高二物理選修3-5 玻爾的原子模型

高二物理選修3-5 玻爾的原子模型新課標(biāo)要求（一）知識與技能1了解玻爾原子理論的主要內(nèi)容。2了解能級、能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念。（二）過程與方法通過玻爾理論的學(xué)習(xí)，進一步了解氫光譜的產(chǎn)生。（三）情感、態(tài)度與價值觀培養(yǎng)我們對科學(xué)的探究精神，養(yǎng)成獨立自主、勇于創(chuàng)新的精神。教學(xué)重點玻爾原子理論的基本假設(shè)教學(xué)難點玻爾理論對氫光譜的解釋。教學(xué)方法教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。教學(xué)用具：投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備課時安排1 課時教學(xué)過程（一）引入新課復(fù)習(xí)提問：1粒子散射實驗的現(xiàn)象是什么？2原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的內(nèi)容是什么？電子繞核運動（有加速度）輻射電磁波 頻率等于繞核運行的頻率能量減少、軌道半徑減少 頻率變化電子沿螺旋線軌道落入原子核 原子光譜應(yīng)為連續(xù)光譜（矛盾：實際上是不連續(xù)的亮線）原子是不穩(wěn)定的 （矛盾：實際上原子是穩(wěn)定的） 3盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說與經(jīng)典電磁理論的矛盾教師：為了解決上述矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾，在1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說。（二）進行新課1玻爾的原子理論（1）能級（定態(tài)）假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)。（本假設(shè)是針對原子穩(wěn)定性提出的）（2）躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為En）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為Em）時，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即 （h為普朗克恒量）（本假設(shè)針對線狀譜提出）（3）軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。（針對原子核式模型提出，是能級假設(shè)的補充）2.玻爾根據(jù)經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計算出氫原子的電子的各條可能軌道半徑和電子在各條軌道上運動時的能量（包括動能和勢能）公式：軌道半徑： n=1，2，3能 量： n=1，2，3式中r1、E1、分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運動時的能量，rn、En 分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運動時的能量，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。3氫原子的能級圖從玻爾的基本假設(shè)出發(fā)，運用經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的理論，可以計算氫原子中電子的可能軌道半徑和相應(yīng)的能量。（1）氫原子的大小：氫原子的電子的各條可能軌道的半徑rn： rn=n2r1，r1代表第一條（離核最近的一條）可能軌道的半徑 r1=0.5310-10 m例：n=2， r2=2.1210-10 m（2）氫原子的能級：原子在各個定態(tài)時的能量值En稱為原子的能級。它對應(yīng)電子在各條可能軌道上運動時的能量En（包括動能和勢能） En=E1/n2 n=1，2，3，E1代表電子在第一條可能軌道上運動時的能量E1=-13.6eV 注意：計算能量時取離核無限遠處的電勢能為零，電子帶負電，在正電荷的場中為負值，電子的動能為電勢能絕對值的一半，總能量為負值。例：n=2，E2=-3.4eV， n=3，E3=-1.51eV， n=4，E4=-0.85eV，氫原子的能級圖如圖所示。4玻爾理論對氫光譜的解釋（1）基態(tài)和激發(fā)態(tài)基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，這時電子在離核最近的軌道上運動，這種定態(tài)，叫基態(tài)。激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級時，電子在離核較遠的軌道上運動，這種定態(tài)，叫激發(fā)態(tài)。（2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸收能量的過程。原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個能量以光子的形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。說明：氫原子中只有一個核外電子，這個電子在某個時刻只能在某個可能軌道上，或者說在某個時間內(nèi)，由某軌道躍遷到另一軌道可能情況只有一種。可是，通常容器盛有的氫氣，總是千千萬萬個原子在一起，這些原子核外電子躍遷時，就會有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級圖中表示出來的那些情況。5夫蘭克赫茲實驗（1）實驗的歷史背景及意義1911年，盧瑟福根據(jù)粒子散射實驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個重要概念：原子定態(tài)能級和能級躍遷概念。電子在能級之間躍遷時伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。隨著英國物理學(xué)家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨立的實驗方法的驗證。隨后，在1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨立），簡單而巧妙地直接證實了原子能級的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。1925年，由于他二人的卓越貢獻，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎（1926年于德國洛丁根補發(fā)）。夫蘭克-赫茲實驗至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實驗中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實驗。（2）夫蘭克赫茲實驗的理論基礎(chǔ)根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值En（n=1，2，3），這些能量值稱為能級。最低能級所對應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級所對應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)原子從一個穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時就會吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級間的能量差。 （h為普朗克恒量）本實驗中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實現(xiàn)，并滿足能量選擇定則： （V為激發(fā)電位）夫蘭克-赫茲實驗玻璃容器充以需測量的氣體，本實驗用的是汞。電子由陰級K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場，G與接收極A之間有減速電場。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過加速、碰撞后，進入KG空間時，能量足以沖過減速電場，就成為電流計的電流。（3）實驗原理：改進的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eVrb，則在此過程中（ C ）A原子要發(fā)出一系列頻率的光子B原子要吸收一系列頻率的光子C原子要發(fā)出某一頻率的光子D原子要吸收某一頻率的光子（四）課堂小結(jié)玻爾的原子模型是