學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．[物理觀念]知道光譜、連續(xù)譜、線狀譜及玻爾原子理論基本假設(shè)的內(nèi)容，了解能級(jí)、能級(jí)躍遷、能量量子化、基態(tài)、激發(fā)態(tài)等概念和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2.[科學(xué)思維]掌握氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和氫原子能級(jí)圖，理解理論的局限性與不足，能用原子能級(jí)圖分析、推理、計(jì)算，提高解決問(wèn)題的能力。3.通過(guò)探究氫原子光譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律并理解玻爾理論，揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)，提升探究能力。4.[科學(xué)態(tài)度與責(zé)任]掌握用事實(shí)說(shuō)話的能力，秉持實(shí)事求是的科學(xué)精神，感受科學(xué)家的辛勤付出，激發(fā)探索科學(xué)規(guī)律的熱情。閱讀本節(jié)教材，回答第84頁(yè)“問(wèn)題”并梳理必要的知識(shí)點(diǎn)。教材P84“問(wèn)題”提示：每種原子都有自己的特征譜線，食鹽鈉原子能發(fā)出黃色頻率的光線。一、(1)定義：用棱鏡或光柵可以把物質(zhì)發(fā)出的光按波長(zhǎng)(頻率)展開(kāi)，獲得波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。線狀譜：有些光譜是一條條的亮線，叫作譜線，這樣的光譜叫作線狀譜。連續(xù)譜：有的光譜看起來(lái)不是一條條分立的譜線，而是連在一起的光帶，叫作連續(xù)譜。氣體中中性原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，且不同原子的亮線位置不同，故這些亮線稱為原子的特征譜線。定義：利用原子的特征譜線來(lái)鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高。說(shuō)明：同一種原子可以發(fā)射和吸收同一種頻率的譜線。＝R∞n＝3，4，5，…意義：巴耳末公式以簡(jiǎn)潔的形式反映了氫原子的線狀光譜的特征。(1)用經(jīng)典電磁理論在解釋原子的穩(wěn)定性時(shí)遇到了困難。(2)用經(jīng)典電磁理論在解釋原子光譜是分立的線狀譜時(shí)遇到了困難。說(shuō)明：氫原子光譜是線狀譜，只有一系列特定波長(zhǎng)的光。二、(1)原子中的電子在庫(kù)侖力的作用下，繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)。(2)電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道是量子化的。(3)電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，且不產(chǎn)生電磁輻射。電子在不同軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同的能級(jí)狀態(tài)，各能級(jí)具有特定的能量值。原子在這些能量確定的穩(wěn)定狀態(tài)下稱為定態(tài)。能量最低的狀態(tài)叫作基態(tài)，其他的能量狀態(tài)叫作激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道（能量為En）躍遷至能量較低的定態(tài)軌道（能量為Em，n＞m）時(shí)，會(huì)釋放出能量為hν的光子，其中hν=En-Em。這一過(guò)程遵循頻率條件，亦稱輻射條件。三、①按照玻爾理論，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)輻射的光子的能量為hν＝En－Em。②巴耳末公式中的正整數(shù)n和2正好代表能級(jí)躍遷之前和之后所處的定態(tài)軌道的量子數(shù)n和2。并且理論上的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的里德伯常量符合得很好。原子從高能級(jí)躍遷至低能級(jí)時(shí)，釋放的光子能量等于兩能級(jí)差值。由于能級(jí)分立，放出的光子能量亦為分立值，故原子發(fā)射光譜僅呈現(xiàn)若干離散的亮線。玻爾理論第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，提出了定態(tài)和躍遷的概念，成功解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。保留了經(jīng)典粒子的觀念，把電子的運(yùn)動(dòng)仍然看做經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動(dòng)。電子在原子中沒(méi)有固定坐標(biāo)，我們只能描述其在特定位置出現(xiàn)的概率。通過(guò)用疏密不同的點(diǎn)表示這種概率分布，圖像呈現(xiàn)出類似云霧的形態(tài)環(huán)繞在原子核周圍，因此稱之為電子云。說(shuō)明：電子從能量較高的定態(tài)軌道，躍遷到能量較低的定態(tài)軌道，會(huì)放出光子；反之會(huì)吸收光子。(1)各種原子的發(fā)射光譜都是連續(xù)譜。(2)線狀譜和連續(xù)譜都可以用來(lái)鑒別物質(zhì)。(3)氫原子能級(jí)的量子化是氫光譜不連續(xù)的原因。(4)玻爾理論能成功的解釋氫光譜。AD[原子光譜為線狀譜，A正確，B錯(cuò)誤；各種原子都有自己的特征譜線，故C錯(cuò)誤，D正確。ABC[A、B、C三項(xiàng)都是玻爾提出來(lái)的假設(shè)，其核心是原子定態(tài)概念的引入與能量躍遷學(xué)說(shuō)的提出，也就是“量子化”的概念。原子的不同能量狀態(tài)與電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)不同的圓軌道相對(duì)應(yīng)，是經(jīng)典理論與量子化概念的結(jié)合。原子輻射的能量與電子在某一可能軌道上繞核的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，A、B、C正確。光譜及氫原子光譜的規(guī)律由于各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，在光源的作用下都可以產(chǎn)生自己特征的光譜。如果一個(gè)樣品經(jīng)過(guò)激發(fā)在感光板上有幾種元素的譜線出現(xiàn)，就證明該樣品中有這幾種元素。光譜分析十分突出的優(yōu)點(diǎn)是一次可以分析多種元素，精度、靈敏度高，且不需純樣品，只需利用已知譜圖，即可進(jìn)行光譜定性分析。如圖甲所示為a、b、c、d四種元素的線狀譜，圖乙是某礦物的線狀譜。試探究：(1)通過(guò)光譜分析可以了解該物質(zhì)缺乏的是什么元素？(2)請(qǐng)說(shuō)出你的依據(jù)。提示：(1)b元素、d元素。(2)依據(jù)：由礦物的線狀譜與幾種元素的特征譜線進(jìn)行對(duì)照，b元素和d元素的譜線在該線狀譜中不存在。(1)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低含量達(dá)10－10g。(2)應(yīng)用：①應(yīng)用光譜分析發(fā)現(xiàn)新元素。②鑒別物體的物質(zhì)成分；研究太陽(yáng)光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)中存在鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素。③應(yīng)用光譜分析鑒定食品優(yōu)劣。(1)巴耳末對(duì)氫原子光譜的譜線進(jìn)行研究得到了下面的公式：＝R∞，n＝3，4，5…，該公式稱為巴耳末公式。(2)公式中只能取n≥3的整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長(zhǎng)是分立的值。除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線，也都滿足與巴耳末公式類似的關(guān)系式。思路點(diǎn)撥：由＝R∞，n＝3，4，5…知，n＝3時(shí)波長(zhǎng)λ最長(zhǎng)，當(dāng)n→∞時(shí)波長(zhǎng)最短。A[由巴耳末公式＝R∞，n＝3，4，5…當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，波長(zhǎng)達(dá)到最小值，最小波長(zhǎng)λ1滿足λ1=R∞；當(dāng)n等于3時(shí)，波長(zhǎng)達(dá)到最大值，最大波長(zhǎng)λ2滿足λ2=R∞。通過(guò)聯(lián)立解得結(jié)果，選項(xiàng)A正確。(1)巴耳末公式反映氫原子發(fā)光的規(guī)律特征，不能描述其他原子。(2)公式是在對(duì)可見(jiàn)光的四條譜線分析時(shí)總結(jié)出來(lái)的，在紫外光區(qū)的譜線也適用。B太陽(yáng)光譜為吸收光譜，月亮反射太陽(yáng)光亦屬吸收光譜。煤氣燈火焰中鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜則為稀薄氣體發(fā)光的線狀譜。由于月亮反射太陽(yáng)光，其光譜無(wú)法確定月亮的化學(xué)組成，B正確。2．(多選)巴耳末通過(guò)對(duì)氫原子光譜的研究總結(jié)出巴耳末公式＝R∞，n＝3，4，5…CD[巴耳末是利用當(dāng)時(shí)已知的、在可見(jiàn)光區(qū)的四條譜線分析后總結(jié)出的巴耳末公式，并非基于核式結(jié)構(gòu)理論得出。該公式揭示了氫原子發(fā)光的離散特性，即氫原子僅能發(fā)出特定頻率的光。因此，選項(xiàng)C應(yīng)為：D正確。玻爾原子理論的基本假設(shè)玻爾原子模型中提出了三條假設(shè)，其中躍遷是指電子在不同軌道之間的躍遷。試探究：(1)躍遷與電離有什么區(qū)別？(2)躍遷與電離對(duì)光子的能量有什么要求？提示：(1)躍遷是原子從一個(gè)定態(tài)躍遷至另一個(gè)定態(tài)的過(guò)程，而電離則是原子核外電子吸收特定能量后脫離原子核束縛成為自由電子的現(xiàn)象。(2)原子吸收光子的能量躍遷時(shí)必須滿足能量條件，而只要大于電離能的任何光子的能量都能被吸收。軌道半徑只能夠是一些不連續(xù)的、某些分立的數(shù)值。氫原子各條可能軌道上的半徑rn＝n2r1(n＝1，2，3…)，其中n是正整數(shù)，r1是離核最近的可能軌道的半徑，r1＝0.53×10－10m。其余可能的軌道半徑還有0.212nm、0.477nm…，不可能出現(xiàn)介于這些軌道半徑之間的其他值。這樣的軌道形式稱為軌道量子化。(1)電子在可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管是變速運(yùn)動(dòng)，但它并不釋放能量，原子是穩(wěn)定的，這樣的狀態(tài)也稱之為定態(tài)。(2)由于原子的可能狀態(tài)(定態(tài))是不連續(xù)的，具有的能量也是不連續(xù)的。這樣的能量值被稱為能級(jí)，其中最低狀態(tài)稱為基態(tài)，其他狀態(tài)則稱為激發(fā)態(tài)。對(duì)于氫原子，在以無(wú)窮遠(yuǎn)處為勢(shì)能零點(diǎn)的情況下，其能級(jí)公式可表示為En=E1（n=1,2,3...）。其中E1代表氫原子的基態(tài)的能級(jí)，即電子在離核最近的可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子的能量值，E1＝－13.6eV。n是正整數(shù)，稱為量子數(shù)。量子數(shù)n越大，表示能級(jí)越高。(3)原子的能量包括：原子的原子核與電子所具有的電勢(shì)能和電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。原子從能量為E2的定態(tài)躍遷至能量為E1的另一定態(tài)時(shí)，會(huì)輻射或吸收特定頻率的光子，光子的能量由兩態(tài)間的能量差決定，其中高能級(jí)Em高于低能級(jí)En。顯然，電子在從一個(gè)軌道躍遷至另一個(gè)軌道時(shí)，并非以螺旋線的方式改變半徑大小，而是直接“跳躍”到新的軌道上。玻爾將這種現(xiàn)象叫作電子的躍遷。思路點(diǎn)撥：(1)由ra＞rb知Ea＞Eb。(2)從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，應(yīng)放出光子。D[因?yàn)槭菑母吣芗?jí)向低能級(jí)躍遷，所以應(yīng)放出光子，故B、C錯(cuò)誤；“直接”從一能級(jí)躍遷到另一能級(jí)，只對(duì)應(yīng)某一能級(jí)差，故只能放出某一頻率的光子，故A錯(cuò)誤，D正確。(1)電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，不向外輻射能量。(2)原子輻射的能量與電子繞核運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，只由躍遷前后的兩個(gè)能級(jí)差決定。(3)處于基態(tài)的原子是穩(wěn)定的，而處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。(4)原子的能量與電子的軌道半徑相對(duì)應(yīng)，軌道半徑大，原子的能量大，軌道半徑小，原子的能量小。3．已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1，激發(fā)態(tài)能量En＝，其中n＝2，3…，用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速。C第一激發(fā)態(tài)的能量最低，為n=2。根據(jù)題意，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2。電離過(guò)程即氫原子從第一激發(fā)態(tài)躍遷至最高能級(jí)（n=∞），所需吸收的最小光子能量為E=E0-E2=-E2。由此可得：－＝，所以能使氫原子從第一激發(fā)態(tài)電離的光子最大波長(zhǎng)為λ＝－，故選項(xiàng)C正確。對(duì)氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷問(wèn)題的理解原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí)，會(huì)吸收或輻射出一定頻率的光子。試探究：(1)若從E3到E1是否只有E3→E1一種可能？(2)如果是一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)，最多有多少條譜線？提示：(1)不是，可以是E3→E1也可以是E3→E2，再E2→E1兩種可能。(2)共有N＝＝C條。(1)能級(jí)圖中n稱為量子數(shù)，E1代表氫原子的基態(tài)能量，即量子數(shù)n＝1時(shí)對(duì)應(yīng)的能量，其值為－13.6eV。En代表電子在第n個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量。(2)繪制能級(jí)圖時(shí)，能級(jí)橫線間距與能級(jí)差成正比，能級(jí)差越大，間隔越寬。因此，量子數(shù)越大，能級(jí)越密集。豎直線的箭頭指示原子躍遷方向，長(zhǎng)度反映輻射光子能量大小。n=1代表基態(tài)，n趨向于無(wú)窮大對(duì)應(yīng)電離狀態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它會(huì)自發(fā)地向較低能級(jí)躍遷，經(jīng)過(guò)一次或幾次躍遷到達(dá)基態(tài)。所以一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N＝C＝。原子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)以光子的形式放出能量，發(fā)射光子的頻率由下式?jīng)Q定。hν＝Em－En(Em、能級(jí)差越大，放出光子的頻率就越高。(1)原子吸收光子能量激發(fā)時(shí)，其能量必須等于兩能級(jí)差值；否則不被吸收。在激發(fā)至n能級(jí)時(shí)若有剩余能量，在n+1能級(jí)時(shí)則不足，因此可探討激發(fā)至n能級(jí)的問(wèn)題。(2)原子能吸收外來(lái)實(shí)物粒子（如自由電子）的能量，激發(fā)自身。若入射粒子能量超過(guò)兩能級(jí)能量差（E=En-Ek），則可引發(fā)原子能級(jí)躍遷。【例3】氫原子的能級(jí)圖如圖所示，已知可見(jiàn)光光子能量范圍為1.62～3.11eV。思路點(diǎn)撥：(1)紫外線光子能量若大于1.51eV則能電離，否則不能。(2)輻射光子能量在1.62～3.11eV內(nèi)則為可見(jiàn)光，紅外線有明顯的熱效應(yīng)。A[紫外線光子的能量一定大于可見(jiàn)光光子的能量，即一定大于3.11eV，而從第3能級(jí)電離只需要1.51eV能量，選項(xiàng)A正確；從高能級(jí)向第3能級(jí)躍遷時(shí)輻射出光子的能量一定小于1.51eV，因此不含可見(jiàn)光，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；氫原子從第2能級(jí)向基態(tài)躍遷，輻射光子的能量為10.2eV代表紫外線，紅外線才表現(xiàn)出顯著的熱效應(yīng)，選項(xiàng)C不正確；大量氫原子從第4能級(jí)躍遷至較低能級(jí)時(shí)，可產(chǎn)生6種不同頻率的光子，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。大量處于n激發(fā)態(tài)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，最多可輻射種頻率的光子。一個(gè)處于n激發(fā)態(tài)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，最多可輻射(n－1)種頻率的光子?！疽活}多變】如果只有一個(gè)處于n＝5激發(fā)態(tài)的氫原子向n＝2的激發(fā)態(tài)躍遷，最多可有幾種頻率的光子？[解析]從n＝5激發(fā)態(tài)到n＝2的激發(fā)態(tài)，最多有5→4，4→3，3→2三種頻率的光子。A．用10.2B．用11C．用14D．用10AC[由氫原子的能級(jí)圖可求得E2－E1＝－3.40eV－(－13.6)eV＝10.2eV，即10.2eV是第2能級(jí)與基態(tài)之間的能量差，處于基態(tài)的氫原子吸收10.2eV的光子后將躍遷到第2能級(jí)態(tài)，可使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)，A正確；Em－E1≠11eV，即不滿足玻爾理論關(guān)于躍遷的條件，B錯(cuò)誤；要使處于基態(tài)的氫原子發(fā)生電離，照射光的能量須≥13.6eV，而14eV＞13.6eV，故14eV的光子可使基態(tài)的氫原子發(fā)生電離，C正確；Em－E1≠10eV，既不滿足玻爾理論關(guān)于躍遷的條件，也不能使氫原子發(fā)生電離，D錯(cuò)誤。1．物理觀念：光譜、連續(xù)譜、線狀譜、能級(jí)、躍遷、軌道量子化、定態(tài)、電子云。2．科學(xué)思維：氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析、玻爾原子模型的理解與能級(jí)圖的應(yīng)用。3．科學(xué)方法：假設(shè)法、實(shí)驗(yàn)法、圖像法、模型法等。1．(多選)白光通過(guò)棱鏡后在屏上會(huì)形成按紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、BCD：白光通過(guò)棱鏡后，不同顏色的光因折射率差異而落在屏上不同位置，展示了棱鏡對(duì)各色光的偏折程度各異。連續(xù)光譜按波長(zhǎng)（或頻率）排列，表明白光包含多種頻率的光，光的顏色由波長(zhǎng)（或頻率）決定，并非棱鏡本身增加了顏色。C、D正確，A錯(cuò)誤。A．熾熱的固體、AD[連續(xù)光譜的產(chǎn)生證實(shí)A正確；吸收光譜中的暗線與明線光譜中的明線相對(duì)應(yīng)，但通常在吸收光譜中觀察到的暗線數(shù)量少于明線光譜中的明線，B錯(cuò)誤；氣體發(fā)光時(shí)，高壓氣體產(chǎn)生吸收光譜，稀薄氣體則產(chǎn)生明線光譜，C錯(cuò)誤，D正確。]B．處于定態(tài)的原子，其電子做變速運(yùn)動(dòng)，但它并不向外輻射能量發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，要放出或吸收一定頻率的光子，光子能量取決于兩個(gè)軌道的能量差，故選項(xiàng)D正確。4．(多選)一群處于基態(tài)的氫原子吸收某種光子后，向外輻射了ν1、ν2、氫原子吸收光子后，從基態(tài)躍遷至第3能級(jí)，隨后不穩(wěn)定地向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子。其中，從第3能級(jí)躍遷到第1能級(jí)的光子能量最大，為hν1；從第2能級(jí)躍遷到第