4氫原子光譜和玻爾的原子模型第1課時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、線狀譜和連續(xù)譜的概念，知道什么是光譜分析(重點(diǎn))。2.知道氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。3.知道玻爾原子理論的基本假設(shè)的主要內(nèi)容。了解能級躍遷、軌道和能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念(難點(diǎn))。一、光譜把食鹽放在火中灼燒，會發(fā)出黃色的光。食鹽為什么發(fā)黃光而不發(fā)其他顏色的光呢？答案焰色反應(yīng)，食鹽Nacl中的鈉離子使火焰變黃色，每種金屬離子有不同的顏色。1．光譜的定義：用棱鏡或光柵把物質(zhì)發(fā)出的光按波長(頻率)展開，獲得波長(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄。2．分類(1)發(fā)射光譜①線狀譜：光譜是一條條的亮線。②連續(xù)譜：光譜是連在一起的光帶。(2)吸收光譜①定義：連續(xù)譜中，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜。②產(chǎn)生條件：熾熱物體發(fā)生的白光通過溫度較低的氣體后，再色散形成的。3．特征譜線：氣體中中性原子的發(fā)光光譜都是線狀譜，說明原子只發(fā)出幾種特定頻率的光，不同原子的亮線位置不同，說明不同原子的發(fā)光頻率不一樣，光譜中的亮線稱為原子的特征譜線。4．光譜分析的應(yīng)用：利用原子的特征譜線，可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法閱讀課本“科學(xué)漫步”，思考：(1)太陽光譜有什么特點(diǎn)？(2)太陽光譜產(chǎn)生的原因是什么？(3)太陽光譜屬于哪類光譜？答案(1)在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線。(2)陽光中含有各種顏色的光，但當(dāng)陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽高層大氣中含有的元素會吸收它自己特征譜線的光，然后再向四面八方發(fā)射出去，到達(dá)地球的這些譜線看起來就弱了，這就形成了明亮背景下的暗線。(3)吸收光譜。(1)線狀譜和連續(xù)譜都可以用來鑒別物質(zhì)。(×)(2)可以利用光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。(√)(3)利用發(fā)射光譜的線狀譜和吸收光譜都可以鑒別物質(zhì)。(√)例1(2022·西安市高二月考)關(guān)于光譜和光譜分析，下列說法正確的是()A．太陽光譜是連續(xù)譜，分析太陽光譜可以知道太陽內(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，都是線狀譜C．強(qiáng)白光通過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，可以利用發(fā)射光譜，也可以用吸收光譜答案C解析太陽光譜是吸收光譜，這是由于太陽內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過溫度比較低的太陽大氣層時產(chǎn)生的，所以A錯誤；霓虹燈呈稀薄氣體狀態(tài)，因此光譜是線狀譜，而煉鋼爐中熾熱鐵水產(chǎn)生的光譜是連續(xù)譜，所以B錯誤；強(qiáng)白光通過酒精燈火焰上的鈉鹽時，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)譜和線狀譜，而光譜分析中只能用線狀譜和吸收光譜，所以D錯誤。例2(多選)關(guān)于原子的特征譜線，下列說法正確的是()A．不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的，每種原子都有自己的特征譜線B．使熾熱固體發(fā)出的白光通過低溫鈉蒸氣，可得到鈉元素的特征譜線C．可以用特征譜線進(jìn)行光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分D．原子的特征譜線是原子具有核式結(jié)構(gòu)的有力證據(jù)答案ABC解析不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的，每種原子都有自己的特征譜線，選項(xiàng)A正確；強(qiáng)烈的白光通過低溫的鈉蒸氣時，某些波長的光被吸收產(chǎn)生鈉的吸收光譜，故選項(xiàng)B正確；每種原子都有自己的特征譜線，可以用特征譜線進(jìn)行光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，故選項(xiàng)C正確；α粒子散射實(shí)驗(yàn)是原子具有核式結(jié)構(gòu)的有力證據(jù)，故選項(xiàng)D錯誤。二、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖所示為氫原子的光譜。仔細(xì)觀察，氫原子光譜具有什么特點(diǎn)？答案從右至左，相鄰譜線間的距離越來越小。1．原子內(nèi)部電子的運(yùn)動是原子發(fā)光的原因。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：以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜的特征。4．其他譜線：除了巴耳末系，氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿足與巴爾末公式類似的關(guān)系式。例3(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)，故氫原子光譜是線狀譜D．在巴耳末系中n值越大，對應(yīng)的波長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光區(qū)的四條譜線時得到的，A錯誤；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，故氫原子光譜是線狀譜，B錯誤，C正確；根據(jù)公式可知，n值越大，對應(yīng)的波長λ越短，D正確。三、經(jīng)典理論的困難玻爾原子理論的基本假設(shè)1．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)2．玻爾原子理論的基本假設(shè)(1)軌道量子化①電子繞原子核做圓周運(yùn)動的軌道的半徑不是任意的，也就是說電子的軌道是量子化的(填“連續(xù)變化”或“量子化”)。②電子在這些軌道上繞核的運(yùn)動是穩(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)動時，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，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。②原子中這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，稱為定態(tài)。能量最低的狀態(tài)叫作基態(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，會放出能量為hν的光子，該光子的能量hν＝En－Em，該式稱為頻率條件，又稱輻射條件。反之，當(dāng)電子吸收光子時，會從能量較低的定態(tài)軌道躍遷到能量較高的定態(tài)軌道，吸收光子的能量，同樣由頻率條件決定。例4(多選)(2022·石家莊市高二期中)根據(jù)玻爾的原子理論，下列說法中正確的是()A．氫原子的核外電子由離原子核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道上時，原子的能量減小B．氫原子的核外電子由離原子核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道上時，原子吸收一定頻率的光子C．核外電子繞核運(yùn)動的軌道是任意的，繞核運(yùn)動是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射D．當(dāng)氫原子的核外電子吸收光子時，會從能量較低的定態(tài)軌道躍遷到能量較高的定態(tài)軌道答案AD解析根據(jù)玻爾理論，核外電子由離原子核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道上時，原子的能量減小，減小的能量以光子的形式輻射出去，故A正確，B錯誤；電子只能在特定軌道上運(yùn)動，繞核運(yùn)動是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射，故C錯誤；當(dāng)氫原子的核外電子吸收光子時，會從能量較低的定態(tài)軌道躍遷到能量較高的定態(tài)軌道，故D正確。例5若用|E1|表示氫原子處于基態(tài)時能量的絕對值，處于n＝3激發(fā)態(tài)的氫原子向基態(tài)躍遷時________(“輻射”或“吸收”)光子的能量為___________(處于第n能級的能量為En＝eq\f(E1,n2))。答案輻射eq\f(8,9)|E1|解析n＝3時，E3＝eq\f(E1,9)，從n＝3的激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時要輻射光子，輻射光子能量ΔE＝|E3－E1|＝eq\f(8,9)|E1|。例6氫原子輻射出一個光子后，根據(jù)玻爾理論，下述說法中正確的是()A．電子繞核旋轉(zhuǎn)的半徑增大B．氫原子的能量增大C．氫原子的電勢能增大D．氫原子核外電子的速率增大答案D解析電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道時，放出光子，電子勢能減少，原子總能量減少，根據(jù)keq\f(e2,r2)＝meq\f(v2,r)，Ek＝eq\f(1,2)mv2，解得Ek＝keq\f(e2,2r)，可知半徑越小，電子動能越大，原子系統(tǒng)的電勢能減少，故A、B、C錯誤，D正確。原子的能量及變化規(guī)律1．原子的能量：En＝Ekn＋Epn。2．電子繞原子核運(yùn)動時：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)動的動能越小。3．當(dāng)電子的軌道半徑增大時，庫侖引力做負(fù)功，原子的電勢能增大，反之，電勢能減小。4．電子的軌道半徑增大時，說明原子吸收了能量，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，原子的能量越大。課時對點(diǎn)練考點(diǎn)一光譜和光譜分析1．(多選)每種原子都有自己的特征譜線，我們可以利用它來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。原子的特征譜線屬于()A．吸收光譜 B．發(fā)射光譜C．連續(xù)譜 D．線狀譜答案BD解析原子的特征譜線是發(fā)射光譜，A錯誤，B正確；原子的特征譜線是分立的線狀譜，C錯誤，D正確。2．(多選)對原子光譜，下列說法中正確的是()A．原子光譜是不連續(xù)的B．由于原子都是由原子核和電子組成的，所以各種原子的原子光譜是相同的C．由于各種原子的原子結(jié)構(gòu)不同，所以各種原子的原子光譜也不相同D．分析物質(zhì)發(fā)出的光譜，可以鑒別物質(zhì)中含哪些元素答案ACD解析原子光譜為線狀譜，不連續(xù)，A對；各種原子都有自己的特征譜線，B錯，C對；根據(jù)各種原子的特征譜線進(jìn)行光譜分析可鑒別物質(zhì)組成，D對。3．以下說法中正確的是()A．進(jìn)行光譜分析可以用連續(xù)譜，也可以用吸收光譜B．光譜分析的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而迅速C．分析某種物質(zhì)的化學(xué)組成可以使這種物質(zhì)發(fā)出的白光通過另一種物質(zhì)的低溫蒸氣取得吸收光譜進(jìn)行分析D．?dāng)z下月球的光譜可以分析出月球上有哪些元素答案B解析進(jìn)行光譜分析不能用連續(xù)光譜，只能用線狀光譜或吸收光譜；光譜分析的優(yōu)點(diǎn)是靈敏而迅速；分析某種物質(zhì)的組成，可用白光照射其低溫蒸氣產(chǎn)生的吸收光譜進(jìn)行分析；月球不能發(fā)光，只能反射太陽光，故其光譜是太陽光譜，不是月球的光譜，不能用來分析月球上的元素，故選B。4．(多選)(2022·濟(jì)南市高二月考)下列說法中正確的是()A．熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜B．各種原子的明線光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線必定一一對應(yīng)C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生明線光譜D．甲物質(zhì)發(fā)出的白光通過乙物質(zhì)的蒸氣形成的是甲物質(zhì)的吸收光譜答案AB解析熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜，A正確；各種原子的明線光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線必定一一對應(yīng)，B正確；由A分析可知，氣體發(fā)出的光也可以形成連續(xù)光譜，C錯誤；甲物質(zhì)發(fā)出的白光通過乙物質(zhì)的蒸氣后，有一些波長的光被乙物質(zhì)吸收了，所以形成的是乙物質(zhì)的吸收光譜，故D錯誤?？键c(diǎn)二氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律5．對于巴耳末公式，下列說法正確的是()A．所有氫原子光譜的波長都與巴耳末公式相對應(yīng)B．巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中的可見光部分的光波長C．巴耳末公式確定了氫原子發(fā)光中的一個線系的波長，其中既有可見光，又有紫外光D．巴耳末公式確定了各種原子發(fā)光中的光的波長答案C解析巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中一個線系的波長，不能描述氫原子發(fā)出的各種波長，也不能描述其他原子發(fā)光中的光的波長，A、D錯誤；巴耳末公式是由當(dāng)時已知的可見光中的部分譜線總結(jié)出來的，但它適用于整個巴耳末線系，該線系包括可見光和紫外光，B錯誤，C正確?？键c(diǎn)三經(jīng)典理論的困難玻爾原子理論6．(多選)關(guān)于經(jīng)典電磁理論與原子的核式結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，下列說法正確的是()A．經(jīng)典電磁理論很容易解釋原子的穩(wěn)定性B．根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核轉(zhuǎn)動時，電子會不斷釋放能量，最后被吸附到原子核上C．根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的D．原子的核式結(jié)構(gòu)模型徹底否定了經(jīng)典電磁理論答案BC解析根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子在繞核運(yùn)動的過程中，要向外輻射電磁波，因此能量要減少，電子的軌道半徑要減小，最終會落到原子核上，因而原子是不穩(wěn)定的。電子在轉(zhuǎn)動過程中，隨著轉(zhuǎn)動半徑不斷減小，轉(zhuǎn)動頻率不斷增大，輻射電磁波的頻率不斷變化，因而大量原子發(fā)光的光譜應(yīng)該是連續(xù)譜。事實(shí)上，原子是穩(wěn)定的，原子光譜也不是連續(xù)譜，而是線狀譜，故選項(xiàng)A錯誤，B、C正確；經(jīng)典電磁理論可以很好地應(yīng)用于宏觀物體，但不能用于解釋原子世界的現(xiàn)象，故選項(xiàng)D錯誤。7．(多選)玻爾在他提出的原子模型中所作的假設(shè)有()A．原子處于稱為定態(tài)的能量狀態(tài)時，電子在軌道上繞核轉(zhuǎn)動，但并不向外輻射能量B．原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的C．電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射(或吸收)一定頻率的光子D．電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核做圓周運(yùn)動的頻率答案ABC8．(多選)下列說法正確的是()A．B．原子不能從低能級向高能級躍遷C．原子吸收光子后從低能級躍遷到高能級，電子的電勢能增加D．原子無論是吸收光子還是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末兩個能級的能量差答案CD解析原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)要吸收光子，吸收的光子的能量等于原子在初、末兩個能級的能量差，故A錯誤；原子吸收光子可從低能級躍遷到高能級，該過程電子動能變小，電子的電勢能增加，故B錯誤，C正確；根據(jù)玻爾理論可知，原子無論是吸收光子還是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末兩個能級的能量差，故D正確。9．(多選)氫原子核外電子由一個軌道躍遷到另一個軌道時，可能發(fā)生的情況是()A．放出光子，電子動能減少，原子勢能增加B．放出光子，電子動能增加，原子勢能減少C．吸收光子，電子動能減少，原子勢能增加D．吸收光子，電子動能增加，原子勢能減少答案BC解析當(dāng)吸收光子時，總能量增大，軌道半徑應(yīng)該增大，所以電子動能減少，原子勢能增加；當(dāng)放出光子時，總能量減小，軌道半徑應(yīng)該減小，所以電子動能增加，原子勢能減少。選項(xiàng)B、C正確。10．若用E1表示氫原子處于基態(tài)時的能量，處于第n能級的能量為En＝eq\f(E1,n2)，則在下列各能量值中，可能是氫原子從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時輻射出來的能量的是()A.eq\f(1,4)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1)) B.eq\f(3,4)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1))C.eq\f(7,8)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1)) D.eq\f(1,16)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1))答案B解析處于第2能級的能量E2＝eq\f(E1,4)，則向基態(tài)躍遷時輻射的能量ΔE＝eq\f(3,4)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1))，處于第3能級的能量E3＝eq\f(E1,9)，則向基態(tài)躍遷時輻射的能量ΔE′＝eq\f(8,9)eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(E1))，處于第4能級的能量為E4＝eq\f(