粤教版物理选修35讲义第3章第3节氢原子光谱

第三节氢原子光谱[学习目标]1.了解氢原子光谱的特点．(重点)2.知道巴耳末公式及里德伯常量．(重点)3.了解原子光谱及光谱分析的应用．一、氢原子光谱的巴耳末系及其他线系1．巴耳末系(1)公式：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))).(式中n＝3,4,5,6…，R＝1.097×107m(2)巴耳末系：符合巴耳末公式的光谱线统称为巴耳末系．2.其他线系：在紫外区、红外区、近红外区发现了氢原子的其他线系，分别是莱曼系(紫外区)、布喇开系(红外区)、普丰德系(红外区)、帕邢系(近红外区)．3．广义巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,m2)－\f(1,n2)))式中m，n均为正整数且n>m.二、原子光谱1．原子光谱(1)某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称之为原子光谱．(2)科学家观察了大量的原子光谱，发现每种原子都有自己特定的原子光谱．不同的原子，其原子光谱均不相同，因而，原子光谱被称为原子的“指纹”．2．光谱分析及应用(1)光谱分析应用的两种光谱①明线光谱：它是稀薄气体发光直接产生的．②吸收光谱：它是当白光通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的．③实验表明：原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线光谱中的一条明线相对应．即原子只能释放出某种特定频率的光，也只能吸收某种特定频率的光，而且释放的光和吸收的光的频率是相同的．(2)光谱分析①通过对光谱的分析鉴别不同的原子，确定物体的化学组成并发现新元素．②优点：灵敏度高．1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2～3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，再通过分光镜观察光谱． (√)(2)氢原子受激发只能发出几种特定频率的光，它的光谱是连续的亮线． (×)(3)n大于6的符合巴耳末公式的光谱线大部分在紫外区． (√)(4)原子光谱的谱线是一些分立的亮线，是不连续的． (√)(5)每种原子都有自己特定的原子光谱．不同的原子其原子光谱不相同，其亮线位置不同，即特征谱线不同． (√)2．氢是自然界中最简单的元素，下列关于氢原子光谱的说法正确的是()A．氢原子光谱是连续谱B．氢原子光谱是氢原子的特性谱线C．经典物理学可以解释氢原子光谱D．不同化合物中的氢的光谱不同B[原子光谱是线状谱，只能是一些分立的谱线，不是连续谱，A选项错误；不同原子的原子光谱是不同的，氢原子光谱是氢原子的特性谱线，明线光谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线，可以进行元素的光谱分析，B选项正确；经典物理学不可以解释氢原子光谱的分立特性，C选项错误；不同化合物中的氢的光谱相同，氢原子光谱是氢原子的特性谱线，D选项错误．]3．对于巴耳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耳末公式相对应B．巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长C．巴耳末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．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长C[氢原子能级跃迁发出一系列不同频率的光子，巴耳末系表示的是发出的光子中的可见光部分，其中包括紫外线部分，C选项正确．]氢原子光谱特点1.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．巴耳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)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))n＝3、4、5、6…(该公式称为巴耳末公式)．公式中n只能取整数，不能连续取值，波长也只会是分立的值．3．除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴耳末公式类似的关系式．【例1】氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的谱线的波长为λ1，其次为λ2，求：(1)eq\f(λ1,λ2)的值等于多少？(2)其中最长波长的光子能量是多少？[解析](1)由巴耳末公式可得eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,42)))所以eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(\f(1,4)－\f(1,16),\f(1,4)－\f(1,9))＝eq\f(27,20).(2)当n＝3时，对应的波长最长，代入巴耳末公式有eq\f(1,λ1)＝1.10×107×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))m－1，解得λ1≈6.5×10－7m光子能量为ε1＝hν＝heq\f(c,λ1)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,6.5×10－7)J＝3.06×10－19J.[答案](1)eq\f(27,20)(2)3.06×10－19J巴耳末公式的两点提醒1．巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其它原子．2．公式是在对可见光的四条谱线分析时总结出来的，在紫外光区的谱线也适用．训练角度1：对巴耳末公式的理解1．巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…)．对此，下列说法正确的是()A．巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式B．巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性C．巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式D．巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际，其波长的分立值并不是人为规定的C[巴耳末公式只确定了氢原子发光中的可见光谱系列的规律，对于氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线不适用，故D错，巴耳末公式是由氢光谱中的可见光中的部分谱线总结出来的，反映了氢原子发光的不连续性，故A、B错，C对．]训练角度2：巴耳末公式的应用2．已知氢原子光谱中巴耳末系第一条谱线Hα的波长为656.47nm(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，真空中的光速c＝3×108m·s(1)试推算里德伯常量的值；(2)利用巴耳末公式求其中第四条谱线的波长和对应光子的能量．[解析](1)巴耳末系中第一条谱线对应n＝3eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))R＝eq\f(36,5λ1)≈1.097×107m－1.(2)巴耳末系中第四条谱线对应n＝6，则：eq\f(1,λ4)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,62)))解得λ4＝eq\f(36,8×1.097×107)m≈4.102×10－7m＝410.2nmE＝hν4＝heq\f(c,λ4)≈4.85×10－19J.[答案](1)1.097×107(2)4.102×10－7m(或410.2nm)4.85×10－19光谱及光谱分析1.光谱的分类2．太阳光谱(1)太阳光谱的特点：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．(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．3．光谱分析(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10g(2)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．【例2】(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中，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．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分BC[太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光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光谱，A项错误；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项错误；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续光谱是不能用来做光谱分析的，所以C项正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯都是稀薄气体发出的光，产生的光谱都是线状谱，B项正确．]光谱问题的分析方法解决光谱和光谱分析的问题，应从分析光谱成因入手，理解不同谱线的特征．1．连续谱和线状谱都是物体直接发光产生的光谱，同属发射光谱．连续谱由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成，光谱为一条光带，含有各种频率的光．线状谱是由稀薄气体或金属蒸气产生的．光谱是一些不连续的亮线，仅含有一些特定频率的光．线状谱中每条光谱线对应着一种频率，不同元素的原子产生的线状谱不同，因而可以用线状谱来确定物质的成分．2．太阳光谱是吸收光谱．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，光谱是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．3．对原子光谱，下列说法正确的是()A．原子光谱是连续的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．各种原子的原子结构虽不同，但各种原子的原子光谱相同D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素D[原子光谱为线状谱，A错误；各种原子都有自己的特征谱线，故B、C错误；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．]课堂小结知识脉络1.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，…2.各种原子的发射光谱都是明线光谱，对应的谱线称为原子的特征谱线.3.明线光谱和吸收光谱均可用于光谱分析.4.太阳光谱为吸收光谱，分析太阳光谱可以得出太阳大气层中所含的元素.1．(多选)关于线状谱，下列说法中正确的是()A．每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同B．每种原子处在不同的物质中的线状谱相同C．每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同D．两种不同的原子发光的线状谱可能相同BC[每种原子都有自己的结构，只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线，不会因温度、物质不同而改变，B、C正确．]2．(多选)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．甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱ABD[炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱，A选项正确；各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线是一一对应的，B选项正确；气体发出的光可以形成连续光谱，C选项错误；甲物质发出的白光