第4章 3 光谱 氢原子光谱-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（教科版2019）

3　光谱　氢原子光谱 [学习目标]　1.知道光谱及光谱的分类，知道发射光谱和吸收光谱，知道线状谱和连续光谱的概念(重点)。2.知道什么是光谱分析，了解光谱分析的应用。3.知道氢原子光谱的规律(难点)。 一、光谱　光谱的几种类型 把食盐放在火中灼烧，会发出黄色的光。食盐为什么发黄光而不发其他颜色的光呢？ 答案　焰色反应，食盐NaCl中的钠离子使火焰变黄色，每种金属离子有不同的颜色。 1．光谱 复色光经过分光镜后，分解为一系列单色光，而且按波长的顺序排列成一条光带，称为光谱。 2．光谱的几种类型 (1)发射光谱：由发光物质所发的光直接产生的光谱。 ①连续光谱：由波长连续分布的光组成的连续的彩色光带，称为连续光谱。 ②明线光谱：由不连续的、分立的彩色亮线组成的光谱，称为明线光谱。 ③产生：炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱一般为连续光谱；稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱。 (2)吸收光谱：白光通过温度较低的气体，会在连续光谱的背景上出现一些分立的暗线，这类光谱称为吸收光谱，也称暗线光谱。 (3)线状谱：对于某一种原子，发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线，称为线状谱。 (4)原子光谱： ①同一种原子发射光谱中的明线与吸收光谱中暗线的位置是相同的，称为这种原子的特征光谱，这样的光谱称为原子光谱。 ②不同原子的特征光谱不同，它只决定于原子的内部结构。 3．光谱分析的应用 (1)利用原子光谱可以来鉴别物质的化学组成中是否存在某种元素、含量有多少等，这种方法叫作光谱分析。 (2)优点： ①光谱分析极为灵敏，它的精确度远高于化学分析和其他分析手段。 ②在不破坏、不接触研究对象的情况下，获取其内部信息。 (3)光谱分析在考古学、医学、空气质量和环境污染探测、天文学研究中有重要应用。 结合教材第82页图4－3－1并查找资料，说明太阳光谱是什么光谱？通过分析太阳光谱是否可以知道太阳大气层中存在的元素？ 答案　太阳光谱是吸收光谱，研究太阳光谱发现了太阳大气层中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素。 例1　(2022·西安市高二月考)关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是(　　) A．太阳光谱是连续光谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学组成 B．霓虹灯和炼钢炉中炽热铁水产生的光谱，都是线状谱 C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱 D．进行光谱分析时，可以利用线状谱，也可以利用连续光谱 答案　C 解析　太阳光谱是吸收光谱，这是由于太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的，所以A错误；霓虹灯呈稀薄气体状态，因此光谱是线状谱，而炼钢炉中炽热铁水产生的光谱是连续光谱，所以B错误；强白光通过酒精灯火焰上的钠盐时，某些频率的光被吸收，形成吸收光谱，所以C正确；光谱分析中只能用线状谱，所以D错误。 例2　(多选)(2022·沈阳市高二开学考试)关于原子的特征谱线，下列说法正确的是(　　) A．不同原子的发光频率是不一样的，每种原子都有自己的特征谱线 B．使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气，可得到钠元素的特征谱线 C．可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分 D．原子的特征谱线是原子具有核式结构的有力证据 答案　ABC 解析　不同原子的发光频率是不一样的，每种原子都有自己的特征谱线，选项A正确；强烈的白光通过低温的钠蒸气时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，故选项B正确；每种原子都有自己的特征谱线，可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分，故选项C正确；α粒子散射实验是原子具有核式结构的有力证据，故选项D错误。 二、氢原子光谱 如图所示为氢原子光谱的片段 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。 1．原子内部电子的运动是原子发光的原因。因此，光谱是探索原子结构的一条重要途径。 2．巴尔末公式 (1)氢原子光谱在可见光范围内，存在4条分立的谱线，巴尔末将氢光谱的可见光部分的4条谱线的波长归纳得到公式：＝RH(－)(n＝3,4,5,6)，该公式称为巴尔末公式。式中RH叫作里德伯常量，实验测得RH＝1.10×107 m－1。 (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．广义巴尔末公式 除了巴尔末系，氢原子光谱在红外区和紫外区的其他谱线也都满足与巴尔末公式类似的关系式，称为广义巴尔末公式，其为＝RH(－)(m＝1,2,3，…；n＝m＋1，m＋2，m＋3，…)。 例3　(多选)下列关于巴尔末公式＝RH(－)的理解，正确的是(　　) A．巴尔末系的4条谱线位于红外区 B．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续光谱 C．公式中n只能取大于或等于3的整数，故氢原子光谱是线状谱 D．在巴尔末系中n值越大，对应的波长λ越短 答案　CD 解析　此公式是在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线时得到的，A错误；公式中n只能取大于或等于3的整数，n不能连续取值，故氢原子光谱是线状谱，B错误，C正确；根据公式可知，n值越大，对应的波长λ越短，D正确。 例4　巴尔末通过对氢原子光谱的研究总结出巴尔末公式＝RH(－)，式中n＝3,4,5，…。后人把可用该公式描述的谱线系称为巴尔末系，氢原子光谱的巴尔末系中波长最长的光波的光子频率为ν1，其次为ν2，则为(　　) A. B. C. D. 答案　A 解析　谱线的波长满足公式＝RH(－)(n＝3,4,5，…)，当n＝3时，波长最长，＝RH(－)，当n＝4时，波长次之，＝RH(－)，解得＝，由c＝λν得＝＝，故A正确，B、C、D错误。 例5　关于经典电磁理论与原子光谱之间的关系，下列说法正确的是(　　) A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性 B．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上 C．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的 D．氢原子的光谱彻底否定了经典电磁理论 答案　B 解析　经典电磁理论中能量是连续变化的，无法解释原子的稳定性，故A错误；根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上，故B正确；经典电磁理论中能量是连续变化的，如此说来原子光谱就应该是连续光谱，但是事实上原子光谱是线状谱，故C错误；氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论，而是引入了新的概念，故D错误。 课时对点练 考点一　光谱和光谱分析 1．(多选)(2022·石家庄市高二期中)每种原子都有自己的特征谱线，我们可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。原子的特征谱线属于(　　) A．吸收光谱 B．发射光谱 C．连续光谱 D．线状谱 答案　BD 解析　原子的特征谱线是发射光谱，A错误，B正确；原子的特征谱线是分立的线状谱，C错误，D正确。 2．(多选)对原子光谱，下列说法中正确的是(　　) 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同 D．分析物质发出的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 答案　ACD 解析　原子光谱为线状谱，不连续，A对；各种原子都有自己的特征谱线，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，D对。 3．(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中正确的是(　　) A．光谱包括发射光谱、连续光谱、线状谱、原子光谱、吸收光谱五种光谱 B．往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的线状谱 C．光谱分析可以精确分析物质中所含元素 D．各种原子的发射光谱都是线状谱 答案　BCD 解析　光谱包括发射光谱和吸收光谱两种，其中发射光谱分为连续光谱和明线光谱，明线光谱和吸收光谱都能体现不同原子的特征，称为原子光谱，各种原子的发射光谱都是线状谱，选项A错误，D正确；往酒精灯的火焰上撒精盐，可以用分光镜观察到钠的线状谱，选项B正确；光谱分析可以精确分析物质中所含元素，并能帮助人们发现新元素，选项C正确。 4．以下说法中正确的是(　　) A．进行光谱分析可以用连续光谱，也可以用吸收光谱 B．光谱分析的优点是非常灵敏而迅速 C．分析某种物质的化学组成可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得吸收光谱进行分析 D．摄下月球的光谱可以分析出月球上有哪些元素 答案　B 解析　进行光谱分析不能用连续光谱，只能用线状谱或吸收光谱；光谱分析的优点是灵敏而迅速；分析某种物质的组成，可用白光照射其低温蒸气产生的吸收光谱进行分析；月球不能发光，只能反射太阳光，故其光谱是太阳光谱，不是月球的光谱，不能用来分析月球上的元素，故选B。 考点二　氢原子光谱的实验规律 5．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 答案　C 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。 6．(多选)巴尔末通过对氢原子光谱的研究总结出巴尔末公式＝RH(－)，n＝3,4,5，…，对此，下列说法正确的是(　　) A．巴尔末依据核式结构模型和经典电磁理论总结出巴尔末公式 B．巴尔末公式反映了氢原子发光的连续性 C．巴尔末依据氢原子光谱的分析总结出巴尔末公式 D．巴尔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　巴尔末公式是根据氢原子光谱总结出来的，其反映了氢原子发光是不连续的，选项A、B错误，C正确；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，其波长的分立值不是人为规定的，选项D正确。 7．(多选)(2022·济南市高二月考)下列说法中正确的是(　　) A．炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱 B．各种原子的明线光谱中的明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明线光谱 D．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成的是甲物质的吸收光谱 答案　AB 解析　炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱，A正确；各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应，B正确；由A分析可知，气体发出的光也可以形成连续光谱，C错误；甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气后，有一些波长的光被乙物质吸收了，所以形成的是乙物质的吸收光谱，故D错误。 8．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光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．同一种物质的发射光谱上的明线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　高温物体的光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，选项A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，通过这些明线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，选项B正确；高温物体发出的光通过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，选项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，因此发射光谱中的明线与吸收光谱中的暗线相对应，选项D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$