选修3-5第2章第4节氢原子光谱

α粒子散射的实验使我们知道原子具有核式结构,但电子在核的周围怎样运动?它的能量怎样变化?这些还要通过其他事实认识.早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱一、光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录，即光谱。有时只是波长成分的记录。（2）分类：发射光谱可分类：连续光谱和明线光谱。1.发射光谱（1）定义：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。①连续光谱A由波长连续分布的光组成的连在一起的光带叫连续光谱。特点：光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带。即连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱。B炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。②明线光谱A只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。B稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。C各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只能发出几种特定频率的光。不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征谱线。高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。2吸收光谱光谱发射光谱定义：由发光体直接产生的光谱连续光谱｛产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发光形成的光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有线状光谱｛（原子光谱）产生条件：稀薄气体、金属蒸气发光形成的光谱光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）吸收光谱定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）3小结：各种光谱的特点及成因：（1）由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分。这种方法叫做光谱分析。（2）光谱分析法由基尔霍夫开创的。（3）优点：灵敏度高。样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到。（4）同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应，明线光谱和吸收光谱中的谱线都是原子的特征光谱，都可以用于光谱分析。4光谱分析原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。二、氢原子光谱的实验规律气体放电管：玻璃管中的稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，成为自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光。这样的装置叫做气体放电管。除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫个光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：按经典物理学电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。但事实上原子是个稳定的系统。卢瑟福原子核式模型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。但是。经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。三、经典理论的困难轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，原子光谱应是连续的光谱。而实际上看到的是分立的线状谱。这些矛盾说明尽管经典物理学理论可以很好地应用宏观物休，但它不能解释原子世界的现象，引入新观念是必要的。课堂效果检测：1在实际生活中，我们可以通过光谱分析来鉴别物质和物质的组成成分。例如某样本中一种元素的含量达到10-10g时就可以被检测到。那么我们是通过分析下列哪种谱线来鉴别物质和物质的组成成分的？A连续谱B线状谱C特征谱线D任意一种光谱（BC）2下列说法正确的是：A通过光栅或棱镜可以把光按波长展开，从而获得光的波长成分的记录，这就是光谱。即光谱与光强度无关。B通过光栅或棱镜可以把光按波长展开，从而获得光的波长成分和强度分布记录，这就是光谱。即光谱不仅记录了光的波长分布，还记录了强度分布。C在研究太阳光谱时发现太阳光谱中有许多暗线，这说明了太阳内部缺少对应的元素。D在研究太阳光谱时发现太阳光谱中有许多暗线，这些暗线与某些元素的特征谱线相对应，这说明了太阳大气层内存在对应的元素。（BD）3根据巴耳末公式，指出氢原子光谱在可见光范围内波长最长的两条谱线所对应的n，它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？•一原子光谱•1．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱•2．原子发出的光是一些不连续的、只有某些特定波长（或频率）的光，因此其光谱是一些分立的亮线，称为原子光谱•3．每种原子都有自己不同于其他原子的原子光谱，因此可以利用原子光谱来鉴别物质、发现新元素，称为光谱分析•二氢原子光谱•人们研究氢原子发出的光谱，得到了几组可以描述氢原子光谱的波长规律的经验公式•莱曼系（在紫外区）：n=2，3，4，…•巴尔末系（在可见光区）：n=3，4，5，…•帕邢系（在近红外区）：n=4，5，6，…•布喇开系（在红外区）：n=5，6，7，…•总结以上各式，可用一个通式来表示：)111(122nR)121(122nR)131(122nR)141(122nR)11(122nmR•三经典电磁理论无法解释原子光谱•1．根据经典电磁理论，原子核将是不稳定的：•根据卢瑟福的原子核式结构模型，电子绕核做匀速圆周运动，是有加速度的，按照经典电磁理论，做加速运动的电荷会辐射出电磁波，因此电子的能量将逐渐减少，轨道半径将逐渐减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，发生所谓的“坍塌”，因此，原子是不稳定的，但事实上原子是稳定的•2．根据经典电磁理论，原子光谱应该是包含一切频率的连续光谱：•按照经典电磁理论，电子绕核旋转时辐射的电磁波的频率等于电子绕核做匀速圆周运动的频率，随着电子轨道半径的连续变化，电子绕核运行的频率也连续变化，辐射的电磁波的频率也连续变化，因此，原子发出的光应该是包含一切频率的连续光谱，但事实上原子光谱是不连续的•因此，经典电磁理论在微观世界中已经不适用，人们急需建立新的原子理论•四波尔对氢原子光谱的解释——玻尔的原子理论•1．玻尔的三个假设：•（1）能级假设：原子只能处于一系列符合某种条件的不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些能量状态叫能级•各个能级必须满足的条件是：n=1，2，3…•其中n=1的能级叫基态，其它的能级叫激发态，氢原子的基态的能量为–13.6eV21nEEn•（2）轨道假设：原子的不同能级与电子绕核做圆周运动的轨道一一对应，原子的能级是不连续的，所对应的电子轨道也是不连续的。当电子在最靠近核的一条轨道上运行时，对应着原子处于基态，当电子在第二条轨道上绕核运行时，对应着原子处于第一激发态，……，当电子脱离原子成为自由电子时，对应着原子已经被电离。•原子各个能级的能量包括了电子运动的动能和电势能。计算能量时取离核无限远处的电势能为零。电子带负电，在原子核的电场中其电势能为负值，电子在某一轨道上运动的动能总是等于电子处于该轨道时的电势能绝对值的一半，因此总能量为负值。例如：n=1，E1=–13.6eV；n=2，E2=–3.4eV；n=3，E3=–1.51eV；n=4，E4=–0.85eV，……•（3）跃迁假设：原子从一个能级变化到另一个能级（对应着电子从一条轨道转移到另一条轨道）的过程叫跃迁•处于高能级的原子会自发地跃迁到低能级，同时辐射出光子，辐射出的光子的能量为：•处于低能级的原子在吸收了符合条件的光子后可以跃迁到高能级，吸收的光子的能量必须满足：•原子不会吸收大于或小于这个能量的光子。但如果外来光子的能量足够大，原子吸收这个外来光子的能量后能够立即被电离，则能量大于电离能的任何光子都能被原子吸收nmEEhnmEEh原子的能级跃迁对应着电子的轨道跃迁•2．玻尔理论对氢光谱的解释：•当原子从激发态跃迁到基态时，发出的光就是莱曼系•当原子从n=2以外的激发态跃迁到n=2的激发态时，发出的光就是巴尔末系•当原子从n=3以外的激发态跃迁到n=3的激发态时，发出的光就是帕邢系•五、玻尔理论的局限性：•玻尔的理论只能成功地解释氢原子光谱，对于多电子原子的光谱，玻尔理论就无能为力了。这是因为在玻尔理论仍然过多地保留了经典理论，譬如电子在确定的轨道上绕核做匀速圆周运动等牛顿力学的理论，而牛顿力学在微观世界是不适用的3、玻尔氢原子理论的成绩•成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。•从理论上计算了里德伯常量；解决了近30年之久的巴耳末公式之迷，打开了人们认识原子结构的大门，而且玻尔提出的一些概念，如能量量子化、量子跃迁及频率条件等，至今仍然是正确的。•能对类氢原子的光谱给予说明。4、玻尔氢原子理论的困难•不能解释多电子原子的光谱；•不能解释谱线的强度和宽度；•不能说明原子是如何组成分子、构成液体和固体的；•在逻辑上也存在矛盾：把微观粒子看成是遵守经典力学规律的质点，又赋予它们量子化的特征。例题：（习题15-22）一个具有5.6eV动能的中子，与一个处于基态的静止氢原子相碰撞，问这种碰撞是弹性碰撞，还是非弹性碰撞？解：碰撞的性质取决于碰撞前后系统的动能会不会改变系统动能的改变取决于氢原子是否会吸收中子的动能即氢原子是否会发生能级的跃迁22204e8nhemEeVhemE6.1382204e1eVEE4.34112eVEEE2.10125.6eV∴碰撞是完全弹性的。•例题1玻尔理论（原子模型）的提出，是在研究哪个物理事实后得出的？•A．光电效应现象；•B．α粒子散射实验；•C．原子发光与经典电磁理论的矛盾；•D．天然放射现象。•例题2对玻尔理论的下列说法中，正确的是•A．继承了卢瑟福的原子模型，但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设•B．对经典电磁理论中关于“做加速运动的电荷要辐射电磁波”的观点表示赞同•C．用能量转化与守恒建立了原子发光频率与原子能量变化之间的定量关系•D．玻尔的两个公式是在他的理论基础上利用经典电磁理论和牛顿力学计算出来的•例题3下面关于玻尔理论的解释中，不正确的说法是•A．原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量•B．原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就不会向外辐射能量•C．原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子•D．原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的•例题4根据玻尔的原子理论，原子中电子绕核运动的半径•A．可以取任意值•B．可以在某一范围内取任意值•C．可以取一系列不连续的任意值•D．是一系列不连续的特定值•例题5按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知ra＞rb，则在此过程中•A．原子要发出一系列频率的光子•B．原子要吸收一系列频率的光子•C．原子要发出某一频率的光子•D．原子要吸收某一频率的光子•例题6一个氢原子处于第三能级时，外面射来了一个能量为13.96eV的光子，下列说法中正确的是：•A．氢原子不吸收这个光子，光子穿过氢原子；•B．氢原子被电离，电离后的电子动能约为0.36eV；•C．氢原子被电离，电离后的电子动能约为0；•D．氢原子吸收光子，但不电离•例题7氢原子核外电子有一个轨道向另一个轨道跃迁时，可能发生的情况是：•A．原子吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大；•B．原子放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小