2017_2018学年高中物理第18章原子结构3氢原子光谱学案新人教版选修3_52017092621

3 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.3.能说出经典物理学在解释原子的稳定性和原子光谱分立特性上的困难．

一、光谱和光谱分析 [知识梳理]

1．定义：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的

记录．

2．分类

(1)线状谱：光谱是一条条的亮线．

(2)连续谱：光谱是连在一起的光带．

3．特征谱线：各种原子的发射光谱都是线状谱，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不一样，光谱中的亮线称为原子的特征谱线．

4．应用：利用原子的特征谱线，可以鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法称为光谱分 析，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到 10－10 g时就可以被检测到．

[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．( × )

二、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？

答案 从右至左，相邻谱线间的距离越来越小．

2．阅读课本，指出氢原子光谱的谱线波长具有什么规律？ 1 1 1 答案 可见光区域的四条谱线的波长满足巴耳末公式： ＝R( － )，n＝3,4,5，… λ 22 n2 [知识梳理]

1

1．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．

2．巴耳末公式 1 1 1 (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＝3,4,5，…)， λ 22 n2 该公式称为巴耳末公式．式中 R叫做里德伯常量，实验值为 R＝1.10×107 m－1.

(2)巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值，不能取连续值．巴耳末公式以简洁的形 式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征．

3．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．

[即学即用] 判断下列说法的正误．

(1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途

径．( × )

(2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，使气体变成导体．( √ )

(3)巴耳末公式中的 n既可以取整数也可以取小数．( × )

三、经典理论的困难 [导学探究] 卢瑟福的原子结构很好地解释了 α 粒子散射实验，核外的电子绕核高速旋转，

这个结构和经典的电磁理论有什么矛盾？

答案 核外电子被库仑力吸引→电子以很大速度绕核运动(绕核运动的加速度不为零)→电磁场 周期性变化→向外辐射电磁波(绕核运动的能量以电磁波的形式辐射出去)→能量减少→电子绕

核运动的轨道半径减小→电子做螺旋线运动，最后落入原子核中，但是实际上原子是稳定的，

并没有原子核外的电子落入原子核内．所以，经典的电磁理论不能解释原子核外的电子的运动

情况和原子的稳定性．

[知识梳理]

1．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． 2．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.

一、光谱和光谱分析

1．光谱的分类

光谱Error! 2．几种光谱的比较

比较 产生条件 光谱形式及应用

2光谱

线状 一些不连续的明线组成，不同元素的明线光 稀薄气体发光形成的光谱 光谱 谱不同(又叫特征光谱)，可用于光谱分析

连续 炽热的固体、液体和高压气体 连续分布，一切波长的光都有 光谱 发光形成的

用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现 吸收 炽热的白光通过温度较白光低 一些暗线(与特征谱线相对应)，可用于光谱 光谱 的气体后，再色散形成的 分析

3.太阳光谱

(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)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，这就形成了明亮背景下的暗线．

4．光谱分析 (1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达 10－10 g. (2)应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分．

(3)用于光谱分析的光谱：线状光谱和吸收光谱．

例 1 (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，不能用连续光谱

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 1 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

3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．

二、氢原子光谱的实验规律 1 1 1 例2 (多选)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式 ＝R( － )，n＝3,4,5，…， λ 22 n2 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．

针对训练 2 氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( ) 5 4 7 2 A. B. C. D. 9 9 9 9 答案 A 1 1 1 解析 由巴耳末公式 ＝R n＝3,4,5，… λ ( －

n2) 22 1 1 当 n→∞时，有最小波长 λ1， ＝R ， λ1 22 1 1 1 λ1 5

当 n＝3时，有最大波长 λ2，λ2＝R( －32)，得 ＝ . 22 λ2 9

1．(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光谱，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． 2．(多选)下列光谱中属于原子光谱的是( )

A．太阳光谱

B．放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱

C．白炽灯的光谱

D．酒精灯中燃烧的钠蒸气所产生的光谱

答案 BD

解析 放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱，燃烧的钠蒸气产生的光谱分别是由汞蒸气、钠蒸气发 光产生的，均是原子光谱，故选项 B、D对． 1 1 1 22 3．(多选)下列关于巴耳末公式 ＝R － 的理解，正确的是( ) λ ( n2)

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．公式不仅适用于氢原子光谱的分析，还适用于其他原子光谱的分析

答案 AC

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． 4．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． 答案 n1＝3 n2＝4 1 1 1

解析 据巴耳末公式λ＝R( －n2)，n＝3,4,5，…得 22 1 1 1 654.55 × 10－9 ( n21) ＝1.10×107× － ， 22 1 1 1 484.85 × 10－9 (

＝1.10×107× － 2)， 22 n 解得 n1＝3，n2＝4.

一、选择题(1～6题为单选题，7～9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

5D．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，C对；根据各种

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．

2．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 A

3．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．

4．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

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项错误；某种物质

发光的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项正确；高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸