玻尔的原子模型

玻尔的原子模型教学目标知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型了解玻尔模型的不足之处及其原因教学重点玻尔原子理论的基本假设教学难点玻尔理论对氢光谱的解释回顾科学家对原子结构的认识史原子不可割汤姆孙发现电子汤姆孙的枣糕模型α粒子散射实验卢瑟福的核式结构模型否定建立否定建立完美？但是与经典的电磁理论发生了矛盾轨道上运动的电子带有电荷运动中要辐射电磁波，损失能量轨道半径不断缩小最终落在原子核上事实上，原子是稳定的经典物理学观点下，原子将发生“塌陷”另一方面电子轨道连续变化辐射电磁波的频率也会连续变化事实上，辐射电磁波的频率只是某些不连续确定的值人们早在了解原子内部结构之前就已经观察到了气体光谱，不过那时候无法解释为什么气体光谱只有几条互不相连的特定谱线了解到卢瑟福的原子模型所遇到的困难，他认为产生困难的原因不在于模型本身，而在于经典理论。在巴耳末简洁公式、普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦光子说的启发下，玻尔大胆提出自己的原子结构假说玻尔了解轨道量子化与定态假设了解频率条件假设知道能量量子化、轨道量子化、能级、定态、基态、激发态、跃迁等概念玻尔的假设波尔的原子结构假说玻尔玻尔原子理论的基本假设轨道量子化能量量子化跃迁假说轨道量子化1、轨道量子化：针对原子核式结构模型提出围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，即电子的轨道是量子化的。电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的，不产生电磁辐射。分立轨道能量量子化（定态）原子的能量：原子的能量值是核外电子绕原子核运动时的动能与原子所具有的电势能的总和。能级：原子在各种定态时的能量值叫做能级电子处于内层轨道时能量较低还是外层轨道时原子所具有的能量较低？原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应对照人造卫星与地球内层轨道时能量较低能量量子化（定态）基态：能量值最低、轨道半径最小的状态激发态：除基态外的状态电离：原子吸收能量使电子脱离原子束缚的现象基态能量量子化（定态）2、能量量子化：针对原子的稳定性提出当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量。原子中这些具有特定能量的稳定状态，称为定态。玻尔指出，原子只能处在一系列不连续的能量状态之中，这些状态中能量是稳定的。所以原子的能量也量子化的。能量量子化（定态）量子数：按能级由低到高为1、2、3…n(n为整数)如：氢原子各能级可表示为能量最低的状态（离核最近）轨道图量子数激发态其他的状态——基态能级图跃迁假设（频率条件)跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。电子从低能级向高能级跃迁电子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功，增大电势能，原子的能量增加，要吸收能量电子跃迁模拟动画跃迁假设（频率条件)跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。电子从高能级向低能级跃迁电子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功，减小电势能，原子的能量减少，要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出。跃迁假设（频率条件)3、跃迁假说（频率条件）：针对原子光谱是线状谱提出这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即称为频率条件，又称辐射条件跃迁假设（频率条件)当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定氢原子能级玻尔从他的三条假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量。那么，玻尔理论是如何解释氢光谱的呢？了解氢原子的能级图能根据氢原子基态能级推导不同激发态能级能利用玻尔理论解释氢原子光谱玻尔理论对氢光谱的解释玻尔理论对氢光谱的解释氢原子光谱原子在始、末两个能级和间跃迁时发射光子的频率可以由下式决定：原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能极差由于原子的能级是分力的，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氢原子能级玻尔理论对氢光谱的解释氢原子的能级图激发态基态∞n５２３-3.4４-1.51-0.85-0.540eVE/eV１-13.6赖曼系玻尔理论还能很好地解释甚至预言氢原子其他谱线系巴耳末系帕邢系布喇开系普丰德系玻尔理论与巴耳末公式巴耳末公式中的正整数n与玻尔理论的量子数n之间有什么关系？玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量巴耳末公式中的n应该是电子从量子数分别为n=3,4,5……的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线巴耳末系氢原子能级跃迁与光谱图玻尔理论与巴耳末公式请同学们用这几个公式推出巴耳末公式结果与实验值符合的很好玻尔理论与巴耳末公式HδHγHβHαn=6n=5n=4n=3n=2n=1玻尔理论与巴耳末公式HγHδHβHαn=6n=5n=4n=3n=2n=1巴尔末系氢吸收光谱玻尔理论解释气体导电发光现在建筑上常要安装各式各样的霓虹灯，用以夜间装饰。如图所示，各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量各异，因此利用不同气体可制成五颜六色的霓虹灯。这其中蕴含着什么物理道理？通常情况下，原子处于基态，基态是最稳定的。气体放电管中的原子受到高速运动的电子的撞击，有可能向上跃迁到激发态。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，最终回到基态。这就是气体导电时发光的机理玻尔理论解释不同元素的谱线有不同的特征玻尔理论又是如何说明为什么不同元素的谱线有不同特征呢？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。又由于不同原子具有不同的结构，能级各不同，因此辐射（或吸收）的光子频率也不同。氢原子能级跃迁与光谱图电子从低能级（如基态）向高能级（如第一激发态）跃迁时，需要吸收能量若给它10.1eV的能量，电子能否发生跃迁？不能若给它13.6的能量，电子将会如何运动？大于13.6eV的能量呢？直接跃迁和间接跃迁玻尔能级公式的应用电离和跃迁的区别能级跃迁与电离能级跃迁和电离基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。跃迁是指电子从某一轨道跳到另一轨道，而电子从某一轨道跃迁到另一轨道对应着原子从一个能量状态（定态）跃迁到另一个能量状态（定态）电离：原子吸收能量使电子脱离原子束缚的现象能级跃迁和电离能量变化情况：当轨道半径减小时，库仑力做正功，原子的电势能Ep减少，电子动能增加，原子能量减少。反之，轨道半径增大时，原子电势能增加，电子动能减少，原子能量增加光子的发射和吸收原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。基态激发态跃迁（电子克服库仑引力做功，电势能增大，原子的能量增加）吸收光子辐射光子（电子所受库仑力做正功，电势能减小，原子的能量减少）原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不吸收光子的发射和吸收电子由高能量状态跃迁到低能量状态时，释放出的光子的频率可以是任意值吗？不可以。因个定态轨道的能量是固定的，由可知，跃迁时释放出的光子的频率也是一系列固定值。光子的发射和吸收氢原子从高能级向低能级跃迁时，是不是能级越高，释放的光子能量越大？不是光子的发射和吸收6种一群氢原子处于n=4激发态，最多向外辐射多少种频率的光子？光子的发射和吸收氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁时可能直接跃迁到基态，也可能先跃迁到其他低能级的激发态，然后再到基态，因此处于n能级的电子向低能级跃迁时就有很多可能性，其可能为种情况。光子的发射和吸收注意一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现注意直接跃迁与间接跃迁原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况的辐射（或吸收）光子的频率不同，但都满足频率条件粒子轰击使电子电离原子若是吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值（）就可使原子发生能级跃迁玻尔玻尔理论的成功玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域，比较完满地解释了氢原子光谱，他所提出的定态和跃迁这两个概念，解决了原子的稳定性及原子发射和吸收电磁辐射之谜，对量子论的建立有着深远影响但是玻尔理论也有它的局限性玻尔模型的局限性电子云玻尔模型的局限性玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题，但是也有它的局限性。玻尔模型的局限性在解决核外电子的运动时成功引入了量子化的观念同时又应用了“粒子、轨道”等经典概念和有关牛顿力学规律除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难①量子化条件的引进没有适当的理论解释②氦原子光谱严格讲玻尔理论是经典理论加上量子化条件的混合物，使得它无法解释复杂原子的光谱现象。玻尔模型的局限性怎样修改玻尔模型？思想：必须彻底放弃经典概念？关键：用电子云概念取代经典的轨道概念原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图象就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云。电子在某处单位体积内出现的概率——电子云问题与练习如图，用玻尔理论解释，当巴耳末公式n=5时计算出的氢原子光谱的谱线，是哪两个能级之间的跃迁造成的？根据巴耳末公式，n=5时计算出的氢原子光谱的谱线是量子数为5的能级跃迁到量子数为2的能级形成的问题与练习请用玻尔理论解释：为什么原子的发射光谱都是一些分立的亮线？由于原子能级是分立的，能级差也是分立的，辐射的光子的能量也是分立，有确定的频率，所以原子光谱只有一些分立的亮线问题与练习如果大量氢原子处在n=3的能级，会辐射出几种频率的光？其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发出的？大量原子处在n=3的能级上，能辐射3中频率的光。波长最短的光是从n=3的能级跃迁到n=1的能级时发出的光问题与练习包含各种波长的复合光，被原子吸收了某些波长的光子后，连续光谱中这些波长的位置上便出现了暗线，这样的光谱叫做吸收光谱。请用玻尔理论解释：为什么各种原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应？①方法和原理：使加速的电子通过低压汞蒸气，与汞原子发生碰撞。测量电子损失的能量和汞原子获得的能量。弗兰克—赫兹实验弗兰克—赫兹实验②实验的结果，表现在接收极电流随K—G间电压的变化关系图，会分析此图，是做出结论的关键。夫兰克—赫兹管的曲线证明了汞原子能量量子化。该实验卓越的设计思想和实验技巧，以及它在建立原子量子学说方面做出的贡献，受到人们的赞誉。