高三物理教案——《玻尔的原子模型 能级》

关键词： 科学

高三物理教案——《玻尔的原子模型 能级》（共2篇）

篇1：高三物理教案——《玻尔的原子模型 能级》

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玻尔的原子模型 能级

教学目标

1．知识目标

1)理解玻尔关于轨道量子化的概念,充分认识玻尔关于轨道半径不可能取任意值的论断．

2)理解能级的概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系． 3)知道原子光谱为什么是一些分立的值．知道原子光谱的一些应用． 2．能力目标。

介绍物理学史,培养科学探索的精神.3.德育目标 探索精神.重点难点分析：

玻尔理论是本节课重点；对原子发光现象解释是本节难点． 教学设计思路：

玻尔理论建立在三个假设的基础上，它对氢原子电磁辐射的成功解释和预言，是以两个假设为前提的必然结果．学习时，要在理解玻尔关于轨道量子化概念的基础上，经推理得到能量量子化的概念，在掌握能级等概念的前提下，运用能的转化和能量守恒定律理解跃迁规律，从而掌握原子光谱的特征． 教学媒体: 挂图(或投影片)，分光镜，课件等 教学过程：

（一）引入新课

同学们知道原子的结构吗?初中我们曾经学过的原子结构是由英国物理学家卢瑟福依据他的实验结果提出来的，我们称之为核式结构．

你对该结构产生过怀疑吗?

按卢瑟福的原子模型，电子在绕核高速旋转，其运动情况类似振荡电荷．按经典电磁理论，振荡电荷要以电磁波的形式不断向外辐射能量．损失能量后的电子轨道半径将逐渐减小，最终将落在原子核中．这一过程中，由于轨道半径是连续变化的，振荡频率也是连续变化的，向外辐射的能量也应是连续的(发出的光谱是连续的)．

然而，事实并非如此．我们知道大多数原子是稳定的，在通常情况下是不发射电磁波的．即使在某些状态下发射电磁波，其频率也不是连续的，而是具有某些分立的确定的数值．

问题出在何处?是电磁理论错了?还是原子模型建立的不对?或是其他什么原因?

面对上述困难，丹麦物理学家玻尔经过认真研究于1913年提出了他自己的原子结构模型.保护原创权益·净化网络环境

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（二）新课活动

一、玻尔模型 玻尔原子理论

玻尔把量子观念引入原子理论中，这是一个创举．根据玻尔的假设，电子只能在某些可能的轨道上运动，电子在这些轨道上运动时不辐射能量，处于定态，只有电子从一条轨道跃迁到另一条轨道上时才辐射能量．辐射的能量是一份一份的，等于这两个定态的能量差．这些就是玻尔理论的主要内容．

1、模型中保留了卢瑟福的核式结构．但他认为核外电子的轨道是不连续的，它们只能在某些可能的、分立的轨道上运动，而不是像行星或卫星那样，能量大小可以是任意的量值．例如，氢原子的电子最小轨道半径为r1＝0．53nm，其余可能的轨道半径还有2.120nm、4.770nm、…不可能出现介于这些轨道之间的其他值．这样的轨道形式称为轨道量子化．

2、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，这样的状态也称之为定态．这些定态下的能量值叫能级，原子每一个可能的状态都对应着一个能级．

二、能级

1、能级：原子在定态下的能量值．

2、基态与激发态 若要使原子电离，需靠外界对原子做功，以使电子摆脱它与原子核之间的库仑力，所以原子电离后的能量比它处在各状态时的能量要高．若此时的能量规定为0，则其他状态的能量均为负值．能量最低的状态叫做基态，其他状态都叫激发态．

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，这样的能量形式称为能量量子化．

能量最低的状态叫基态(E1)，其他状态叫激发态(E2、E3、E4……)

三、光子的发射和吸收

原子处在能量最低的基态时，最为稳定．

原子处在较高能级的激发态时会自发地向较低能级跃迁．它可能经过一次或几次跃迁，最后到达基态(教材第52页氢原子能级图)．在跃迁进程中，能量的减少以光子的形式放出．光子的能量遵从：

hE2E1

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反之，原子吸收相应光子的能量后，会从低能级向高能级跃迁．

四、原子光谱

1、光谱

按一定次序排列的彩色光带.⑴发射光谱:由发光物体直接产生的光谱叫做发射光谱。

① 连续光谱：炽热的固体、液体及高压气体的，由波长连续分布的光组成的光谱．

例如电灯灯丝发出的光，炽热钢水发出的光 ② 明线光谱：稀薄气体发光，产生一些不连续的亮线组成的光谱．

把固态或液态物质放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以得到它们的明线光谱．

明线光谱是由游离状态的原子发出的，也叫原子光谱．每种元素的原子只能发出某些具有特定波长的光谱线,这些谱线叫做那种元素的特征谱线.⑵吸收光谱: 每种气体都从通过它的白光中吸收跟它的特征谱线波长相同的那些光，使白光的连续光谱中出现暗线．连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱．

白光通过每一种气体时，光谱中都会产生一组暗线，每条暗线的波长都跟那种气体原子的一条特征谱线相对应．

吸收光谱中的暗线也是原子的特征谱线.只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的要少一些．

2、氢原子光谱

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3、玻尔理论解释氢原子光谱

某种稀薄气体尽管元素成分较单一，但各原子分别处于不同的能量状态．它们由高能级向低能级的跃迁会出现多种可能，每一种可能对应发出某一频率的光子．而这些可能又由对应的能级差决定．能级是不连续的，能级差也是不连续的，所以导致原子光谱的亮线是不连续的(参看教材第52页能级跃迁图)．

4、光谱分析

由于每种元素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它的化学组成．这种方法叫做光谱分析．

做光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱． 这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．

铷和铯就是从光谱中看到了以前所不知道的特征谱线而发现的． 太阳大气层时产生的吸收光谱．

五、玻尔理论的局限性

玻尔理论成功地解释并预言了氢原子的电磁波谱的问题，但是它也有其局限性．它在解释多电子原子的光谱问题上遇到了很大的困难．究其原因是它还未能完全摆脱经典理论的束缚，过多地保留了轨道模型、圆周运动、·牛顿运动定律等经典电磁理论．

玻尔的原子模型是量子理论和经典理论的“混血儿”，实际上，经典理论中的某些概念规律在微观领域是不适用的，这正是玻尔理论在某些问题中失败的原因.（三）小结

1．玻尔假设：（1）定态假设

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些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．这些状态叫做定态．

（2）轨迹假设

原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)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，即

hE2E1

（3）跃迁假设

原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道。由于原子的能量状态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的，即电子不能在任意半径的轨道上运行．只有满足下列条件的轨道才是可能的：轨道半径r跟电子的动量mv的乘积等于h／2π的整数倍，即

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式中的n是正整数，叫做量子数．这种现象叫做轨道的量子化.h是普朗克常量.２．光谱

（四）巩固练习

１、关于光谱的下列说法中正确的是：（）

A、连续光谱和线状光谱都是发射光谱

B、线状光谱的谱线含有原子的特征谱线

C、固体、液体和气体的发射光谱是连续光谱，只有金属蒸气的发射光谱是线状光谱

D、在吸收光谱中，低温气体原子吸收的光恰好就是这种气体原子在高温时发出的光

２、下列产生吸收光谱的是：（）A、霓红灯发光产生的光谱

B、蜡烛火焰

C、高压水银灯发光产生的光谱

C、白光通过温度较低的钠蒸气

（五）布置作业

（六）教学后记（课后填写）

hmvrn2 n＝1，2，3……

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篇2：玻尔的原子模型考点分析

玻尔认为:围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值,这种现象叫轨道量子化;不同的轨道对应着不同的状态,在这些状态中,尽管电子做变速运动,却不辐射能量,因此这些状态是稳定的;原子在不同的状态中具有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的.

玻尔的原子模型包括以下三方面的内容:

(1)轨道假设,即轨道是量子化的,只能是某些分立的值;

(2)定态假设,即不同的轨道对应着不同的能量状态,这些状态中原子是稳定的,不向外辐射能量;

(3)跃迁假设,即原子在不同的状态下具有不同的能量,从一个定态向另一个定态跃迁时要辐射或吸收一定频率的光子,该光子的能量,等于这两个状态的能级差,即hν=EmEn.

例1μ子与氢原子核(质子)构成的原子称为μ氢原子,它在原子核物理的研究中有重要作用.图1为μ氢原子的能级示意图,假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n=2能级的μ氢原子,μ氢原子吸收光子后,发出频率为v1、v2、v3、v4、v5和v6的光,且频率依次增大,则E等于()

解析:设能量为E的光照射后,μ氢原子能量的最大量子数为n,跃迁能发出的光子种类为6种,由==6,得n=4,发出光子的频率大小相对应的能级跃迁如图2所示.能量为E的光照射到n=2的μ氢原子上,E应该等于n=2跃迁到n=4所吸收的能量,E=hv3,选项(C)正确.

点评:本题是一道新情景题,近年高考涉及玻尔理论的考题大多以新情景面目出现,解题时应注意将氢原子能级跃迁知识灵活迁移到新情景中去.这类问题求解时,一要弄清能量的来龙去脉,理解能量的转化关系;二要弄清能级跃迁与发出(或吸收)光子能量的对应关系,正确画出能级跃迁图是关键.

二、玻尔理论对氢原子光谱的解释

1. 氢原子的能级公式和轨道公式

设基态轨道的半径为r1,量子数为n的激发态轨道半径为rn,则有rn=n2r1(n=1,2,3…).

设基态能量为E1,量子数为n的激发态能量为En,则有En=E1(n=1,2,3…).其中

2. 对氢原子光谱的解释

原子从低能级向高能级跃迁,吸收一定能量的光子,当一个光子的能量满足hv=EmEn时,才能被某一个原子吸收,使原子从低能级En向高能级Em跃迁,而当光子能量hv大于或小于(Em-En)时都不能被原子吸收,当白光通过氢原子蒸气时,产生氢原子的吸收光谱.

原子从高能级向低能级跃迁,以光子的形式向外辐射能量,所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差.稀薄的氢原子蒸气发出的光产生氢原子的明线光谱.

例2氢原子的部分能级如图3所示,已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间,由此可推知,氢原子()

(A)从高能级向n=1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的短

(B)从高能级向n=2能级跃迁时发出的光均为可见光

(C)从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高

(D)从n=3能级向n=2能级跃迁时发出的光为可见光

解析:从高能级向n=1的能级跃迁的过程中辐射出的最小光子能量为9.20 eV(n=2→)n=1),不在1.62 eV到3.11 eV之间,这些光的能量(频率)比可见光大,据波速公式c=λv,波长比可见光的短,选项(A)正确.

已知可见光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间,从高能级向n=2能级跃迁时发出的光的能量≤3.40 eV,有部分能量大于3.11 eV的为紫外线,不是可见光,选项(B)错.

从高能级向n=3能级跃迁时发出的光的能量最大只有1.51 eV(红外线),而能量大于3.11 eV的光的频率才比可见光的高,选项(C)错.

从n=3到n=2的过程中释放的光的能量等于1.89 eV,介于1.62 eV到3.11 eV之间,所以是可见光,选项(D)对.

答案:(A)、(D).

三、玻尔原子模型与力学、电学的综合

玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念,但因保留了经典的原子轨道,故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论.对电子绕核运动的轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的计算,是牛顿运动定律、库仑定律、匀速圆周运动等知识的综合应用.

例3氢原子辐射出一个光子()

(A)电子绕核旋转半径增大

(B)电子的动能增大

(C)氢原子的电势能增大

(D)原子的能级值增大

解析:由玻尔理论可知,氢原子辐射光子后,总能量减少,电子应从离核较远轨道跃迁到离核较近轨道,选项(A)错.

由经典电磁理论,电子绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力,

可见,电子运动半径越小,其动能越大,选项(B)对.

电子从离核较远轨道跃迁到离核较近轨道过程中,电场力对电子做了正功,因而电势能应减小,选项(C)错.

据能量转化和守恒定律,氢原子放出光子,辐射出一定的能量,所以总能量减少,选项(D)错.

答案:(B).

四、各种粒子使原子跃迁(或电离)的区别

原子的跃迁条件hv=Em-En适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况,对下述两种情况,则不受此条件限制:

(1)当光子与原子作用而使氢原子电离,产生离子和自由电子时,原子结构被破坏,因而遵守有关原子结构的理论,如基态氢原子的电离能为13.6 eV,只要大于或等于13.6 eV的光子都能被处于基态的氢原子吸收而发生电离,电离所产生的自由电子的动能等于入射光子的能量减去电离能.

(2)实物粒子和原子作用使原子激发或电离,是通过实物粒子和原子碰撞来实现的.在碰撞过程中,实物粒子的动能可以全部或部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两个能级差值,就可以使原子受激发生跃迁到较高的能级;当入射粒子的动能大于原子在某能级的电离能时,也可以使原子电离.

例4氦原子被电离一个核外电子,形成类氢结构的氦离子,已知基态的氦离子能量为E1=-54.4 eV,氦离子的能级示意图如图4所示.在具有下列能量的光子或电子中,能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()(A) 42.8 eV的光子

(B) 54.4 eV的光子

(C) 42.8 eV的电子

(D) 60.0 eV的电子

解析:应注意到光子能量只能全部被吸收,而电子能量则可以部分被吸收.

若是吸收光子能量让基态氦离子发生跃迁,只能吸收特定的能量,从n=1→n=2吸收光子的能量为E2-E1=40.8 eV,从n=1→n=3吸收光子的能量为E3-E1=48.4 eV,从n=1→n=∞吸收光子的能量为E∞-E1=54.4 eV,选项(A)不符合要求,选项(B)符合要求.

具有一定能量的电子,只要电子能量大于基态氦离子发生跃迁到高能级所需能量,都能被氦离子吸收而发生跃迁,多余的能量转移为电子动能,故选项(C)、(D)符合要求.