEn3 , 2 , 1n六、六、玻爾理論對氫光譜的解釋玻爾理論對氫光譜的解釋0eV10 .2eV12 .1eV12 .8eV吸吸收收能能量量放放出出能能量量氫原子能級結(jié)構(gòu)氫原子能級結(jié)構(gòu)-3.4eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0 eV-13.6eV賴曼系賴曼系普豐德系普豐德系布喇開系布喇開系帕邢系帕邢系巴耳末巴耳末例題：用例題：用12.75eV的光子照射一群基態(tài)的氫原子。的光子照射一群基態(tài)的氫原子。(1)試確定試確定氫原

16、子所能達(dá)到的能級；氫原子所能達(dá)到的能級； (2) 所處能級自發(fā)地向較低的能級所處能級自發(fā)地向較低的能級躍遷的過程中，最多可放出多少條頻率不同的光譜線？躍遷的過程中，最多可放出多少條頻率不同的光譜線？解：（解：（1）eVEEn85.075.12121nEEn485. 06 .131nEEnn=4n=1n=2n=4n=3eVnEE85. 046 .132214（2）6條條氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)的軌道過程中的軌道過程中 ( ) A A原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢能增大，原子的能量

17、增大電勢能增大，原子的能量增大 B B原子要放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的原子要放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢能減小，原子的能量也減小電勢能減小，原子的能量也減小 C C原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢能減小，原子的能量增大電勢能減小，原子的能量增大 D D原子要吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的原子要吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢能增大，原子的能量增加電勢能增大，原子的能量增加D夫蘭克夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn)歷史背景及意義歷史背景及意義:1911年，盧瑟福根據(jù)年，盧瑟福根據(jù)粒子散射實(shí)驗(yàn)，提粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。出了原子

18、核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說年，玻爾將普朗克量子假說運(yùn)用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩運(yùn)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(gè)重要概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級個(gè)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(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小之間躍遷時(shí)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)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(dú)

19、立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后，在隨后，在1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用年，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電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法(與光譜研究相獨(dú)立與光譜研究相獨(dú)立)，簡單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級的存在，從而為玻爾原簡單而巧妙地直接證實(shí)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)。子理論提供了有力的證據(jù)。夫夫蘭克蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)（赫茲實(shí)驗(yàn)（19141914）實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置裝置K K極極G G極極電壓電壓V VG G極極加反向電壓加反向電壓P P極極熱陰極熱陰極柵極柵極VAKGP接受極接受極電

20、子在其中的運(yùn)動(dòng)簡單描述電子在其中的運(yùn)動(dòng)簡單描述: :從熱陰極從熱陰極K K發(fā)出發(fā)出, ,經(jīng)經(jīng)U UGKGK電場加速運(yùn)動(dòng)到柵極電場加速運(yùn)動(dòng)到柵極G G；由于接受極電壓小于柵極電壓，電子在由于接受極電壓小于柵極電壓，電子在GPGP過程中將減速；過程中將減速；只有到只有到G G極的電子具有較大能量時(shí)，才可以克服反電場極的電子具有較大能量時(shí)，才可以克服反電場U UPGPG到達(dá)接到達(dá)接受極板受極板P P，從而才可能通過回路，形成電流。，從而才可能通過回路，形成電流。因此回路中的電流依賴于電子運(yùn)動(dòng)到柵極后的能量。因此回路中的電流依賴于電子運(yùn)動(dòng)到柵極后的能量。（1 1）調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)U UGKGK兩端電壓，回路中電流將增加。（單調(diào)關(guān)系）兩端電