学案正标题
一、考纲要求
1. 知道两种原子结构模型，会用玻尔理论解释氢原子光谱
2?掌握氢原子的能级公式并能结合能级图求解原子的跃迁问题
二、知识梳理
1. 原子的核式结构
(1) 1909?1911年，英国物理学家卢瑟福进行了a粒子散射实验，提出了原子的核式结构
模型.
(2) a粒子散射实验
①实验装置：如下图所示；
②实验结果：a粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90 °甚至被弹回.
(3) 核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转.
2. 氢原子光谱
氢原子光谱线是最早被发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：
1 (1 n
R、亍一孑J n= 3，4，5，…
3. 玻尔的原子模型
(1) 玻尔理论
①轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的
可能轨道是不连续的；
②定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态?因而具有不同的能量，
即原子的能量是不连续的. 这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，处于基
态的原子是稳定的，不向外辐射能量；
③跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，
光子的能量等于这两个状态的能量差，即h匸E m — E n ?
(2) 几个概念
①能级：在玻尔理论中，原子各个状态的能量值；
②基态：原子能量最低的状态；
③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他能量较高的状态；
④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数.
(3) 氢原子的能级和轨道半径
①氢原子的半径公式：r n = n2r i (n = 1, 2, 3 ,…)，其中r i为半径，r1 = 0.53 X10 —10m ；
1
②氢原子的能级公式：E n= ——E i(n = 1 , 2 , 3 ,…)，其中E i为基态能量，E i = — 13.6 eV.
三、要点精析
1. 对氢原子的能级图的理解
§ 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 § 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s ，它 们是电子本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s ，2 1 s 外场方向投影： 2h m S s z ， 2 1 s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e 外场方向投影： 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本 方程出发，很自然地导出了电子自旋的 性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量： 2*2)1(h l h l l p l 12,1,0 n l 自旋角动量： 2*2)1(h s h s s p s 21 s 总角动量： s l j p p p 2*2)1(h j h j j p j s l j ，1 s l ，……s l
当s l 时，共12 s 个值 当s l 时，共12 l 个值 由于 2 1 s 当0 l 时，2 1 s j ，一个值。 当 3,2,1 l 时，2 1 l j ，两个值。 例如：当1 l 时，23211 j 21211 j l p 和s p 不是平行或反平行，而是有一定的夹角 当s l j 时 0)1() 1(cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “平行” 当s l j 时 0)1()1(1 cos s s s l l l ，o 90 ，称l p 和s p “反平行” 原子的角动量=电子轨道运动的角动量+电子自旋运动角动量+核角动量。 原子的磁矩=电子轨道运动的磁矩+电子自旋运动磁矩+核磁矩。 三、电子轨道运动的磁矩 电子轨道运动的闭合电流为：T e i “-”表示电流方向与电子运动方向相反 面积：dt r rd r dA 22 121 一个周期扫过的面积： 2)1(h l l p l 是量子化的 B l l l m he l l p m e )1(4)1(2 量子化的。 223102740.94m A m he B ? 玻尔磁子 2h m L l z 空间取向量子化 四、自旋—轨道相互作用能 电子由于自旋运动而具有自旋磁矩： 具有磁矩的物体在外磁场中具有磁能： 电子由于轨道运动而具有磁场： 考虑相对论效应后，再乘以因子2 1做修正 r 是一个变量，用平均值代替：
高考经典课时作业15-2 原子结构、氢原子光谱 （含标准答案及解析） 时间：45分钟 分值：100分 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A ．光电效应实验 B ．伦琴射线的发现 C ．α粒子散射实验 D ．氢原子光谱的发现 2．关于巴耳末公式1λ ＝R ????122－1n 2的理解，下列说法正确的是( ) A ．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B ．公式中n 可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C ．公式中n 只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D ．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级，该氢原子( ) A ．放出光子，能量增加 B ．放出光子，能量减少 C ．吸收光子，能量增加 D ．吸收光子，能量减少 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( ) 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子( )
第4节氢原子光谱与能级结构 [目标定位]1.知道氢原子光谱的实验规律，了解巴尔末公式及里德伯常量.2.理解玻尔理论对氢原子光谱规律的解释． 一、氢原子光谱 1．氢原子光谱的特点： (1)从红外区到紫外区呈现多条具有确定波长的谱线； (2)从长波到短波，H α～H δ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性． 2．巴尔末公式： 1 λ ＝R ? ?? ??1－1n 2(n ＝3,4,5，…)其中R 叫做里德伯常量，其值为R ＝1.096 775 81×107 m －1 . 二、玻尔理论对氢原子光谱的解释 1．巴尔末系 氢原子从n ≥3的能级跃迁到n ＝2的能级得到的线系． 2．玻尔理论的局限性 玻尔理论解释了原子结构和氢原子光谱的关系，但无法计算光谱的强度，对于其他元素更为复杂的光谱，理论与实验差别很大. 一、氢原子光谱的实验规律 1．氢原子的光谱 从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图1所示． 图1 2．氢原子光谱的特点：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性． 3．巴尔末公式 (1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式： 1 λ ＝R (1－1 n 2) n ＝3,4,5…该公式称为巴尔末公式． (2)公式中只能取n ≥3的整数，不能连续取值，波长是分立的值． 4．赖曼线系和帕邢线系：氢原子光谱除了存在巴尔末线系外，还存在其他一些线系．例
如： 赖曼线系(在紫外区)：1λ＝R ? ????112－1n 2(n ＝2,3,4，…) 帕邢线系(在红外区)：1λ＝R ? ?? ??132－1n 2(n ＝4,5,6，…) 例1关于巴耳末公式1λ＝R (1－1 n 2)的理解，下列说法正确的是() A ．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B ．公式中n 可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C ．公式中n 只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D ．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 答案C 解析只有氢原子光谱中可见光波长满足巴耳末公式，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线不满足巴耳末公式，满足的是与巴耳末公式类似的关系式，A 、D 错；在巴耳末公式中的n 只能取不小于3的整数，不能连续取值，波长也只能是分立的值，故氢原子光谱不是连续谱而是线状谱，B 错，C 对． 二、玻尔理论对氢原子光谱的解释 1．理论导出的氢光谱规律：按照玻尔的原子理论，氢原子的电子从能量较高的轨道n 跃迁到能量较低的轨道2时辐射出的光子能量hν＝E n －E 2，又E n ＝E 1E 2 ，E 2＝E 1 ，由此可得hν＝ －E 1? ?? ??1－1n 2，由于ν＝c λ，所以上式可写作1λ＝－E 1hc ? ?? ??1－1n 2，此式与巴尔末公式比较，形 式完全一样．由此可知，氢光谱的巴尔末线系是电子从n ＝3,4,5，…等能级跃迁到n ＝2的能级时辐射出来的． 2．玻尔理论的成功之处 (1)运用经典理论和量子化观念确定了氢原子的各个定态的能量，并由此画出了氢原子的能级图． (2)处于激发态的氢原子向低能级跃迁辐射出光子，辐射光子的能量与实际符合得很好，由于能级是分立的，辐射光子的波长是不连续的． (3)导出了巴尔末公式，并从理论上算出了里德伯常量R 的值，并很好地解释甚至预言了氢原子的其他谱线系． (4)能够解释原子光谱，每种原子都有特定的能级，原子发生跃迁时，每种原子都有自己的特征谱线，即原子光谱是线状光谱，利用光谱可以鉴别物质和确定物质的组成成分． 例2氢原子光谱的巴尔末公式是1λ ＝R ? ?? ??1－1n 2(n ＝3,4,5，…)，对此，下列说法正确的是() A ．巴尔末依据核式结构理论总结出巴尔末公式
第4节氢原子光谱与能级结构 理解玻尔理论对氢原子光谱规律的解．2) 释．(重点 )(难点3．了解玻尔理论的局限性．谱子光氢原] 先填空[ 氢原子光谱的特点1．个波长～H的这n(1)从红外区到紫外区呈现多条具有确定波长的谱线；Hδα只要它里面含有这些波数值成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，长的光谱线，就能断定这种化合物里一定含有氢．等谱线间的距离越来越小，(2)从长波到短波，H～H表现出明显的规律性．δα2．巴尔末公式1111.096 775 叫做里德伯常量，数值为，其中RR＝，…)(－＝R(n＝3,4,5)22λn217－. 81×10 m] 再判断[) ．氢原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的．1(√．由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是2) ×相同的．() (由于不同元素的原子结构不同，3．所以不同元素的原子光谱也不相同．√] 后思考[ 氢原子光谱有什么特征，不同区域的特征光谱满足的规律是否相同？它在可见光区的谱线满足巴耳末公【提示】氢原子光谱是分立的线状谱．式，在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式．] 核心点击[页 1 第
111) ，…n＝3,4,5,6－＝R()(22λn2 巴尔末公式17－m10只能取整数，最小值为3，里德伯常量R＝1.10×式中n 巴尔末线系的14条谱线都处于可见光区1对应的＝3时，值越大，对应的波长λ越短，即n在巴尔末线系中n规2波长最长律除了巴尔末系，氢原子光谱在红外区和紫外区的其他谱线也都满足3与巴尔末公式类似的关系式能级自发跃迁至低能级发出的谱线中属于巴尔末线系＝3一群氢原子由1．n ________条．的有能级发光的谱线＝2【解析】在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到n条谱线属巴尔末线能级的1能级跃迁至n＝2属于巴尔末线系．因此只有由n＝3 系．1 【答案】．根据巴耳末公式，指出氢原子光谱巴耳末线系的最长波长和最短波长所2 ，并计算其波长．对应的n时，氢原子发光所对应的3n越小，波长越长，故当n＝【解析】对应的波长最长．111??17－??m×1.10＝×10当n＝3时，－22 32λ??17m.λ＝6.55×10解得－11111??－??R×，＝n当＝∞时，波长最短，＝R22n2λ4??447＝λ103.64m＝×＝m. － 7R101.1×7－m ×时，波长最长为＝当【答案】n36.5510页 2 第 7－m 10＝∞时，波长最短为3.64×当n巴尔末公式的应用方法及注意问题 (1)巴尔末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子． (2)公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也是分立的值． (3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的，在紫外区的谱线也适用． (4)应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长λ. 玻尔理论对氢光谱的解释 [先填空] 1．理论推导 按照玻尔原子理论，氢原子的电子从能量较高的能级跃迁到n＝2的能级上E1时，辐射出的光子能量应为hν＝E－E，根据氢原子的能级公式E＝可得E222nn n －E11111E????11－－????，所以上式可写成＝，由于c＝λν，＝由此
以下是本人经过网络和书本查证的出的答案，每题都经过仔细分析与 查找，如有纰漏请指出。 ——From GK 原子物理学习题 一、选择题 （1）进行卢瑟福理论实验验证时发现小角散射与实验不符这说明：D A、原子不一定存在核式结构； B、散射物太厚； C、卢瑟福理论是错误的； D、小角散射时一次散射理论不成立。 （2）用相同能量的α粒子束和质子束分别与金箔（bó）正碰，测量金原子核半径的上限。问用质子束所得结果是用α粒子束所得结果的几倍？B A、1/4 ； B、1/2 ； C、1 ； D、2 。 （3）在α粒子散射实验中,若把α粒子换成质子,要想得到α粒子相同的角分布,在散射物不变条件下则必须使：D A、质子的速度与α粒子的相同； B、质子的能量与α粒子的相同； C、质子的速度是α粒子的一半； D、质子的能量是α粒子的一半。 （4）在金箔引起的α粒子散射实验中,每10000个对准金箔的α粒子中发现有4个粒子被散射到角度大于5°的范围内.若金箔的厚度增加到4倍,那么被散射的α粒子会有多少？A A、16 ； B、8 ； C、4 ； D、2 。 （5）欲使处于激发态的氢原子发出Hα线，则至少需提供多少能量（eV）?B A、13.6 ； B、12.09 ； C、10.2 ； D、3.4 。 （6）由玻尔氢原子理论得出的第一玻尔半径a0的数值是：B A、5.29×10-10m ； B、0.529×10-10m ； C、5.29×10-12m； D、529×10-12m 。（7）氢原子赖曼系的线系限波数为R,则氢原子的电离电势为：D A、3Rhc/4 ； B、Rhc； C、3Rhc/4e； D、Rhc/e。 （8）弗兰克—赫兹实验使用的充气三极管是在：B A、相对阴极来说板极上加正向电压,栅极（shān jí）上加负电压； B、板极相对栅极是负电压,栅极相对阴极是正电压； C、板极相对栅极是正电压,栅极相对阴极是负电压； D、相对阴极来说板极加负电压,栅极加正电压。 （9）假设氦（hài）原子的一个电子已被电离，如果还想把另一个电子电离，若以eV为单位至少需提供的能量为：A A、54.4 ； B、-54.4 ； C、13.6 ； D、3.4 。 （10）一次电离的氦离子H e+处于第一激发态（n=2）时电子的轨道半径为：B A、0.53?10-10m； B、1.06?10-10m ； C、2.12?10-10m ； D、0.26?10-10m。（11）单个f电子总角动量量子数的可能值为：D A、j =3,2,1,0 ； B、j=±3 ； C、j= ±7/2 , ± 5/2 ； D、j= 5/2 ,7/2 （12）锂（lǐ）原子光谱由主线系、第一辅线系、第二辅线系及柏（bǎi）格曼系组成.这些谱线系中全部谱线在可见光区只有：B A、主线系； B、第一辅线系； C、第二辅线系； D、柏格曼系。
关于氢原子光谱的超精细结构的研究 摘要：本文通过介绍原子核的结构、原子核的自旋以及核磁矩，讨论了氢原子光谱的超精细结构的产生原因并介绍了相关公式推导。 关键词：光谱；氢原子；超精细结构 原子核的结构 1、原子核 自卢瑟福提出原子的核式模型以来，原子就被分为两部分来处理：一是处于原子中心的原子核，一是绕核运动的电子。除了原子核的质量和电荷外，原子核的其他性质对原子的影响是相当微小的，核外电子的行为对原子核的性质也几乎毫无关系。原子和原子核是物质结构泾渭分明的两个层次。 2、原子核的结构 发现中子之前，人们知道的“基本”粒子只有两种：电子和质子。物理学家开始时有把原子核当做质子和电子的组成体的想法，但一开始就遇到了不可克服的困难。因为假如原子核由质子和电子所组成，那么，我们将无法解释核的自旋，且推导出来的原子核内电子的能量与实验结果不符。在查德威克发现中子之后，海森堡很快就提出了原子核由质子和中子所组成的假说。海森堡把质子和中子统称为核子，并把中子和质子看做核子的两个不同状态。 原子核的自旋以及核磁矩 1、电子自旋 在乌仑贝克和古兹米特提出电子自旋之前，泡利为了解释原子光谱的超精细结构，就提出了原子核作为一个整体必须有自旋的假设。但是，只有在查德威克发现中子之后，人们才理解自旋的起源。实验发现，中子和质子都是费米子，具有的固有角动量（自旋）与电子一样。既然原子核式中子和质子所组成，它的自旋就应该是中子和质子的轨道角动量和自旋之和。我们研究的“原子核的自旋”，都是指原子核基态的自旋。 2、核磁矩 除了核子的自旋磁矩外，我们还要考虑轨道磁矩。下面给出自核自旋的核磁矩的表示式。类似于原子磁矩的表示式，核磁矩和核自旋角动量I成正比。 μI = g IμN I 在磁场中，核自旋磁矩与磁场相互作用所产生的附加能量为 U = -μI ?B = -g IμN Bm I 因为m I有2I+1个值，所以有2I+1个不同的附加能量，于是就发生赛曼能级分裂，一条核能级在磁场中就分裂为2I+1条，相邻两条分裂能级间的能量差为 上述对核自旋磁矩与磁场的相互作用的讨论是下面研究氢原子光谱的超精细结构的基础。 氢原子的超精细结构光谱 最初讨论原子中的电子运动时，只考虑电子和原子核之间的库仑相互作用，后来随着实验水平的提高，人们发现了H的谱线并不是一条，由此引入电子自旋的概念，从而产生了了氢原子的精细结构。
2014届高考物理领航规范训练：15-2原子结构、氢原子光谱 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A．光电效应实验B．伦琴射线的发现 C．α粒子散射实验D．氢原子光谱的发现 解析：光电效应实验说明光的粒子性，伦琴射线的发现说明X射线是一种比光波波长更短的电磁波，氢原子光谱的发现促进了氢原子模型的提出．故C正确． 答案：C 2．关于巴耳末公式1 λ＝R? ? ?? ? 1 22 － 1 n2的理解，下列说法正确的是( ) A．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 解析：巴耳末公式是经验公式，只适用于氢原子光谱，公式中n只能取n≥3的整数，故C正确． 答案：C 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量减少 解析：根据玻尔原子理论知，氢原子从高能级n＝3向低能级n＝2跃迁时，将以光子形式放出能量，放出光子后原子能量减少，故B选项正确． 答案：B 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( )
解析：由h ν＝h c λ＝E 初－E 末可知该原子跃迁前后的能级差越大，对应光线的能量越大， 波长越短．由图知a 对应光子能量最大，波长最短，c 次之，而b 对应光子能量最小，波长最长，故C 正确． 答案：C 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 解析：氢原子的核外电子离原子核越远，氢原子的能量(包括动能和势能)越大．当氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，原子的能量减少，氢原子要放出一定频率的光子．显然，选项B 、D 正确． 答案：BD 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2 ，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 解析：依题意可知第一激发态能量为E 2＝E 1 22，要将其电离，需要的能量至少为ΔE ＝0 －E 2＝h ν，根据波长、频率与波速的关系c ＝νλ，联立解得最大波长λ＝－4hc E 1 ，C 正确． 答案：C 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢 原 子( ) A ．从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级比从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级辐射出电磁波的波长长 B ．从n ＝5能级跃迁到n ＝1能级比从n ＝5能级跃迁到n ＝4能级辐射出电磁波的速度大
光电效应、原子结构、原子构练习题 （适用于高中物理各种版本教材） 一、光电效应 1、概念：在光（电磁波）的照射下，从物体表面逸出的 的现象称为光电效应，这种电子被称之为 。使电子脱离某种金属所做功的 ，叫做这种金属的逸出功，符号为W 0。 2、规律： 提出的“光子说”解释了光电效应的基本规律，光子的能量与频率的关系为 。 ①截止频率：当入射光子的能量 逸出功时，才能发生光电效应，即：0____W hv ，也就是入射光子的频率必须满足v ≥ ，取等号时的______0=ν即为该金属的截止频率（极限频率）； ②光电子的最大初动能：_________k m =E ，由此可知，对同一重金属，光电子的最大初动能随着入射光的频率增加而 ，随着入射光的强度的增加而 ，光电子从金属表面逸出时的动能应分布在 范围内。 3、实验：装置如右图，其中 为阴极，光照条件下发出光电子； 为 阳极，吸收光电子，进而在电路中形成 ，即电流表的示数。 ①当A 、K 未加电压时，电流表 示数； ②当加上如图所示 向电压时，随着电压的增大，光电流趋于一个饱和值， 即 ；当电压进一步增大时，光电流 。 ③当加上相反方向的电压（ 向电压）时，光电流 ；当反向电压达 到某一个值时，光电流减小为0，这个反向电压U c 叫做 ，即使最有可能 到达阳极的光电子刚好不能到达阳极的反向电压，则关于U c 的动能定理方程 为 。 【练习1】某同学用同一装置在甲、乙、丙光三种光的照射 下得到了三条光电流与电压之间的关系曲线，如右图所示。则可 判断出（ ） A ．甲光的频率大于乙光的频率 B ．乙光的波长大于丙光的波长 C ．乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D ．甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初 动能 二、原子结构 1、物理学史： 通过对 的研究，发现了电子，从而认识到原子是 有内部结构的； 基于 实验中出现的少数α粒子发生 散射，提出了原子的核式结构模型； 在1913年把物理量取值分立（即量子化）的观念应用到原子系统，提出了自己的原子模型，很好的解释了氢原子的 。 2、波尔理论： ①原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫做 ；原子能量最低的状态叫做 ，其他较高的能量状态叫做 ； ②原子在不同能量状态之间可以发生 ，当原子从高能级E m 向低能级E n 跃迁时 光子，原子从低能级E n 向高能级E m 跃迁时 光子，辐射或吸收的光子频率必须满足 。 ③原子对电子能量的吸收：动能 两个能级之差的电子能量能被吸收，
3.光谱氢原子光谱 学习目标知识脉络 1.了解光谱、连续谱、线状谱等 概念．(重点) 2.知道光谱分析及应用．(重点) 3.知道氢原子光谱的规律．(重 点、难点) 光谱和光谱分析 [先填空] 1．光谱 复色光分解为一系列单色光，按波长长短的顺序排列成一条光带，称为光谱． 2．分类 (1)连续谱：由波长连续分布的彩色光带组成的光谱． (2)发射光谱：由发光物质直接产生的光谱． (3)吸收光谱：连续光谱中某些特定频率的光被物质吸收而形成的谱线． (4)线状谱：由分立的谱线组成的光谱． (5)原子光谱：对于同一种原子，线状谱的位置是相同的，这样的谱线称为原子光谱． 3．光谱分析 (1)定义：利用原子光谱的特征来鉴别物质和确定物质的组成部分． (2)优点：灵敏度、精确度高． [再判断] 1．各种原子的发射光谱都是连续谱．(×) 2．不同原子的发光频率是不一样的．(√) 3．线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．(×) [后思考] 为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？ 【提示】不同颜色的光在棱镜中的折射率不同，因此经过棱镜后的偏折程度也不同．
1．光谱的分类 2．光谱分析的应用 (1)应用光谱分析发现新元素； (2)鉴别物体的物质成分；研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素； (3)应用光谱分析鉴定食品优劣； (4)探索宇宙的起源等． 1．对原子光谱，下列说法正确的是( ) A．原子光谱是不连续的 B．原子光谱是连续的 C．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的 D．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同 E．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 【解析】原子光谱为线状谱，A正确，B错误；各种原子都有自己的特征谱线，故C 错误，D正确；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，E正确．故A、D、E. 【答案】ADE 2．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( ) A．太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱 B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱 C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，不能用连续谱
§4.3 碱金属原子光谱的精细结构 一．碱金属光谱的精细结构 碱金属光谱的每一条光谱是由二条或三条线组成，如图所示。 二、定性解释 为了解释碱金属光谱的精细结构，可以做如下假设： 1．P 、D 、F 能级均为双重结构，只S 能级是单层的。 2．若l 一定，双重能级的间距随主量子数n 的增加而减少。 3．若n 一定，双重能级的间距随角量子数l 的增加而减少。 4．能级之间的跃迁遵守一定的选择定则。 根据这种假设，就可以解释碱金属光谱的精细结构。 §4.4 电子自旋同轨道运动的相互作用 一、电子自旋角动量和自旋磁矩 1925年，荷兰的乌伦贝克和古德史密特提出了电子自旋的假设： 每个电子都具有自旋的特性，由于自旋而具有自旋角动量S 和自旋磁矩s μ ，它们是电子 本身所固有的，又称固有矩和固有磁矩。 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+=，2 1=s
外场方向投影：π2h m S s z =， 21±=s m 共2个， 自旋磁矩：s s p m e -=μ B s s h s s m e p m e μπ μ32)1(-=+-=- = 外场方向投影： B z z S m e μμ±=-= 共两个?偶数，与实验结果相符。 1928年，Dirac 从量子力学的基本方程出发，很自然地导出了电子自旋的性质，为这个假设提供了理论依据。 二、电子的总角动量 电子的运动=轨道运动+自旋运动 轨道角动量：π π2*2)1(h l h l l p l =+= 12,1,0-=n l 自旋角动量：ππ2*2)1(h s h s s p s =+= 2 1=s 总角动量： s l j p p p += π π2*2)1(h j h j j p j =+= s l j +=，1-+s l ，……s l - 当s l >时，共12+s 个值 当s l <时，共12+l 个值 由于 2 1=s 当0=l 时，2 1==s j ，一个值。 当 3,2,1=l 时，2 1±=l j ，两个值。 例如：当1=l 时，23211=+=j 2 1211=-=j π π222)1(h h l l p l =+= ππ2232)1(h h s s p s =+=
专题练习(四十一)原子结构氢原子光谱 1．(2011·上海高考)卢瑟福利用α粒子轰击金箔嘚实验研究原子结构，正确反映实验结果嘚示意图是( ) 3．(20 12·北京高考)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 解析：氢原子由高能级跃迁到低能级要放出光子，能量减少；由低能级跃迁到高能级要吸收光子，能量增加，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，即从高能级向低能级跃迁，则要放出光子，能量减少，故A、C、D错误，B正确． 答案：B
4．(2011·四川高考)氢原子从能级m 跃迁到能级n 时辐射红光嘚频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k 时吸收紫光嘚频率为ν2，已知普朗克常量为h ，若氢原子从能级k 跃迁到能级m ，则( ) A ．吸收光子嘚能量为hν1＋hν2 B ．辐射光子嘚能量为hν1＋hν2 C ．吸收光子嘚能量为hν2－hν1 D ．辐射光子嘚能量为hν2－hν1 解析：由题意可知：E m －E n ＝hν1，E k －E n ＝hν2.因为紫光嘚频率大于红光嘚频率，所以ν2>ν1，即k 能级嘚能量大于m 能级嘚能量，氢原子从能级k 跃迁到能级m 时向外辐射能量，其值为E k －E m ＝hν2－hν1，故只有D 项正确． 答案：D 5．(2011·大纲全国高考)已知氢原子嘚基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中嘚光速．能使氢原子从第一激发态电离嘚光子嘚最大波长为 ( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 . 解析：处于第一激发态时n ＝2，故其能量E 2＝E 14，电离时释放嘚能量ΔE＝0－E 2＝－E 1 4，而 光子能量ΔE＝hc λ，则解得λ＝－4hc E 1 ，故C 正确，A 、B 、D 均错． 答案：C 6．(2012·江苏高考)如图所示是某原子嘚能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出嘚三种波长嘚光．在下列该原子光谱嘚各选项中，谱线从左向右嘚波长依次增大，则正确嘚是( )
第4节氢原子光谱与能级结构 学习目标知识脉络 1.了解氢原子光谱的特点，知道巴尔末公式 及里德伯常量．(重点) 2．理解玻尔理论对氢原子光谱规律的解 释．(重点) 3．了解玻尔理论的局限性．(难点) 氢原子光谱 [先填空] 1．氢原子光谱的特点 (1)从红外区到紫外区呈现多条具有确定波长的谱线；Hα～Hδ的这n个波长数值成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它里面含有这些波长的光谱线，就能断定这种化合物里一定含有氢． (2)从长波到短波，Hα～Hδ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性． 2．巴尔末公式 1λ＝R( 1 22 － 1 n2 )(n＝3,4,5，…)，其中R叫做里德伯常量，数值为R＝1.09677581×107m －1. [再判断] 1．氢原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的．(√) 2．由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的．(×) 3．由于不同元素的原子结构不同，所以不同元素的原子光谱也不相同．(√) [后思考] 氢原子光谱有什么特征，不同区域的特征光谱满足的规律是否相同？ 【提示】氢原子光谱是分立的线状谱．它在可见光区的谱线满足巴耳末公式，在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式． [核心点击]
氢光谱 巴尔末公式 1 λ＝R (122－1 n 2)(n ＝3,4,5,6，…) 式中n 只能取整数，最小值为3，里德伯常量R ＝ 1.10×107 m －1 规律 1 巴尔末线系的14条谱线都处于可见光区 2 在巴尔末线系中n 值越大，对应的波长λ越短，即n ＝3时，对应的波长最长 3 除了巴尔末系，氢原子光谱在红外区和紫外区的其他谱线也都满足与巴尔末公式类似的关系式 1．一群氢原子由n ＝3能级自发跃迁至低能级发出的谱线中属于巴尔末线系的有________条． 【解析】 在氢原子光谱中，电子从较高能级跃迁到n ＝2能级发光的谱线属于巴尔末线系．因此只有由n ＝3能级跃迁至n ＝2能级的1条谱线属巴尔末线系． 【答案】 1 2．根据巴耳末公式，指出氢原子光谱巴耳末线系的最长波长和最短波长所对应的n ，并计算其波长． 【解析】 对应的n 越小，波长越长，故当n ＝3时，氢原子发光所对应的波长最长． 当n ＝3时， 1 λ1＝1.10×107 ×? ?? ??122－132m －1 解得λ1＝6.55×10－7 m. 当n ＝∞时，波长最短，1λ＝R ? ????122－1n 2＝R ×14 ， λ＝4R ＝4 1.1×10 7 m ＝3.64×10－7 m. 【答案】 当n ＝3时，波长最长为6.55×10－7 m 当n ＝∞时，波长最短为3.64×10－7 m 巴尔末公式的应用方法及注意问题 (1)巴尔末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子． (2)公式中n 只能取整数，不能连续取值，因此波长也是分立的值． (3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的，在紫外区的谱线也适用． (4)应用时熟记公式，当n 取不同值时求出一一对应的波长λ. 玻 尔 理 论 对 氢 光 谱 的 解 释
高中物理第2章第4节氢原子光谱与能级结构学案鲁科 版选修35053138 氢原子光谱与能级结构 1.氢原子光谱的特点之一是从红外区到紫外区呈现 多条具有确定波长的谱线Hα、Hβ、Hγ、Hδ等，这 些谱线可以帮助我们判断化合物中是否含有氢。 2．氢原子光谱的特点之二是从长波到短波，Hα～ Hδ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律 性，即1 λ＝R? ? ?? ? 1 22 － 1 n2( n＝3,4,5，6，…)。 3．玻尔理论的成功之处是引入了量子化的概念，解释了原子结构和氢原子光谱的关系。但在推导过程中仍采用了经典力学的方法，因此是一种半经典的量子论。
1．氢原子光谱的特点 (1)从红外区到紫外区呈现多条具有确定波长的谱线；H α～H δ的这几个波长数值成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它里面含有这些波长的光谱线， 就能断定这种化合物里一定含有氢。 (2)从长波到短波，H α～H δ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。 2．巴尔末公式 1 λ＝R ? ?? ??122－1n 2(n ＝3,4,5，…)，其中R 叫做里德伯常量，数值为R ＝1.096_775_81×107_m －1 。 3．玻尔理论对氢光谱的解释 (1)理论推导 按照玻尔原子理论，氢原子的电子从能量较高的能级跃迁到n ＝2的能级上时，辐射出 的光子能量应为hν＝E n －E 2，根据氢原子的能级公式E n ＝E 1n 2可得E 2＝E 1 22，由此可得hν＝－ E 1? ?? ??122－1n 2，由于c ＝λν，所以上式可写成1λ＝－E 1hc ? ????122－1n 2，把这个式子与巴尔末公式比 较，可以看出它们的形式是完全一样的，并且R ＝－E 1hc ，计算出－E 1hc 的值为1.097×107 m －1 与里德伯常量的实验值符合得很好。这就是说，根据玻尔理论，不但可以推导出表示氢原子光谱规律性的公式，而且还可以从理论上来计算里德伯常量的值。 由此可知，氢原子光谱的巴尔末系是电子从n ＝3,4,5,6，…能级跃迁到n ＝2的能级时辐射出来的。其中H α～H δ在可见光区。 (2)玻尔理论的成功和局限性 成功 之处 冲破了能量连续变化的束缚，认为能量是量子化的 根据量子化能量计算光的发射频率和吸收频率 局限性 利用经典力学的方法推导电子轨道半径，是一种半经典的量子论 1．自主思考——判一判 (1)氢原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的。(√)
1922年诺贝尔物理学奖——原子结构和原子光谱 1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962），以表彰他在研究原子结构，特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。 20世纪初物理学革命的重大结果之一就是建立了量子论。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。光谱学在19世纪末得到了长足的发展，继巴耳末发现氢光谱的巴耳末公式之后，里德伯和里兹先后提出了光谱系理论和合并原理，光谱的规律性明显地带来了发自原子内部的信息。1897年，J.J.汤姆孙根据阴极射线的实验发现了电子，1911年卢瑟福从α射线的大角度散射实验的反常结果发现原子核。量子论、光谱系和原子核的发现这三条线索汇集到了一起，这就为把量子论运用于研究原子结构提供了理论和实验的基础。 1913年，尼尔斯·玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出定态跃迁原子模型理论，对氢光谱的巴耳末系作出了满意的解释，这是原子理论和量子理论发展史中的一个重要里程碑。 尼尔斯·玻尔1885年10月7日出生于哥本哈根。父亲克利斯坦·玻尔（Christian Bohr）是哥本哈根大学生理学教授，母亲叫艾伦·亚德勒（Ellen Adler）。尼尔斯·玻尔和他弟弟哈那德·玻尔（Harald Bohr，后来是数学教授）在有利于发展他们才华的环境中长大。父亲在尼尔斯·玻尔上中学时就尽力启发他对物理学的兴趣。 尼尔斯·玻尔于1903年通过加麦尔霍姆中学考试后进入哥本哈根大学。在大学里他得到了一位极有独到见解、造诣很深的物理学家克里斯琴森 （C.Christiansen）教授的指导。 尼尔斯·玻尔在大学读书时就获得了哥本哈根科学院为奖励有一定科学成果的人而颁发的奖金。他用振动射流方法对表面张力进行了实验和理论上的研究。这项工作是在他父亲的实验室里完成的，并获得了金质奖章。研究成果发表在1908年的英国《皇家学会会刊》上。尼尔斯·玻尔于1909年获物理学硕士学位，1911年获博士学位。 尼尔斯·玻尔是在作博士论文时接触到量子论的。他的博士论文是用电子论解释金属特性。在这项工作中，尼尔斯·玻尔第一次得到了普朗克关于辐射量子论的启发，使他认识到在处理原子规模的系统时，经典理论往往会得到与实际不符的结论，有必要引入一个异于经典电磁理论概念的量，这个量就是普朗克常数。 1911年，尼尔斯·玻尔到英国剑桥大学卡迪文什实验室在J.J.汤姆孙的指导下学习和工作，正好这时曼彻斯特大学的卢瑟福发现了原子核。卢瑟福原来也是卡文迪什实验室的研究生。有一天，卢瑟福回到卡文迪什实验室，向研究人员报
2019-2020年高中物理第2章原子结构 2.4 氢原子光谱与能级结构教案 鲁科版选修3-5 三维教学目标 1、知识与技能 （1）了解光谱的定义和分类； （2）了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系； （3）了解经典原子理论的困难。 2、过程与方法：通过本节的学习，感受科学发展与进步的坎坷。 3、情感、态度与价值观：培养我们探究科学、认识科学的能力，提高自主学习的意识。 教学重点：氢原子光谱的实验规律。 教学难点：经典理论的困难。 教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。 教学用具：投影片，多媒体辅助教学设备。 （一）引入新课 粒子散射实验使人们认识到原子具有核式结构，但电子在核外如何运动呢？它的能量怎样变化呢？通过这节课的学习我们就来进一步了解有关的实验事实。 （二）进行新课 1、光谱（结合课件展示） 早在17世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱。（如图所示） 光谱是电磁辐射（不论是在可见光区域还是在不可见光区域）的波长成分和强度分布的记录。有时只是波长成分的记录。 （1）发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 发射光谱可分为两类：连续光谱和明线光谱。 问题：什么是连续光谱和明线光谱？（连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光） 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。如图所示。 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱。明线光谱是由游离状态的原子发射的，
第四章原子的精细结构：电子的自旋 玻尔理论考虑了原子主要的相互作用即核与电子的静电作用，较为有效地解释了氢光谱。不过人们随后发现光谱线还有精细结构，这说明还需考虑其它相互作用即考虑引起能量变化的原因。本章在量子力学基础上讨论原子的精细结构。 本章先介绍原子中电子轨道运动引起的磁矩，然后介绍原子与外磁场的相互作用，以及原子内部的磁场引起的相互作用。说明空间量子化的存在，且说明仅靠电子的轨道运动不能解释精细结构，还须引入电子自旋的假设，由电子自旋引起的磁相互作用才是产生精细结构的主要因素。 §4-1原子中电子轨道运动的磁矩 1.经典表示式 在经典电磁学中载流线圈的磁矩为。(若不取国 际单位制，则（为电流所围的面积，是垂直于该积的单位矢量。这里假定电子轨道为圆形，可证明，对于任意形状的闭合轨道，其结果不变。） 电子绕核的运动必定有一个磁矩，设电子旋转频率为，则原子中电子绕核旋转的磁矩为： 定义旋磁比：，则电子绕核运动的磁矩为 上式是原子中电子绕核运动的磁矩与电子轨道角动量之间的关系式。磁矩与轨道角动 量反向，这是因为磁矩的方向是根据电流方向的右手定则定义的，而电子运动方向与电流反向之故。 从电磁学知道，磁矩在均匀外磁场中不受力，但受到一个力矩作用，力矩为 力矩的存在将引起角动量的变化，即
由以上关系可得，可改写为 拉莫尔进动的角速度公式：，表明：在均匀外磁场中高速旋转的磁矩不向靠拢，而是以一定的绕作进动。的方向与一致。进动角频率（or拉莫尔频率）为： 2.量子化条件 此前的两个量子数中，主量子数n决定体系的能量，角动量量子数决定轨道形状。 轨道平面方向的确定：当有一个磁场存在时，磁场的方向即为参考方向，轨道平面的方向也才有意义。 轨道角动量垂直于轨道平面，它相对于磁场方向(定义为z的角度决定了轨道平面的方向，如右图示。 此前得到角动量量子化条件为： 鉴于量子力学的本质，将此条件作一原则性改动，取由量子力学计算所得的结果 ， 由此引入第三个量子化条件： 显然，对于一固定的，有(个m值。 3.角动量取向量子化
第1讲原子结构氢原子光谱 板块一主干梳理·夯实基础 【知识点1】氢原子光谱Ⅰ 1．原子的核式结构 (1)电子的发现：英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子. (2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来. (3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转. 2．光谱 (1)光谱 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱. (2)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱.有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱. (3)氢原子光谱的实验规律 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1 λ＝R? ? ? ? 1 22－ 1 n2，(n＝3,4,5，…)，R 是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，n为量子数. 【知识点2】氢原子的能级结构、能级公式Ⅰ 1．玻尔理论 (1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量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. (2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m－E n.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) (3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周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也是不连续的. 2．基态和激发态 原子能量最低的状态叫基态，其他能量较高的状态叫激发态. 3．氢原子的能级图