第十八章第三节氢原子光谱.docx
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第十八章第三节氢原子光谱
第三节 氢原子光谱
[学习目标] 1.知道什么是光谱,能区别连续谱和线状谱,知道光谱分析的应用. 2.知道氢原子光谱的实验规律. 3.知道经典电磁理论的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱的分立特征.
一、光谱(阅读教材P54~P55)
定义:
按照光的波长和强度分布展开排列的记录,即光谱.
分类:
有些光谱是一条条的亮线,这样的亮线叫谱线,这样的光谱叫线状谱.有的光谱不是一条条分立的谱线,而是连续在一起的光带,这样的光谱叫做连续谱.
特征光谱:
各种原子的发射光谱都是线状谱,说明原子只发射特定频率的光.不同原子发射的线状谱的亮线位置不同,说明不同原子发光频率是不一样的,因此这些亮线称为原子的特征谱线.
光谱分析:
(1)定义:
利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法叫做光谱分析.
(2)优点:
灵敏度高.
拓展延伸►———————————————————(解疑难)
1.不同元素的原子产生的线状谱是不同的,同种元素的原子产生的线状谱是相同的,说明每种原子只能发射与其本身特征相关的某些波长的光.
2.同种元素的原子吸收光谱的暗线和线状谱的亮线相对应.
1.
(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.( )
提示:
(1)×
(2)√ (3)×
二、氢原子光谱的实验规律和经典理论的困难
(阅读教材P55~P56)
1.许多情况下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重要途径.
2.巴耳末公式:
=R
(n=3、4、5…).
3.巴耳末公式的意义:
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.
4.核式结构模型的成就:
正确地指出了原子核的存在,很好地解释了α粒子散射实验.
5.经典理论的困难:
经典物理学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.
拓展延伸►———————————————————(解疑难)
1.科学家观察了大量的其他原子的原子光谱,发现每种原子都有自己特定的光谱.不同的原子,其原子光谱均不相同.和氢原子一样,其他原子的光谱线的波数也可以表示为两个光谱项之差,所不同的是,它们的光谱项的形式要复杂一些.
2.通过分析研究大量的原子光谱,可以得到一个共同的规律,那就是各种原子辐射的光波都是线状光谱,波长具有分立性,只能是不连续的分立值.
3.经典物理学无法解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征,新的理论和假说出现势在必行.
2.根据经典的电磁理论,原子的光谱是怎样的?
而实际看到的原子的光谱是怎样的?
提示:
根据经典理论,原子可以辐射各种频率的光,即原子的光谱应该总是连续的.实际看到的原子的光谱是分立的线状谱.
光谱和光谱分析
1.光谱的分类
2.太阳光谱
(1)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,这就形成了连续谱背景下的暗线.
3.光谱分析
(1)优点:
灵敏度高,分析物质的最低量达10-10g.
(2)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.
——————————(自选例题,启迪思维)
1.关于光谱,下列说法正确的是( )
A.炽热的液体发射连续谱
B.发射光谱一定是连续谱
C.线状谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析
D.霓虹灯发光形成的光谱是线状谱
[解析] 炽热的液体发射的光谱为连续谱,所以选项A正确;发射光谱可以是连续谱也可以是线状谱,所以选项B错误;线状谱和吸收光谱都对应某种元素的光谱,都可以对物质成分进行分析,所以选项C正确;霓虹灯发光形成的光谱是线状谱,所以选项D正确.
[答案] ACD
2.关于光谱,下列说法正确的是( )
A.太阳光谱是连续光谱
B.稀薄的氢气发光产生的光谱是线状谱
C.煤气灯上燃烧的钠盐汽化后的钠蒸气产生的光谱是线状谱
D.白光通过钠蒸气产生的光谱是线状谱
[解析] 太阳光谱是太阳产生的白光,通过太阳周围温度较低的大气时,某些波长的光被太阳大气层中的某些元素吸收从而产生的吸收光谱,所以A不正确;稀薄的氢气发光产生的是原子光谱,又叫明线光谱,所以B正确;钠蒸气产生的光谱是原子光谱,C正确;白光通过钠蒸气产生的光谱是吸收光谱,所以D不正确,应选B、C.
[答案] BC
3.关于光谱和光谱分析,下列说法正确的是( )
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.线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析
D.光谱分析帮助人们发现了许多新元素
[思路探究] 光谱分析应当使用什么光谱线?
[解析] 线状谱和吸收光谱都是原子的特征光谱,都可用来进行光谱分析,太阳光谱是吸收光谱.A、C、D选项正确.
[答案] ACD
[名师点评]
(1)太阳光谱是吸收光谱,是阳光透过太阳的高层大气层时而形成的,不是地球大气造成的.
(2)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的,两者均可用来作光谱分析.
氢原子光谱的实验规律及应用
1.氢原子的光谱
从氢气放电管可以获得氢原子光谱,如图所示.
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.巴耳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,该公式称为巴耳末公式:
=R
(n=3、4、5、6…)
(1)公式中n只能取大于等于3的整数,不能连续取值,波长也只会是分立的值.
(2)除了巴耳末系,氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式.
——————————(自选例题,启迪思维)
1.关于巴耳末公式,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.巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际,其波长的分立值并不是人为规定的
[解析] 由于巴耳末是利用当时已知的、在可见光区的4条谱线作了分析总结出的巴耳末公式,并不是依据核式结构理论总结出来的,巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性,也就是氢原子实际只发出若干特定频率的光,由此可知,选项C、D正确.
[答案] CD
2.关于巴耳末公式
=R
的理解,正确的是( )
A.此公式是巴耳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只能取大于或等于3的整数值,故氢光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢光谱的分析,也适用于其他原子的光谱
[思路探究] 波长大小与n的取值大小有何关系?
[解析] 巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的,故A选项正确;公式中的n只能取大于或等于3的整数值,故氢光谱是线状谱,B选项错误,C选项正确;巴耳末公式只适用于氢光谱的分析,不适用于其他原子光谱的分析,D选项错误.
[答案] AC
3.氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的谱线的波长为λ1,其次为λ2,求:
(1)
的值等于多少?
(2)其中最长波长的光子能量是多少?
[解析]
(1)由巴耳末公式可得:
=R
,
=R
,所以
=
=
.
(2)当n=3时,对应的波长最长,代入巴耳末公式有:
=1.10×107×
m-1,解得λ1≈6.5×10-7m.
光子能量为
ε1=hν=h
=
J=3.06×10-19J.
[答案]
(1)
(2)3.06×10-19J
[方法技巧]
(1)巧记氢原子光谱的规律
解决氢原子光谱的有关问题时,可由广义的公式
=R
着手进行分析,当k=1,2,3,4,…时分别对应莱曼系、巴耳末系、帕邢系、布喇开系……而n可取从k+1开始的一系列正整数.
(2)氢原子光谱的几种线系的表示公式
莱曼系
=R
,n=2,3,4…(在紫外区)
巴耳末系
=R
,n=3,4,5…(在可见光区)
帕邢系
=R
,n=4,5,6…(在红外区)
布喇开系
=R
,n=5,6,7…(在近红外区)
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氢原子光谱
思想方法——利用光谱鉴别物质成分
解决光谱的有关问题,首先要理解不同谱线的特征.线状谱和吸收光谱中的谱线都对应着特定的频率的光,所以都能用来进行光谱分析.
1.连续谱和线状谱都是物体直接发光产生的光谱,同属发射光谱.连续谱由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成,光谱为一条光带,含有各种频率的光.线状谱是由稀薄气体或金属蒸气产生,光谱是一些不连续的亮线,仅含有一些特定频率的光.线状谱中每条光谱线对应着一种频率,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.
2.太阳光谱是吸收光谱.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,光谱是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.
[范例] 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] 太阳是高温物体,它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时,某些特定频率的光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,因此,选项A、B正确.分析太阳的吸收光谱,可知太阳大气层的物质组成,而某种物质要观测到它的吸收光谱,要求它的温度不能太低,也不能太高,否则会直接发光,由于地球大气层的温度很低,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,故选项C、D错误.
[答案] AB
下列说法中正确的是( )
A.进行光谱分析,可以用线状谱,也可以用吸收光谱
B.光谱分析的优点是非常灵敏而迅速
C.使一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,就可以对前者的化学组成进行分析
D.摄下月球的光谱,可以分析出月球是由哪些元素组成的
解析:
选AB.由于每种元素都有自己的特征谱线,因此,可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成.所以光谱分析可以用线状谱或者吸收光谱.月球的光谱是太阳的反射光谱,故不能分析月球是由哪些元素组成的.
[随堂达标]
1.下列说法正确的是( )
A.发射光谱一定是连续谱
B.线状谱和暗线谱都可以对物质成分进行分析
C.霓虹灯发光形成的光谱是连续谱
D.巴耳末公式只适用于氢原子发光
答案:
BD
2.(2015·南通高二检测)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
解析:
选A.白炽灯发光属于炽热的固体发光,所以发出的是连续光谱.
3.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:
选B.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,这些暗线与所经物质有关,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.
4.(选做题)(2015·常州高二检测)氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( )
A.
B.
C.
D.
解析:
选A.由巴耳末公式
=R
,n=3,4,5,…
当n=∞时,最小波长
=R
①
当n=3时,最大波长
=R
②
由①②得
=
.
[课时作业]
一、选择题
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.甲物体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:
选A.据连续光谱的产生知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,但通常吸收光谱中看到的暗线要比明线光谱中的明线少,所以B不对;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C不对;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D不对,应选A.
2.(多选)下列物质中产生线状谱的是( )
A.炽热的钢水 B.发光的日光灯管
C.点燃的蜡烛D.极光
解析:
选BD.选项A、C产生的都是连续谱,B产生稀薄水银蒸气的特征谱线,D是宇宙射线激发的稀薄气体发光,能产生线状谱,故B、D选项正确.
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.作光谱分析时,利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成
解析:
选C.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.只有利用线状谱才可以进行光谱分析,D错误.
4.太阳的光谱中有许多暗线,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
解析:
选C.太阳光谱中的暗线是由于太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时产生的,表明太阳大气层中含有与这些特征谱线相应的元素.
5.(多选)(2015·杭州高二检测)对原子光谱,下列说法正确的是( )
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
解析:
选ACD.原子光谱为线状谱;各种原子都有自己的特征谱线;据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成.由此知A、C、D说法正确,B说法错误.
6.(多选)(2015·南京高二检测)如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱,图乙是某矿物的线状谱,通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是( )
A.a元素B.b元素
C.c元素D.d元素
解析:
选BD.将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图对照,可知矿物中缺少b、d元素,故选BD.
7.(多选)关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系,下列说法正确的是( )
A.经典电磁理论很容易解释原子的稳定性
B.根据经典电磁理论,电子绕原子核转动时,电子会不断释放能量,最后被吸附到原子核上
C.根据经典电磁理论,原子光谱应该是连续的
D.原子的核式结构模型彻底否定了经典电磁理论
解析:
选BC.根据经典电磁理论,电子绕核运动产生变化的电磁场,向外辐射电磁波,电子转动能量减少,轨道半径不断减小,运动频率不断改变,因此大量原子发光的光谱应该是连续谱,最终电子落到原子核上,所以A错误,B、C正确;经典电磁理论不能解释原子世界的现象,但可以很好地应用于宏观物体,所以D错误.
8.下列关于特征谱线的几种说法,正确的有( )
①明线光谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线
②明线光谱中的明线是特征谱线,吸收光谱中的暗线不是特征谱线 ③明线光谱中的明线不是特征谱线,吸收光谱中的暗线是特征谱线 ④同一元素的明线光谱的明线与吸收光谱的暗线是相对应的
A.①B.③
C.①④D.②④
解析:
选C.明线光谱中的明线与吸收光谱中的暗线均为特征谱线.并且实验表明各种元素的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的明线光谱中的一条明线相对应.所以①④是正确的.正确选项为C.
9.对于巴耳末公式下列说法正确的是( )
A.所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应
B.巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长
C.巴耳末确定了氢原子发光的一个线系的波长,其中既有可见光,又有紫外光
D.巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长
解析:
选C.由于巴耳末是利用当时已知的、在可见光区的4条谱线作了分析总结出的巴耳末公式,并不是依据核式结构理论总结出来的,巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性,也就是氢原子实际只发出若干特定频率的光,由此可知,只有选项C正确.
二、非选择题
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E1,其次为E2,则
为多少?
解析:
由
=R
得:
当n=3时,波长最长,
=R
,当n=4时,波长次之,
=R
,解得:
=
,由E=h
得:
=
=
.
答案:
11.氢原子光谱除了巴耳末系外,还有莱曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为
=R
,n=4,5,6,…,R=1.10×107m-1.若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域,试求:
(1)n=6时,对应的波长;
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少?
n=6时,传播频率为多大?
解析:
(1)由帕邢系公式
=R
,当n=6时,λ=1.09×10-6m.
(2)帕邢系形成的谱线在红外线区域,而红外线属于电磁波,在真空中以光速传播,故波速为光速c=3×108m/s,由v=
=λν,得ν=
=
=
Hz=2.75×1014Hz.
答案:
(1)1.09×10-6m
(2)3×108m/s 2.75×1014Hz
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- 关 键 词:
- 第十八 三节 氢原子 光谱