2.3光谱氢原子光谱 学案（2020年教科版高中物理选修3-5）

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1、3 光谱光谱 氢原子光谱氢原子光谱 学科素养与目标要求 物理观念：1.知道什么是光谱，掌握连续谱和线状谱的区别.2.知道氢原子光谱的实验规律. 3.知道什么是光谱分析，了解光谱分析的应用. 科学探究：用分光镜探究连续谱、发射光谱、吸收光谱. 一、光谱与光谱的几种类型 1.光谱 光谱：复色光通过棱镜分光后，分解为一系列单色光，而且按波长长短的顺序排列成一条光 带，称为光谱. 2.光谱的类型 (1)发射光谱 连续谱：连续分布着的包含着由波长连续分布的各种色光的光谱. 明线光谱：在光谱中出现的由一些彩色亮线组成的光谱，每一条亮线称为光谱线.不同原子 的明线光谱是不同的. 发射光谱：连续谱和明线光谱都

2、是由发光物质直接产生的光谱，所以也称为发射光谱. (2)吸收光谱：让高温光源发出的白光通过温度较低的钠的蒸气，在连续谱的背景下有一些暗 线， 这是由于被火焰加热的钠盐产生的蒸气吸收了白光中的一些特定频率的光而形成的谱线， 称为吸收光谱. (3)原子光谱： 线状谱：同一原子的发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线，称为线状谱. 原子光谱：同一种原子的发射和吸收的线状谱位置相同，不同原子的线状谱位置不同(均选 填“相同”或“不同”)，说明不同原子的发光频率不同，这样的谱线称为原子光谱. 二、光谱分析的应用 1.光谱分析：由于原子发光的频率只与原子结构有关，因此可以把某种原子的光谱当作该原 子的“指纹”，

3、用来鉴别物质的化学组成中是否存在这种原子，含量的多少等，这种方法叫 做光谱分析. 2.光谱分析的特点：极为灵敏，它可以在不破坏、不接触研究对象的情况下，获取其内部信息. 3.光谱分析的应用：利用光谱分析，可以发现许多元素，比如准确推测出了太阳的元素组成； 在医学、食品检测等方面也有重要应用. 三、氢原子光谱 1.氢原子光谱的产生：在真空管中充入稀薄的氢气，两极加上 23 kV 的高压，在电场的激 发下，氢原子就会发光，通过分光镜就可以观察到氢原子光谱. 2.巴尔末公式：1885 年，巴尔末归纳出的波长公式为 B n2 n24(n3,4,5,6，)，称为巴尔 末公式. 3.广义巴尔末公式：1 R

4、H 1 m2 1 n2 (m1,2,3，；nm1，m2，m3，). 判断下列说法的正误. (1)各种原子的发射光谱都是连续谱.( ) (2)各种原子的发射光谱都是线状谱，并且只能发出几种特定频率的光.( ) (3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质.( ) (4)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分.( ) (5)巴尔末公式中的 n 既可以取整数也可以取小数.( ) 一、光谱和光谱分析 如图所示，使用分光镜，分组进行下面的活动. 活动 1：让白炽灯发出的强光通过一个狭缝进入分光镜，记录观察到的现象. 活动 2：在暗室中点燃酒精灯，在火焰上撒一些钠盐，使用分光镜观察火焰，记录观察到的 现

5、象. 活动 3：用弧光灯发出的白光，照射钠蒸气(在酒精灯的灯芯上撒上一些钠盐，钠盐受热分解 产生钠蒸气)，用分光镜观察通过钠蒸气后的强光，记录观察到的现象. 在以上三个活动中，你所观察到的光谱有什么不同？ 答案 在活动 1 中，观察到的是连续彩色光带，这种光谱称为连续谱，它是由波长连续分布 的光组成的. 在活动 2 中，可以观察到在光谱中出现一些彩色亮线. 在活动 3 中，可以观察到在连续的彩色背景下有一些暗线. 1.光谱的分类 光谱 发射光谱 连续谱 线状谱 吸收光谱 2.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光谱 一些不连续的亮

6、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 形成的光谱 连续分布，一切波长的光都有 吸收 光谱 炽热物体发出的白光通过温度较 低的气体后，再色散形成的光谱 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 3.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

7、起来就弱了，这就形成了明亮背景下的暗线. 4.原子光谱 对于同一种原子线状谱的位置相同， 对于不同原子的谱线位置不同， 这样的谱线叫原子光谱， 它只决定于原子的内部结构，也称为原子的特征谱线. 5.光谱分析 (1)优点：灵敏度高，分析物质的最低含量达 10 10 g. (2)应用：a.发现新元素；b.鉴别物质的组成成分. (3)用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱. 例 1 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

8、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 2 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

9、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，这些暗线由所经过的物质决定，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.光谱分析可以用发射光谱中的线状谱，也可以用吸收光谱. 2.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

10、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. 二、氢原子光谱的实验规律 1.氢原子光谱：氢原子光谱呈现分立的明线条纹，在可见光区内，由右向左，相邻谱线间的 距离越来越小，表现出明显的规律性. 2.氢原子光谱的特点 (1)将巴尔末公式 B n2 n24(n3,4,5,6，)改写为 1 RH 1 22 1 n2 (n3,4,5,6，) 满足这个公式的多条氢谱线均属于巴尔末系. (2)广义巴尔末公式 1 RH 1 m2 1 n2 (m1,2,3，；nm1，m2，m3，) 由上式，当 m1 时，得到赖曼系；当 m2 时

11、，得到巴尔末系；当 m3 时，得到帕邢系； 当 m4 时，得到布喇开系. 例 3 (多选)下列关于巴尔末公式1 RH( 1 22 1 n2)的理解，正确的是( ) A.此公式是巴尔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 此公式是巴尔末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线中得到的，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，

12、B 错，C 对. 例 4 已知氢原子光谱中巴尔末系第一条谱线 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(结果保留四位有效数字). (1)试推算里德伯常量的值； (2)利用巴尔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)4.10210 7 m(或 410.2 nm) 4.8491019 J 解析 (1)巴尔末系中第一条谱线对应 n3 1 1RH 1 22 1 32 RH 36 511.09710 7 m1. (2)巴尔末系中第四条谱线对应 n6， 则：1 4RH 1 22 1 6

13、2 解得 4 9 2RH4.10210 7 m410.2 nm Eh4h c 44.84910 19 J. 1.(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 正确；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. 2.(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

14、( ) 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

15、对应的元素， 但是不能分析太阳的化学组成， 故 C 错误. 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.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱 B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱 C.进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续谱 D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分 答案 BC 解析 太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳 发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致， 白炽灯发出的是连续谱， 选项 A 错误； 月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物 质成分，选

16、项 D 错误；光谱分析只能是线状谱或吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析 的， 选项 C 正确； 煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱， 选项 B 正确. 4.(氢原子光谱的实验规律)(多选)巴尔末通过对氢原子光谱的研究总结出巴尔末公式1 RH( 1 22 1 n2)(n3,4,5，)对此，下列说法正确的是( ) A.巴尔末依据核式结构理论总结出巴尔末公式 B.巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性 C.巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式 D.巴尔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 巴尔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.