第4章 3.光谱 氢原子光谱-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案word（教科版2019）

学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZxXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 3.光谱 氢原子光谱 [核心素养定位]1，了解光谱、连续光谱、线状谱等概念。2.了解光谱分析的应用。3.了解氢 原子光谱的规律。 课前自主学习 一光谱的几种类型 1.光谱：复色光通过分光镜后，分解为一系列单色光，而且按spl0)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)连续光谱：光谱是spl02)连续彩色光带的光谱，如图甲所示。 甲连续光谱 乙钠的明线光谱（片段） (2)明线光谱：在较暗的连续光谱的背景上出现一些分立的彩色spl03)亮线的光谱，如图乙 所示。这些spl04)亮线称为光谱线，它对应spl05)一定波长的单色光，不同原子的明线 光谱是sp106)不同的。 (3)发射光谱：连续光谱和明线光谱都是由发光物质所发的光s吧l07)直接产生的，所以也称 为发射光谱。 (4)吸收光谱：在较强的连续光谱的背景上有一些分立的spl08暗线的光谱，也称为」 sp109暗线光谱。如图丙所示。 内钠的吸收光谱（片段》 (⑤线状谱：对于某一种原子，发射光谱和吸收光谱都是p110)分立的谱线，称为线状谱。 (⑥原子光谱：同一种原子发射光谱中明线与吸收光谱中暗线的位置是sp11)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。 二光谱分析的应用 1,光谱分析：利用原子光谱可以来鉴别物质的化学组成中sp10)是否存在这种元素、含 量有多少等，这种方法叫作光谱分析。 2.光谱分析的特点 1 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZxXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 (1)光谱分析极为sp102)灵敏，精确度远高于化学分析和其他分析手段。 (2)它可以在不破坏、spl03)不接触研究对象的情况下，获取其内部信息。 三氢原子的光谱 1.氢原子光谱 氢原子光谱在可见光范围内，存在4条分立的谱线。 2.巴尔未公式 (1)巴尔末将氢原子光谱的可见光部分的谱线的波长归纳为一个公式，称为巴尔末公式，里德 伯将其改写为spl101)1=Rralvs4 alcol0f11n2n=3,4,5,O。式中Rm叫作里德伯常 量，实验测得Ra=1.10×107m-。 (2)巴尔末后来发现，氢光谱紫外部分谱线的波长，若n=7,8,9,10,11,也可以用巴尔末 公式表示。 3.广义巴尔末公式 (1)公式：swpl0211=Ravs4a小colf11n2m=1,2,3,…;n=m+1,m+2,m+3,)。 (②)用途：描述包括紫外区和红外区在内的所有氢谱线。 型课前检测 1.判一判 ()少量原子发出的是线状谐，大量原子发出的是连续光谱。(） (2)连续光谱一定是大量不同元素共同发出的光谱。() (3)氢原子光谱有无数条分立谱线，其中有四条谱线在可见光范围内。() (4巴尔末公式能描述整个氢原子光谱。() 提示：(1)×(2)×（③）√(4× 2.想一想 不同原子的光谱相同吗？ 提示：不同原子的光谱不同。 课堂探究评价 探究光谱光谱分析的应用 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com 您身边的互联网+教辅专家 平行光管 三棱镜 望远镜 甲分光镜：其三棱镜可利用 不同颜声的光折财角不同，将 乙白炽灯发光光谐 复色光分解成若干单色光 丙钠发光的光谱（片段）丁白光通过钠蒸气的光增（片段） 师生互动 活动1：复色光通过如图甲所示的分光镜后，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。准备一个白炽灯泡，让其发出强光，使光线通过一个狭缝进入分光 镜的平行光管，观察到的现象如图乙所示，该光谱有什么特点？ 提示：连续彩色光带。 活动2：在暗室中点燃酒精灯，在火焰上撒一些钠盐，使用分光镜观察火焰发出的光，观察 到的现象如图丙所示，该光谱有什么特点？ 提示：在较暗的连续光谱的背景上出现一些分立的彩色亮线。 活动3：用弧光灯发出的白光，照射钠蒸气（在酒精灯的灯芯上撒上一些钠盐，钠盐受热分解 产生的蒸气)，用分光镜观察通过钠蒸气后的强光，观察到的现象如图丁所示，该光谱有什么 特点？ 提示：在较强的连续光谱的背景上出现一些分立的暗线。 活动4：炽热的固体、液体及高压气体发光产生的一般为如图乙所示的连续光谱。图内的光 谱称为明线光谱，稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱，连续光谱和明线光谱都是由发光 物质所发的光直接产生的，也称为发射光谱。图丁的光谱是稀薄蒸气中的原子吸收了白光中 的一些特定频率的光而形成的，称为吸收光谱或暗线光谱。对比图丙、图丁，有什么发现？ 提示：钠的发射光谱中的亮线与吸收光谱中的暗线的位置是相同的。 得 出结论 1.光谱的几种类型 (1)连续光谱 ①特征：连续彩色光带，由波长连续分布的光组成。 3 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 ②产生：炽热的固体、液体及高压气体发光产生的光谱一殷为连续光谱。 (2)明线光谱 ①特征：在较暗的连续光谱的背景上出现的一些分立的彩色亮线。这些亮线称为光谱线，它 对应一定波长的单色光。不同原子的明线光谱是不同的。 ②产生：稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱，实质是原子内部电子的运动发出的光。 (3)吸收光谱（暗线光谱） ①特征：较强的连续光谱的背景上的一些分立的暗线。同一种原子发射光谱中的明线与吸收 光谱中暗线的位置相同，称为这种原子的特征光谱。 ②产生：稀薄蒸气原子中的电子吸收了白光中的一些特定频率的光，而形成对应的暗线。 2.光谱的分类 连续光谱 发射光谱 光谱 明线光谱线状谱 吸收光谱（暗线光谱）（原子光谱） 3.光谱分析的应用 (1)原理：原子发光的颜率只与原子结构有关，因此光谱成了该元素的特征，利用原子光谱可 以鉴别物质的化学组成中是否存在这种元素、含量有多少等。 (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不破坏、不接触研究对象。 (3)应用 ①发现了许多当时未知的元素，测出太阳外层大气的元素组成。 ②广泛应用于医学分析诊断、食品检测、探测环境污染等生产生活和科研领域。 ③应用于天体研究、宇宙探索。 实 践 提升 例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光谱 B.一切光源发出的光谱都是线状谱 C.稀薄气体发出的光谱是线状谱 4 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.2XXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 D.做光谱分析时，利用连续光谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成 原子的发射光谱有什么特征？ 提示：发射光谱是分立的谱线，不同原子的明线光谱是不同的。 [规范解答]炽热的固体、液体和高压气体发出的光谱是连续光谱，稀薄气体发出的光谱是 线状谱，所以A、B错误，C正确：在鉴别物质和确定物质的化学组成时，需要利用原子的 特征谱线进行分析，原子的特征谱线是线状谱，所以D错误。 [答案]C [变式训练1]（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钠盐，用分光镜可以观察到钠的线状潜 C.利用太阳光谱可以分析太阳中心的化学组成 D.各种原子的发射光谱都是线状谱 答案BD 解析按产生方式分类，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是线状谱，都能体现不同原子的特征，也称为原子光谱， 各种原子的发射光谱都是线状谱，A错误，D正确；往酒精灯的火焰上撒钠盐，钠盐受热会 分解出稀薄的钠蒸气，因此用分光镜可以观察到钠的线状谱，B正确：太阳光谱是吸收光谱， 其中的暗线，是太阳光经过太阳外层大气时吸收某些特定频率的光后产生的，故可以分析太 阳外层大气的元素组成，但是不能分析太阳中心的化学组成，C错误。 探究氢原子光谱 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 =3 364.64103434.14862 656.3 /nm 氢原子光谱的片段（图上的“n”就是巴尔末公式中的“”） 师生互动 5 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.zxxk.com● 您身边的互联网+教辅专家 活动1：如图所示为氢原子光谱的片段。1885年，瑞士的中学教师巴尔末将氢光谱可见光部 分的4条谱线的波长归纳为一个数学公式，1895年，里德伯将该公式改写为1=R知 avs4 alcol(0f1ln2n=3,4,5,6)。请检验该公式，并计算出Rae 提示：将n=3,4,5,6和对应的波长代入公式，可知该公式成立，且可计算得出Ra=1.10 ×107m-1。 活动2：根据卢瑟福的核式结构模型和经典电磁理论，电子绕核运动所辐射的电磁波频率应 当是连续分布的，即形成一个连续的频谱，该理论能解释氢原子光谱规律吗？ 提示：不能。 得 出 结论 1.氢原子光谱的实验规律 (1)巴尔末公式：1=Rnawvs4 alcol(0f11n2n=3,4,5,6 式中Ra叫作里德伯常量，其测量值为Ra=1.10×107m-1。 由巴尔末公式确定的一组谱线称为巴尔末系。 (2)广义巴尔末公式：1=Ruawvs4 alcol(0f11n2m=1,2,3,;n=m+1,m+2,m+3,) 可描述氢原子的所有光谱，m=2对应巴尔末系，m=1,m=3,m=4,…对应其他线系。 2.卢瑟福核式结构模型和经典理论的困难 根据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。随着绕核运动轨道半 径的不断变化，电子运动的颜率也要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化。 这样，大量原子发光的光谱就应该是包含一切频率的连续光谱。然而，事实上原子光谱是由 一些不连续的亮线组成的分立的线状谱。即经典电磁理论无法解释原子光谱的分立特征。 实践提升 例2（多选）下列关于巴尔末公式1a=Ruaivs4alco1QfI1n2的理解，正确的是( A.巴尔末公式也可以描述其他原子的发光光谱 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,在巴尔末系中n值越大，对应的波长入越短 (1)巴尔末公式是怎么得来的？ 提示：根据氢原子在可见光区的谱线总结出的。 6 学科网书城围 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.com● 您身边的互联网+教辅专家 (2)巴尔末公式中n可以取哪些值？ 提示：大于或等于3的整数值。 [规范解答]巴尔末公式只能描述氢原子光谱中的一个线系，不能描述其他原子光谱中谱线 对应的波长，故A错误，公式中n只能取大于或等于3的整数，入不能连续取值，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，对应的波长越短，故D正确。 [答案]CD 规律点拨 巴尔末公式的应用方法及注意问题 (1)巴尔末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子。 (2)公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也只是分立的值。 (③)公式是对在可见光区的四条谱线分析总结出的，在紫外光区的部分谱线也适用。 [变式训练2]氢原子光谱除了巴尔末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中赖曼系的表达式为 11=Raaws4 alcol0f11n2(n=2,3,4,…),Ra=1.10×107m一1，则赖曼系中波长最短的 光对应的波长为 nm 答案91 解析对于赖曼系，当n一o时对应光的波长最短，有11=Raas4 alcol(f112)一0)，解 得λ1=0.91×10-7m=91nm。 课后课时作业 A组令合格性水平训练 1.(光谱（多选）对于原子光谱，下列说法正确的是() 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.各种原子的结构不同，所以各种原子的光谱也不相同 D.分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 答案ACD 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，D正确。 2.(光谱、光谱分析关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是() 7 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXxk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 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.强白光通过钠蒸气，形成的是吸收光谱 D.进行光谱分析时，可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱 答案C 解析太阳光谱是吸收光谱，吸收光谱是线状谱，分析太阳光谱可以知道太阳外层大气的化 学组成，所以A错误：霓虹灯中的气体是稀薄气体，因此其产生的光谱是线状谱，而炼钢炉 中炽热铁水产生的光谱是连续光谱，所以B错误；强白光通过钠蒸气时，某些频率的光被吸 收，形成吸收光谱，所以C正确：发射光谱分为连续光谱和明线光谱，而光谱分析只能用明 线光谱和吸收光谱，因为它们都具备特征谱线，所以D错误。 3.(氢原子光谱)巴尔末根据已知氢原子光谱总结出公式1元=Rnawvs4 alcol0f11n2n=3,4, 5,),后来的科学家把巴尔末公式中的2换成了1和3计算出了紫外区和红外区的其他谱 线的波长。下列理解正确的是() A.由巴尔末公式得到的波长都在可见光波段 B.由巴尔末公式得到的波长在可见光波段和紫外光波段 C.由巴尔末公式得到的波长在可见光波段和红外光波段 D.巴尔末公式包含了氢原子的所有光谱线 答案B 解析由巴尔末公式得到的波长只有4条谱线在可见光波段，分别对应n=3,4,5,6,n 越大，波长越短，所以由巴尔末公式得到的其余波长在紫外光波段，故A、C错误，B正确： 巴尔末公式是分析氢原子的谱线得到的一个公式，它只反映氢原子谱线的一个线系，D错误。 4.(经典理论的困难)（多选）关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法中正确的 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，电子绕原子核转动时，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.氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论 答案BC 8 学科网书城 品牌书店·知名教辅·正版资源 b.ZXXk.c0m○ 您身边的互联网+教辅专家 解析卢瑟福的核式结构模型在经典电磁理论下是不稳定的，电子绕核运转会辐射电磁波损 失能量，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：根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的，故C正确：氢 原子光谱没有彻底否定经典电磁理论，而是说明它不能解释原子世界的现象，但它可以很好 地应用于宏观物体，故D错误。 B组©等级性水平训练 5.(氢原子光谱)氢原子光谱除了巴尔末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为 IA=Ra vs-4 alcol(0f11n2(n=4,5,6,…),Ra=110×107m-l。若已知帕邢系的氢原子 光谱在红外线区域，试求： (1)帕邢系中，氢原子发光的最长波长： (2)帕邢系中谱线对应的光在真空中的波速为多少？n=6时，光的频率为多大？ 答案(1)1.87×10-6m (2)3×108m/s2.75×1014Hz 解析(1)由公式1=Rralvs4 alcol0f(11n2n=4,5,6,)知，n=4时对应的波长最长， 11=1.10×107×alvs4alco10f1142)m-1 解得最长波长1=1.87×10-6m。 (2)帕邢系中谱线在红外光区，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 =3×108m/s n=6时，12=1.10×107×avs4 alcol0f1162)m-1 解得2=1.09×10-6m 频率v=c12=3×1081.09×10-6Hz=2.75×1014Hz。 9