氢原子光谱的特征

氢原子光谱的特点
氢原子光谱是指氢原子在特定条件下吸收和辐射能量后所产生的光谱现象。

它具有以下几个特点：
1. 线谱性
氢原子光谱是一种线谱，即氢原子在吸收和发射能量的过程中所产生的光谱线非常锐利而且分立。

线谱性是氢原子光谱的最基本特征，也是区分氢原子光谱和其他光谱的重要依据。

2. 离散性
氢原子光谱只出现在特定波长位置，这是因为氢原子只会吸收和辐射特定能级之间的能量，这些能级是由氢原子的电子所占据的。

这也就是说，氢原子光谱具有离散性，其光谱线的位置是确定的。

3. 频率公式
在氢原子光谱中，每一个谱线所对应的波长和频率都有一定的关系，并且能够通过一个数学公式（Rydberg公式）来描述。

这个公式有助于科学家研究氢原子光谱现象，进而推断出氢原子的电子能级结构和性质等。

4. 吸收和发射对称性
当氢原子从一个低能级到高能级时，它会吸收能量并发射一个光子。

而当它从高能级到低能级时，则会放出能量并吸收一个光子。

这种吸
收和发射能量之间的对称性是氢原子光谱中一个很显著的特点。

总之，氢原子光谱是一种非常独特的光谱现象，它的线谱性、离散性、频率公式和吸收和发射对称性等特点，为我们深入了解原子结构和性
质提供了极为重要的信息。

第8章 原子结构8.1 复习笔记一、氢原子光谱与Bohr 理论 1．氢原子光谱（1）线状光谱：元素的原子辐射所产生的具有一定频率的、离散的特征谱线。

（2）氢原子光谱特征：①线状光谱；②频率具有规律性。

（3）氢原子光谱的频率公式1512212113.28910()s v n n -=⨯- 【注意】n 2＞n 1，且均为正整数，n 1＝2时，n 2＝3，4，5，6。

2．Bohr 理论Bohr 理论（三点假设）：（1）定态假设：核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上稳定运行，且不辐射能量； （2）跃迁规则：①基态→激发态：电子处在离核最近、能量最低的轨道上（基态）；原子获得能量后，基态电子被激发到高能量轨道上（激发态）；②激发态→基态：不稳定的激发态电子回到基态释放光能，光的频率取决于轨道间的能量差。

光能与轨道能级能量的关系式为 h ν＝E 2－E 1＝ΔE氢原子能级图如图8-1-1所示。

图8-1-1 氢原子光谱中的频率与氢原子能级能级间能量差为H 221211()E R n n ∆=-式中，R H 为Rydberg常数，其值为2.179×10－18J 。

n 1＝1，n 2＝∞时，ΔE ＝2.179×10－18J ，为氢原子的电离能。

二、微观粒子运动的基本特征 1．微观粒子的波粒二象性定义：具有粒子性和波动性的微观粒子。

微观粒子的波长为h hmv pλ==式中，m 为实物粒子的质量；v 为粒子的运动速度；p 为动量。

2．不确定原理Heisenberg 不确定原理：处于运动状态的微观粒子的动量和位置不能同时确定。

表示为4hx p π∆⋅∆≥式中，Δx 为微观粒子位置的测量偏差；Δp 为微观粒子的动量偏差。

【注意】波动性是大量粒子运动或一个粒子多次重复运动所表现出来的性质。

三、氢原子结构的量子力学描述 1．薛定谔方程与量子数 （1）薛定谔方程()2222222280mE V x y z hψψψπψ∂∂∂+++-=∂∂∂ 式中，ψ为量子力学中描述核外电子在空间运动的数学函数式，即原子轨道；E 为轨道能量（动能与势能总和）；V 为势能；m 为微粒质量；h 为普朗克常数；x ，y ，z 为微粒的空间坐标。

氢原子光谱特点
氢原子光谱指的是氢原子内的电子在不同能阶跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱。

氢原子光谱为不连续的线光谱，自无线电波、微波、红外光、可见光、到紫外光区段都有可能有其谱线。

特点：1、氢原子光谱为不连续的线光谱。

2、氢原子光谱是氢原子内的电子在不同能级跃迁时发射或吸收不同频率的光子形成的光谱。

氢原子光谱的两个特点
最简单的原子光谱，由A.J.埃斯特朗首先从氢放电管中获得，后来W.哈根斯和H.C.沃格耳等人在拍摄恒星光谱中也发现了氢原子光谱线。

到1885年，人们已在可见光和近紫外光谱区发现了氢原子光谱的14条谱线，谱线强度和间隔都沿着短波方向递减。

其中可见光区有 4条，分别用表示。

其波长的粗略值分别为6562.8┱、4861.3┱、4340.5┱和
4101.7┱。

1885年，瑞士物理学家J.J.巴耳末首先把上述光谱用经验公式：
表示出来，式中 B为一常数。

这组谱线称为巴耳末线系。

当n→∞时，λ→B，为这个线系的极限，这时邻近二谱线的波长之差趋于零。

氢原子光谱特征
氢原子光谱已经成为物理和化学领域中重要的研究工具之一，在一定条件下，氢原子可以发射出一张张独特的光谱线，从而可以探索物质的组成、状态和结构等特性。

氢原子光谱是指由氢原子放出的光谱线，有其固定的特征，以下列举一些常见的氢原子光谱特征。

1、离子态氢原子发射的光谱：
这类光谱特性是指离子态氢原子放出的光谱，其中最常见的是原子氢发射的激发态H+离子（离子激发态）。

离子态氢原子发射的光谱主要有B系列和C系列，B系列是指激发态H+离子发出的紫外线和可见光谱，C系列是指激发态H+离子发出的红外线和近红外线光谱，它们的波长从325nm到2μm不等。

2、分子态氢原子发射的光谱：
这类光谱是指氢分子H2放出的光谱，其中最常见的是激发态H2离子（分子激发态）。

氢分子放出的光谱主要有可见光谱和红外线光谱，可见光谱的波长从600nm到900nm，红外线光谱的波长从1μm 到4μm 。

3、半实态氢原子发射的光谱：
这类光谱是指氢原子以半实态的形式放出的光谱，其中最常见的是氢原子射线（氢原子半实态）。

氢原子射线的光谱主要有可见光谱和紫外线光谱，可见光谱的波长从400nm到800nm，紫外线光谱的波长从100nm到200nm。

4、氢化合物发射的光谱：
这类光谱是指氢化合物发射的光谱，其中最常见的是氢气发射的氢化物发射光谱（氢气发射光谱）。

氢气发射光谱主要有可见光谱、紫外线光谱和近红外线光谱，可见光谱的波长从400nm到800nm，紫外线光谱的波长从100nm到200nm，近红外线光谱的波长从1μm到4μm。

第三节 氢原子光谱[学习目标] 1.知道什么是光谱，能说出连续谱和线状谱的区别.2.能记住氢原子光谱的实验规律.一、氢原子光谱的实验规律[导学探究] 如图1所示为氢原子的光谱.图1(1)仔细观察，氢原子光谱具有什么特点？(2)阅读课本，指出氢原子光谱的谱线波长具有什么规律？ 答案 (1)从右至左，相邻谱线间的距离越来越小.(2)可见光区域的四条谱线的波长满足巴耳末公式：1λ＝R (122－1n2)，n ＝3,4,5，…[知识梳理] 1.氢光谱的获得在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2～3 kV 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：1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3,4,5,6…，式中的常数R 称为里德伯常量. [即学即用] 判断下列说法的正误.(1)某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，称为原子光谱.( √ ) (2)符合巴耳末公式的谱线既有可见光也有紫外光.( √ ) (3)巴耳末公式中的n 既可以取整数也可以取小数.( × )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：1λ＝R ⎝⎛⎭⎫1m 2－1n 2，式中m 、n 均为正整数，且n >m ，此式称为广义巴耳末公式，也可以表示为1λ＝T (m )－T (n )，式中T (m )＝R m 2，T (n )＝R n 2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. [即学即用] 判断下列说法的正误.(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.( × )一、氢原子光谱的实验规律例1(多选)下列关于巴耳末公式1λ＝R⎝⎛⎭⎫122－1n2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 只能取大于或等于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，也适用于其他原子光谱的分析 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四条谱线中得到的，只适用于氢原子光谱的分析，A 对，D 错；公式中n 只能取大于等于3的整数，λ不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，B 错，C 对.针对训练1 氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( ) A.59 B.49 C.79 D.29 答案 A解析 由巴耳末公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2 n ＝3,4,5，… 当n →∞时，有最小波长λ1，1λ1＝R 122，当n ＝3时，有最大波长λ2，1λ2＝R ⎝⎛⎭⎫122－132，得λ1λ2＝59. 二、光谱和光谱分析 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)应用：a.鉴别物体的物质成分.b.发现新元素. (3)可用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱.(4)优点：灵敏度高，鉴别物质的最低含量达10－10 g.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)下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是()A.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱C.进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续谱D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分答案BC解析太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续谱，选项A错误；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，选项D错误；光谱分析只能是线状谱或吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，所以选项C正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱，选项B正确.针对训练2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.稀薄气体发光形成的光谱是线状谱D.白光通过钠蒸气产生的光谱是线状谱答案C解析由于物质发光的条件不同，得到的光谱不同，故A、B错误；稀薄气体发光形成的光谱为线状谱，C正确；白光通过钠蒸气产生的光谱是吸收光谱，D错误.1.(氢原子光谱的实验规律)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，与放电管的放电强弱无关，D 错.2.(光谱和光谱分析)(多选)关于光谱，下列说法中正确的是( ) A.炽热的液体发射连续谱B.线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析C.太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素D.发射光谱一定是连续谱 答案 AB解析 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，故A 正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B 正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C 错误；发射光谱有连续谱和线状谱，D 错误.3.(光谱分析)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以鉴别其组成成分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其他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，D 错误.4.(巴耳末公式的应用)根据巴耳末公式，可求出氢原子光谱在可见光的范围内波长最长的2条谱线，其波长分别为654.55×10－9 m 和484.85×10－9 m ，求所对应的n 值(已知里德伯常量R ＝1.10×107 m －1). 答案 n 1＝3 n 2＝4解析 根据巴耳末公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2，n ＝3,4,5，…得1654.55×10－9＝1.10×107×⎝⎛⎭⎫122－1n 1 2， 1484.85×10－9＝1.10×107×⎝⎛⎭⎫122－1n 2 2，解得n1＝3，n2＝4.一、选择题(1～8题为单选题，9～10题为多选题)1.关于原子光谱，下列说法中不正确的是()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.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；根据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，故D正确.2.巴耳末公式简洁显示了氢原子光谱的()A.分立特征B.连续特征C.既连续又分立D.既不连续又不分立答案A解析巴耳末公式中的n只能取正整数，得到的波长是一些分立的值.3.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中可见光部分的光的波长C.巴耳末公式确定了氢原子发光中一个线系的波长，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光的波长，也不能描述其他原子的发光，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.4.下列关于光谱的说法正确的是( )A.炽热固体、液体和高压气体发出的光形成连续谱B.对月光作光谱分析可以确定月亮的化学组成C.气体发出的光只能产生线状谱D.甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱 答案 A5.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.氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的光子能量为E 1，其次为E 2，则E 1E 2为( )A.2027B.2720 C.23 D.32答案 A解析 由1λ＝R ⎝⎛⎭⎫122－1n 2得： 当n ＝3时，波长最长，1λ1＝R ⎝⎛⎭⎫122－132， 当n ＝4时，波长次之，1λ2＝R ⎝⎛⎭⎫122－142，解得：λ1λ2＝2720，由E ＝h c λ得：E 1E 2＝λ2λ1＝2027.7.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 把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，故选项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.8.1885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：1λ＝R (122－1n 2)，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：1λ＝R (1m 2－1n 2)，m 与n 都是正整数，且n >m .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 ＝2,3,4…组成的线系叫莱曼系； m ＝2，n ＝3,4,5…组成的线系叫巴耳末系； m ＝3，n ＝4,5,6…组成的线系叫帕邢系； m ＝4，n ＝5,6,7…组成的线系叫布喇开系； m ＝5，n ＝6,7,8…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：1λ＝R (1m 2－1n 2)得这个线系是莱曼系，故A 正确，B 、C 、D 错误.9.要得到钠元素的特征谱线，下列做法正确的是( )A.使固体钠在空气中燃烧B.将固体钠高温加热成稀薄钠蒸气C.使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气D.使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气答案 BC解析 炽热固体发出的是连续谱，燃烧固体钠不能得到特征谱线，A 错误；稀薄气体发光产生线状谱，B 正确；强烈的白光通过低温钠蒸气时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，C 正确，D 错误.10.巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3,4,5，…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.二、非选择题11.氢原子光谱除了巴耳末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为1λ＝R ⎝⎛⎭⎫132－1n 2，n ＝4、5、6…，里德伯常量R ＝1.10×107 m －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大？n ＝6时，传播频率为多大？答案 (1)1.09×10－6 m(2)3×108 m/s 2.75×1014 Hz解析 (1)由帕邢系公式1λ＝R ⎝⎛⎭⎫132－1n 2，当n ＝6时，得λ≈1.09×10－6 m. (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 ＝3×108 m/s ，由v ＝λT ＝λf ，得f ＝v λ＝c λ＝3×1081.09×10－6 Hz ≈2.75×1014 Hz.。