高中物理《氢原子光谱与能级结构》优秀教学设计.doc

第四节氢原子光谱与能级结构

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。b5E2RGbCAP

（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。p1EanqFDPw

（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）DXDiTa9E3d 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。RTCrpUDGiT

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，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线也叫原子的特征

谱线。如图所示。5PCzVD7HxA

（2）吸收光谱

高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。如图所示。 jLBHrnAILg

课件展示：氢、钠的光谱、太阳光谱：

投影各种光谱的特点及成因知识结构图：

定义:由发光体直接产生的光谱干扰

发

射连续光谱产生条件 : 炽热的固体液体和高压气体发光形成的 .

光光谱的形式 : 连续分布 , 一切波长的光都有

谱

光线状光谱

产生条件 : 稀薄气体发光形成的光谱

谱( 原子光谱 ) 光谱形式 : 一些不连续的明线组成 , 不同元素的明线光谱不同( 又叫特征光谱 )

吸定义: 连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱

收

产生条件 : 炽热的白光通过温度较白光低的气体后, 再色散形成的 .

光

谱光谱形式 : 用分光镜观察时 , 见到连续光谱背景上出现一些暗线( 与特征谙线相对应 )

（3）光谱分析

由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。xHAQX74J0X

2、氢原子光谱的实验规律

氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。（课件展示）

4、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。LDAYtRyKfE

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。Zzz6ZB2Ltk

（ 1）夫兰克—赫兹实验的历史背景及意义

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。1913 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：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必须得到至少两种独立的实验方法的验证。随后，在1914 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（与光谱研究相独立），简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，从而为玻尔原

子理论提供了有力的证据。dvzfvkwMI1

1925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（1926 年于德国洛丁根补发）。夫兰克 - 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，仍把它作为传统的经典实验。rqyn14ZNXI

（ 2）夫兰克—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态之中，其中每一种状态相应于一定的能量值E n（ n=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，其它高能级所对应的态称为激发态。EmxvxOtOco 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

级间的能量差。

h E m E n（h为普朗克恒量）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：

eV E m E n（V为激发电位）夫兰克-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 K 发出， K 与栅极 G之间有加速电场，G与接收极 A 之间有减速电场。当电子在KG空间经过加速、碰撞后，进入KG空间时，能量足以冲过减速电场，就成为电流计的电流。6ewMyirQFL

夫兰克 - 赫兹实验的改进

由于原来实验装置的缺陷, 难以产生高能量的电子, 夫兰克对装置进行了改进, 把加速和碰撞分在两个区域进行, 如下图所示 : kavU42VRUs

1、在阴极前加一极板，以达到旁热式加热，使电子均匀发射，电子的能量可以测的更准；

2、阴极 K 附近加一个栅极

G 1 ，并使管内气体更加稀薄，使电子在

KG1区域只加速，不碰撞；

3、使栅极 G 1 G 2 电势相同，即 G 1 G 2 区域为等势区，在这个区域内电子只发生碰撞。 （ 3）实验原理

改进的夫兰克 - 赫兹管的基本结构如下图所示。电子由阴极 K 发出，阴极 K 和第一栅极 G 1 之间的加速电压 V G1K 及与第二栅极 G 2

之间的加速电压 V G2K 使电子加速。在板极 A 和第二栅极 G 2 之间可设置减速电压 V G2A 。y6v3ALoS89

设汞原子的基态能量为

，第一激发态的能量为

1

，初速为零的电子在电位差为

V 的加速电场作用下，获得能量为

，

E

E

eV

具有这种能量的电子与汞原子发生碰撞，当电子能量

< 1 - 0 时，电子能量几乎不损失。如果 ≥1-0= ，则汞原子从电 eV E E eV E E E 子中取得能量 E ，而由基态跃迁到第一激发态，

E =eV C 。相应的电位差 VC 即为汞原子的第一激发电位。 M2ub6vSTnP 在实验中，逐渐增加 G2K ，由电流计读出板极电流 I A ，得到如下图所示的变化曲线：

V

（ 4）实验结论

夫兰克—赫兹实验证明了原子被激发到不同的状态时，吸收的能量是不连续的，进而说明原子能量是量子化的。

6、玻尔理论的局限性

玻尔理论虽然把量子理论引入原子领域，提出定态和跃迁概念，成功解释了氢原子光谱，但对多电子原子光谱无法解释，

因为玻尔理论仍然以经典理论为基础。如粒子的观念和轨道。量子化条件的引进没有适当的理论解释。

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