2024-2025學(xué)年高中物理第二章原子結(jié)構(gòu)3光譜氫原子光譜教案教科版選修3-5

PAGE10-3光譜氫原子光譜一、光譜1．定義用光柵或棱鏡把可見光按波長綻開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜．2．分類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．有的光譜看起來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放射光譜都是線狀譜，說明原子只放射特定頻率的光．不同原子放射的線狀譜的亮線位置不同，說明不同原子發(fā)光頻率是不一樣的，因此這些亮線稱為原子的特征光譜．4．光譜分析利用原子的特征譜線來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法叫做光譜分析．我們看到這樣的情景：在太陽光下，我們用一個玻璃棱鏡放在水平面上，在棱鏡的背面會看到彩色的光帶，你知道這種現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的嗎？提示：這是一種光的色散現(xiàn)象．白光為復(fù)色光，是由七種顏色的光復(fù)合而成，復(fù)色光分解為單色光的現(xiàn)象叫做光的色散，形成的彩色光帶稱為光譜．二、氫原子光譜的試驗規(guī)律1．探討光譜的意義光是由原子內(nèi)部電子的運動產(chǎn)生的，因此光譜探討是探究原子結(jié)構(gòu)的重要途徑．2．巴耳末公式從氫氣放電管可以得到氫原子光譜，在可見光區(qū)的氫光譜符合巴耳末公式，用波長的倒數(shù)寫出的公式為eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5，….式中的R為里德伯常量，試驗值為R＝1.10×107m－1.可以看出，n只能取正整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長也只能是分立的值．3．其他線系除了巴耳末線系，發(fā)覺氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿意與巴耳末公式類似的公式．4．巴耳末公式的意義巴耳末公式以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長的分立性．光譜探討的鼻祖是鼎鼎大名的科學(xué)家牛頓，1663年，當(dāng)他還是一個劍橋高校21歲的高校生時就起先探討色與光的問題．三年后，他做了出名的三棱鏡光散射試驗，將一束太陽光經(jīng)一塊三角形玻璃棱鏡折射后，在墻上分布成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色的彩色光帶．當(dāng)再倒放一個三棱鏡于第一個三棱鏡后面時，各顏色又重新組合成為一束白光.1672年，在倫敦皇家學(xué)會上發(fā)表的第一篇論文《光和色的新理論》中，牛頓將這種彩虹色帶命名為光譜，并正確地說明了它的成因．光譜分析可以用于鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，而且歷史上有些元素就是利用光譜分析發(fā)覺的，你能說出兩種通過光譜分析發(fā)覺的元素嗎？提示：銣和銫．三、經(jīng)典理論的困難1．盧瑟福核式學(xué)說的成就盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型正確地指出了原子核的存在，很好地說明了α粒子散射試驗．2．經(jīng)典理論的困難經(jīng)典的物理學(xué)既無法說明原子的穩(wěn)定性，又無法說明原子光譜的分立特征．隨著原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立與氫原子光譜規(guī)律的探討，經(jīng)典理論出現(xiàn)了哪些困難？提示：(1)在核式結(jié)構(gòu)模型中，電子繞原子核做圓周運動，電子具有加速度．依據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子加速運動時，要向外輻射電磁波，要輻射能量．這樣，能量就會不斷削減，軌道半徑會越來越小，最終電子會墜入原子核中，原子將不復(fù)存在！(2)依據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子輻射電磁波的頻率，就是它繞核轉(zhuǎn)動的頻率，電子越轉(zhuǎn)能量越小，它離原子核就越來越近，轉(zhuǎn)得也就越來越快，這個改變是連續(xù)的，也就是說，我們應(yīng)當(dāng)看到原子輻射各種頻率的光，即原子的光譜應(yīng)當(dāng)總是連續(xù)的，而實際我們得到的氫原子光譜是分立的線狀譜．考點一光譜和光譜分析1．光譜的分類按光譜的產(chǎn)生方式可分為放射光譜和汲取光譜，見下表：互動探究：太陽光譜的形成及其應(yīng)用形成：陽光中含有各種顏色的光，但當(dāng)陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽高層大氣含有的元素會汲取它自己特征譜線的光，然后再向四面八方放射出去，到達地球的這些譜線看起來就暗了，這就形成了連續(xù)譜背景下的暗線．應(yīng)用：分析太陽光譜中的暗線，可以確定太陽大氣層中含有的成分．2．光譜分析(1)定義：每種原子都有自己的特征譜線，可以利用光譜來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分．(2)優(yōu)點：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達10－10g(3)應(yīng)用①應(yīng)用光譜分析發(fā)覺新元素；②鑒別物體的物質(zhì)成分：探討太陽光譜時發(fā)覺了太陽中存在鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素；③應(yīng)用光譜分析鑒定食品優(yōu)劣．【例1】太陽的光譜中有很多暗線，它們對應(yīng)著某些元素的特征譜線．產(chǎn)生這些暗線是由于()A．太陽表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B．太陽內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C．太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D．太陽內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素汲取光譜的暗線是連續(xù)譜中某些波長的光波被物質(zhì)汲取后產(chǎn)生的．【解析】太陽光譜中的暗線是由于太陽內(nèi)部發(fā)出的強光經(jīng)過溫度較低的太陽大氣層時產(chǎn)生的，表明太陽大氣層中含有與這些特征譜線相應(yīng)的元素．【答案】C總結(jié)提能太陽光譜是汲取光譜，不是連續(xù)譜．通過太陽光譜中的暗線與放射光譜的明線相對應(yīng)，可確定太陽大氣層的組成．(多選)關(guān)于光譜，下列說法正確的是(ACD)A．各種原子的放射光譜都是線狀譜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．依據(jù)各種原子發(fā)光的特征譜線進行光譜分析，可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)組成成分解析：每種原子都有自己的特征譜線，所以才能依據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)．考點二氫原子光譜的試驗規(guī)律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．氫原子光譜的特點在氫原子光譜圖中的可見光區(qū)內(nèi)，由右向左，相鄰譜線間的距離越來越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性．巴耳末對放電的氫原子光譜的譜線進行探討得到了下面的公式，該公式稱為巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))(n＝3、4、5、6…)(1)公式中n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長也只會是分立的值．(2)除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線也都滿意與巴耳末公式類似的關(guān)系式．【例2】在可見光范圍內(nèi)，氫原子發(fā)光的波長最長的2條譜線的波長各為多少？氫原子的光譜有什么特點？依據(jù)巴耳末公式進行計算．【解析】巴耳末公式為eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4,5…因此，n取兩個最小值3和4時，對應(yīng)的波長最長，即n＝3時，eq\f(1,λ1)＝1.10×107×(eq\f(1,22)－eq\f(1,32))m－1解得λ1＝6.5×10－7n＝4時，eq\f(1,λ2)＝1.10×107×(eq\f(1,22)－eq\f(1,42))m－1解得λ2＝4.8×10－7m由于公式中的n只能取從3起先的整數(shù)，因此計算得到的氫原子光譜是由一系列線系組成的不連續(xù)的線狀譜．【答案】6.5×10－7m4.8×10－7總結(jié)提能應(yīng)用巴耳末公式進行計算時，肯定要理解公式中n的取值與波長λ的對應(yīng)關(guān)系．(多選)關(guān)于巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))的理解，正確的是(AC)A．此公式是巴耳末在探討氫光譜特征時發(fā)覺的B．公式中n可取隨意值，故氫光譜是連續(xù)譜C．公式中n只能取不小于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析：此公式是巴耳末在探討氫光譜在可見光區(qū)的14條譜線中得到的，只適用于氫光譜的分析，且n只能取大于等于3的整數(shù)，則波長λ不能取連續(xù)值，故氫原子光譜是線狀譜．重難疑點辨析解決光譜和光譜分析問題的方法1．解決有關(guān)光譜和光譜分析的問題，應(yīng)從深化理解光譜的成因入手，正確理解不同譜線的特點連續(xù)譜是由炙熱的固體、液體和高壓氣體干脆發(fā)光形成的，例如：白熾燈、炙熱的鐵水．線狀譜是由淡薄氣體或金屬蒸氣所放射的光譜，例如：光譜管、霓虹燈、燒鈉鹽形成的鈉氣發(fā)光．線狀譜主要是由游離狀態(tài)的原子放射的，所以也叫原子光譜．2．線狀譜中每條光譜線對應(yīng)著一種頻率，不同物質(zhì)的線狀譜不同，因此通過測定線狀譜可以鑒別物質(zhì)學(xué)習(xí)光譜時，易對放射光譜、汲取光譜區(qū)分不清，造成錯誤．避開混淆的關(guān)鍵是正確理解光譜的形成緣由．放射光譜是物體干脆發(fā)出的光通過分光后產(chǎn)生的光譜，汲取光譜是高溫物體發(fā)出的光通過低溫物質(zhì)時，某些波長的光被該物質(zhì)汲取后而形成的，它的特點是在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)暗線．太陽光譜是典型的汲取光譜．【典例】下列說法中正確的是()A．炙熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜B．各種原子的線狀光譜中的明線和它汲取光譜中的暗線必定一一對應(yīng)C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生明線光譜D．甲物質(zhì)發(fā)出的白光通過乙物質(zhì)的蒸氣形成的是甲物質(zhì)的汲取光譜【解析】據(jù)連續(xù)光譜的產(chǎn)生知A正確；由于汲取光譜中的暗線和線狀譜中的明線相對應(yīng)，但通常汲取光譜中看到的暗線要比線狀譜中的明線少，所以B不對；氣體發(fā)光，若為高壓氣體則產(chǎn)生連續(xù)譜，若為淡薄氣體則產(chǎn)生明線光譜，所以C不對；甲物質(zhì)發(fā)出的白光通過乙物質(zhì)的蒸氣形成了乙物質(zhì)的汲取光譜，所以D不對，應(yīng)選A.【答案】A線狀譜連續(xù)譜形態(tài)特征一條條分立的譜線連在一起的光帶組成某些不連續(xù)的波長的光組成一切波長的光都有產(chǎn)生淡薄氣體或金屬蒸氣發(fā)光形成炙熱的固體、液體、高壓氣體發(fā)光而產(chǎn)生的應(yīng)用可用于光譜分析不能用于光譜分析1．白熾燈產(chǎn)生的光譜是(A)A．連續(xù)光譜B．線狀光譜C．原子光譜D．汲取光譜解析：炙熱的固體發(fā)出的光譜是連續(xù)光譜．2．白光通過棱鏡后在屏上會形成按紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫排列的連續(xù)光譜，下列說法不正確的是(A)A．棱鏡使光增加了顏色B．白光是由各種顏色的光組成的C．棱鏡對各種色光的折射率不同D．看到白光是因為發(fā)光物體發(fā)出了在可見光區(qū)的各種頻率的光解析：白光通過棱鏡使各種色光落在屏上的不同位置，說明棱鏡對各種色光的折射率不同，形成的連續(xù)光譜按波長(或頻率)排列，即白光包括各種頻率的光，光的顏色是由波長(或頻率)確定的，并非棱鏡增加了顏色，即B、C、D正確．3．(多選)關(guān)于光譜和光譜分析，下列正確的是(CD)A．光譜包括連續(xù)光譜和線狀譜B．太陽光譜是連續(xù)光譜，氫光譜是線狀譜C．線狀譜和汲取光譜都可用作光譜分析D．光譜分析幫助人們發(fā)覺了很多新元素解析：光譜包括放射光譜和汲取光譜，放射光譜又分為線狀譜和連續(xù)譜，其中線狀譜和汲取光譜可用作光譜分析．4．對于巴耳末公式，下列說法正確的是(C)A．全部氫原子光譜的波長都與巴耳末公式相對應(yīng)B．巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光的可見光部分的光的波長C．巴耳末公式確定了氫原子發(fā)光的一個線系的波長，其中既有可見光，又有紫外光D．巴耳末公式確定了各種原子發(fā)光中的光的波長解析：巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中一個線系的波長，不能描述氫原子發(fā)出的各種波長，也不能描述其他原子的發(fā)光，A、D錯誤；巴耳末公式是由當(dāng)時已知的可見光中的部分譜線總結(jié)出來的，但它適用