人教版波尔的原子模型.pptx

第十八章 原子结构 第四节 波尔的原子模型人教版选修人教版选修3-5 1919世纪末世纪末2020世纪初，人世纪初，人类叩开了微观世界的大门，类叩开了微观世界的大门，物理学家根据有研究提出物理学家根据有研究提出了关于原子结构的各种模了关于原子结构的各种模型，卢瑟福的核式结构模型，卢瑟福的核式结构模型能够很好的解释型能够很好的解释 散射散射实验现象，得到了许多人实验现象，得到了许多人的支持，但是与经典的电的支持，但是与经典的电磁理论发生了矛盾，也有磁理论发生了矛盾，也有很多人反对很多人反对Zx xk历史回顾历史回顾卢瑟福的核式结构模型存在哪些致命的弱点？卢瑟福的核式结构模型存在哪些致命的弱点？原子核式结构模型原子核式结构模型与与经典电磁理论经典电磁理论的矛盾的矛盾核外电子绕核运动核外电子绕核运动辐射电磁波辐射电磁波电子轨道半径连续变小电子轨道半径连续变小原子不稳定原子不稳定辐射电磁波频率连续变化辐射电磁波频率连续变化事实上事实上：原子是稳定的原子是稳定的辐射电磁波频率只是辐射电磁波频率只是某些确定值某些确定值如何解决这个矛盾？如何解决这个矛盾？哪些科学家的观点可以启发我们呢？哪些科学家的观点可以启发我们呢？2、能级假设：、能级假设：a.a.电子在不同轨道上运动时，原子处于不同状态电子在不同轨道上运动时，原子处于不同状态具有不同能量，所以具有不同能量，所以原子能量原子能量也是也是量子化的量子化的。b.b.原子量子化的原子量子化的能量值叫能量值叫能级能级；原子中这些具有确定能量的稳定状态叫；原子中这些具有确定能量的稳定状态叫定态定态；能量最低的状态叫能量最低的状态叫基态基态，其他状态叫，其他状态叫激发态激发态。（本假设是针对原子稳定性提出的）3、频率条件：、频率条件：电子从一种定态轨道（设能量为电子从一种定态轨道（设能量为EmEm）跃迁跃迁到另一到另一种定态（设能量为种定态（设能量为EnEn）时，它）时，它辐射辐射（或（或吸收吸收）一定频率一定频率的光子，的光子，光子的能量由这两种定态的光子的能量由这两种定态的能量差决定能量差决定，即，即 （本假设针对线状谱提出）Em En h v1 1、轨道量子化：、轨道量子化：围绕原子核运动的电子轨道半径只能围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些是某些分立分立的数值，即电子的轨道是的数值，即电子的轨道是量子化的量子化的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）一、玻尔原子理论的基本假设一、玻尔原子理论的基本假设（19131913年玻尔提出）年玻尔提出）轨道半径轨道半径：能能 量量：（n=1,2,3)式中式中r r1 1=0.5310-10、E E1 1=-13.6ev=-13.6ev分别代表第一条分别代表第一条（即（即离核最近的离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，上运动时的能量，r rn n、E En n 分别代表第分别代表第n n条可能轨道的条可能轨道的半径和电子在第半径和电子在第n n条轨道上运动时的能量条轨道上运动时的能量（包括动能包括动能和势能和势能），n n是正整数是正整数，叫，叫量子数量子数。二、玻尔理论对氢光谱的解释二、玻尔理论对氢光谱的解释思考：思考：比较比较 和和 ，利用波长，利用波长和频率的关系，试推导氢原子能级表达式。如何解释你和频率的关系，试推导氢原子能级表达式。如何解释你得到的结论？得到的结论？Zx xk氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE/eV 基态基态激激发发态态赖曼系赖曼系巴巴耳耳末末系系帕帕邢邢系系布布喇喇开开系系普普丰丰德德系系2、氢原子的能级图氢原子的能级图n=6n=5n=4n=1n=3n=2根据：根据：E=hv，=c/v又又E=1.89eV=3.03 10-19J 所以，所以，=hc/E=6.6310-34 3.0 10-8 /3.03 10-19J=6.57 10-7(m)（巴尔末系）HHHHHHHHn=4n=6n=5n=1n=3n=2巴尔巴尔末系末系氢吸氢吸收光收光谱谱玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条玻尔理论解决了原子的稳定性和辐射的频率条件问题件问题，但是也有它的局限性，但是也有它的局限性Z x xk在解决核外电子的运动时在解决核外电子的运动时成功引入了成功引入了量子化量子化的观念的观念同时又应用了同时又应用了“粒子粒子、轨道轨道”等等经典概念经典概念和和有关有关牛顿力学牛顿力学规律规律除了氢原子光谱外，在解决其他除了氢原子光谱外，在解决其他问题上遇到了很大的困难问题上遇到了很大的困难三、玻尔模型的局限性三、玻尔模型的局限性氦原子光谱氦原子光谱量子化条件的引进没有量子化条件的引进没有适当的理论解释。适当的理论解释。夫兰克夫兰克赫兹实验的历史背景及意义：赫兹实验的历史背景及意义：19111911年，卢瑟福根据年，卢瑟福根据粒子散射实验，提出了原子核粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。式结构模型。19131913年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子年，玻尔将普朗克量子假说运用到原子核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：核式结构模型，建立了与经典理论相违背的两个重要概念：原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴原子定态能级和能级跃迁概念。电子在能级之间跃迁时伴随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所随电磁波的吸收和发射，电磁波频率的大小取决于原子所处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光处两定态能级间的能量差。随着英国物理学家埃万斯对光谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都谱的研究，玻尔理论被确立。但是任何重要的物理规律都必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在19141914年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气年，德国科学家夫兰克和他的助手赫兹采用电子与稀薄气体中原子碰撞的方法体中原子碰撞的方法(与光谱研究相独立与光谱研究相独立)，简单而巧妙地，简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提供了直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原子理论提供了有力的证据。有力的证据。科学足迹科学足迹 1925 1925年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年，由于他二人的卓越贡献，他们获得了当年的诺贝尔物理学奖（年的诺贝尔物理学奖（19261926年于德国洛丁根补发）。年于德国洛丁根补发）。夫兰克夫兰克-赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手赫兹实验至今仍是探索原子内部结构的主要手段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统段之一。所以，在近代物理实验中，仍把它作为传统的经典实验。的经典实验。(JAMES FRANCK)(GUSTAV HERTZ)夫兰克夫兰克赫兹实验的理论基础赫兹实验的理论基础 根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状根据玻尔的原子理论，原子只能处于一系列不连续的稳定状态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值Ei(i=1,2,3)Ei(i=1,2,3)，这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高这些能量值称为能级。最低能级所对应的状态称为基态，其它高能级所对应的态称为激发态。能级所对应的态称为激发态。当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或当原子从一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时就会吸收或辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间辐射一定频率的电磁波，频率大小决定于原子所处两定态能级间的能量差。的能量差。(h为普朗克常数)本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能本实验中是利用一定能量的电子与原子碰撞交换能量而实现，并满足能量选择定则：量而实现，并满足能量选择定则：(为激发电位为激发电位)夫兰克夫兰克-赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实赫兹实验玻璃容器充以需测量的气体，本实验用的是汞。电子由阴级验用的是汞。电子由阴级K K发出，发出，K K与栅极与栅极G G之间有加速之间有加速电场，电场，G G与接收极与接收极A A之间有减速电场。当电子在之间有减速电场。当电子在KGKG空间经空间经过加速、碰撞后，进入过加速、碰撞后，进入KGKG空间时，能量足以冲过减速电空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。场，就成为电流计的电流。实验原理：实验原理：改进的夫兰克改进的夫兰克-赫赫兹管的基本结构见右图。兹管的基本结构见右图。电子由阴极电子由阴极K K发出，阴发出，阴极极K K和第一栅极和第一栅极G1G1之间之间的加速电压的加速电压VGVG1 1K K及与第及与第二栅极二栅极G G2 2之间的加速电之间的加速电压压VGVG2 2K K使电子加速。在使电子加速。在板极板极A A和第二栅极和第二栅极G G2 2之之间可设置减速电压间可设置减速电压VGVG2A2A。AVVG1KKVG2KG1VG2AG2电子电子汞原子汞原子A灯丝夫兰克夫兰克赫兹管结构图赫兹管结构图 设汞原子的基态能量为设汞原子的基态能量为E E0 0，第一激发态的能量为，第一激发态的能量为E E1 1，初速为零，初速为零的电子在电位差为的电子在电位差为V V的加速电场作用下，获得能量为的加速电场作用下，获得能量为eVeV，具有这种，具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量eVEeV r rb b，则在此过程中（，则在此过程中（）A A、原子要发出一系列频率的光子、原子要发出一系列频率的光子 B B、原子要吸收一系列频率的光子、原子要吸收一系列频率的光子 C C、原子要发出某一频率的光子、原子要发出某一频率的光子 D D、原子要吸收某一频率的光子、原子要吸收某一频率的光子C