2019-2020年《玻爾的原子模型》WORD教案

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1、2019-2020年《玻爾的原子模型》 WORD 教案 ★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(duì)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(duì)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 . a

2、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? 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 電子繞核運(yùn)動(dòng)(有加速度) A 輻射『磁波 頻率等于?核運(yùn)行的頻率 A 能量卜少、軌道半徑減少 頻出化 電子右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) 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)。

3、(本假設(shè)是針對(duì) 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hv=Em—En (h為普朗克恒量) (本假設(shè)針對(duì)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(duì)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(duì)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(shì)能)公式:軌道半徑:rn=n

4、2r1 1 n=1, 2, 3……能 量:En =」2E1 n=1 , 2, 3……式中門、E1、分別代表第一條(即 n 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 門=0.53 x 10-10 m

5、例:n=2, 「2=2.12* 10-10 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(duì)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(shì)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 電子帶負(fù)電,在正電荷的場(chǎng)中為負(fù)值, n=4, E4=-0.85eV,…… 注意:計(jì)算能量時(shí)取離核無限遠(yuǎn)處的電勢(shì)能為零, 電子的動(dòng)能為電勢(shì)能絕對(duì)值的一半,總能量為負(fù)值。 例:n=2, E2=-3.4eV, n=3, E3=-1.51eV, 氫原子的能級(jí)圖如圖所示。 4 .玻爾理論對(duì)

6、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。 帕郝索 巴耳末系 賴曼系 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一一可能情況只有一種。

7、 可是,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)“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(guó)物理學(xué)家埃萬斯對(duì)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

8、少兩種獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)方法的驗(yàn)證。隨后,在 1914年,德國(guó)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(jiǎn)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(guó) 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

9、值稱為能級(jí)。最低能級(jí)所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)稱為基態(tài),其它高能級(jí) 所對(duì)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。 hv =Em - En (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: eV =Em - En (V為激發(fā)電位)夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)玻璃容器充以需測(cè)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(chǎng),G與接U^極A之間有減速電場(chǎng)。 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(chǎng),就成為電 流計(jì)的電

10、流。 夫里克拄實(shí)驗(yàn)的批選 由于原來實(shí)就紫度的塊格.常以產(chǎn)生高能量的電干.夫蘭克什靠?速行 了應(yīng)選.把加速和通把翁在西個(gè)區(qū)域遺竹,如下圖所市: L在陰梃徜加一楨板.以達(dá)刎雪熱式加熱.使電子均勻發(fā)射,電子的能支 可以潮的更事; r L t rH-J- 2.陰疆K附近加一個(gè)楣極,,并侵 管內(nèi)尢體變加稀薄r使電子在 區(qū)域只加速,不理拄; 1使幡極5.5電勢(shì)相同,即 區(qū)域勢(shì)等勢(shì)國(guó).左這個(gè)區(qū)域內(nèi) 電子區(qū)發(fā)生硬摧. (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 Vg2

11、K使電子加速。在板極A和第 夫蘭克T赫茲管結(jié)構(gòu)圖 設(shè)汞原子的基態(tài)能量為 Eo,第一激發(fā)態(tài)的能量為 Ei,初速為零的電子在電位差為 V的 加速電場(chǎng)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 eV E「Eo=AE,則汞原子從電子中取得能量 AE, 而由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài), AE=eVc。相應(yīng)的電位差 VC即為汞原子的第一激發(fā)電位。 在實(shí)驗(yàn)中,逐漸增加 VG2K,由電流計(jì)讀出板極電流 Ia,得到如下圖所示的變化曲線 . S2-2-4式金克「赫廷冒的%~早酬工曲線 (4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論 夫蘭克―赫茲

12、實(shí)驗(yàn)證明了原子被激發(fā)到不同的狀態(tài)時(shí), 吸收的能量是不連續(xù)的, 進(jìn)而說 明原子能量是量子化的。 6 .玻爾理論的局限性 玻爾理論雖然把量子理論引入原子領(lǐng)域,提出定態(tài)和躍遷概念, 成功解釋了氫原子光譜, 但對(duì)多電子原子光譜無法解釋, 因?yàn)椴柪碚撊匀灰越?jīng)典理論為基 礎(chǔ)。如粒子的觀念和軌道。 量子化條件的引進(jìn)沒有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉尅? 7 .電子在某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率 一一電子云 (課件演示) (三)課堂練習(xí) 1 .對(duì)玻爾理論的下列說法中,正確的是( ACD ) A .繼承了盧瑟福的原子模型,但對(duì)原子能量和電子軌道引入了量子化假設(shè) B.對(duì)經(jīng)典電磁理論中關(guān)于 做加速運(yùn)動(dòng)的電荷要輻射

13、電磁波 ”的觀點(diǎn)表示贊同 C.用能量轉(zhuǎn)化與守恒建立了原子發(fā)光頻率與原子能量變化之間的定量關(guān)系 D.玻爾的兩個(gè)公式是在他的理論基礎(chǔ)上利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)計(jì)算出來的 2 .下面關(guān)于玻爾理論的解釋中,不正確的說法是( C ) A.原子只能處于一系列不連續(xù)的狀態(tài)中,每個(gè)狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一定的能量 8 .原子中,雖然核外電子不斷做加速運(yùn)動(dòng),但只要能量狀態(tài)不改變,就不會(huì)向外輻射 能量 C.原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí),一定要輻射一定頻率的光子 D.原子的每一個(gè)能量狀態(tài)都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子軌道,并且這些軌道是不連續(xù)的 9 .根據(jù)玻爾理論,氫原子中,量子數(shù) N越大,則下列說法中正確的是( ACD

14、 ) A.電子軌道半徑越大 B.核外電子的速率越大 C.氫原子能級(jí)的能量越大 D.核外電子的電勢(shì)能越大 10 .根據(jù)玻爾的原子理論,原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑( D ) A.可以取任意值 B.可以在某一范圍內(nèi)取任意值 C.可以取一系列不連續(xù)的任意值 D .是一系列不連續(xù)的特定值 5.按照玻爾理論,一個(gè)氫原子中的電子從一半徑為 ra 的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到一半 徑為 rb 的圓軌道上,已知 ra>rb ,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(duì)氫光譜的解釋是成功的,但對(duì)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。 (五)作業(yè): 課本 P68 問題與練習(xí)。

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