3　氢原子光谱教学目标设计

18.4

玻尔的原子模型

三维教学目标

1、知识与技能

（1）了解玻尔原子理论的主要内容（三个假设）；

（2）了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。

2、过程与方法：通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生。

3、情感、态度与价值观：培养对科学的探究精神，学会用类比的方法理解抽象知识。

教学重点：玻尔原子理论的基本假设

教学难点：玻尔理论对氢光谱的解释

对频率条件: hv=Em-En的应用

教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。

教学用具：iPad，二维码答题卡。

教学过程：

（一）引入新课

提问：

（1）电子的发现有何物理意义？

（2）汤姆逊据此提出了什么理论？

（3）α粒子散射实验说明原子内部是怎样的？

（4）卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾？

电子绕核运动（有加速度）

辐射电磁波

频率等于绕核运行的频率

能量减少、轨道半径减少

频率变化

为了解决上述矛盾，丹麦物理学家玻尔，在1913年提出了自己的原子结构假说。

（二）进行新课

1、观看动画

提问（1）卡通人物在斜面上能否站稳？

（2）最终导致了什么结果？

（3）后来斜面发生了什么变化？

（4）这对于结决上述矛盾有什么启示？

引导思考：连续的轨道，连续的能量变化是不行的？分立的轨道和能量是不是就如同一级一级的台阶一样，能够使原子稳定在不同的状态和轨道上呢？

2、玻尔的原子理论

（1）能级（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，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）

（2）跃迁假设：原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）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为普朗克恒量）（本假设针对线状谱提出）

（3）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）

3、玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：

轨道半径：

n=1，2，3……能

量：

n=1，2，3……式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En

分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。

【观看第二个动画，对“跃迁”和能量量子化进行形象科学地理解】

4、氢原子的能级图

从玻尔的基本假设出发，运用经典电磁学和经典力学的理论，可以计算氢原子中电子的可能轨道半径和相应的能量。

（1）氢原子的大小：氢原子的电子的各条可能轨道的半径rn：

rn=n2r1，

r1代表第一条（离核最近的一条）可能轨道的半径

r1=0.53×10-10 m 例如：n=2，

r2=2.12×10-10 m （2）氢原子的能级：

原子在各个定态时的能量值En称为原子的能级。它对应电子在各条可能轨道上运动时的能量En（包括动能和势能）

En=E1/n2

n=1，2，3，······

E1代表电子在第一条可能轨道上运动时的能量，E1=-13.6eV

注意：计算能量时取离核无限远处的电势能为零，电子带负电，在正电荷的场中为负值，电子的动能为电势能绝对值的一半，总能量为负值。

例如：n=2，E2=-3.4eV，

n=3，E3=-1.51eV，

n=4，E4=-0.85eV，……

氢原子的能级图如图所示：

5、玻尔理论对氢光谱的解释

（1）基态和激发态

基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态，叫基态。

激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态。

（2）原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。

说明：氢原子中只有一个核外电子，这个电子在某个时刻只能在某个可能轨道上，或者说在某个时间内，由某轨道跃迁到另一轨道——可能情况只有一种。可是，通常容器盛有的氢气，总是千千万万个原子在一起，这些原子核外电子跃迁时，就会有各种情况出现了。但是这些跃迁不外乎是能级图中表示出来的那些情况。

5、玻尔理论对巴尔末经验公式的解释

（由跃迁条件和能级假设来解释巴尔末观察氢光谱总结出来的经验公式）

6、玻尔理论的局限性

1．玻尔理论的成功之处：玻尔理论第一次将

量子观念

引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了

氢原子

光谱的实验规律．

2．玻尔理论的局限性：保留了

经典粒子

的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的轨道运动．

3．电子云：原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现

概率

的大小，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像

云雾

一样分布在原子核周围，故称

电子云

．