山東省專用2024-2025學(xué)年高中物理第十八章原子結(jié)構(gòu)第3節(jié)氫原子光譜講義含解析新人教版選修3-5

PAGE8-第3節(jié)氫原子光譜1．光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長綻開，獲得光的波長(或頻率)和強度分布的記錄。2．線狀譜：光譜是一條條的亮線。3．連讀譜：光譜為連在一起的光帶。4．各種原子的放射光譜都是線狀譜，不同原子的亮線位置不同，這些亮線稱為原子的特征譜線。5．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，…一、光譜1．定義用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長綻開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。2．分類(1)線狀譜：由一條條的亮線組成的光譜。(2)連續(xù)譜：由連在一起的光帶組成的光譜。3．特征譜線各種原子的放射光譜都是線狀譜，且不同原子的亮線位置不同，故這些亮線稱為原子的特征譜線。4．光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線，可以利用它來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法稱為光譜分析，它的優(yōu)點是靈敏度高，樣本中一種元素的含量達到10－10_g時就可以被檢測到。二、氫原子光譜的試驗規(guī)律1．很多狀況下光是由原子內(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)的一條重要途徑。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：以簡潔的形式反映了氫原子的線狀光譜，即輻射波長的分立特征。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，很好地說明了α粒子散射試驗。2．經(jīng)典理論的困難：經(jīng)典物理學(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。1．自主思索——判一判(1)各種原子的放射光譜都是線狀譜，并且只能發(fā)出幾個特定的頻率。(√)(2)可以利用光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。(√)(3)光是由原子核內(nèi)部的電子運動產(chǎn)生的，光譜探討是探究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一條重要途徑。(×)(4)淡薄氣體的分子在強電場的作用下會變成導(dǎo)體并發(fā)光。(√)(5)巴耳末公式中的n既可以取整數(shù)也可以取小數(shù)。(×)2．合作探究——議一議利用白熾燈的光譜，能否檢測出燈絲的成分？提示：不能，白熾燈的光譜是連續(xù)譜，不是原子的特征譜線，因而無法檢測出燈絲的成分。對光譜和光譜分析的理解1．光譜的分類(1)放射光譜：物質(zhì)發(fā)光干脆獲得的光譜，分為連續(xù)光譜和線狀光譜(或原子光譜)。(2)汲取光譜：連續(xù)光譜中某些波長的光被物質(zhì)汲取后產(chǎn)生的光譜。2．太陽光譜(1)太陽光譜的特點：在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線，是一種汲取光譜。(2)對太陽光譜的說明：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，太陽高層大氣中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。3．光譜分析(1)優(yōu)點：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達10－10g。(2)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。[典例][多選]下列關(guān)于光譜和光譜分析的說法中，正確的是()A．太陽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．進行光譜分析時，可以用線狀譜，不能用連續(xù)光譜D．我們能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分[審題指導(dǎo)](1)光譜分析應(yīng)當(dāng)運用線狀譜或汲取光譜，不能運用連續(xù)光譜。(2)月球反射光的光譜反映的是發(fā)光物——太陽的物質(zhì)組成。[解析]太陽光譜中的暗線是太陽發(fā)出的連續(xù)譜經(jīng)過太陽大氣層時產(chǎn)生的汲取光譜，正是太陽發(fā)出的光譜被太陽大氣層中存在的對應(yīng)元素汲取所致，白熾燈發(fā)出的是連續(xù)譜，選項A錯誤；月球本身不會發(fā)光，靠反射太陽光才能使我們看到它，所以不能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分，選項D錯誤；光譜分析只能是線狀譜和汲取光譜，連續(xù)譜是不能用來進行光譜分析的，所以選項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B正確。[答案]BC三種光譜的比較：產(chǎn)生條件光譜形式應(yīng)用線狀光譜淡薄氣體發(fā)光形成的光譜一些不連續(xù)的明線組成，不同元素的明線光譜不同(又叫特征光譜)可用于光譜分析連續(xù)光譜炙熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)光形成的連續(xù)分布，一切波長的光都有不能用于光譜分析汲取光譜炙熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的用分光鏡視察時，見到連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)一些暗線(與特征譜線相對應(yīng))可用于光譜分析1．關(guān)于光譜，下列說法正確的是()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.淡薄氣體發(fā)出的光譜是線狀譜D．做光譜分析時，利用連續(xù)譜和線狀譜都可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分解析：選C物體發(fā)光的放射光譜分為連續(xù)譜和線狀譜，A、B錯；做光譜分析可運用汲取光譜也可以運用線狀譜，D錯。2．[多選]下列關(guān)于特征譜線的幾種說法正確的是()A．明線光譜中的明線和汲取光譜中的暗線都是特征譜線B．明線光譜中的明線是特征譜線，汲取光譜中的暗線不是特征譜線C．明線光譜中的明線不是特征譜線，汲取光譜中的暗線是特征譜線D．同一元素的明線光譜的明線與汲取光譜的暗線是相對應(yīng)的解析：選AD明線光譜中的明線與汲取光譜中的暗線均為特征譜線，并且試驗表明各種元素汲取光譜中的每一條暗線都跟這種原子的明線光譜中的一條明線相對應(yīng)。所以選項A、D正確。3．下列關(guān)于光譜的說法正確的是()A．到達地球上的太陽光的光譜是連續(xù)光譜B．日光燈產(chǎn)生的光譜是連續(xù)光譜C．酒精燈中燃燒的鈉蒸氣所產(chǎn)生的光譜是線狀譜D．白光通過溫度較低的鈉蒸氣，所產(chǎn)生的光譜是線狀譜解析：選C太陽發(fā)出的白光原來是連續(xù)光譜，但在穿過太陽表面溫度比較低的太陽大氣層時，被大氣層內(nèi)存在著的從太陽蒸發(fā)出來的多種元素的氣體汲取，到達地球時形成汲取光譜，故選項A錯誤；日光燈是低壓蒸氣發(fā)光，所以產(chǎn)生的是線狀譜，故選項B錯誤；酒精燈中燃燒的鈉蒸氣屬于低壓氣體，所產(chǎn)生的光譜是線狀譜，故選項C正確；白光通過溫度較低的鈉蒸氣，所產(chǎn)生的光譜是汲取光譜，故選項D錯誤。氫原子光譜的規(guī)律及應(yīng)用1．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。2．巴耳末公式(1)巴耳末對氫原子光譜的譜線進行探討得到了下面的公式：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，波長是分立的值。3．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，也都滿意與巴耳末公式類似的關(guān)系式。[典例]巴耳末通過對氫光譜的探討總結(jié)出巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…)，對此，下列說法正確的是()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．巴耳末公式精確反映了氫原子發(fā)光的分立性，其波長的分立值并不是人為規(guī)定的[解析]巴耳末公式是依據(jù)對氫光譜的分析得出的，而不是依據(jù)核式結(jié)構(gòu)總結(jié)出的，A錯、C對；巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中的一個線系波長，不能描述氫原子發(fā)出的各種光的波長，此公式反映出氫原子發(fā)光是不連續(xù)的，B、D錯。[答案]C(1)巴耳末公式反映氫原子發(fā)光的規(guī)律特征，不能描述其他原子。(2)公式中n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值，因此波長也只是分立的值。(3)公式是在對可見光區(qū)的四條譜線分析總結(jié)出來的，在紫外區(qū)的譜線也適用。1．巴耳末公式簡潔顯示了氫原子光譜的()A．分立特征 B．連續(xù)特征C．既連續(xù)又分立 D．既不連續(xù)又不分立解析：選A巴耳末公式中的n只能取整數(shù)，得到的波長是一些分立的值。2．下列說法不正確的是()A．巴耳末系光譜線的條數(shù)只有4條B．巴耳末系光譜線有多數(shù)條C．巴耳末系中既有可見光，又有紫外光D．巴耳末系在可見光范圍內(nèi)只有4條解析：選A巴耳末系中的光譜線有多數(shù)條，選項A錯誤，選項B正確；但在可見光區(qū)域只有4條，選項C、D正確。3．氫原子光譜的巴耳末系中波長最長的光波的光子能量為ε1，其次為ε2，則eq\f(ε1,ε2)為()A.eq\f(20,27) B.eq\f(27,20)C.eq\f(2,3) D.eq\f(3,2)解析：選A由eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))得，當(dāng)n＝3時，波長最長，eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))，當(dāng)n＝4時，波長次之，eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,42)))，解得eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(27,20)，由ε＝heq\f(c,λ)得，eq\f(ε1,ε2)＝eq\f(20,27)，選項A正確。1．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．汲取光譜解析：選A白熾燈發(fā)光是由于燈絲在炙熱狀態(tài)下發(fā)出光，是連續(xù)光譜。A正確，B、C、D錯誤。2．[多選]有關(guān)氫原子光譜的說法正確的是()A．氫原子的放射光譜是連續(xù)譜B．氫原子的放射光譜是線狀譜C．氫原子光譜說明氫原子只發(fā)出特定頻率的光D．氫原子光譜線的頻率都相同解析：選BC氫原子的放射光譜是線狀譜，說明氫原子只能發(fā)出特定頻率的光，但全部譜線的頻率各不相同，A、D錯誤，B、C正確。3．關(guān)于線狀譜，下列說法中正確的是()A．每種原子處在不同溫度下發(fā)光的線狀譜不同B．每種原子處在不同的物質(zhì)中的線狀譜不同C．每種原子在任何條件下發(fā)光的線狀譜都相同D．兩種不同的原子發(fā)光的線狀譜可能相同解析：選C每種原子都有自己的結(jié)構(gòu)，只能發(fā)出由內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定的自己的特征譜線，不會因溫度、物質(zhì)不同而變更，C正確。4．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行比照，b元素的譜線在該線狀譜中不存在，故選項B正確，與幾個元素的特征譜線不對應(yīng)的線說明該礦物中還有其他元素。5．[多選]關(guān)于經(jīng)典電磁理論與氫原子光譜之間的關(guān)系，下列說法正確的是()A．經(jīng)典電磁理論很簡單說明原子的穩(wěn)定性B．依據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核轉(zhuǎn)動時，電子會不斷釋放能量，最終被吸附到原子核上C．依據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子光譜應(yīng)當(dāng)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依據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞原子核轉(zhuǎn)動時，電子會不斷釋放能量最終被吸附到原子核上，原子不應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，并且放射的光譜應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的。氫原子光譜并沒有完全否定經(jīng)典電磁理論，經(jīng)典物理學(xué)可以很好地應(yīng)用于宏觀物體。故正確答案為B、C。6．氫原子光譜巴耳末系最小波長與最大波長之比為()A.eq\f(5,9) B.eq\f(4,9)C.eq\f(7,9) D.eq\f(2,9)解析：選A由巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3,4，5，…當(dāng)n＝∞時，最小波長eq\f(1,λ1)＝Req\f(1,22)，當(dāng)n＝3時，最大波長eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))，得eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(5,9)。7．[多選]下列說法正確的是()A．全部氫原子光譜的波長都可由巴耳末公式求出B．巴耳末系譜線均位于可見光波段C．巴耳末系是氫原子光譜中的一部分D．氫原子光譜是線狀譜的一個例證解析：選CD氫原子光譜包括：巴耳末系、賴曼系、帕邢系等，其中巴耳末系，只是其中的一部分。氫原子光譜指的是氫原子內(nèi)的電子在不同能級間躍遷時所放射或汲取的不同波長、能量的光子時得到的光譜。氫原子光譜為不連續(xù)的線狀譜，無線電波、微波、紅外光、可見光、到紫外光區(qū)段都有其譜線，巴耳末系也包括可見光和不行見光區(qū)段的譜線。8．[多選]關(guān)于太陽光譜，下列說法中正確的()A．太陽光譜是汲取光譜B．太陽光譜中的暗線，是太陽光經(jīng)過太陽大氣層時某些特定頻率的光被汲取后而產(chǎn)生的C．依據(jù)太陽光譜中的暗線，可以分析太陽的物質(zhì)組成D．依據(jù)太陽光譜中的暗線，可以分析地球大氣層中含有哪些元素解析：選AB太陽是一個高溫物體，它內(nèi)部發(fā)出的白光通過溫度較低的太陽大氣層時，會被太陽大氣層中的某些元素的原子汲取，從而使我們視察到的太陽光譜是汲取光譜。因此，選項A、B正確；分析太陽的汲取光譜，可知太陽大氣層的物質(zhì)組成，而某種物質(zhì)要觀測到它的汲取光譜，要求它的溫度不能太低，也不能太高。由于地球大氣層的溫度很低，太陽光通過地球大氣層時不會被地球大氣層中的物質(zhì)原子汲取，故選項C、D錯誤。9．[多選]下列關(guān)于光譜的說法正確的是()A．連續(xù)光譜就是由連續(xù)發(fā)光的物體產(chǎn)生的光譜，線狀譜是線狀光源產(chǎn)生的光譜B．通過對連續(xù)譜的光譜