【同步】高中物理鲁科版(2019)选择性必修3：第4章第4节玻尔原子模型课件

第4章第4节玻尔原子模型课标要求1.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。(物理观念)2.了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念。(物理观念)3.能用玻尔理论解释氢原子模型。(物理观念)4.了解玻尔理论的不足之处和原因。(物理观念)基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升目录索引

学以致用·随堂检测全达标基础落实·必备知识全过关一、玻尔原子模型1.经典理论的困难(1)原子核式结构模型的成就:正确地指出了原子核的存在,很好地解释了α粒子散射实验。(2)经典理论的困难:卢瑟福的原子核式结构模型无法解释原子的________

和原子光谱的不连续性。

稳定性

2.玻尔原子模型(1)轨道定态①轨道量子化:原子核外电子只能在一些分立的特定轨道上运动,电子的轨道是

的。

②能量量子化:电子在这些轨道上运动时,原子具有一定的能量,其数值也是分立的,原子的能量是

的。

③定态:电子在这些轨道上做圆周运动,不向外辐射能量,处于稳定的状态,电子处于分立轨道的这些状态称为定态。量子化量子化(2)频率条件当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En,m>n)时,会放出能量为hν的光子,反之会吸收光子。辐射或吸收的光子的能量hν由两个定态的能量差决定,该光子的能量应满足频率条件hν=

,该式被称为频率条件,又称辐射条件。

Em-En(m>n)二、氢原子的能级结构1.能级:在玻尔的原子模型中,原子只能处于一系列不连续的能量状态。在每个状态中,原子的能量值都是确定的,各个确定的能量值称为能级。氢原子在不同能级上的能量值和相应的电子轨道半径分别为

,

,式中,E1=-13.6eV,r1=0.53×10-10

m。

2.基态:在正常状态下,原子处于最低能级,电子受核的作用力最大而处于离核

的轨道,这时原子的状态称为基态。

最近rn=n2r1(n=1,2,3,…)3.激发态:电子吸收能量后,原子从低能级跃迁到高能级,这时原子的状态称为激发态。4.电子从高能级轨道跃迁到低能级轨道时,原子会辐射能量;当电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道时,原子要吸收能量。因为能级是不连续的,所以原子在电子跃迁时吸收或辐射的能量都不是任意的,这个能量等于电子跃迁时始、末两个能级间的

。能量差值不同,辐射的光子频率也不同,由此便产生了不同波长的光。

能量差

三、解释氢原子光谱1.氢原子的能级图2.解释巴耳末公式(1)由玻尔理论可知,激发到高能级Em的电子跃迁到低能级En,辐射出的光子的能量为

,所以

。

(2)当n=2,m=3,4,5,6,…时,这个式子与巴耳末公式一致。电子从更高的能级跃迁到n=2的能级,可得氢原子巴耳末系的光谱线。四、玻尔模型的局限1.玻尔理论的成功之处:玻尔理论冲破了经典物理中能量连续变化的束缚,解释了原子结构和氢原子光谱的关系,引入了普朗克的

,认为电子的轨道和能量都是量子化的。

2.玻尔理论的局限性:没有跳出经典力学的范围,认为电子是

,运动有确定的轨道。

3.电子云:电子是微观粒子,其运动与宏观物体运动不同,没有确定的方向和轨迹,它们在原子核周围各处出现的概率是不同的。为了形象地描述电子的运动情况,人们将这些概率用点的方式表现出来,若某一空间范围内电子出现的概率大,则这里的点就密集;若某一空间范围内电子出现的概率小,则这里的点就稀疏。这种用点的疏密表示电子出现的概率分布的图形,称为电子云。量子化观念

经典粒子

想一想为什么原子光谱是线状谱?提示

原子从高能级向低能级跃迁时,放出光子的能量是不连续的,所以原子光谱是线状谱。易错辨析

判一判(1)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的。(

)(2)电子吸收某种频率的光子时会从较低的能级跃迁到较高的能级。(

)(3)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁。(

)(4)玻尔的原子模型可以很好地解释氦原子的光谱现象。(

)(5)电子的实际运动并不具有确定的轨道。(

)(6)玻尔理论能很好地解释氢光谱为什么是一些分立的亮线。(

)√√×提示

电子只能吸收特定频率的光子发生跃迁。

×提示

玻尔的原子模型可以很好地解释氢原子的光谱现象,不能解释氦原子的光谱现象。√√即学即用

练一练(多选)按照玻尔原子模型,下列表述正确的是(

)A.核外电子运动的轨道半径可取任意值B.氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量越大C.电子跃迁时,辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定,即hν=Em-En(m>n)D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程,可能辐射能量,也可能吸收能量BC解析

根据玻尔理论,核外电子运动的轨道半径是确定的值,而不是任意值,A错误;氢原子中的电子离原子核越远,能级越高,能量越大,B正确;由跃迁规律可知C正确;氢原子从激发态向基态跃迁的过程中,应辐射能量,D错误。重难探究·能力素养全提升探究一玻尔原子模型情境探究如图所示为分立轨道示意图。

分立轨道示意图

(1)电子的轨道有什么特点?(2)氢原子只有一个电子,电子在这些轨道间跃迁时会伴随什么现象发生?要点提示

(1)电子的轨道是不连续的,是量子化的。(2)电子在轨道间跃迁时会吸收光子或辐射出光子。知识归纳1.轨道量子化(1)轨道半径只能是不连续的、某些分立的数值。(2)氢原子中电子轨道的最小半径为r1=0.053nm,其余轨道半径满足rn=n2r1,式中n称为量子数,对应不同的轨道,只能取正整数。“量子化”意味着“不连续”2.能量量子化(1)不同轨道对应不同的状态,在这些状态中,电子在可能轨道上运动时,尽管是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态称为定态,原子在不同状态有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续的。这样的能量值,称为能级,能量最低的状态称为基态,其他的状态叫作激发态。对氢原子,以无穷远处为势能零点时,其能级公式

(n=1,2,3,…),其中E1代表氢原子的基态的能级,即电子在离核最近的可能轨道上运动时原子的能量值,E1=-13.6eV。n是正整数,称为量子数。量子数n越大,表示能级越高。(3)原子的能量包括:原子的原子核与核外电子所具有的电势能和电子运动的动能。3.跃迁原子从一种定态(设能量为Em)跃迁到另一种定态(设能量为En)时,它辐射(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。可见,电子如果从一个轨道到另一个轨道,不是以螺旋线的形式改变半径大小的,而是从一个轨道“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。应用体验典例1

根据玻尔理论,下列关于氢原子的论述正确的是(

)A.若氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子要辐射的光子能量为hν=EnB.电子沿某一轨道绕核运动,若圆周运动的频率为ν,则其发光的频率也是νC.一个氢原子中的电子从一个半径为Ra的轨道自发地直接跃迁到另一个半径为Rb的轨道,已知Ra>Rb,则此过程原子要辐射某一频率的光子D.氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁C解析

原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,辐射的光子能量等于能级差,与En不同,故A错误;电子沿某一轨道绕核运动,处于某一定态,不向外辐射光子,故B错误;电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道,能级降低,因而要辐射某一频率的光子,故C正确;原子吸收光子后能量增加,能级升高,故D错误。规律方法

解决玻尔原子模型问题的四个关键(1)电子绕原子核做圆周运动时,不向外辐射能量。(2)原子辐射的能量与电子绕原子核运动无关,只由跃迁前后的两个能级差决定。(3)处于基态的原子是稳定的,而处于激发态的原子是不稳定的。(4)原子的能量与电子的轨道半径相对应:轨道半径大,原子的能量大;轨道半径小,原子的能量小。针对训练1(多选)光子的发射和吸收过程是(

)A.原子从基态跃迁到激发态要放出光子,放出光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差B.原子不能从低能级向高能级跃迁C.原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级,辐射出光子后从较高能级跃迁到较低能级D.原子无论是吸收光子还是辐射出光子,吸收的光子或辐射出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差CD解析

由玻尔理论的跃迁假设知,原子处于激发态不稳定,可自发地向低能级发生跃迁,以光子的形式放出能量,光子的吸收是光子辐射的逆过程,原子在吸收光子后,会从较低能级向较高能级跃迁,但不管是吸收光子还是辐射出光子,光子的能量总等于两能级的能量差,即hν=Em-En(m>n),故选项C、D正确。探究二能级跃迁玻尔理论对氢原子光谱的解释情境探究(1)如何解释氢气导电发光现象?要点提示

通常情况下原子处于基态,基态是最稳定的状态。氢气在放电管中受到高速运动的电子的撞击,跃迁到激发态。处于激发态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子,最终又回到基态。(2)它的谱线为什么又是分立的?要点提示

氢原子从高能级向低能级跃迁时,放出的光子能量等于前后两个能级的能量差。由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。由于不同的原子具有不同的结构,能级各不相同,因此辐射或吸收的光子也不相同,这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。知识归纳1.氢原子能级图(如图所示)(1)能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6eV。En代表电子在第n个轨道上运动时氢原子的能量。(2)作能级图时,能级横线间的距离和相应的能级差相对应,能级差越大,间隔越宽,所以量子数越大,能级越密,竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小,n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。2.能级跃迁:处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为

。3.光子的辐射:原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,辐射光子的频率由下式决定。hν=Em-En(Em、En是始、末两个能级且m>n),能级差越大,辐射出光子的频率就越高。4.光子的吸收:原子只能吸收一些特定频率的光子,原子吸收光子后会从较低能级向较高能级跃迁,吸收光子的能量仍满足hν=Em-En(m>n)。应用体验典例2

(2020北京卷)氢原子能级示意图如图所示。现有大量氢原子处于n=3能级上,下列说法正确的是(

)A.这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子B.从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的光子频率低C.从n=3能级跃迁到n=4能级需吸收0.66eV的能量D.n=3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6eV的能量C解析

大量氢原子处于n=3能级,跃迁到n=1最多可辐射出

=3种不同频率的光子,故A错误;根据能级图可知从n=3能级跃迁到n=1能级辐射的光子能量为hν1=(13.6-1.51)eV,从n=3能级跃迁到n=2能级辐射的光子能量为hν2=(3.4-1.51)eV,比较可知从n=3能级跃迁到n=1能级比跃迁到n=2能级辐射的光子频率高,故B错误;根据能级图可知从n=3能级跃迁到n=4能级,需要吸收的能量为E=(1.51-0.85)eV=0.66

eV,故C正确;根据能级图可知氢原子处于n=3能级的能量为-1.51

eV,故要使其电离至少需要吸收1.51

eV的能量,故D错误。针对训练2氢原子的能级图如图所示。用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子,则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有(

)A.15种

B.10种

C.4种

D.1种B解析

基态的氢原子的能量为-13.6

eV,吸收13.06

eV的能量后变成-0.54

eV,原子跃迁到n=5能级,由于氢原子是大量的,故辐射的光子种类是学以致用·随堂检测全达标1231.氢原子辐射出一个光子后,根据玻尔理论,下列判断正确的是(

)A.电子绕核旋转的轨道半径增大B.电子的动能减小C.氢原子的电