第4章 第3节 光谱 氢原子光谱-【优学精讲】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册教用课件(鲁科版)

第3节　光谱　氢原子光谱 1．知道光谱、连续谱和线状谱等概念。　2.知道氢原子光谱的实验规律。 3．了解经典物理的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分立的特性。　 课前知识梳理 1 课堂深度探究 2 随堂巩固落实 3 内容 索引 课前知识梳理 PART 01 第一部分 波长 太阳光谱 课前知识梳理 返回导航 连续光谱 连续 明线光谱 不同的 课前知识梳理 返回导航 明线 发射 暗线 吸收 暗线 课前知识梳理 返回导航 分立 相同的 特征 课前知识梳理 返回导航 二、光谱分析的应用 1．光谱分析：由于原子发光的频率只与原子结构有关，因此光谱就成了该元素的特征了，就像人类的“指纹”一样。利用原子光谱可以来鉴别物质的化学组成中是否存在这种元素、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)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)它可以在不破坏、不接触研究对象的情况下，获取其内部信息，这使得它成为科研领域的一种重要研究手段。 课前知识梳理 返回导航 三、氢原子光谱 1．在真空管中充入稀薄的氢气，两极加上2～3 kV的高压，在电场的激发下，氢原子就会发光，通过分光镜就可以观察到氢原子光谱。氢原子光谱在可见光范围内存在4条分立的谱线。 课前知识梳理 返回导航 课前知识梳理 返回导航 判断下列说法是否正确。 (1)连续光谱和明线光谱都是发射光谱。(　　) (2)明线光谱和暗线光谱都是原子的特征光谱。(　　) (3)连续光谱也可用于光谱分析。(　　) (4)氢原子光谱是线状谱。(　　) (5)经典物理学无法解释原子光谱的分立特征。(　　) × √ √ √ √ 课前知识梳理 返回导航 课堂深度探究 PART 02 第二部分 1．光谱的分类 知识点一　光谱和光谱分析 课堂深度探究 返回导航 2．太阳光谱 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 产生 原因 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，这就形成了连续谱背景下的暗线 课堂深度探究 返回导航 3.光谱分析 优点 灵敏度高，分析物质的最低量达10－10 g 应用 ①应用光谱分析发现新元素；②鉴别物体的物质成分：研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素；③应用光谱分析鉴定食品优劣 课堂深度探究 返回导航 (多选)下列关于光谱和光谱分析的说法正确的是(　　) 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．我们能通过月球反射的日光分析鉴别月球的物质成分 √ √ 课堂深度探究 返回导航 [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，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，D错误； 光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，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，B正确。 课堂深度探究 返回导航 如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为(　　)   A．a元素　　　　　　　 B．b元素 C．c元素 D．d元素 [解析]　把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b元素的谱线在该线状谱中不存在，故B正确，与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素。 √ 课堂深度探究 返回导航 1．氢原子的光谱 从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示。 知识点二　对氢原子光谱的理解和应用 2．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。 课堂深度探究 返回导航 课堂深度探究 返回导航 √ √ 课堂深度探究 返回导航 [解析]　巴尔末公式是巴尔末在研究氢光谱特征时发现的，故A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错误，C正确； 巴尔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错误。 课堂深度探究 返回导航 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的可见光部分的光的波长 C．巴尔末公式确定了氢原子发光的一个线系的波长，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 √ 课堂深度探究 返回导航 [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的发光，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。 课堂深度探究 返回导航 根据巴尔末公式，指出氢原子光谱在可见光范围内波长最长的2条谱线对应的n，它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？ 课堂深度探究 返回导航 [答案]　见解析 课堂深度探究 返回导航 随堂巩固落实 PART 03 第三部分 1．(对光谱的理解)(多选)关于光谱，下列说法正确的是(　　) A．炽热的液体发射连续谱 B．发射光谱一定是连续谱 C．线状谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析 D．霓虹灯发光形成的光谱是线状谱 √ √ √ 随堂巩固落实 返回导航 解析：炽热的液体发射的光谱为连续谱，A正确； 发射光谱可以是连续谱也可以是线状谱，B错误； 线状谱和吸收光谱都对应某种元素的光谱，都可以对物质成分进行分析，C正确； 霓虹灯发光形成的光谱是线状谱，D正确。 随堂巩固落实 返回导航 2．(对光谱的理解)白炽灯发光产生的光谱是(　　) A．连续光谱 B．明线光谱 C．原子光谱 D．吸收光谱 解析：白炽灯发光属于炽热的固体发光，所以发出的是连续光谱。 √ 随堂巩固落实 返回导航 3．(光谱和光谱分析)(2024·陕西榆林阶段练)关于光谱和光谱分析，下列说法错误的是(　　) A．发射光谱包括连续谱和线状谱 B．太阳光谱是连续谱，氢光谱是线状谱 C．线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析 D．光谱分析可以帮助人们发现新元素 √ 随堂巩固落实 返回导航 解析：光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱分为连续谱和线状谱，故A正确，不符合题意； 太阳光谱中有暗线，是吸收光谱，氢光谱是线状谱，故B错误，符合题意； 线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析，故C正确，不符合题意； 光谱分析可以精确分析物质中所含元素，可以帮助人们发现新元素，故D正确，不符合题意。 随堂巩固落实 返回导航 √ 随堂巩固落实 返回导航 随堂巩固落实 返回导航 5．(对巴尔末公式的理解)巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立性。用卢瑟福的核式结构模型和经典力学、电磁学的理论，是否能够解释这种分立性？ 随堂巩固落实 返回导航 解析：卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子的散射实验。但经典理论无法解释原子的稳定性和光谱的不连续性。具体分析如下：根据卢瑟福核式结构模型和经典力学理论、电磁理论可知核外电子绕原子核旋转产生变化的电磁场，而变化的电磁场会激发电磁波，电磁波向外传播辐射，电子失去能量最后会坠入原子核，辐射能量(电磁波)的频率等于绕核旋转的频率，电子绕核旋转过程随着能量的减小，转得越来越快，这个变化是连续的，辐射各种频率(波长)的光，原子光谱应是连续的，所以不能解释氢原子这种分立性。 答案：不能 随堂巩固落实 返回导航 一、光谱的几种类型 1．光谱：物体发出的光，通常不是单色光，而是由许多不同波长的光组成的复色光。复色光通过分光镜后，分解为一系列单色光，而且按 eq \o(□,\s\up1(1)) ________的顺序排列成一条光带，称为光谱。如太阳光经过分光镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫次序排列的光谱，称为 eq \o(□,\s\up1(2)) ____________________。 2．光谱的分类 (1)连续光谱：用分光镜观察白炽灯泡发出的光，可以观察到连续彩色光带，这种光带称为 eq \o(□,\s\up1(3)) ________________，它由波长 eq \o(□,\s\up1(4)) ________分布的光组成。 (2)明线光谱：在酒精灯的火焰上撒一些钠盐，利用分光镜可观察到在较暗的连续光谱的背景上出现一些分立的彩色亮线，这种光谱称为 eq \o(□,\s\up1(5)) ________________。不同原子的明线光谱是 eq \o(□,\s\up1(6)) ____________。 (3)发射光谱：连续光谱和 eq \o(□,\s\up1(7)) ________光谱都是由发光物质所发的光直接产生的，所以也称为 eq \o(□,\s\up1(8)) ________光谱。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，而稀薄气体发光产生的光谱多为明线光谱。 (4)吸收光谱：由于被火焰加热的钠盐产生的蒸气吸收了弧光灯发出的白光中的一些特定频率的光而形成的谱线在较强的连续光谱的背景上有一些分立的 eq \o(□,\s\up1(9)) ________，这类光谱称为 eq \o(□,\s\up1(10)) ________光谱，也称 eq \o(□,\s\up1(11)) ________光谱。 (5)线状谱：对于某一种原子，发射光谱和吸收光谱都是 eq \o(□,\s\up1(12)) ________的谱线，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暗线的位置是 eq \o(□,\s\up1(13)) __________，称为这种原子的 eq \o(□,\s\up1(14)) ________光谱，这样的光谱称为原子光谱。 2．巴尔末公式： eq \f(1,λ) ＝RH eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) (n＝3，4，5，6) 3．巴尔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。 4．根据卢瑟福的核式结构模型和经典电磁理论，不能解释原子光谱是线状谱。 3．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： eq \f(1,λ) ＝RH eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) (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。 4．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。 　(多选)关于巴尔末公式 eq \f(1,λ) ＝RH eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) 的理解，正确的是(　　) A．此公式是巴尔末在研究氢光谱特征时发现的 B．公式中n可取任意值，故氢光谱是连续谱 C．公式中n只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱 D．公式不但适用于氢光谱的分析，也适用于其他原子的光谱 [解析]　能够引起人的视觉的可见光波长范围，为400～700 nm之间。 根据巴尔末公式 eq \f(1,λ) ＝R eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) 计算时应注意其波长值必须在可见光范围内。 由巴尔末公式 eq \f(1,λ) ＝R eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) 知，当n＝3和4时对应波长较长。 eq \f(1,λ1) ＝1.10×107×2,1) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n))) ，n1＝3 则λ1＝654.5 nm(λ1在可见光范围内)； eq \f(1,λ2) ＝1.10×107×2,2) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n))) ，n2＝4 则λ2＝484.8 nm(λ2在可见光范围内)。 特点：氢原子光谱是分立的线状谱，它在可见光区的谱线满足巴尔末公式，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。 4．(对巴尔末公式的理解)氢原子光谱巴尔末系最小波长与最大波长之比为(　　) A． eq \f(5,9) 　　　　　　　 　 B． eq \f(4,9) C． eq \f(7,9) D． eq \f(2,9) 解析：由巴尔末公式 eq \f(1,λ) ＝R eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))) (n＝3，4，5，…)可知 当n＝∞时，最小波长满足 eq \f(1,λ1) ＝R eq \f(1,22) ① 当n＝3时，最大波长满足 eq \f(1,λ2) ＝R eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32))) ② 由①②得 eq \f(λ1,λ2) ＝ eq \f(5,9) 。 $