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2019-2020年高中物理第三章原子结构之谜
3.3氢原子光谱教学案粤教版选修3[目标定位]
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.
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2~3kV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=R-,n=345,6…,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=R,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=Tm-Tn,式中Tm=,Tn=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.预习完成后,请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3
一、氢原子光谱的实验规律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.图12.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.3.巴耳末公式1巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式=R-,n=345…该公式称为巴耳末公式.2公式中只能取n≥3的整数,不能连续取值,波长是分立的值.4.其他谱线除了巴耳末系,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.【例1】 在氢原子光谱的紫外区的谱线系中有多条谱线,试利用莱曼系的公式=R,n=234,…,计算紫外线的最长波和最短波的波长R=
1.097×107m-1.答案
1.21×10-7m
9.10×10-8m解析 根据莱曼系公式=R,n=234…可得λ=当n=2时波长最长,其值为λ===m≈
1.22×10-7m.当n=∞时,波长最短,其值为λ===m≈
9.12×10-8m.借题发挥 在计算氢原子发出的某一线系的光的波长时,需首先明确为哪一线系,选用相应的公式=R-,n的取值只能为整数且大于a.针对训练1 多选下列关于巴耳末公式=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只能取不小于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,也适用于其他原子的光谱答案 AC解析 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的4条谱线中得到的,只适用于氢原子光谱的分析,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.
二、光谱及光谱分析1.光谱分类1发射光谱——物体直接发出的光通过分光后产生的光谱.它分为连续谱和明线光谱线状谱.
①连续谱——由连续分布的一切波长的光组成的光谱.炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱,如灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱.
②线状谱——只含有一些不连续的亮线的光谱.各种原子的发射光谱由稀薄气体发出都是线状谱.每种原子都有自己的特征谱线,不同元素线状谱不同.2吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时,某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱.这种光谱的特点是在连续的背景上有若干条暗线.这些暗线与特征谱线相对应.2.光谱分析1由于每种原子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物质的组成成分,这种方法叫做光谱分析.2可用于光谱分析的光谱线状谱和吸收光谱.3.太阳光谱的特点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产生原因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.【例2】 多选关于光谱和光谱分析,下列说法中正确的是 A.太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱B.霓虹灯产生的是线状谱C.进行光谱分析时,只能用明线光谱D.同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的答案 BD解析 太阳光谱是吸收光谱,可进行光谱分析;白炽灯光产生的是连续谱;霓虹灯管内充有稀薄气体,产生的光谱为线状谱.针对训练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,下列说法中正确的是 A.利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分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.我们观察月亮射来的光谱,可以确定月亮的化学组成答案 B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1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,这些暗线与所经物质有关,与高温物体无关,C错误;月亮反射到地面的光是太阳光谱,D项错误.光谱及光谱分析1.多选关于太阳光谱,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答案 AB解析 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,可知太阳大气层的物质组成,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原子吸收,故上述选项中正确的是A、B.2.对原子光谱,下列说法不正确的是 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.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错误、C正确;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.氢原子光谱的实验规律3.多选巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式=R-,n=345,…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.4.巴耳末系谱线波长满足巴耳末公式=R-,n=345…在氢原子光谱可见光400nmλ700nm区,最长波长与最短波长之比为 A.B.C.D.答案 D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.n越小,λ越大,故n=3时波长最大,λmax=;n=6时对应的可见光波长最小,λmin=,故=,D正确.时间60分钟题组一 光谱和光谱分析1.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.吸收光谱答案 A解析 白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出的光,是连续谱.2.关于线状谱,下列说法中正确的是 A.每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同B.每种原子处在不同的物质中的线状谱不同C.每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同答案 C解析 每种原子都有自己的结构,只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线,不会因温度、物质不同而改变,选项C正确.3.按经典的电磁理论,关于氢原子光谱的描述应该是 A.线状谱B.连续谱C.吸收光谱D.发射光谱答案 A4.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,少量原子发光的光谱是线状谱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.太阳光谱是线状谱答案 B解析 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;太阳光在经过太阳大气层时某些光会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收,故太阳光谱是吸收谱,故C、D均错.5.太阳光谱中有许多暗线,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答案 C解析 太阳光谱中的暗线是由于太阳发出的连续光谱通过太阳表面大气层时某些光被吸收造成的,因此,太阳光谱中的暗线是由于太阳表面大气层中存在着相应的元素,故C正确,A、B、D均错误.6.多选关于光谱和光谱分析,下列说法正确的是 A.太阳光谱与白炽灯光谱都是线状谱B.霓虹灯与煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱都是线状谱C.做光谱分析时,可以用线状谱,也可以用吸收光谱D.观察月亮光谱可以完全确定月球的化学成分答案 BC解析 太阳光谱是吸收光谱,白炽灯光谱是连续谱,选项A错误;月亮本身不发光,不能测定月球的成分,选项D错误.7.各种原子的光谱都是____________,说明原子只发出几种特定频率的光.不同原子的亮线位置不同,说明不同原子的发光频率是____________的.因此这些亮线称为原子的____________.答案 线状谱 不一样 特征谱线题组二 氢原子光谱及巴耳末公式的应用8.下列对氢原子光谱实验规律的认识中,正确的是 A.因为氢原子核外只有一个电子,所以氢原子只能产生一种波长的光B.氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线C.氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线D.氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关答案 B解析 氢原子光谱是线状谱,波长是一系列不连续的、分立的特征谱线,并不是只含有一种波长的光,也不是亮度不连续的谱线,B对,A、C错;氢原子光谱是氢原子的特征谱线,只要是氢原子发出的光的光谱就相同,与放电管的放电强弱无关,D错.9.下列对于巴耳末公式的说法正确的是 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.巴耳末公式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答案 C解析 巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长,不能描述氢原子发出的各种波长,也不能描述其他原子,A、D错误;巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的,但它适用于整个巴耳末线系,该线系包括可见光和紫外光,B错误、C正确.10.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.答案 A解析 由巴耳末公式=R-,n=345,…当n=∞时,有最小波长λ1,=R,当n=3时,有最大波长λ2,=R-=R,得=.11.如图1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 图1A.a元素 B.b元素C.c元素 D.d元素答案 B解析 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.12.1885年瑞士的中学教师巴耳末发现,氢原子光谱中可见光部分的四条谱线的波长可归纳成一个简单的经验公式=R-,n为大于2的整数,R为里德伯常量,1913年,丹麦物理学家玻尔受到巴耳末公式的启发,同时还吸取了普朗克的量子假说、爱因斯坦的光子假说和卢瑟福的原子核式结构模型,提出了自己的原理理论.根据玻尔理论,推导出了氢原子光谱谱线的波长公式=R-,m与n都是正整数,且nm.当m取定一个数值时,不同数值的n得出的谱线属于同一个线系.如m=1,n=234…组成的线系叫莱曼系;m=2,n=345…组成的线系叫巴耳末系;m=3,n=456…组成的线系叫帕邢系;m=4,n=567…组成的线系叫布喇开系;m=5,n=678…组成的线系叫普丰德系;以上线系只有一个在紫外光区,这个线系是 A.莱曼系B.帕邢系C.布喇开系D.普丰德系答案 A解析 在真空中,电磁波的波长和频率互成反比例关系,波长最长的频率最小,紫外光区的频率较大,根据氢原子光谱谱线的波长公式=R-得这个线系是莱曼系.故A正确,B、C、D错误.13.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1n=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大?n=6时,传播频率为多大?答案
11.09×10-6m
23.0×108m/s
2.75×1014Hz解析 1由帕邢系公式=R,当n=6时,得λ=
1.09×10-6m.2帕邢系形成的谱线在红外区域,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=
3.0×108m/s,由v==λν,得ν===Hz=
2.75×1014Hz.。