高中物理选修35学案《原子结构》 第3节 光谱 氢原子光谱.docx

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高中物理选修35学案《原子结构》第3节光谱氢原子光谱

《光谱氢原子光谱》导学案

一、光谱的几种类型及光谱分析的应用

1．光谱

复色光通过棱镜分光后，分解为一系列单色光，这些单色光按波长长短的顺序排列成的光带。

2．发射光谱

（1）发射光谱：

由发光物质直接产生的光谱。

①连续谱：

由波长连续分布的光组成。

②明线光谱：

光谱是一条条的亮线。

（2）产生：

炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱一般是连续谱，而稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱。

3．吸收光谱

复色光通过某种炽热蒸气后，某些特定频率的光被吸收而出现暗线，这样的光谱称为吸收光谱。

4．光谱分析的应用

（1）光谱分析：

根据原子光谱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）应用：

分析物质的组成，灵敏度高。

[特别提醒]　同一原子的明线光谱中的明线与吸收光谱中的暗线相对应，这样的特征仅由原子决定。

二、氢原子光谱

1．氢原子光谱巴尔末公式

λ＝B

（n＝3,4,5,6）

2．广义巴尔末公式

＝RH（

－

）（m＝1,2,3…，n＝m＋1，m＋2，m＋3，…）

其中RH称里德伯常量。

1．判断：

（1）各种原子的发射光谱都是连续谱。

（　　）

（2）不同原子的发光频率是不一样的。

（　　）

（3）线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。

（　　）

（4）巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性。

（　　）

（5）巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）√

2．思考：

能否根据巴尔末公式计算出对应的氢光谱的最长波长？

提示：

能。

氢光谱的最长波长对应着n＝3，代入巴尔末公式便可计算出最长波长。

1.连续谱、线状谱、吸收谱的产生

（1）连续谱：

①产生：

炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱。

②特点：

其光谱是连在一起的光带。

（2）线状谱：

①产生：

由单原子气体或金属蒸气所发出的光为线状光谱，因此也叫原子光谱。

稀薄气体发射光谱也是线状谱。

②特点：

不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素原子产生的线状谱是相同的。

（3）吸收谱：

①产生：

由高压气体或炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后产生的。

②特点：

在连续光谱的背景上有若干条暗线。

实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的线状谱中的一条亮线相对应。

即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线。

例如：

太阳光谱就是典型的吸收光谱。

2．光谱分析的应用

（1）应用光谱分析发现新元素；

（2）鉴别物体的物质成分，研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素；

（3）应用光谱分析鉴定食品优劣；

（4）天文学上光谱红移表明恒星远离等。

（1）每种原子都有其特定的原子谱线，该谱线与原子所处状态无关。

（2）由于每种原子的线状谱与吸收谱一一对应，光谱分析中既可以用线状谱，也可以用吸收谱。

1．以下说法正确的是（　　）

A．进行光谱分析可以用线状光谱，也可以用吸收光谱

B．光谱分析的优点是非常灵敏而且迅速

C．分析某种物质的化学组成可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得吸收光谱进行分析

D．拍摄下月球的光谱可以分析出月球上有哪些元素

解析：

选AB　进行光谱分析时只能用线状光谱或吸收光谱；光谱分析的优点是灵敏而迅速；分析某种物质的组成，可用白光照射其低压蒸气产生的吸收光谱进行；月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，不是月球的光谱，不能用来分析月球上的元素，则只有A、B选项正确。

1.氢原子的光谱

从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图1所示。

2．氢原子光谱的特点

在氢原子光谱图中的可见光区内，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。

巴尔末对放电的氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式，该公式称为巴尔末公式：

＝R

（n＝3、4、5、6…）式中n只能取整数最大值为16，最小值为3，R称为里德伯常量，R＝1.10×107m－1。

（1）巴尔末线系的14条谱线都处于可见光区。

（2）在巴尔末线系中n值越大，对应的波长λ越短，即n＝3时，对应的波长最长。

（3）除了巴尔末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴尔末公式类似的关系式。

（1）在利用巴尔末公式计算某一条谱线对应的波长时，切记R是常数，n取整数且均大于2的数值。

（2）除巴尔末系外，在红外和紫外光区的其他谱线也都满足巴尔末公式类似的关系式，即

＝R（

－

），其中α分别为1,3,4…对应不同的线系。

由此可知氢原子光谱是由一系列线系组成的不连续的线状谱。

2．关于巴尔末公式

＝R（

－

）的理解，正确的是（　　）

A．此公式是巴尔末在研究氢光谱特征时发现的

B．公式中n可取任意值，故氢光谱是连续谱

C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢光谱是线状谱

D．公式不仅适用于氢光谱的分析，也适用于其他原子的光谱

解析：

选AC　此公式只适用于氢原子光谱，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。

[例1]　下列说法中正确的是（　　）

A．炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱

B．各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应

C．气体发出的光只能产生明线光谱

D．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了甲物质的吸收光谱

[解析]　根据连续光谱产生的定义知选项A正确。

由于吸收光谱中的暗线和明线光谱中的明线相对应，但通常吸收光谱中的暗线要比明线光谱中的明线少，所以选项B错误。

气体发光，若为高压气体则产生吸收光谱，若为稀薄气体则产生明线光谱，所以选项C错误。

甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱，所以选项D错误。

[答案]　A

（1）理解和掌握各种光谱的物理意义。

（2）每种元素都有自己的特征谱线，不同的原子，其原子光谱均不相同，因此可以根据光谱分析来鉴别和确定它们的化学组成，在解题中应注意区分明线光谱和吸收光谱。

[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

[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，这些暗线与所通过的物质有关，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，因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应，D错误。

[答案]　B

[例3]　氢原子光谱的巴尔末系中波长最长的谱线的波长为λ1，其次为λ2。

其中RH＝1.10×107m－1求：

（1）λ1/λ2的比值等于多少？

（2）其中最长波长是多少？

[解析]　

（1）由巴尔末公式可得：

＝R（

－

）

＝R（

－

）

所以

＝

＝

。

（2）当n＝3时，对应的波长最长，代入巴尔末公式有：

＝1.10×107×（

－

）

解得λ1≈6.5×10－7m

[答案]　

（1）

（2）6.5×10－7m

1．关于光谱，下列说法中正确的是（　　）

A．地球上接收到的太阳光谱都是吸收光谱

B．稀薄气体产生的光谱是吸收光谱

C．高压气体产生的光谱是连续谱

D．吸收光谱也叫原子光谱

解析：

选AC　炽热固体、液体、高压气体产生连续谱。

太阳本身发射的是连续光谱，但通过温度较低的太阳大气层时被吸收了相对应的谱线，到达地球的太阳光的光谱就成了吸收光谱，稀薄气体产生线状谱，线状谱叫原子光谱，故A、C正确。

2．通过光栅或棱镜获得物质发光的光谱，光谱（　　）

A．按光子的频率顺序排列B．按光子的质量大小排列

C．按光子的速度大小排列D．按光子的能量大小排列

解析：

选AD　由于光谱是将光按波长展开，而波长与频率相对应，故A正确；光子没有质量，各种色光在同一介质中传播速度相同，B、C错误；由爱因斯坦的光子说可知光子能量与光子频率相对应，D正确。

3．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而产生的

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

解析：

选AB　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的原子吸收。

故A、B正确。

4．月光透过棱镜所得的光谱是（　　）

A．连续光谱　　　B．吸收光谱C．线状光谱D．原子光谱

解析：

选B　月亮本身不发光，它反射太阳光，太阳光是吸收光谱，因此月光也是吸收光谱。

5．关于光谱，下列说法中正确的是（　　）

A．各种原子的光谱都是线状谱

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．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

解析：

选ACD　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；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，D正确。

故正确答案为A、C、D。

6．观察钠的吸收光谱需要（　　）

A．让炽热的固体钠发出的白光通过较冷的空气

B．让炽热的固体钠发出的白光通过较热的空气

C．让炽热的固体发出的白光通过较冷的钠蒸气

D．让炽热的固体发出的白光通过较热的钠蒸气

解析：

选C　吸收光谱是高温物体发出的白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的，因此，让炽热的固体发出的白光通过较冷的钠蒸气可观察到钠的吸收光谱。

7．对于光谱，下面的说法中正确的是（　　）

A．大量原子发光的光谱是连续谱，少量原子发出的光谱是线状谱

B．线状谱是由不连续的若干波长的光所组成

C．太阳光谱是连续谱

D．太阳光谱是线状谱

解析：

选BD　原子光谱体现原子的特征，是线状谱，同一种原子无论多少，发光特征都相同，即形成的线状谱都一样，故A错；B项是线状谱的特征，正确；太阳周围的元素的低温蒸气吸收了相应频率的光，故太阳光谱是线状谱，故D对C错。

8．关于光谱的下列说法中正确的是（　　）

A．连续谱和线状谱都是发射光谱

B．线状谱的谱线含有原子的特征谱线

C．固体、液体和气体的发射光谱是连续谱，只有金属蒸气的发射光谱是线状光谱

D．在吸收光谱中，低温气体原子吸收的光恰好就是这种气体原子在高温时发出的光

解析：

选ABD　发射光谱分为连续谱、线状谱，线状谱的谱线含有原子的特征谱线，故A、B项正确；由吸收光谱的产生原理可知D项正确。

炽热的固体、液体和高压气体产生的是连续光谱，故C项错误。

9．有关原子光谱，下列说法正确的是（　　）

A．原子光谱反映了原子结构特征

B.氢原子光谱跟氧原子光谱是不同的

C．太阳光谱是连续谱

D．鉴别物质的成分可以采用光谱分析

解析：

选ABD　各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的线状谱不同。

因此，线状谱又称为原子的特征谱线，所以A、B项正确；鉴别物质的成分可采用分析原子的线状谱，故选项D正确；太阳光通过太阳大气层后某些波长的光被吸收，因此太阳光谱是吸收光谱，不是连续谱，C错误。

10．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是（　　）

A．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱

B.霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱

C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，不能用连续谱

D．观察月亮光谱，可以确定月亮的化学组成

解析：

选BC　太阳光谱是吸收光谱，而月亮反射太阳光，也是吸收光谱，煤气灯火焰中钠蒸气产生的光谱属稀薄气体发光，是线状谱。

11．利用光谱分析鉴别物质的组成成分时，灵敏度是很高的。

（1）如何进行操作？

_________________________________________________________。

（2）如图甲所示的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________。

A．a元素B．b元素C．c元素D．d元素

解析：

（1）光谱分析中首先获取样本的线状谱，然后利用各种原子的特征谱线加以对照从而确定组成成分。

（2）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。

答案：

（1）见解析　

（2）B

12．已知氢原子光谱中巴尔末线系第一条谱线Hα的波长为6565

。

（1）试推算里德伯常量的值；

（2）试计算巴尔末系中波长最短的光对应的波长。

解析：

（1）巴尔末系中第一条谱线为n＝3时，

即

＝R（

－

）

R＝

＝

m－1≈1.097×107m－1。

（2）n＝16时，对应的波长最短，

即

＝R（

－

）

得λmin＝3.70×10－7m。

答案：

（1）1.097×107m－1

（2）3.70×10－7m