第3节 光谱 氢原子光谱（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第3节　光谱　氢原子光谱 核心素养导学 物理观念 (1)了解连续光谱、线状谱和吸收光谱的概念。 (2)知道氢原子光谱的实验规律。 (3)了解巴尔末公式及里德伯常量。 科学思维 通过氢原子光谱分析，推断原子的内部结构。 科学探究 探究氢原子光谱的实验规律。 一、光谱的几种类型 1．光谱：复色光通过分光镜后，分解为一系列________，而且按______的顺序排列成一条光带，称为光谱。 2．光谱的分类 (1)连续光谱：连续的彩色光带，由___________分布的光组成。 (2)明线光谱：分立的彩色亮线，称为光谱线，对应一定_______的单色光。 单色光 波长 波长连续 波长 (3)发射光谱：连续光谱和明线光谱都是由______物质所发的光直接产生的，称为发射光谱。 (4)吸收光谱：观察到在较强的连续光谱的背景上分立的______。 (5)线状谱：__________和__________通称为线状谱。 (6)原子光谱：同一种原子发射光谱中的明线与吸收光谱中的暗线的位置是______的，称为这种原子的特征光谱。   发光 暗线 发射光谱 吸收光谱 相同 二、光谱分析的应用 1．定义：由于每种原子都有独自的特征谱线，可以利用它来鉴别物质或确定物质的化学______，这种方法称为光谱分析。 2．优点：灵敏度高，精确度远高于__________和其他分析手段，样本中一种元素的含量达到10－10 g时就可以被检测到。 组成 化学分析 发光 4条 里德伯常量 1.早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫作光谱，如图所示。请对以下说法作出判断。 (1)白光通过三棱镜后可得到连续谱。 ( ) (2)不同的原子发出的线状谱不相同。 ( ) (3)同种原子发出的光谱中的亮线对应的频率不相同。 ( ) (4)可以用连续谱进行光谱分析。 ( ) √ √ √ × 2．利用白炽灯的光谱，能否检测出灯丝的成分？ 提示：不能，白炽灯的光谱是连续谱，不是原子的特征谱线，因而无法检测出灯丝的成分。 3．根据氢原子光谱的特点和巴尔末公式判断以下说法正误： (1)氢原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的。 ( ) (2)由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的。 ( ) (3)巴尔末公式中的n既可以取整数也可以取小数。 ( ) √ × × 新知学习(一)|光谱和光谱分析 [任务驱动] 如图所示为不同物体发出的不同光谱。 (1)钨丝白炽灯的光谱与其他三种光谱有什么区别？ 提示：钨丝白炽灯的光谱为连续谱，其他三种光谱为线状谱。 (2)铁电极弧光的光谱、氢光谱、钡光谱的特征相同吗？ 提示：不同。　　　　 [重点释解] 1．光谱的分类 (1)发射光谱：物质发光直接获得的光谱，分为连续光谱和明线光谱。 (2)吸收光谱：连续光谱中某些波长的光被吸收后出现的暗线。 光谱 产生条件 光谱形式 应用 线状谱 稀薄气体发光形成的光谱 一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同(又叫特征光谱) 可用于光谱分析 连续光谱 炽热的固体、液体和高压气体发光形成的 连续分布，一切波长的光都有 不能用于光谱分析 吸收光谱 炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的 用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线(与特征谱线相对应) 可用于光谱分析 2．三种光谱的比较 3.太阳光谱 (1)太阳光谱的特点：在连续光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，所以到达地球的这些谱线看起来就弱了，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，精确度高，分析物质的最低量达10－10 g。 (2)应用： ①应用光谱分析发现新元素； ②无损检测文物的组成成分，分析药物的组成等； ③应用光谱分析鉴定食品优劣、空气质量等。 [典例体验] [典例]　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光谱 C．稀薄气体发出的光谱是线状光谱 D．做光谱分析时，利用连续光谱和线状光谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成 [解析]　不同光源发出的光谱有连续光谱，也有线状光谱，故A、B错误；稀薄气体发出的光谱是线状光谱，C正确；只有应用线状光谱才可以进行光谱分析，D错误。 [答案]　C /易错警示/ 对光谱分析的三点提醒 (1)光谱分析只能用线状谱。 (2)光谱分析的方法是用白光照射被鉴定物质的低压蒸气。 (3)吸收光谱是由高温物体发出的白光通过低温物质，某些波长的光被吸收后产生的光谱。光谱在连续谱的背景下有若干暗线，而这些暗线与线状谱的亮线一一对应，因而吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线。　　 [针对训练] 1．(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线状谱 B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱 C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，不能利用连续谱 D．观察月亮光谱，可以确定月亮的化学组成 解析：太阳光谱是吸收光谱，白炽灯光谱是连续光谱，故A项错误；炽热气体发出的光是线状光谱，则霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状光谱，故B项正确；光谱分析是用元素的特征谱线与光谱对比来分析物体的化学成分，进行光谱分析时，可以利用线状谱但不能利用连续谱，故C项正确；月光是被反射的太阳光，月球没有大气层，故观察月亮光谱，不能确定月亮的化学组成，故D项错误。 答案：BC　 2．下列说法正确的是 (　 ) A．线状光谱中的亮线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线 B．各种原子的线状光谱中的亮线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应 C．气体发出的光只能产生线状光谱 D．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了甲物质的吸收光谱 解析：吸收光谱中的暗线和线状光谱中的亮线相对应，都是特征谱线，但通常吸收光谱中的暗线要比线状光谱中的亮线少，所以A正确，B错误；气体发光，若为高压气体则产生连续光谱，若为稀薄气体则产生线状光谱，所以C错误；甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱，所以D错误。 答案：A　 新知学习(二)|氢原子光谱的规律和应用 [任务驱动] 如图所示为氢原子的光谱。 (1)仔细观察，氢原子光谱具有什么特点？ 提示：氢原子光谱从左向右谱线间的距离越来越大。 (2)氢原子光谱的谱线波长具有什么规律？ 提示：氢原子光谱的谱线波长符合巴尔末公式。　　 [典例体验] [典例]　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 [解析]　氢原子发射的光的波长取决于光子的能量E，所以发射的光子的能量是不连续的，故氢原子只能产生特定波长的光，即氢原子产生的光谱是一系列不连续的谱线，故A、D错误，B正确。光谱是不连续的，与亮度无关，故C错误。 [答案]　B [针对训练] 1．对于巴尔末公式，下列说法正确的是 (　 ) A．所有氢原子光谱的波长都与巴尔末公式相对应 B．巴尔末公式只确定了氢原子发光中的可见光部分的光波长 C．巴尔末公式确定了氢原子发光中的一个线系的波长，其中既有可见光，又有紫外光 D．巴尔末公式确定了各种原子发光中的光的波长 解析：巴尔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发光中的光的波长，A、D错误；巴尔末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴尔末线系，该线系包括可见光和紫外光，B错误，C正确。 答案：C　 A．红外线波段的光子　 B．可见光波段的光子 C．紫外线波段的光子 D．X射线波段的光子 答案：A　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——光谱的认识 1．(选自人教版教材课后练习)什么是线状光谱，什么是连续光谱？原子的发射光谱是怎样的光谱？不同原子的发射光谱是否有可能相同？ 提示：线状光谱是一条条的亮线，连续光谱是连在一起的光带；原子的发射光谱都是线状光谱；不同原子的发射光谱不可能相同。 科学思维——光谱分析的应用 2．(选自鲁科版教材课后练习)利用光谱分析的方法能鉴别物质的组成成分。关于光谱分析，下列说法正确的是 (　 ) A．利用高温物体的连续光谱可鉴别其组成成分 B．利用物质的线状光谱可鉴别其组成成分 C．吸收光谱的暗线反映高温物体的组成成分 D．同一种物质线状光谱的亮线与吸收光谱的暗线没有联系 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；某种物质发出的线状谱中的亮线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，故B正确；高温物体发出的光通过某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，故C错误；某种物质发出某种频率的光，当光通过这种物质时，它也会吸收这种频率的光，因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应，故D错误。 答案：B　 A．3　　　　　　　　 B．6 C．9 D．12 答案：C　 (1)请分析n＝6时，对应的波长是多少？ (2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少？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 三、氢原子光谱 1．氢原子光谱特点 (1)在高压电场激发下，稀薄氢气的氢原子会______。 (2)氢原子光谱在可见光范围内存在_____分立的谱线。 2．巴尔末公式 ＝RH(n＝3,4,5，…)，其中RH称为_______________，数值为RH＝1.10×107 m－1。 [重点释解] 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. 巴尔末公式 (1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：＝RH(n＝3,4,5，…)，该公式称为巴尔末公式。 (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。 3．其他谱线 除了巴尔末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴尔末公式类似的关系式。 2．目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为En＝，其中E1＝－13.6 eV。如图是按能量排列的电磁波谱，要使n＝20的氢原子吸收一个光子后，恰好失去一个电子变成氢离子，被吸收的光子是(　 ) 解析：由题意知氢原子第20能级的能量为E20＝＝ eV＝－3.4×10－2eV，则处于第20能级的氢原子恰好失去一个电子变成氢离子(即电离)，需要吸收的光子能量应为3.4×10－2eV，结合电磁波谱可知被吸收的光子为红外线波段的光子，A正确。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．每种原子都有自己的特征谱线，所以运用光谱分析可以鉴别物质和进行深入研究。氢原子光谱中巴尔末系的谱线波长公式为：＝，n＝3,4，5，…，E1为氢原子基态能量，h为普朗克常量，c为光在真空中的传播速度。锂离子Li＋的光谱中某个线系的波长可归纳成一个公式：＝，m＝9,12,15，…，E1′为锂离子Li＋基态能量，经研究发现这个线系光谱与氢原子巴尔末光谱完全相同。由此可以推算出锂离子Li＋基态能量与氢原子基态能量的比值为 (　 ) 解析：因为该锂离子Li＋线系光谱与氢原子巴尔末系光谱完全相同，则可知对应的各个谱线波长都是相同的，由数学知识可知＝，可得E1′＝9E1，故选C。 2．氢原子光谱除了巴尔末系外，还有赖曼系、帕邢系等，如图所示。其中帕邢系的公式为＝RH，(n＝4，5,6，…)，RH＝1.10×107 m－1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域。 解析：(1)根据帕邢系公式＝RH，(n＝4,5，6，…)，当n＝6时，代入数据得λ≈1.09×10－6 m。 (2)帕邢系形成的谱线在红外线区域，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c＝λν得ν＝≈2.75×1014 Hz。 $$