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2019-2020年高中物理 第三章34 《原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)》教案 粵教版選修3-5 ★新課標(biāo)要求 （一）知識(shí)與技能 1．了解玻爾原子理論的主要內(nèi)容。2．了解能級(jí)、能量量子化以及基態(tài)、激發(fā)態(tài)的概念。 （二）過程與方法 通過玻爾理論的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步了解氫光譜的產(chǎn)生。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 培養(yǎng)我們對科學(xué)的探究精神，養(yǎng)成獨(dú)立自主、勇于創(chuàng)新的精神。 ★教學(xué)重點(diǎn) 玻爾原子理論的基本假設(shè) ★教學(xué)難點(diǎn) 玻爾理論對氫光譜的解釋。 ★教學(xué)方法 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生討論、交流。 ★教學(xué)用具： 投影片，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備 ★課時(shí)安排 1 課時(shí) ★教學(xué)過程 （一）引入新課 復(fù)習(xí)提問： 1．α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是什么？ 2．原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說的內(nèi)容是什么？ 電子繞核運(yùn)動(dòng)（有加速度） 輻射電磁波 頻率等于繞核運(yùn)行的頻率 能量減少、軌道半徑減少 頻率變化 電子沿螺旋線軌道落入原子核 原子光譜應(yīng)為連續(xù)光譜 （矛盾：實(shí)際上是不連續(xù)的亮線） 原子是不穩(wěn)定的 （矛盾：實(shí)際上原子是穩(wěn)定的） 3．盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說與經(jīng)典電磁理論的矛盾 教師：為了解決上述矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾，在1913年提出了自己的原子結(jié)構(gòu)假說。 （二）進(jìn)行新課 1．玻爾的原子理論 （1）能級(jí)（定態(tài)）假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。這些狀態(tài)叫定態(tài)。（本假設(shè)是針對原子穩(wěn)定性提出的） （2）躍遷假設(shè)：原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為En）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為Em）時(shí)，它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即 （h為普朗克恒量） （本假設(shè)針對線狀譜提出） （3）軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。（針對原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)的補(bǔ)充） 2.玻爾根據(jù)經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計(jì)算出氫原子的電子的各條可能軌道半徑和電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量（包括動(dòng)能和勢能）公式： 軌道半徑： n=1，2，3…… 能 量： n=1，2，3…… 式中r1、E1、分別代表第一條（即離核最近的）可能軌道的半徑和電子在這條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，rn、En 分別代表第n條可能軌道的半徑和電子在第n條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量，n是正整數(shù)，叫量子數(shù)。 3．氫原子的能級(jí)圖 從玻爾的基本假設(shè)出發(fā)，運(yùn)用經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的理論，可以計(jì)算氫原子中電子的可能軌道半徑和相應(yīng)的能量。 （1）氫原子的大小：氫原子的電子的各條可能軌道的半徑rn： rn=n2r1， r1代表第一條（離核最近的一條）可能軌道的半徑 r1=0.5310-10 m 例：n=2， r2=2.1210-10 m （2）氫原子的能級(jí)：①原子在各個(gè)定態(tài)時(shí)的能量值En稱為原子的能級(jí)。它對應(yīng)電子在各條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量En（包括動(dòng)能和勢能） En=E1/n2 n=1，2，3， E1代表電子在第一條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量 E1=-13.6eV 注意：計(jì)算能量時(shí)取離核無限遠(yuǎn)處的電勢能為零，電子帶負(fù)電，在正電荷的場中為負(fù)值，電子的動(dòng)能為電勢能絕對值的一半，總能量為負(fù)值。 例：n=2，E2=-3.4eV， n=3，E3=-1.51eV， n=4，E4=-0.85eV，…… 氫原子的能級(jí)圖如圖所示。 4．玻爾理論對氫光譜的解釋 （1）基態(tài)和激發(fā)態(tài) 基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級(jí)，這時(shí)電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)，叫基態(tài)。 激發(fā)態(tài)：原子處于較高能級(jí)時(shí)，電子在離核較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)，這種定態(tài)，叫激發(fā)態(tài)。 （2）原子發(fā)光：原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷的過程是吸收能量的過程。原子從較高的激發(fā)態(tài)向較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷的過程，是輻射能量的過程，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去，吸收或輻射的能量恰等于發(fā)生躍遷的兩能級(jí)之差。 說明：氫原子中只有一個(gè)核外電子，這個(gè)電子在某個(gè)時(shí)刻只能在某個(gè)可能軌道上，或者說在某個(gè)時(shí)間內(nèi)，由某軌道躍遷到另一軌道——可能情況只有一種?？墒?，通常容器盛有的氫氣，總是千千萬萬個(gè)原子在一起，這些原子核外電子躍遷時(shí)，就會(huì)有各種情況出現(xiàn)了。但是這些躍遷不外乎是能級(jí)圖中表示出來的那些情況。 5．夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn) （1）實(shí)驗(yàn)的歷史背景及意義 1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。1913年，玻爾將普朗克量子假說運(yùn)用到原子核式結(jié)構(gòu)模型，建立了與經(jīng)典理論相違背的兩個(gè)重要概念：原子定態(tài)能級(jí)和能級(jí)躍遷概念。電子在能級(jí)之間躍遷時(shí)伴隨電磁波的吸收和發(fā)射，電磁波頻率的大小取決于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。隨著英國物理學(xué)家埃萬斯對光譜的研究，玻爾理論被確立。但是任何重要的物理規(guī)律都必須得到至少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后，在1914年，德國科學(xué)家夫蘭克和他的助手赫茲采用電子與稀薄氣體中原子碰撞的方法（與光譜研究相獨(dú)立），簡單而巧妙地直接證實(shí)了原子能級(jí)的存在，從而為玻爾原子理論提供了有力的證據(jù)。 1925年，由于他二人的卓越貢獻(xiàn)，他們獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1926年于德國洛丁根補(bǔ)發(fā)）。夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)至今仍是探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段之一。所以，在近代物理實(shí)驗(yàn)中，仍把它作為傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。 （2）夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ) 根據(jù)玻爾的原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)之中，其中每一種狀態(tài)相應(yīng)于一定的能量值En（n=1，2，3‥），這些能量值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài)，其它高能級(jí)所對應(yīng)的態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 當(dāng)原子從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)吸收或輻射一定頻率的電磁波，頻率大小決定于原子所處兩定態(tài)能級(jí)間的能量差。 （h為普朗克恒量） 本實(shí)驗(yàn)中是利用一定能量的電子與原子碰撞交換能量而實(shí)現(xiàn)，并滿足能量選擇定則： （V為激發(fā)電位） 夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)玻璃容器充以需測量的氣體，本實(shí)驗(yàn)用的是汞。電子由陰級(jí)K發(fā)出，K與柵極G之間有加速電場，G與接收極A之間有減速電場。當(dāng)電子在KG空間經(jīng)過加速、碰撞后，進(jìn)入KG空間時(shí)，能量足以沖過減速電場，就成為電流計(jì)的電流。 （3）實(shí)驗(yàn)原理： 改進(jìn)的夫蘭克-赫茲管的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。電子由陰極K發(fā)出，陰極K和第一柵極G1之間的加速電壓VG1K及與第二柵極G2之間的加速電壓VG2K使電子加速。在板極A和第二柵極G2之間可設(shè)置減速電壓VG2A。 設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E0，第一激發(fā)態(tài)的能量為E1，初速為零的電子在電位差為V的加速電場作用下，獲得能量為eV，具有這種能量的電子與汞原子發(fā)生碰撞，當(dāng)電子能量eVrb，則在此過程中（ C ） A．原子要發(fā)出一系列頻率的光子 B．原子要吸收一系列頻率的光子 C．原子要發(fā)出某一頻率的光子 D．原子要吸收某一頻率的光子 （四）課堂小結(jié) 玻爾的原子模型是把盧瑟福的學(xué)說和量子理論結(jié)合，以原子的穩(wěn)定性和原子的明線光譜作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)而提出的．認(rèn)識(shí)玻爾理論的關(guān)鍵是從“不連續(xù)”的觀點(diǎn)理解電子的可能軌道和能量狀態(tài)．玻爾理論對氫光譜的解釋是成功的，但對其他光譜的解釋就出現(xiàn)了較大的困難，顯然玻爾理論有一定的局限性。