高中物理人教版5第十八章原子結(jié)構(gòu)3氫原子光譜 第十八章第3節(jié)氫原子光譜

第3節(jié)氫原子光譜1.知道什么是光譜，能區(qū)別連續(xù)譜和線狀譜，知道光譜分析的應(yīng)用．2.知道氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律．3．知道經(jīng)典電磁理論的困難在于無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性和光譜的分立特征．一、光譜1．定義：按照光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度分布展開(kāi)排列的記錄，即光譜．2．分類(lèi)：有些光譜是一條條的亮線，這樣的亮線叫譜線，這樣的光譜叫線狀譜．有的光譜不是一條條分立的譜線，而是連續(xù)在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜．3．特征光譜：各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，說(shuō)明原子只發(fā)射特定頻率的光．不同原子發(fā)射的線狀譜的亮線位置不同，說(shuō)明不同原子發(fā)光頻率是不一樣的，因此這些亮線稱(chēng)為原子的特征譜線．4．光譜分析(1)定義：利用原子的特征譜線來(lái)鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法叫做光譜分析．(2)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高．1．(1)各種原子的發(fā)射光譜都是連續(xù)譜．()(2)不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的．()(3)線狀譜和連續(xù)譜都可以用來(lái)鑒別物質(zhì)．()提示：(1)×(2)√(3)×二、氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1．許多情況下光是由原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，因此光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的重要途徑．2．巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3、4、5…)．3．巴耳末公式的意義：以簡(jiǎn)潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長(zhǎng)的分立特征．2．(1)光是由原子核內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，光譜研究是探索原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一條重要途徑．()(2)稀薄氣體的分子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)變成導(dǎo)體并發(fā)光．()(3)巴耳末公式中的n既可以取整數(shù)也可以取小數(shù)．()提示：(1)×(2)√(3)×三、經(jīng)典理論的困難1．核式結(jié)構(gòu)模型的成就：正確地指出了原子核的存在，很好地解釋了α粒子散射實(shí)驗(yàn)．2．經(jīng)典理論的困難：經(jīng)典物理學(xué)既無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性，又無(wú)法解釋原子光譜的分立特征．3．(1)經(jīng)典物理學(xué)很好地解釋原子的穩(wěn)定性．()(2)經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋原子光譜的分立特征．()(3)經(jīng)典物理學(xué)可以很好地應(yīng)用于宏觀世界，也能解釋原子世界的現(xiàn)象．()提示：(1)×(2)√(3)×知識(shí)點(diǎn)一光譜和光譜分析1．光譜的分類(lèi)2．太陽(yáng)光譜(1)特點(diǎn)：在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線，是一種吸收光譜．(2)對(duì)太陽(yáng)光譜的解釋?zhuān)宏?yáng)光中含有各種顏色的光，但當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)的高層大氣射向地球時(shí)，太陽(yáng)高層大氣中含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線的光，然后再向四面八方發(fā)射出去，到達(dá)地球的這些譜線看起來(lái)就暗了，這就形成了連續(xù)譜背景下的暗線．3．光譜分析(1)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達(dá)10－10g.(2)應(yīng)用①應(yīng)用光譜分析發(fā)現(xiàn)新元素；②鑒別物體的物質(zhì)成分：研究太陽(yáng)光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)中存在鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素；③應(yīng)用光譜分析鑒定食品優(yōu)劣．(多選)下列關(guān)于光譜和光譜分析的說(shuō)法中，正確的是()A．太陽(yáng)光譜和白熾燈光譜都是線狀譜B．煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線狀譜C．進(jìn)行光譜分析時(shí)，可以用線狀譜，不能用連續(xù)光譜D．我們能通過(guò)月球反射的日光分析鑒別月球的物質(zhì)成分[解題探究](1)光譜分析應(yīng)當(dāng)使用什么光譜線？(2)能否利用反射光分析反射物的物質(zhì)組成？[解析]太陽(yáng)光譜中的暗線是太陽(yáng)發(fā)出的連續(xù)譜經(jīng)過(guò)太陽(yáng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜，正是太陽(yáng)發(fā)出的光譜被太陽(yáng)大氣層中存在的對(duì)應(yīng)元素吸收所致，白熾燈發(fā)出的是連續(xù)譜，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；月球本身不會(huì)發(fā)光，靠反射太陽(yáng)光才能使我們看到它，所以不能通過(guò)光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；光譜分析只能是線狀譜和吸收光譜，連續(xù)譜是不能用來(lái)進(jìn)行光譜分析的，所以選項(xiàng)C正確；煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線狀譜，選項(xiàng)B正確．[答案]BC(1)太陽(yáng)光譜是吸收光譜，是陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)的高層大氣層時(shí)而形成的，不是地球大氣造成的．(2)某種原子線狀光譜中的亮線與其吸收光譜中的暗線是一一對(duì)應(yīng)的，兩者均可用來(lái)作光譜分析．(多選)關(guān)于光譜和光譜分析，下列說(shuō)法正確的是()A．發(fā)射光譜包括連續(xù)譜和線狀譜B．太陽(yáng)光譜是連續(xù)譜，氫光譜是線狀譜C．線狀譜和吸收光譜都可用作光譜分析D．光譜分析幫助人們發(fā)現(xiàn)了許多新元素解析：選ACD.線狀譜和吸收光譜都是原子的特征光譜，都可用來(lái)進(jìn)行光譜分析，太陽(yáng)光譜是吸收光譜．A、C、D選項(xiàng)正確．知識(shí)點(diǎn)二氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律及應(yīng)用1．氫原子的光譜從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜，如圖所示．2．氫原子光譜的特點(diǎn)：在氫原子光譜圖中的可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)，由右向左，相鄰譜線間的距離越來(lái)越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性．3．巴耳末公式(1)巴耳末對(duì)氫原子光譜的譜線進(jìn)行研究得到了下面的公式：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3，4，5…)，該公式稱(chēng)為巴耳末公式．(2)公式中只能取n≥3的整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長(zhǎng)是分立的值．4．其他譜線：除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線，也都滿(mǎn)足與巴耳末公式類(lèi)似的關(guān)系式．對(duì)巴耳末公式的理解(多選)關(guān)于巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))的理解，正確的是()A．此公式是巴耳末在研究氫光譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)的B．公式中n可取任意值，故氫光譜是連續(xù)譜C．公式中n只能取大于或等于3的整數(shù)值，故氫光譜是線狀譜D．公式不但適用于氫光譜的分析，也適用于其他原子的光譜[解題探究]波長(zhǎng)大小與n的取值大小有何關(guān)系？[解析]巴耳末公式是巴耳末在研究氫光譜特征時(shí)發(fā)現(xiàn)的，故A選項(xiàng)正確；公式中的n只能取大于或等于3的整數(shù)值，故氫光譜是線狀譜，B選項(xiàng)錯(cuò)誤，C選項(xiàng)正確；巴耳末公式只適用于氫光譜的分析，不適用于其他原子光譜的分析，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．[答案]AC巴耳末公式的應(yīng)用已知?dú)湓庸庾V中巴耳末系第一條譜線Hα的波長(zhǎng)為nm(普朗克常量h＝×10－34J·s，真空中的光速c＝3×108m·s－1)，求：(1)試推算里德伯常量的值；(2)利用巴耳末公式求其中第四條譜線的波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)光子的能量．[思路點(diǎn)撥](1)n＝1時(shí)，λ＝nm，利用巴耳末公式求R.(2)R已求，n＝4時(shí)利用巴耳末公式求λ.(3)h、c已知，利用E＝heq\f(c,λ)求E.[解析](1)巴耳末系中第一條譜線為n＝3時(shí)，即eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))R＝eq\f(36,5λ1)≈×107m－1.(2)巴耳末系中第四條譜線對(duì)應(yīng)n＝6，則eq\f(1,λ4)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,62)))λ4＝eq\f(36,8××107)m≈×10－7m＝nmε＝hν＝heq\f(c,λ4)≈×10－19J.[答案](1)×107m－1(2)×10－7m(或nm)×10－19J氫原子光譜的幾種線系的表示公式萊曼系eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,12)－\f(1,n2)))，n＝2，3，4…(在紫外區(qū))巴耳末系eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，n＝3，4，5…(在可見(jiàn)光區(qū))帕邢系eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,32)－\f(1,n2)))，n＝4，5，6…(在紅外區(qū))布喇開(kāi)系eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,42)－\f(1,n2)))，n＝5，6，7…(在近紅外區(qū))[隨堂達(dá)標(biāo)]1．(多選)下列說(shuō)法正確的是()A．發(fā)射光譜一定是連續(xù)譜B．線狀譜和暗線譜都可以對(duì)物質(zhì)成分進(jìn)行分析C．霓虹燈發(fā)光形成的光譜是連續(xù)譜D．巴耳末公式只適用于氫原子發(fā)光答案：BD2．(2023·南通高二檢測(cè))白熾燈發(fā)光產(chǎn)生的光譜是()A．連續(xù)光譜 B．明線光譜C．原子光譜 D．吸收光譜解析：選A.白熾燈發(fā)光屬于熾熱的固體發(fā)光，所以發(fā)出的是連續(xù)光譜．3．(多選)下列說(shuō)法中正確的是()A．進(jìn)行光譜分析，可以用線狀譜，也可以用吸收光譜B．光譜分析的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而迅速C．使一種物質(zhì)發(fā)出的白光通過(guò)另一種物質(zhì)的低溫蒸氣，取得吸收光譜，就可以對(duì)前者的化學(xué)組成進(jìn)行分析D．?dāng)z下月球的光譜，可以分析出月球是由哪些元素組成的解析：選AB.由于每種元素都有自己的特征譜線，因此，可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成．所以光譜分析可以用線狀譜或者吸收光譜．月球的光譜是太陽(yáng)的反射光譜，故不能分析月球是由哪些元素組成的．4．(多選)關(guān)于巴耳末公式，下列說(shuō)法正確的是()A．巴耳末依據(jù)核式結(jié)構(gòu)理論總結(jié)出巴耳末公式B．巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的連續(xù)性C．巴耳末依據(jù)氫光譜的分析總結(jié)出巴耳末公式D．巴耳末公式準(zhǔn)確反映了氫原子發(fā)光的實(shí)際，其波長(zhǎng)的分立值并不是人為規(guī)定的解析：選CD.由于巴耳末是利用當(dāng)時(shí)已知的、在可見(jiàn)光區(qū)的4條譜線作了分析總結(jié)出的巴耳末公式，并不是依據(jù)核式結(jié)構(gòu)理論總結(jié)出來(lái)的，巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的分立性，也就是氫原子實(shí)際只發(fā)出若干特定頻率的光，由此可知，選項(xiàng)C、D正確．5．(選做題)(2023·常州高二檢測(cè))氫原子光譜巴耳末系最小波長(zhǎng)與最大波長(zhǎng)之比為()\f(5,9) B．eq\f(4,9)\f(7,9) \f(2,9)解析：選A.由巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，n＝3，4，5，…當(dāng)n＝∞時(shí)，最小波長(zhǎng)eq\f(1,λ1)＝Req\f(1,22)①當(dāng)n＝3時(shí)，最大波長(zhǎng)eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))②由①②得eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(5,9).[課時(shí)作業(yè)][學(xué)生用書(shū)P90(獨(dú)立成冊(cè))]一、單項(xiàng)選擇題1．下列說(shuō)法中正確的是()A．熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜B．各種原子的明線光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線必定一一對(duì)應(yīng)C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生明線光譜D．甲物體發(fā)出的白光通過(guò)乙物質(zhì)的蒸氣形成了甲物質(zhì)的吸收光譜解析：選A.據(jù)連續(xù)光譜的產(chǎn)生知A對(duì)；由于吸收光譜中的暗線和明線光譜中的明線相對(duì)應(yīng)，但通常吸收光譜中看到的暗線要比明線光譜中的明線少，所以B不對(duì)；氣體發(fā)光也可以形成連續(xù)光譜，所以C不對(duì)；甲物體發(fā)出的白光通過(guò)乙物質(zhì)的蒸氣形成了乙物質(zhì)的吸收光譜，所以D不對(duì)，應(yīng)選A.2．關(guān)于光譜，下列說(shuō)法正確的是()A．一切光源發(fā)出的光譜都是連續(xù)譜B．一切光源發(fā)出的光譜都是線狀譜C．稀薄氣體發(fā)出的光譜是線狀譜D．作光譜分析時(shí)，利用連續(xù)譜和線狀譜都可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的化學(xué)組成解析：選C.不同光源發(fā)出的光譜有連續(xù)譜，也有線狀譜，故A、B錯(cuò)誤．稀薄氣體發(fā)出的光譜是線狀譜，C正確．利用線狀譜和吸收光譜都可以進(jìn)行光譜分析，D錯(cuò)誤．3．太陽(yáng)的光譜中有許多暗線，它們對(duì)應(yīng)著某些元素的特征譜線．產(chǎn)生這些暗線是由于()A．太陽(yáng)表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B．太陽(yáng)內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C．太陽(yáng)表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D．太陽(yáng)內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素解析：選C.太陽(yáng)光譜中的暗線是由于太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)出的強(qiáng)光經(jīng)過(guò)溫度較低的太陽(yáng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的，表明太陽(yáng)大氣層中含有與這些特征譜線相應(yīng)的元素．4．(2023·南京高二檢測(cè))關(guān)于物質(zhì)的吸收光譜和明線光譜之間的關(guān)系，下列說(shuō)法中正確的是()A．吸收光譜和明線光譜的產(chǎn)生方法不同，它們的譜線互不相關(guān)B．吸收光譜和明線光譜的產(chǎn)生方法相同，它們的譜線重合C．明線光譜與吸收光譜都是原子光譜，它們的特征譜線相對(duì)應(yīng)D．明線光譜與吸收光譜都可以用于光譜分析，以鑒別物質(zhì)和確定化學(xué)組成解析：選D.吸收光譜和明線光譜的產(chǎn)生方法不同，同種物質(zhì)吸收光譜中的暗線與它明線光譜中的明線相對(duì)應(yīng)，A、B錯(cuò)誤．明線光譜與吸收光譜都是原子的特征譜線，但是明線光譜是原子光譜，吸收光譜不是原子光譜，C錯(cuò)誤．明線光譜和吸收光譜都可以進(jìn)行光譜分析，D正確．5．對(duì)于巴耳末公式下列說(shuō)法正確的是()A．所有氫原子光譜的波長(zhǎng)都與巴耳末公式相對(duì)應(yīng)B．巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光的可見(jiàn)光部分的光的波長(zhǎng)C．巴耳末確定了氫原子發(fā)光的一個(gè)線系的波長(zhǎng)，其中既有可見(jiàn)光，又有紫外光D．巴耳末公式確定了各種原子發(fā)光中的光的波長(zhǎng)解析：選C.巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中一個(gè)線系的波長(zhǎng)，不能描述氫原子發(fā)出的各種波長(zhǎng)，也不能描述其他原子的發(fā)光，故A、D錯(cuò)誤；巴耳末公式是由當(dāng)時(shí)已知的可見(jiàn)光中的部分譜線總結(jié)出來(lái)的，但它適用于整個(gè)巴耳末線系，該線系包括可見(jiàn)光和紫外光，故B錯(cuò)誤，C正確．6.(2023·湛江高二檢測(cè))如圖甲所示的a、b、c、d為四種元素的特征譜線，圖乙是某礦物的線狀譜，通過(guò)光譜分析可以確定該礦物中缺少的元素為()A．a(chǎn)元素 B．b元素C．c元素 D．d元素解析：選B.把礦物的線狀譜與幾種元素的特征譜線進(jìn)行對(duì)照，b元素的譜線在該線狀譜中不存在，故選項(xiàng)B正確，與幾個(gè)元素的特征譜線不對(duì)應(yīng)的線說(shuō)明該礦物中還有其他元素．二、多項(xiàng)選擇題7．要得到鈉元素的特征譜線，下列做法中正確的是()A．使固體鈉在空氣中燃燒B．將固體鈉高溫加熱成稀薄鈉蒸汽C．使熾熱固體發(fā)出的白光通過(guò)低溫鈉蒸汽D．使熾熱固體發(fā)出的白光通過(guò)高溫鈉蒸汽解析：選BC.熾熱固體發(fā)出的是連續(xù)譜，燃燒固體鈉不能得到特征譜線，A錯(cuò)誤；稀薄氣體發(fā)光產(chǎn)生線狀譜，B正確；強(qiáng)烈的白光通過(guò)低溫鈉蒸汽時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被吸收產(chǎn)生鈉的吸收光譜，C正確，D錯(cuò)誤．8．(2023·哈爾濱高二檢測(cè))關(guān)于經(jīng)典電磁理論與氫原子光譜之間的關(guān)系，下列說(shuō)法正確的是()A．經(jīng)典電磁理論很容易解釋原子的穩(wěn)定性B．根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電子會(huì)不斷釋放能量，最后被吸附到原子核上C．根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的D．氫原子光譜徹底否定了經(jīng)典電磁理論解析：選BC.根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電子會(huì)不斷釋放能量，最后被吸附到原子核上，經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性，并且原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的．氫原子光譜并沒(méi)有完全否定經(jīng)典電磁理論，而是要引入新的觀念．故正確答案為B、C.9．(2023·杭州高二檢測(cè))對(duì)原子光譜，下列說(shuō)法正確的是()A．原子光譜是不連續(xù)的B．由于原子都是由原子核和電子組成的，所以各種原子的原子光譜是相同的C．由于各種原子的原子結(jié)構(gòu)不同，所以各種原子的原子光譜也不相同D．分析物質(zhì)發(fā)光的光譜，可以鑒別物質(zhì)中含哪些元素解析：選ACD.原子光譜為線狀譜；各種原子都有自己的特征譜線；據(jù)各種原子的特征譜線進(jìn)行光譜分析可鑒別物質(zhì)組成．由此知A、C、D說(shuō)法正確，B說(shuō)法錯(cuò)誤．10．關(guān)于太陽(yáng)光譜，下列說(shuō)法正確的是()A．太陽(yáng)光譜是吸收光譜B．太陽(yáng)光譜中的暗線，是太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)大氣層時(shí)某些特定頻率的光被吸收后而產(chǎn)生的C．根據(jù)太陽(yáng)光譜中的暗線，可以分析太陽(yáng)的物質(zhì)組成D．根據(jù)太陽(yáng)光譜中的暗線，可以分析地球大氣層中含有哪些元素解析：選AB.太陽(yáng)是高溫物體，它發(fā)出的白光通過(guò)溫度較低的太陽(yáng)大氣層時(shí)，某些特定頻率的光會(huì)被太陽(yáng)大氣層中的某些元素的原子吸收，從而使我們觀察到的太陽(yáng)光譜是吸收光譜，因此，選項(xiàng)A、B正確．分析太陽(yáng)的吸收光譜，可知太陽(yáng)大氣層的物質(zhì)組成，由于地球大氣層的溫度很低，太陽(yáng)光通過(guò)地球大氣層時(shí)不會(huì)被地球大氣層中的物質(zhì)原子吸收，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤．三、非選擇題11．氫原子光譜的巴耳末系中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光波的光子能量為E1，其次為E2，則eq\f(E1,E2)為多少？解析：由eq\f(1,λ)＝Req\