資源簡介

4.4氫原子光譜和玻爾的原子模型 教案
【教材分析】
（一）教材分析
本節內容主要分為兩大部分：第一部分是光譜、氫原子光譜的實驗規律和經典理論的困難；第二部分是波爾原子理論的基本假設、波爾理論對氫原子光譜的解釋和玻爾理論的局限性。第二部分的是本節的中點難點。
本節內容再現了原子結構理論在實踐中接受檢驗、推理、再檢驗、再修正的過程。要在教學過程中使學生體會到，從原子結構的核式結構（理論）到經典理論難以解釋（實踐）再到玻爾原子結構假設說（新理論）再到對氫光譜的成功解釋（再實踐）的科學探究過程，領會科學方法和科學精神。
波爾意識到經典理論在解釋原子結構方面的困難，在普朗克關于黑體輻射的量子論和愛因斯坦關于光子概念的啟發下，把量子觀念引人原子系統，提出了自己的原子結構假說，包括軌道量子化與定態、躍遷的頻率條件（又叫輻射條件）。盡管波爾模型后來被證明很不完善，但仍是人們認識原子結構的一個重要標志。
【學情分析】
（一）學情分析
物理觀念：了解人類探索原子及其結構的歷史。知道原子的核式結構模型。通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構。明確玻爾原子模型的意義。
科學思維：領悟理論與實踐結合的科學思想。掌握發現錯誤-分析原因-提出假設-實驗驗證的科學探究方法
科學探究：物理學史中重要理論和實驗的產生有其歷史發展的必然性，在對這種必然性以及理論與實驗的科學性的分析過程就是一種非常可行的科學探究過程。
科學態度與責任： 理解人類對原子的認識和研究經歷了一個十分漫長的過程， 這一過程也是辯證發展的過程，通過教學讓學生體驗科學家所進行的科學探究，領會科學方法和科學精神。
【教學目標】
（一）教學目標
物理觀念：知道玻爾原子理論基本假設的內容，了解能級、能級躍遷、能量量子化、基態、激發態等概念和相關的實驗規律。
科學思維：掌握玻爾理論對氫光譜的解釋，能用原子能級圖分析、推理、計算，提高解決問題的能力。
科學探究：通過對氫原子光譜實驗規律的探究及玻爾理論的理解，揭示物理現象的科學本質，提高探究能力。
科學態度與責任：學會用事實說話，堅持實事求是的科學態度，體驗科學家的艱辛，激發探索科學規律的熱情。
【教學重難點】
（一）教學重難點
重點:
玻爾原子理論的基本假設
難點:
玻爾理論對氫光譜的解釋
【新課導入】
（一）新課導入
核外電子繞核運動——輻射電磁波——電子軌道半徑連續變小——原子不穩定——輻射電磁波頻率連續變化。
事實上：原子是穩定的；輻射電磁波頻率只是某些確定值。
盧瑟福核式結構模型與經典的電磁理論發生了矛盾：無法解釋原子的穩定性；無法解釋原子光譜的分立性
【新課講解】
（一）光譜
光譜
1.光譜的定義
我們知道自然界中的白光其實是復合光，由多種不同頻率的光組成，用三棱鏡或者光柵可以把物質發出的光按波長展開，從而獲得光的頻率和強度分布的記錄，就是光譜。
問題：那光譜有哪些類別呢？
2.光譜的分類
①連續譜：光譜是連在一起的光帶
它由連續分布的一切波長的光簇組成。如圖，所示的鎢絲白熾燈的光譜。一般來說，熾熱的固體，液體或高壓氣體發出的光都形成連續光譜。比如熾熱的鋼水。
②線狀譜：光譜是一條條分立的亮線。
它只由游離狀態的原子發射，所以也叫原子光譜。一般來說，稀薄氣體或金屬的蒸氣發出的光會形成線狀譜，線狀譜中的亮線叫譜線。比如圖中的三條就是線狀譜，雖然期間也有一些地方連續，但是中間斷了。
3.特征譜線
原子只發出幾種特定頻率的光。不同原子的亮線位置不同，說明不同原子的發光頻率是不一樣的，因此，這些亮線稱為原子的特征譜線。
4.光譜分析
同種元素的原子產生的線狀譜是相同的，但不同元素的原子產生了，線狀譜是不同的。意味著可以從線狀譜中鑒別物質的元素組成，這種光譜分析法，對于鑒別化學元素有著巨大的意義。它不僅判斷迅速，而且異常靈敏，只要某種元素的含量達到十的負10-10克，就可以通過特征譜線將其檢測出來。
（一）氫原子光譜的實驗規律
氫原子光譜的實驗規律
原子內部電子的運動是原子發光的原因，所以光譜研究，可以用來探索原子內部結構，從而驗證盧瑟福核式結構。我們從最簡單的原子氫原子下手。
實驗表明：在可見光區，光譜的結果顯示氫原子只能發出一系列特定波長的光。氫原子光譜一共有四條譜線。
思考：測出氫原子光譜的譜線位置之后，那么它有什么規律呢？
可見光區譜線規律——巴爾末公式
n=3，4，5
里德伯常量：=1.10×10-7m-1
n有兩層含義：
①每一個n值分別對應一條譜線。
②n只能取正整數3,4,5…,不能取連續值，反映了氫原子光譜波長的分立特征（線狀譜）。
用它計算出的波長與實際測量值的相對誤差不超過1/4萬，吻合的非常好。巴爾末公式以簡潔的形式反映了氫原子光譜的分立特征，對光譜學和近代物理學的后續發展產生了重要影響。
問題：這個簡潔的結構揭示了怎樣的原子結構呢？
（一）經典理論的困難
經典理論的困難
1.矛盾一
原子的特征光譜是分立的，不連續的，如果用經典理論來看，這也說明電子在原子中做怎樣的運動呢？
經典理論：電子要以一定的速度繞著原子核轉動。同時外輻射能量，造成電子的能量越來越小。運動的軌道半徑也會越來越小，最終落在原子核上。即原子是不穩定的。
事實是：原子是穩定系統。
2.矛盾二
經典理論：輻射電磁波的頻率也應該變大，并且應該是連續變化的。
事實是：輻射的光譜是不連續。
這些矛盾說明物理學迫切需要新理論，新觀念。那具體是什么新理論呢？
（一）玻爾原子理論的基本假設
玻爾原子理論的基本假設
1、軌道量子化——針對原子核式結構模型提出
①繞核運動的電子軌道半徑只能是某些分立的數值
②電子在軌道繞核轉動是穩定的，不產生電磁輻射
軌道量子化：（n=1，2，3....）
氫原子：=0.053nm
2、能量量子化（定態、能級）——針對原子的穩定性提出
①定態：原子中具有確定能量的穩定狀態
基態：能量最低的狀態(離核最近)
激發態：其他的能量狀態
②能級：原子的在各種定態時的能量值
能量量子化：
氫原子：
3、頻率條件(躍遷假說)——針對原子光譜是線狀譜提出
躍遷：原子在從高（低）能級跳到低（高）能級電子輻射（吸收）光子的過程。
頻率條件:
成功解釋了氫光譜的所有譜線
（一）玻爾理論對氫光譜的解釋
玻爾理論對氫光譜的解釋
1、向低軌道躍遷：發射光子
躍遷時發射光子的能量：
光子的能量必須等于能級差
處于激發態的原子是不穩定的，可自發地經過一次或幾次躍遷到達基態。
說明：由于能級是分立的，所以放出的光子的能量也是分立的，因此原子的發射光譜只有一些分立的亮線。
2、向高軌道躍遷：吸收光子
躍遷時吸收光子的能量：
吸收光子的能量必須等于能級差，因此吸收光譜也是一些分立的暗線
當光子的能量大于或等于該能級的能量時，
處于某個能級的電子吸收能量，掙脫原子核的束縛，成為自由電子的現象，叫做電離。
電離后自由電子動能EK = hv - En
課堂練習1、根據玻爾原子結構理論，氫原子的能級圖如圖所示。一個（或一群）處于第n能級的氫原子，向基態（第1能級）躍遷時，最多可輻射多少種不同頻率的光？
躍遷時電子動能、原子勢能、原子能量的變化
1.當n減小即軌道半徑減小時。庫侖力做正功，電子動能增加、原子勢能減小、向外輻射能量，原子能量減小。
2.當n增大即軌道半徑增大時。庫倫力做負功，電子動能減小、原子勢能增大、從外界吸收能量，原子能量增大。
（一）玻爾理論的局限性
波爾理論的局限性
玻爾理論成功的解釋并預言了氫原子輻射的電磁波的問題，但是也有它的局限性。
①復雜一點的原子，就無法解釋它的光譜現象（如氦）
②無法解釋譜線的強度
原因：保留了靜電粒子的觀念，仍然把電子的運動看做經典力學描述小的軌道運動。
解決辦法：必須徹底放棄經典概念，用電子云概念取代經典的軌道概念，而使用量子力學的描述。
回顧人類探索原子結構的歷程
到此原子結構的認識史，就大致講完了，早年間人們以為原子不可再分，后來湯姆孫發現電子提出原子具有內部結構，然后a粒子散射實驗否定了湯姆孫棗糕模型，于是有了盧瑟福核式模型。而他無法解釋原子穩定性和光譜現象，所以波爾做了修正。最后復雜原子光譜說明波爾模型也不夠完善，電子云模型要更貼切一些。
可以看到，每一種新理論的建立，都是依靠觀察和實驗所獲得的事實，但他們要不斷的被新的實驗事實推翻、修正，科學上是以這樣的方式在不斷前進。 而前進道路上的每一步，都為這個進程做出了貢獻，正如波爾模型雖然最終被修正了，但他講量子論的影響大大擴展了，功不可沒。
科學漫步——光譜分析
由基爾霍夫開創的光譜分析方法對鑒別化學元素有著巨大的意義。許多化學元素，像艷、物、鉈、銅、鎵，都是在實驗室里通過光語分析發現的。
光譜分析還為深入原子世界打開了道路。近代原子物理學正是從原子光譜的研究中開始的。
【板書】
（一）板書
一、玻爾原子理論的假設
1、軌道量子化
2、能量量子化
3、頻率條件
二、玻爾理論對氫光譜的解釋
1、躍遷
2、電離
三、玻爾理論的局限性
1、氦原子光譜
2、電子云
【課后反思】
（一）課后反思
本節到此原子結構的認識史就大致講完了，學生對原子內部的結構有個大概的認識，但是期間許多科學家提出的模型都是由局限性的，即使最后的波爾理論也是如此，那么這就會給學生一種感受——這些東西不重要。教學時可以看到，每一種新理論的建立，都是依靠觀察和實驗所獲得的事實，但他們要不斷的被新的實驗事實推翻、修正，科學上是以這樣的方式在不斷前進。而前進道路上的每一步，都為這個進程做出了貢獻，正如波爾模型雖然最終被修正了，但他講量子論的影響大大擴展了，功不可沒。

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