第2章 氢原子的光谱与能级

氢原子的能级与光谱·爱因斯坦1905年提出光量子的概念后，不受名人重视，甚至到1913年德国最著名的四位物理学家(包括普朗克)还把爱因斯坦的光量子概念说成是“迷失了方向”。

可是，当时年仅28岁的玻尔，却创造性地把量子概念用到了当时人们持怀疑的卢瑟福原子结构模型，解释了近30年的光谱之谜。

§1 氢原子的能级与光谱一、玻尔的氢原子理论(一)玻尔的基本假设1.定态假设：原子只可能处于一系列不连续的能量状态E1, E2, E3,…。

处于这些状态的原子是稳定的，电子虽作加速运动，但不辐射电磁波。

2.频率条件：原子从某一定态跃迁至另一定态时，则发射(或吸收)光子，其频率满足玻尔在此把普朗克常数引入了原子领域。

(二)玻尔的氢原子理论 1.电子在原子核电场中的运动(1)基本情况：核不动；圆轨道；非相对论。

(2) 用经典力学规律计算电子绕核的运动·电子受力：·能量：得f f = - 14πε0 ( )Ze 2r 21 ε0 ( ) Ze2 r = m ( )υ2r1 2E = m υ2 - 1 4πε0 ( ) Ze2 r E = -Ze 28πε0r2.轨道角动量量子化条件玻尔假定：在所有圆轨道中，只有电子的角动量满足下式的轨道才是可能的。

玻尔引进了角动量的量子化。

3.轨道和速度 ·r n = n 2r 1 ,(玻尔半径) r 1= 0.529 Å· υn= υ1/n ，4πε0h 2 r 1 = ( me 2 )( ) 1 Z 4πε0hυ1 = Ze 2)可见, 随n↑⇒r n↑，υn↓4.能级---能量量子化将r n代入前面E式中，有n = 1,2,3,…)R：里德伯常数(见后)基态能量：E1= -13.6 eV可见，随n↑⇒E n↑，∆E n↓*玻尔的理论是半经典的量子论：对于电子绕核的运动，用经典理论处理；对于电子轨道半径，则用量子条件处理。

氢原子的能级结构与光谱线的解析氢原子是最简单的原子之一，由一个质子和一个电子组成。

它的能级结构和光谱线的解析对于理解原子结构和光谱学有着重要的意义。

本文将探讨氢原子的能级结构以及与之相关的光谱线的解析。

一、氢原子的能级结构氢原子的能级结构是由其电子的能量水平所决定的。

根据量子力学理论，氢原子的电子存在于不同的能级上，每个能级都对应着不同的能量。

这些能级按照能量的高低被编号为1, 2, 3...，其中1级能级具有最低的能量，被称为基态。

氢原子的能级结构可以通过求解薛定谔方程来获得。

薛定谔方程描述了系统的波函数和能量。

通过求解薛定谔方程，可以得到氢原子的波函数和能量本征值，即能级。

氢原子的能级结构可以用能级图表示。

能级图通常以基态能级为起点，向上依次排列其他能级。

不同能级之间的跃迁会伴随着能量的吸收或释放，产生光谱线。

二、光谱线的解析光谱线是指物质在吸收或发射光时产生的特定波长的光线。

氢原子的光谱线是由电子在不同能级之间跃迁所产生的。

氢原子的光谱线可以分为吸收光谱和发射光谱。

当氢原子吸收能量时，电子从低能级跃迁到高能级，产生吸收光谱。

吸收光谱是连续的，呈现出一条宽带。

当电子从高能级跃迁回低能级时，会发射出光子，产生发射光谱。

发射光谱是分立的，呈现出一系列锐利的谱线。

氢原子的光谱线可以用波长或频率来描述。

根据氢原子的能级结构，可以计算出各个能级之间的跃迁所对应的光谱线的波长或频率。

这些光谱线的波长或频率可以通过实验进行观测，从而验证理论计算的结果。

光谱线的解析对于研究物质的组成和性质具有重要意义。

通过分析光谱线的特征，可以确定物质的化学成分和结构。

光谱学在天文学、化学、物理学等领域都有广泛的应用。

三、氢原子的光谱线系列氢原子的光谱线系列是指在氢原子的能级结构中，特定能级之间跃迁所产生的光谱线的集合。

氢原子的光谱线系列主要包括巴尔末系列、帕舍尼系列、布拉开特系列等。

巴尔末系列是指电子从高能级跃迁到第二能级（巴尔末系列基态）所产生的光谱线。

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,明白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)错误!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(错误!—错误!)(n＝3,4,5,…),其中Ｒ叫做里德伯常量,数值为Ｒ＝1、0９6 775８１×1０7m－１。

＼o([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,因此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,因此不同元素的原子光谱也不相同。

(√) [后考虑］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、＼o(［核心点击］)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】 12、依照巴耳末公式,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,１λ1＝1。

1０×1０７×错误!m-１解得λ1＝6、55×10－７m。

当n=∞时,波长最短,错误!=Ｒ错误!＝R×错误!,λ=４R=４1、１×１07m=３。

第3节玻尔的原子模型第4节氢原子光谱与能级结构1.了解玻尔理论的主要内容．2.掌握氢原子能级和轨道半径的规律．(重点＋难点)3．了解氢原子光谱的特点，知道巴尔末公式及里德伯常量． 4.理解玻尔理论对氢光谱规律的解释．(重点＋难点)一、玻尔原子模型1.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好的解释α粒子与金箔中原子碰撞所得到的信息，但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性．2.基本假设内容定态假设原子只能处于一系列能量不连续的状态中，在这些状态中，原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态．电子绕原子核做圆周运动，只能处在一些分立的轨道上，它只能在这些轨道上绕核转动而不产生电磁辐射跃迁假设原子从一种定态跃迁到另一定态时，吸收(或辐射)一定频率的光子能量hν，假如，原子从定态E2跃迁到定态E1，辐射的光子能量为hν＝E2－E1轨道假设原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道．原子的能量状态是不连续的，电子不能在任意半径的轨道上运行，只有轨道半径r跟电子动量m e v的乘积满足下式m e v r＝nh2π(n＝1，2，3，…)这些轨道才是可能的．n是正整数，称为量子数1．(1)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的．()(2)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态．()(3)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁．()提示：(1)√(2)√(3)×二、氢原子的能级结构1.能级：在玻尔的原子理论中，原子只能处于一系列不连续的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是确定的，各个不连续能量值叫做能级．2.氢原子能级结构图根据玻尔理论，氢原子在不同能级上的能量和相应的电子轨道半径为E n＝E1n2(n＝1，2，3，…)r n＝n2r1(n＝1，2，3，…)式中，E 1≈－13.6__eV ，r 1＝0.53×10－10__m ． 根据以上结果，把氢原子所有可能的能量值画在一张图上，就得到了氢原子的能级结构图(如图所示)．n ＝∞————————E ∞＝0⋮n ＝5 ————————E 5＝－0.54 eVn ＝4 ————————E 4＝－0.85 eVn ＝3 ————————E 3＝－1.51 eVn ＝2 ————————E 2＝－3.4 eVn ＝1 ————————E 1＝－13.6 eV3.玻尔理论对氢原子光谱特征的解释(1)在正常或稳定状态时，原子尽可能处于最低能级，电子受核的作用力最大而处于离核最近的轨道，这时原子的状态叫做基态．(2)电子吸收能量后，从基态跃迁到较高的能级，这时原子的状态叫做激发态．(3)当电子从高能级跃迁到低能级时，原子会辐射能量；当电子从低能级跃迁到高能级时，原子要吸收能量．因为电子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不是任意的．这个能量等于电子跃迁时始末两个能级间的能量差．能量差值不同，发射的光频率也不同，我们就能观察到不同颜色的光．1．只要原子吸收能量就能发生跃迁吗？提示：原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不是任意的，只有这个能量等于电子跃迁时始末两个能级的能量差，才会发生跃迁．三、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(或频率)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：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 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 －1.3.红外区和紫外区：其谱线也都遵循与巴尔末公式类似的关系式．2．(1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径．( )(2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会变成导体并发光．( )(3)巴耳末公式中的n 既可以取整数也可以取小数．( )提示：(1)× (2)√ (3)×四、玻尔理论对氢光谱的解释1.理论推导：由玻尔理论可知，当激发到高能级E 2的电子跃迁到低能级E 1时，就会释放出能量．根据E n ＝－13.6n 2 eV(n ＝1，2，3，…) 得E 2＝－13.6n 22 eV ，E 1＝－13.6n 21eV 再根据hν＝E 2－E 1，得ν＝13.6h ⎝⎛⎭⎫1n 21－1n 22 此式在形式上与氢原子光谱规律的波长公式一致，当n 1＝2，n 2＝3，4，5，6，…时就是巴尔末公式．2.巴尔末系：氢原子从相应的能级跃迁到n ＝2的能级得到的线系．2．玻尔理论是量子化的理论吗？提示：不是，玻尔理论的电子轨道是量子化的，并根据量子化能量计算光的发射和吸收频率，这是量子论的方法；而电子轨道的半径是用经典电磁理论推导的，所以玻尔理论是半经典的量子论．对玻尔原子模型的理解1.轨道量子化：轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值．模型中保留了卢瑟福的核式结构，但他认为核外电子的轨道是不连续的，它们只能在某些可能的、分立的轨道上运动，而不是像行星或卫星那样，能量大小可以是任意的量值．例如，氢原子的电子最小轨道半径为r 1＝0.053 nm ，其余可能的轨道半径还有0.212 nm 、0.477 nm 、…不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值．这样的轨道形式称为轨道量子化．2.能量量子化：与轨道量子化对应的能量不连续的现象．电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态．由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的．这样的能量形式称为能量量子化．3.跃迁：原子从一种定态(设能量为E 2)跃迁到另一种定态(设能量为E 1)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 ν＝E 2－E 1(或E 1－E 2)．可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上．玻尔将这种现象叫做电子的跃迁．4.总而言之：根据玻尔的原子理论假设，电子只能在某些可能的轨道上运动，电子在这些轨道上运动时不辐射能量，处于定态．只有电子从一条轨道跃迁到另一条轨道上时才辐射能量，辐射的能量是一份一份的，等于这两个定态的能量差．这就是玻尔理论的主要内容．(1)处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的．(2)原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小．按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量________(选填“越大”或“越小”)．已知氢原子的基态能量为E 1(E 1<0)，电子质量为m ，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为________(普朗克常量为h )．[思路点拨] 根据玻尔原子理论与能量守恒定律求解．[解析] 根据玻尔理论，氢原子中电子离原子核越远，氢原子能量越大，根据能量守恒定律可知：h ν＋E 1＝12m v 2，所以电子速度为：v ＝ 2（hν＋E 1）m. [答案] 越大2（hν＋E 1）m电子被电离后可认为离原子核无限远，即电子的电势能为零，所以此时电子的能量等于电子的动能．1.(多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是( )A ．核外电子运动轨道半径可取任意值B ．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大C ．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝E m －E n (m >n )D ．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量解析：选BC.根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A 错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B 正确；由跃迁规律可知C 正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，D 错误.对氢原子能级跃迁的理解1.能级跃迁处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态．如图带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级的跃迁．所以一群氢原子处于量子数为n 的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为：N ＝n （n －1）2＝C 2n .2.根据玻尔理论，当氢原子从高能级跃迁到低能级时以光子的形式放出能量．原子在始、末两个能级E m和E n(m>n)间跃迁时，辐射光子的能量等于前后两个能级之差(hν＝E m－E n)，由于原子的能级不连续，所以辐射的光子的能量也不连续，因此产生的光谱是分立的线状光谱．3.原子能量的变化(1)光子的发射原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定．hν＝E m－E n(E m、E n是始、末两个能级且m>n)能级差越大，放出光子的频率就越高．(2)光子的吸收由于原子的能级是一系列不连续的值，任意两个能级差也是不连续的，故原子发射一些特定频率的光子，同样也只能吸收一些特定频率的光子，原子吸收光子后会从较低能级向较高能级跃迁，吸收光子的能量仍满足hν＝E m－E n.(m>n)(3)原子能量的变化当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能E p减小，电子动能增大，原子能量减小．反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．4.原子跃迁时需注意的几个问题(1)注意一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现．(2)注意直接跃迁与间接跃迁原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况的辐射(或吸收)光子的频率不同．(3)注意跃迁与电离原子跃迁时，不管是吸收还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差．若想把处于某一定态上的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量．如基态氢原子电离，其电离能为13.6 eV，只要能量等于或大于13.6 eV的光子都能被基态氢原子吸收而电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的电子具有的动能越大．(1)对于处于高能级状态的一群氢原子，每个原子都能向低能级状态跃迁，且跃迁存在多种可能，有的可能一次跃迁到基态，有的可能经几次跃迁到基态．同样，处于基态的氢原子吸收不同能量时，可以跃迁到不同的激发态．(2)实物粒子和原子碰撞时，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，就可使原子受激发而向较高能级跃迁．大量氢原子处于不同能量激发态，发生跃迁时放出三种不同能量的光子，其能量值分别是：1.89 eV ，10.2 eV ，12.09 eV .跃迁发生前这些原子分布在________个激发态能级上，其中最高能级的能量值是________eV(基态能量为－13.6 eV)．[思路点拨] 由于发出三种不同能量的光子，由N ＝n （n －1）2可知，大量氢原子跃迁前处于n ＝2和n ＝3两个激发态上．[解析] 大量氢原子跃迁发出三种不同能量的光子，跃迁情况为n ＝3的激发态到n ＝2的激发态或直接到n ＝1的基态，也可能是n ＝2的激发态到n ＝1的基态，所以跃迁发生前这些原子分布在2个激发态能级上，最高能量值满足E ＝－13.6 eV ＋12.09 eV ，即E 为－1.51 eV .[答案] 2 －1.51解答本题的关键是对氢原子的能级跃迁有深刻的理解．2.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C ．若要从低能级跃迁到高能级，必须吸收光子D ．从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量解析：选A.氢原子跃迁时辐射出电磁波，h ν＝hc λ＝E m －E n ＝ΔE .可见λ与ΔE 成反比，由能级图可得从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级时，ΔE ＝0.66 eV ，从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级时，ΔE ＝1.89 eV ，所以A 正确；电磁波的速度都等于光速，B 错误；若有电子去碰撞氢原子，入射电子的动能可全部或部分被氢原子吸收，所以只要入射电子的动能大于氢原子两个能级之间的能量差，也可使氢原子由低能级向高能级跃迁，C 错误；从高能级向低能级跃迁时，是氢原子向外放出能量，而非氢原子核，D 错误．对氢原子光谱的理解1.对氢原子光谱的几点说明氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的光谱线的研究，可以了解原子的内部结构和性质．氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线．(1)氢光谱是线状的，不连续的，波长只能是分立的值．(2)谱线之间有一定的关系，可用一个统一的公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫1m 2－1n 2表达． 式中m ＝2对应巴尔末公式：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，n ＝3，4，5….其谱线称为巴尔末线系，是氢原子核外电子由高能级跃迁至n ＝2的能级时产生的光谱，其中H α～H δ在可见光区．由于光的频率不同，其颜色不同．m ＝1 对应赖曼线系；m ＝3 对应帕邢线系即赖曼线系(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… 2.玻尔理论对氢光谱的解释(1)理解导出的氢光谱规律：按玻尔的原子理论，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，但E n ＝E 1n 2，E 2＝E 122，由此可得：hν＝－E 1⎝⎛⎭⎫122－1n 2，由于ν＝c λ，所以上式可写作：1λ＝－E 1hc ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，此式与巴尔末公式比较，形式完全一样．由此可知，氢光谱的巴尔末系是电子从n ＝3，4，5，6等能级跃迁到n ＝2的能级时辐射出来的．(2)成功方面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，并由此画出了其能级图．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的很好，由于能级是分立的，辐射光子的波长也是不连续的．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．(3)局限性和原因①局限性：成功地解释了氢原子光谱的实验规律，但不能解释稍微复杂原子的光谱． ②原因：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．(多选)关于巴尔末公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2的理解，正确的是( ) A ．此公式是巴尔末在研究氢光谱特征时发现的B ．公式中n 可取任意值，故氢光谱是连续谱C ．公式中n 只能取不小于3的整数，故氢光谱是线状谱D ．公式不但适用于氢光谱的分析，也适用于其他原子的光谱分析[思路点拨] 根据巴尔末公式及氢原子能量的量子化解答． [解析] 此公式是巴尔末在研究氢光谱在可见光区的谱线时得到的，只适用于氢光谱的分析，且n 只能取大于等于3的正整数，则λ不能取连续值，故氢原子光谱是线状谱．故选AC.[答案] AC 3.对于巴尔末公式下列说法正确的是( )A ．所有氢原子光谱的波长都与巴尔末公式相对应B ．巴尔末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长C ．巴尔末公式确定了氢原子发光的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光D ．巴尔末公式确定了各种原子发光中的光的波长解析：选C.巴尔末公式只确定了氢原子发光中一个线系波长，不能描述氢原子发出的各种波长，也不能描述其他原子的发光，A 、D 错误；巴尔末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴尔末线系，该线系包括可见光和紫外光，B 错误，C 正确．原子的能量与能量变化1．原子的能量包括电子绕核运动的动能和电子与核系统具有的电势能．(1)电子的动能电子绕核做圆周运动所需向心力由库仑力提供k e 2r 2＝m v 2r ，故E k n ＝12m v 2n ＝ke 22r n. (2)系统的电势能电子在半径为r n 的轨道上所具有的电势能E p n ＝－ke 2r n(E p ∞＝0)． (3)原子的能量E n ＝E k n ＋E p n ＝ke 22r n ＋－ke 2r n ＝－ke 22r n.即电子在半径大的轨道上运动时，动能小，电势能大，原子能量大．2．跃迁时电子动能、原子电势能与原子能量的变化：当原子从高能级向低能级跃迁时，轨道半径减小，库仑引力做正功，原子的电势能E p 减小，电子动能增大，向外辐射能量，原子能量减小．反之，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大．氢原子在基态时轨道半径r 1＝0.53×10－10 m ，能量E 1＝－13.6 eV .电子的质量m ＝9.1×10－31kg ，电荷量e ＝1.6×10－19 C ．求氢原子处于基态时：(1)电子的动能；(2)原子的电势能．[思路点拨] 电子绕核运动的动能可根据库仑力充当向心力求出，电子在某轨道上的动能与电势能之和，为原子在该定态的能量E n ，即E n ＝E k n ＋E p n ，由此可求得原子的电势能．[解析] (1)设处于基态的氢原子核外电子速度为v 1，则k e 2r 21＝m v 21r 1所以电子动能E k1＝12m v 21＝ke 22r 1＝9×109×（1.6×10－19）22×0.53×10－10×1.6×10－19 eV ≈13.6 eV. (2)因为E 1＝E k1＋E p1所以E p1＝E 1－E k1＝－13.6 eV －13.6 eV ＝－27.2 eV .[答案] (1)13.6 eV (2)－27.2 eV该类问题是玻尔氢原子理论与经典电磁理论的综合应用，用电子绕核的圆周运动规律与轨道半径公式、能级公式的结合求解．4.氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道的过程中( )A ．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大B ．原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小C ．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小D ．原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大解析：选D.根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核较远的轨道上运动能量较大，必须吸收一定能量的光子后，电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道，故B 错误；氢原子核外电子绕核做圆周运动，由原子核对电子的库仑力提供向心力，即：k e 2r 2＝m v 2r，又E k ＝12m v 2，所以E k ＝ke 22r.由此式可知：电子离核越远，即r 越大时，电子的动能越小，故A 、C 错误；由r 变大时，库仑力对核外电子做负功，因此电势能增大，从而判断D 正确．[随堂检测]1.(多选)由玻尔理论可知，下列说法中正确的是( )A ．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波B ．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量C ．原子内电子的可能轨道是连续的D ．原子的轨道半径越大，原子的能量越大解析：选BD.按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由玻尔假设可知选项A 、C 错误，B 正确；原子轨道半径越大，原子能量越大，选项D 正确．2.白炽灯发光产生的光谱是( )A ．连续光谱B ．明线光谱C ．原子光谱D ．吸收光谱解析：选A.白炽灯发光属于炽热的固体发光，所以发出的是连续光谱．3.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：选C.能量越大，频率越高，波长越短，根据能级图可以看出，三种光的能量按a 、c 、b 的顺序依次降低，所以波长也是按这个顺序依次增大．4.试计算氢原子光谱中巴尔末系的最长波和最短波的波长各是多少？解析：根据巴尔末公式：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，n ＝3，4，5，…可得λ＝1R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2(n ＝3，4，5，…)．当n ＝3时波长最长，其值为λmax ＝1R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2＝1536R ＝1536×1.10×107 m ≈6.55×10－7 m ， 当n →∞时，波长最短，其值为λmin ＝1R ⎝⎛⎭⎫122－0＝4R ＝41.10×107 m ≈3.64×10－7 m. 答案：6.55×10－7 m 3.64×10－7 m[课时作业]一、单项选择题1．关于玻尔的原子模型理论，下列说法正确的是( )A ．原子可以处于连续的能量状态中B ．原子的能量状态不是连续的C ．原子中的核外电子绕核做变速运动一定向外辐射能量D ．原子中的电子绕核运动的轨道半径是连续的解析：选B.玻尔依据经典物理在原子结构问题上遇到了困难，引入量子化观念建立了新的原子模型理论，主要内容为：电子轨道是量子化的，原子的能量是量子化的，处在定态的原子不向外辐射能量．由此可知B 正确．2．关于光谱，下列说法正确的是( )A ．一切光源发出的光谱都是连续谱B ．一切光源发出的光谱都是线状谱C ．稀薄气体发出的光谱是线状谱D ．作光谱分析时，利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成解析：选C.不同光源发出的光谱有连续谱，也有线状谱，故A 、B 错误．稀薄气体发出的光谱是线状谱，C 正确．利用线状谱和吸收光谱都可以进行光谱分析，D 错误．3.一个氢原子从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：选B.由玻尔理论可知，氢原子由高能级向低能级跃迁时，辐射出光子，原子能量减少．4.汞原子的能级图如图所示，现让一束单色光照射到大量处于基态的汞原子上，汞原子只发出三种不同频率的单色光，那么，关于入射光的能量，下列说法正确的是()A．可能大于或等于7.7 eVB．可能大于或等于8.8 eVC．一定等于7.7 eVD．包含2.8 eV，5 eV，7.7 eV三种解析：选C.由玻尔理论可知，轨道是量子化的，能级是不连续的，只能发射不连续的单色光，于是要发出三种不同频率的光，只有从基态跃迁到n＝3的激发态上，其能量差ΔE ＝E3－E1＝7.7 eV，选项C正确，A、B、D错误．5.已知处于某一能级n上的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出10种不同频率的光，下列能表示辐射光波长最长的那种跃迁的示意图是()解析：选A.根据玻尔理论，波长最长的跃迁对应着频率最小的跃迁，根据氢原子能级图，频率最小的跃迁对应的是从5到4的跃迁，选项A正确．6.如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为()A．a元素B．b元素C．c元素D．d元素解析：选B.把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b元素的谱线在该线状谱中不存在，故选项B正确，与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素．二、多项选择题7.根据玻尔理论，氢原子中量子数n越大()A．电子的轨道半径越大B．核外电子的速率越大C ．氢原子能级的能量越大D ．核外电子的电势能越大 解析：选ACD.根据玻尔理论，氢原子中量子数n 越大，电子的轨道半径就越大，A 正确；核外电子绕核做匀速圆周运动，库仑力提供向心力k e 2r 2＝m v 2r，则半径越大，速率越小，B 错误；量子数n 越大，氢原子所处的能级能量就越大，C 正确；电子远离原子核的过程中，电场力做负功，电势能增大，D 正确．8.关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法正确的是( )A ．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性B ．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上C ．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的D ．氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论解析：选BC.根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上，经典物理学无法解释原子的稳定性，并且原子光谱应该是连续的．氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论，而是要引入新的观念．故正确答案为B 、C.9.如图所示，氢原子可在下列各能级间发生跃迁，设从n ＝4到n ＝1能级辐射的电磁波的波长为λ1，从n ＝4到n ＝2能级辐射的电磁波的波长为λ2，从n ＝2到n ＝1能级辐射的电磁波的波长为λ3，则下列关系式中正确的是( )A ．λ1<λ3B ．λ3<λ2C ．λ3>λ2D ．1λ3＝1λ1＋1λ2 解析：选AB.已知从n ＝4到n ＝1能级辐射的电磁波的波长为λ1，从n ＝4到n ＝2能级辐射的电磁波的波长为λ2，从n ＝2到n ＝1能级辐射的电磁波的波长为λ3，则λ1、λ2、λ3的关系为h c λ1>h c λ3>h c λ2，即1λ1>1λ3，λ1<λ3，1λ3>1λ2，λ3<λ2，又h c λ1＝h c λ3＋h c λ2，即1λ1＝1λ3＋1λ2，则1λ3＝1λ1－1λ2，即正确选项为A 、B. 10.氢原子能级如图，当氢原子从n ＝3跃迁到n ＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是( )。

氢原子的能级结构与光谱氢原子是物理学和化学中研究最广泛的模型系统之一。

它的能级结构与光谱研究对于理解物质的性质和相互作用具有重要意义。

本文将探讨氢原子的能级结构、光谱以及相关的理论和实验研究。

一、氢原子的能级结构氢原子由一个质子和一个电子组成。

根据量子力学的原理，电子在原子中存在特定的能级。

氢原子的能级由电子的主量子数n来决定。

基态的主量子数为n=1，对应着最低的能级。

其他能级的主量子数依次增加，能级能量逐渐升高。

在氢原子中，能级的能量与主量子数的平方反比。

即E(n) ∝ 1/n^2。

这个规律被称为Bohr模型，它是根据量子力学的基本原理和计算出的结果。

Bohr模型为后来的量子力学理论奠定了基础。

除了主量子数，氢原子的能级结构还由其他量子数确定。

其中最重要的是角量子数l和磁量子数m。

角量子数决定了电子在原子内的角动量，而磁量子数描述了电子在磁场中的行为。

二、氢原子的光谱氢原子的能级结构决定了其特有的光谱。

光谱是物质吸收和发射光的分布。

氢原子的光谱可以分为吸收光谱和发射光谱。

吸收光谱发生在氢原子吸收能量时。

当光通过氢原子时，电子吸收光的能量，并跃迁到较高的能级。

由于氢原子的能级结构是离散的，所以吸收光谱呈现出一系列尖锐的黑线，这些黑线被称为吸收线。

吸收线的位置和强度与氢原子的能级结构有直接的关系。

发射光谱发生在氢原子释放能量时。

当电子从较高能级跃迁到较低能级时，会释放出光能。

由于能级结构的离散性，氢原子的发射光谱也呈现出一个线状的光谱，这些线被称为发射线。

发射线的位置和强度与能级结构的差异有关。

氢原子的吸收和发射光谱不仅在可见光范围内有明显的特征，还延伸到紫外线和红外线等更宽的波长范围。

通过精确测量这些光谱线的位置和强度，科学家能够推断出氢原子的能级结构，并与理论预测进行对比。

三、理论与实验研究研究氢原子的能级结构和光谱从20世纪初开始，至今仍在进行中。

早期的研究主要基于Bohr模型，但随着量子力学的发展，更精确的计算方法被提出。

氢原子的能级结构和光谱分析氢原子作为最简单的原子结构，其能级结构和光谱分析对于理解原子结构和研究光谱学都具有重要意义。

本文将探讨氢原子的能级结构和光谱分析相关的内容。

一、氢原子的能级结构氢原子的能级结构是由其电子轨道和能级组成的。

根据量子力学的理论，氢原子的电子轨道可以用波函数来描述，而每个轨道对应一个能级。

轨道包括K、L、M、N等不同的主量子数，而能级则对应不同的能量。

在氢原子的能级模型中，最低的能级为基态，即原子处于最稳定的状态。

当外界能量作用于氢原子时，电子可以跃迁到更高的能级，这种现象在光谱分析中有重要应用。

能级越高，电子的能量越大，跃迁时释放的光子也具有更高的能量。

量子力学的理论可以解释氢原子的能级陈列规则，即能级之间的能量差为以Rydberg常数为单位的整数倍。

这一规律提供了深入研究原子结构和光谱分析的理论基础。

二、光谱分析光谱分析是一种研究物质结构和性质的重要方法。

通过测量物质与电磁辐射相互作用产生的光谱，可以获取物质的结构和成分信息。

而氢原子的光谱研究对于光谱学的发展具有里程碑式的意义。

氢原子光谱的特点是其能级陈列规则呈现出的谱线，这一规律被称为巴尔末系列。

巴尔末系列包括了几个系列谱线，其中最知名的是巴尔末系列的红线。

这些谱线的出现与氢原子的能级跃迁有关，不同电子跃迁所对应的谱线具有不同的波长和颜色。

氢原子光谱的研究不仅仅限于可见光谱，还包括紫外光谱和红外光谱。

这些不同波长范围的光谱可以提供更广泛的信息，从而更深入地研究氢原子的能级结构和原子的性质。

通过光谱分析，科学家们可以了解氢原子的能级结构和能量差，进而推导出其他原子的能级结构和光谱特性。

光谱分析不仅对于原子物理学和量子力学的发展至关重要，也在诸多领域有着广泛的应用。

结论氢原子的能级结构和光谱分析是理解原子内部结构和性质的重要途径。

通过研究氢原子的能级陈列规则和光谱特征，我们可以深入了解原子的能级跃迁以及与光的相互作用。

这一研究不仅对于原子物理学的发展至关重要，也为光谱学的应用提供了理论基础。

第3节光谱__氢原子光谱一、光谱的几种类型及光谱分析的应用1．光谱复色光通过棱镜分光后，分解为一系列单色光，这些单色光按波长长短的顺序排列成的光带。

2．发射光谱(1)发射光谱：由发光物质直接产生的光谱。

①连续谱：由波长连续分布的光组成。

②明线光谱：光谱是一条条的亮线。

(2)产生：炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱一般是连续谱，而稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱。

3．吸收光谱复色光通过某种炽热蒸气后，某些特定频率的光被吸收而出现暗线，这样的光谱称为吸收光谱。

4．光谱分析的应用(1)光谱分析：根据原子光谱来鉴别物质的化学组成中是否存在这种原子，含量的多少等，这种方法叫做光谱分析。

(2)应用：分析物质的组成，灵敏度高。

[特别提醒]同一原子的明线光谱中的明线与吸收光谱中的暗线相对应，这样的特征仅由原子决定。

二、氢原子光谱1．氢原子光谱巴尔末公式λ＝B n2n2－4(n＝3,4,5,6) 2．广义巴尔末公式1λ＝R H(1m2－1n2)(m＝1,2,3…，n＝m＋1，m＋2，m＋3，…)其中R H称里德伯常量。

1．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。

()(4)巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性。

()(5)巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式。

()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√2．思考：能否根据巴尔末公式计算出对应的氢光谱的最长波长？提示：能。

氢光谱的最长波长对应着n＝3，代入巴尔末公式便可计算出最长波长。

1.(1)连续谱：①产生：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。

②特点：其光谱是连在一起的光带。

(2)线状谱：①产生：由单原子气体或金属蒸气所发出的光为线状光谱，因此也叫原子光谱。

稀薄气体发射光谱也是线状谱。

第二章 原子的能级和辐射一、学习要点：1.氢原子光谱：线状谱、五个线系（记住名称、顺序）、广义巴尔末公式)11(~22nm R -=ν、 光谱项()2nR n T =、并合原则：)()(~n T m T -=ν 2.玻尔氢原子理论：(1)玻尔三条基本假设的实验基础和内容（记熟）(2)圆轨道理论（会推导）：氢原子中假设原子核静止，电子绕核作匀速率圆周运动02200202220A 529,04,Z Z 4≈===e m a n a n e m r e e n πεπε;13714,Z Z 40202≈===c e n c n e c e n πεααπευ； ()n hcT n hc R n e m E e n --=-=∞22224220Z 2Z )41( πε，n ＝１.2.3……(3)实验验证：（a ）氢原子五个线系的形成)11(Z ~,)4(222232042n m R c h e m R e -==∞∞νπεπ (会推导）非量子化轨道跃迁 )(212n E E mv h -+=∞ν （b ）夫－赫实验：装置、.结果及分析；原子的电离电势、激发电势3.类氢离子（+++Li ,He ,正电子偶素.-μ原子等） (1) He +光谱:毕克林系的发现、波数公式、与氢原子巴耳末系的异同等(2)理论处理（会推导）：计及原子核的运动，电子和原子核绕共同质心作匀速率圆周运动e e m M m M +⋅=μ, 正负电荷中心之距Ze n r n 22204μπε =. 能量2242202Z )41(n e E n μπε-=，里德伯常数变化Mm R R e A +=∞11 重氢（氘）的发现4.椭圆轨道理论 索末菲量子化条件q q n h n pdq ,⎰=为整数a n nb n e m a n e m E n p e n ϕϕϕπεπε==-==,Z 4,2Z )41(,2220224220 ，n n n ,,3,2,1;,3,2,1 ==ϕn 一定，n E 一定，长半轴一定，有n 个短半轴，有n 个椭圆轨道（状态），即n E 为n 度简并。

氢原子的能级结构与光谱特征氢原子是最简单的原子系统，由一个质子和一个电子组成。

它的能级结构和光谱特征是研究原子物理学和光谱学的基础。

本文将介绍氢原子的能级结构、光谱特征以及相关的一些重要概念和实验现象。

1. 能级结构氢原子的能级结构是由电子在氢原子中的运动和定态波函数描述的。

根据量子力学原理，氢原子的能量只能取离散的数值，称为能级。

能级按能量由低到高排列，用n表示。

当n为1时，对应的能级为基态；当n为2、3、4...时，对应的能级为激发态。

2. 能级跃迁氢原子的能级跃迁是指电子从一个能级跃迁到另一个能级的过程。

根据玻尔定律，氢原子的能级跃迁过程中，电子释放或吸收特定的能量，这些能量以光子的形式存在。

能级跃迁可以分为吸收和发射两种情况。

当电子从一个较低的能级跃迁到一个较高的能级时，需要吸收能量，这个过程称为吸收线。

吸收线对应着特定波长的电磁辐射，形成连续光谱。

当电子从一个较高的能级跃迁到一个较低的能级时，释放出一定量的能量，这个过程称为发射线。

发射线对应着特定波长的光，形成线状光谱。

3. 光谱特征氢原子的光谱特征是由能级结构和能级跃迁决定的。

根据巴耳末公式，光的波长与氢原子能级之间存在着特定的关系。

氢原子的光谱主要分为连续光谱、发射光谱和吸收光谱。

连续光谱是由几乎所有波长的光组成的，对应着氢原子的吸收线。

发射光谱是由波长离散的光组成的，对应着氢原子的发射线。

吸收光谱是由连续光谱中某些波长的光被吸收而形成的，对应着吸收线。

氢原子的光谱是物质的“指纹”，通过观察氢原子的光谱，可以得知物质的组成、温度和运动状态等信息。

光谱学在天文学、化学、物理和地球科学等领域有着重要的应用。

4. 布喇格方程布喇格方程是描述氢原子能级和波长之间关系的公式。

根据布喇格方程，氢原子的能级与跃迁的波长之间满足以下关系：1/λ = RZ^2(1/n1^2 - 1/n2^2)，其中λ为波长，R为里德伯常量，Z为原子序数，n1和n2为两个能级的主量子数。