3.3 氢原子光谱 学案（2020年粤教版高中物理选修3-5）

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1、第三节第三节 氢原子光谱氢原子光谱 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解氢原子光谱的特点.2.知道巴耳末公式及里德伯常量.3.了解原子光谱及光谱 分析的应用. 科学思维：应用巴耳末公式进行简单计算. 一、巴耳末系 1.氢光谱的获得 在充有稀薄氢气的放电管两极间加上 23 kV 的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下 发光，通过分光镜观察氢原子的光谱. 2.光谱的特点 (1)氢原子光谱在可见光区内有四条谱线，这些谱线是几条分立的亮线. (2)氢原子受激发只能发出几种特定频率的光. 3.氢原子光谱的实验规律 氢原子在可见光区的四条谱线的波长可用一个简单的公式巴耳末公式表示： 1 R( 1 22

2、 1 n2)， n3,4,5,6式中的常数 R 称为里德伯常量. 二、氢原子光谱的其他线系 自从发现巴耳末系后，人们又在紫外区、红外区及近红外区发现了氢原子的其他线系，分别 是莱曼系、帕邢系、布喇开系、普丰德系，这些线系统一的公式为：1 R( 1 m2 1 n2)，式中 m、 n 均为正整数，且 nm，此式称为广义巴耳末公式，也可以表示为1 T(m)T(n)，式中 T(m) R m2，T(n) R n2称为光谱项. 三、原子光谱 1.原子光谱：某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱称为原子光 谱. 2.每种原子都有自己特定的原子光谱，不同的原子，其原子光谱均不相同. 3.通

3、过对光谱的分析可鉴别不同的原子，确定物体的化学组成并发现新元素. 1.判断下列说法的正误. (1)某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，称为原子光谱.( ) (2)符合巴耳末公式的谱线既有可见光也有紫外光.( ) (3)巴耳末公式中的 n 既可以取整数也可以取小数.( ) (4)不同原子的发光频率是不一样的.( ) (5)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质.( ) 2.巴耳末系谱线波长满足巴耳末公式1 R 1 22 1 n2 ，式中 n3,4,5在氢原子光谱可见光区， 最长波长与最短波长的比值为_. 答案 8 5 解析 巴耳末系的前四条谱线在可见光区，n 的取值分别为 3,4,5,6

4、.n 越小， 越大，故 n3 时波长最长，max36 5R；n6 时，波长最短，min 9 2R，故 max min 8 5. 一、氢原子光谱的实验规律 1.巴耳末公式 (1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到公式：1 R( 1 22 1 n2)(n3,4,5)，该公式称为巴 耳末公式.式中 R 叫做里德伯常量，实验值为 R1.097107 m 1. (2)一系列符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系. (3)巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值， 不能取连续值.巴耳末公式以简洁的形式 反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征. 2.其他谱线 除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区

5、的其他谱线，也都满足与巴耳末公式类似的关 系式. 例 1 (多选)下列关于巴耳末公式1 R( 1 22 1 n2)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 只能取大于或等于 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，也适用于其他原子光谱的分析 答案 AC 解析 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线时得到的，只适用于氢原子 光谱的分析，A 对，D 错；公式中 n 只能取大于或等于 3 的整数， 不能连续取值，故氢原 子光谱是线状谱，B 错，C 对. 例 2

6、已知氢原子光谱中巴耳末系第一条谱线 H的波长为 656.47 nm，普朗克常量 h 6.6310 34 J s，真空中的光速 c3108 m s1. (1)试推算里德伯常量的值； (2)利用巴耳末公式求其中第四条谱线的波长和对应光子的能量. 答案 (1)1.097107 m 1 (2)4.102107 m(或 410.2 nm) 4.8510 19 J 解析 (1)巴耳末系中第一条谱线对应 n3 1 1R 1 22 1 32 R36 511.09710 7 m1. (2)巴耳末系中第四条谱线对应 n6，则：1 4R 1 22 1 62 解得 4 9 2R 9 21.097107 m4.1021

7、0 7 m410.2 nm Eh4h c 44.8510 19 J. 1.计算氢原子发出的某一线系的光的波长时，首先要明确为哪一线系，选用相应的公式1 R( 1 m2 1 n2)，其中 m、n 的取值只能为正整数且 n 大于 m. 2.不同波长的光在真空中的传播速度相同， 由 c 和 h 可得光的频率、 光子的能量均不 同. 二、原子光谱与光谱分析 1.几种光谱的比较 比较 光谱 产生条件 光谱形式及应用 发 射 光 谱 线状谱 稀薄气体发光形成的 由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)，可用于光谱分析 连续谱 炽热的固体、液体和高 压气体发光形成的 连续分布，一切

8、波长的光都有 吸收光谱 炽热物体发出的白光通 过温度较低的气体后， 再色散形成的 用分光镜观察时， 见到连续光谱背景上出现 一些暗线(与特征谱线相对应)，可用于光谱 分析 2.太阳光谱 (1)太阳光谱的特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱. (2)对太阳光谱的解释： 阳光中含有各种颜色的光， 但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时， 太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达 地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了明亮背景下的暗线. 3.原子光谱 每种原子都有自己的特征谱线原子光谱，不同的原子，其原子光谱均不同，因而，原子 光谱是原子的

9、“指纹”. 4.光谱分析 (1)通过对光谱的分析鉴别不同的原子，确定物体的化学组成并发现新元素. (2)优点：灵敏度高，分析物质的最低含量达 10 10 g. (3)用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱. 例 3 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.做光谱分析时，利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的组成成分 答案 C 解析 物体发光的发射光谱分为连续谱和线状谱，A、B 错；做光谱分析可使用吸收光谱也 可以使用线状谱，D 错. 稀薄气体发出的光谱是线状谱，此光谱是一些不连续的亮线，仅含有

10、一些特定频率的光.线状 谱中不同的谱线对应不同的频率，不同元素的原子产生的线状谱不同，因而可以用线状谱来 确定物质的成分. 例 4 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某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上的亮线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 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 错误；某种物质发射 的线状谱中的亮线与某种原子发出的某频率的光有

11、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 正确；高温物体发出的光通过某物质后某些频率的光被吸收而 形成暗线，这些暗线由所通过的物质决定，C 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，因此同一物质线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相 对应，D 错误. 1.光谱分析只能用线状谱或吸收光谱. 2.光谱分析的方法是用白光照射被鉴定物质的低压蒸气. 3.吸收光谱是由高温物体发出的白光通过低温物质，某些波长的光被吸收后产生的光谱.光谱 在连续谱的背景下有若干暗线，而这些暗线与线状谱的亮线一一对应，因而吸收光谱中的暗 线也是该元素原子的特征谱线.

12、1.(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 R( 1 22 1 n2)，n3,4,5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. 2.(原子光谱的理解)对原子光谱，下列说法中不正确的是( ) A.原子光谱是不连续的 B.由于

13、原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的 C.由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同 D.分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 答案 B 解析 原子光谱为线状谱，A 对；各种原子都有自己的特征谱线，故 B 错，C 对；根据各种 原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，D 对. 3.(光谱和光谱分析)(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中正确的是( ) A.光谱包括发射光谱、连续谱、线状谱、原子光谱、吸收光谱五种光谱 B.往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的明线光谱 C.利用太阳光谱可以分析太阳内部的化学组成 D.各种原子的发射光谱都是线状谱 答案 BD 解析 光谱包括发射光谱和吸收光谱两种，其中发射光谱分为连续谱和线状谱，线状谱和吸 收光谱都能体现不同原子的特征，称为原子光谱，各种原子的发射光谱都是线状谱，选项 A 错误，D 正确；往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的线状谱，选项 B 正确； 太阳光谱是吸收光谱，其中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后 而产生的，说明太阳大气层中存在与这些暗线相对应的元素，但是不能分析太阳内部的化学 组成，故 C 错误.