2017-2018学年高中物理 第十八章 原子结构 3 氢原子光谱同步备课学案 新人教版选修3-5

3 氢原子光谱
[目标定位] 1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念.2.知道氢原子光谱的实验规律.3.知道经典物理的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分立特征．
一、光谱
1．定义
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．分类
(1)线状谱：由一条条的亮线组成的光谱．
(2)连续谱：由连在一起的光带组成的光谱．
3．特征谱线
各种原子的发射光谱都是线状谱，且不同原子的亮线位置不同，故这些亮线称为原子的特征谱线．
4．光谱分析
由于每种原子都有自己的特征谱线，可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分析，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10－10_g时就可以被检测到．
【深度思考】
物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类：发射光谱和吸收光谱，线状谱、连续谱和太阳光谱分别属于哪类光谱？
答案(1)发射光谱——物体直接发出的光通过分光后产生的光谱．它分为连续谱和明线光谱(线状谱)．
①连续谱——由连续分布的一切波长的光组成的光谱．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱．
②线状谱——只含有一些不连续的亮线的光谱．各种原子的发射光谱(由稀薄气体发出)都是线状谱．每种原子都有自己的特征谱线，不同元素线状谱不同．
(2)吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱．这种光谱的特点是在连续的背景上有若干条暗线．这些暗线与特征谱线相对应．太阳光谱是一种吸收光谱．
【例1】(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是( )
A．发射光谱包括连续谱和线状谱
B．太阳光谱是连续谱，氢光谱是线状谱
C．只有线状谱可用作光谱分析
D．光谱分析帮助人们发现了许多新元素
解析光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱分为连续谱和线状谱，A正确；太阳光谱是吸收光谱，B错误；线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析，C错误；光谱分析可以精确分析物质中所含元素，并能发现新元素，D正确．
答案AD
光谱分析只能用特征谱线来分析，每种原子都有自己的特征谱线，不同元素线状谱不同，因此可用来分析物质中所含元素．
针对训练1 (多选)关于光谱，下列说法中正确的是( )
A．炽热的液体发射连续谱
B．线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析
C．太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素
D．发射光谱一定是连续谱
答案AB
解析炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，故A正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C错误；发射光谱有连续谱和线状谱，D错误．
二、氢原子光谱的实验规律
1．研究光谱的意义
光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的一条重要途径．
2．巴耳末公式
巴耳末研究发现，氢原子在可见光区的四条谱线的波长能够用一个公式表示即巴耳末公式：
1λ＝R(
1
22
－
1
n2
)，n＝3，4,5…，式中R叫做里德伯常量，R＝1.10×107 m－1.它确定的这一组
谱线称为巴耳末系．式中的n只能取整数，不能连续取值．
【例2】 (多选)下列关于巴耳末公式1λ＝R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－1n 2的理解，正确的是( ) A ．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
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，也适用于其他原子的光谱
解析 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的4条谱线中得到的，只适用于氢原子
光谱的分析，且n 只能取大于等于3的整数，则λ不能取连续值，故氢原子光谱是线状谱．
答案 AC
针对训练2 氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( )
A.59
B.49
C.79
D.29
答案 A
解析 由巴耳末公式1λ＝R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－1n 2 n ＝3,4,5，… 当n →∞时，有最小波长λ1，1λ1＝R 122， 当n ＝3时，有最大波长λ2，
1λ2＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－132，得λ1λ2＝59
. 三、经典理论的困难
1．核式结构模型的成就：正确地指出了原子核的存在，很好的解释了α粒子散射实验．
2．经典理论的困难：既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱 的分立特征.
1．(光谱和光谱分析)(多选)关于太阳光谱，下列说法正确的是( )
A ．太阳光谱是吸收光谱
B ．太阳光谱中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后产生的
C．根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成
D．根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素
答案AB
解析太阳光谱是吸收光谱．因为太阳是一个高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收，从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱，所以分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，而某种物质要观察到它的吸收光谱，要求它的温度不能太低，但也不能太高，否则会直接发光，由于地球大气层的温度很低，所以太阳光通过地球大气层时不会被地球大气层中的物质原子吸收，故上述选项中正确的是A、B.
2．(光谱和光谱分析)利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法正确的是( )
A．利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B．利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C．高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D．同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线由于光谱的不同，它们没有关系
答案 B
解析由于高温物体的光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，故A项错误；某种物质发光的线状谱中的明线是与某种原子发出的某频率的光有关，通过这些亮
线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，B项正确；高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸收而形成暗线，这些暗线由所经过的物质决定，C项错误；某种物质发出某种频率的光，当光通过这种物质时它也会吸收这种频率的光，因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应，D项错误．
3．(氢原子光谱的实验规律)(多选)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式1
λ
＝
R(1
22
－
1
n2
)，n＝3,4,5，…对此，下列说法正确的是( )
A．巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式
B．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性
C．巴耳末依据氢原子光谱的分析总结出巴耳末公式
D．巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性，其波长的分立值并不是人为规定的
答案CD
解析巴耳末公式是根据氢原子光谱总结出来的．氢原子光谱的不连续性反映了氢原子发光的分立性，即辐射波长的分立特征，选项C、D正确．
题组一光谱和光谱分析
1．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
答案 A
解析白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出的光，是连续谱．
2．关于线状谱，下列说法中正确的是( )
A．每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B．每种原子处在不同的物质中的线状谱不同
C．每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D．两种不同的原子发光的线状谱可能相同
答案 C
解析每种原子都有自己的结构，只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线，不会因温度、物质不同而改变，选项C正确．
3．(多选)要得到钠元素的特征谱线，下列做法正确的是( )
A．使固体钠在空气中燃烧
B．将固体钠高温加热成稀薄钠蒸气
C．使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气
D．使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气
答案BC
解析炽热固体发出的是连续谱，燃烧固体钠不能得到特征谱线，A错误；稀薄气体发光产生线状谱，B正确；强烈的白光通过低温钠蒸气时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，C正确，D错误．
4．太阳光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于( ) A．太阳表面大气层中缺少相应的元素
B．太阳内部缺少相应的元素
C．太阳表面大气层中存在着相应的元素
D．太阳内部存在着相应的元素
答案 C
解析太阳光谱中的暗线是由于太阳发出的连续光谱通过太阳表面大气层时某些光被吸收造成的，因此，太阳光谱中的暗线是由于太阳表面大气层中存在着相应的元素，故C正确，
A、B、D均错误．
5．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以确定物质的化学组成
答案 C
解析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；线状谱和吸收光谱可以进行光谱分析，D错误．
6．(多选)下列关于光谱的说法正确的是( )
A．炽热固体、液体和高压气体发出的光形成连续谱
B．各种原子的线状谱中的亮线和它的吸收光谱中的暗线是一一对应的
C．气体发出的光只能产生线状谱
D．甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱
答案AB
解析吸收光谱中的暗线与线状谱中的亮线是一一对应的，所以B正确；而气体发光时，若是高压气体发光则形成连续谱，若是稀薄气体发光则形成线状谱，故A正确，C错误；甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气后，得到的是乙物质的吸收光谱，D错误．
7.如图1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( )
图1
A．a元素B．b元素
C．c元素D．d元素
答案 B
解析由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．
题组二氢原子光谱的实验规律
8．下列对氢原子光谱实验规律的认识中，正确的是( )
A．因为氢原子核外只有一个电子，所以氢原子只能产生一种波长的光
B．氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线
C．氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
D ．氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关
答案 B
解析 氢原子光谱是线状谱，波长是一系列不连续的、分立的特征谱线，并不是只含有一种
波长的光，也不是亮度不连续的谱线，B 对，A 、C 错；氢原子光谱是氢原子的特征谱线，只
要是氢原子发出的光的光谱就相同，与放电管的放电强弱无关，D 错．
9. (多选)如图2甲所示，是a 、b 、c 、d 四种元素的线状谱，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乏的( )
图2
A ．a 元素
B ．b 元素
C ．c 元素
D ．d 元素
答案 BD
解析 将甲中的线状谱与乙中的谱线相对照．
10．氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的光子能量为E 1，其次为E 2，则E 1E 2为( )
A.2027
B.2720
C.23
D.32 答案 A
解析 由1λ＝R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－1n 2得：当n ＝3时， 波长最长，1λ1＝R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－132， 当n ＝4时，波长次之，1λ2＝R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－142， 解得：λ1λ2＝2720，由E ＝h c λ得：E 1E 2＝λ2λ1＝2027
. 11．试计算氢原子光谱中巴耳末系的最长波和最短波的波长各是多少？(保留三位有效数字)
答案 6.55×10
－17 m 3.64×10－7
m
解析 根据巴耳末公式：1λ＝R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1n 2，n ＝3,4,5，…可得λ＝1R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－1n 2，当n ＝3时，波长最长，其值为λ1＝1
R ⎝ ⎛⎭⎪⎫122－1
32＝1536R ＝1536×1.10×107
m≈6.55×10－7 m ，当n ＝∞时，波长最短，其值为λ2＝1
R ⎝ ⎛⎭
⎪⎫122－0＝4R ＝41.10×107 m≈3.64×10－7
m.
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