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第4章
第3节 光谱与氢原子光谱
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A 级 必备知识基础练
1.太阳的连续谱中有许多暗线,它们对应某些元素的特征谱线。产生这些暗线的原因是( )
A.太阳表面大气层中缺少相应的元素
B.太阳内部缺少相应的元素
C.太阳表面大气层中存在相应的元素
D.太阳内部存在相应的元素
C
解析 太阳内部进行着激烈的核反应,它发出的连续谱经过温度比较低的太阳大气层时产生吸收光谱,我们通过对太阳光谱中暗线的分析,把它跟各种原子的特征谱线对照,就知道太阳大气层中含有哪些元素。因此正确答案为C。
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2.(多选)下列关于光谱的说法正确的是( )
A.连续谱就是由连续发光的物体产生的光谱,线状谱是线状光源产生的光谱
B.通过对连续谱的光谱分析,可鉴定物质成分
C.连续谱包括一切波长的光,线状谱只包括某些特定波长的光
D.通过对线状谱的明线光谱分析或吸收光谱的暗线分析,可鉴定物质成分
CD
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解析 连续谱是指由连续分布的一切波长的光组成的光谱,而不是指光源是连续的,连续谱是由炽热固体、液体及高压气体发光产生的,线状谱是指由一些不连续的亮线组成的光谱,由稀薄气体或金属蒸气所发出的光产生,而不是指光源是线状的,A错误,C正确;光谱分析是根据不同原子都有自己的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分的方法,连续谱含有一切波长的光,不是原子的特征谱线,不能用来进行光谱分析,而线状谱和吸收光谱都是原子自身的特征谱线,所以可以用来进行光谱分析,鉴定物质成分,其优点是灵敏度很高,在发现和鉴定元素上有着重大的意义,B错误,D正确。
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3.(多选)要得到钠元素的特征谱线,下列做法正确的是( )
A.使固体钠在空气中燃烧
B.将固体钠高温加热成稀薄钠蒸气
C.使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气
D.使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气
BC
解析 炽热固体发出的是连续谱,燃烧固体钠不能得到特征谱线,选项A错误;稀薄气体发光产生线状谱,选项B正确;强烈的白光通过低温钠蒸气时,某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱,选项C正确,D错误。
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B级 关键能力提升练
A.此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
B.公式中n可以取任意值,氢原子光谱是连续谱
C.公式中n只能取不小于3的整数值,氢原子光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢原子光谱分析,也适用于其他原子光谱分析
AC
解析 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区域的四条谱线中得到的,只适用于氢原子光谱分析,选项A正确,D错误;公式中n只能取不小于3的整数值,λ不能取连续值,选项C正确,B错误。
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5.计算巴耳末系中波长最大的光子的能量为 J。
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6.氢原子光谱除了巴耳末系外,还有赖曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为 ,n=4,5,6,…,R=1.10×107 m-1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域。
(1)求n=6时,对应的波长。
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多大 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
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第4章
第3节 光谱与氢原子光谱
课标要求
1.知道什么是光谱,掌握连续光谱和线状光谱的区别。(物理观念)
2.知道氢原子光谱的实验规律。(物理观念)
3.知道什么是光谱分析。(物理观念)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
学以致用·随堂检测全达标
基础落实·必备知识全过关
一、不同的光谱
1.定义:当复色光经过棱镜或 后,被色散开的单色光按
大小依次排列的图案,称为光谱。
2.分类
(1)连续光谱:包含有各种色光且连续分布的光谱。
(2)线状光谱:光谱是一条条的 。
3.特征谱线:原子的发射光谱都是 ,这些亮线称为原子的 。
4.光谱分析:每种原子都有独自的特征谱线,人们利用特征谱线来鉴别物质或确定物质的化学组成,这种方法称为光谱分析。
光栅
波长(或频率)
亮线
线状光谱
特征谱线
二、氢原子光谱
1.不同物质的稀薄气体发出光的颜色不同,对这些可见光的光谱进行分析,其特征谱线不同。
2.氢原子光谱的实验规律满足
式中R称为 常量。
里德伯
想一想巴耳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。用卢瑟福的原子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
提示 不能。卢瑟福的原子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:据卢瑟福的原子核式结构模型和经典力学理论、电磁理论知,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,所以不能解释这种分立性。
易错辨析 判一判
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱。( )
(2)各种原子的发射光谱都是线状谱,并且只能发出几种特定频率的光。
( )
(3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。( )
(4)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分。( )
(5)巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数。( )
提示 各种原子的发射光谱都是线状谱,不是连续谱。
提示 连续谱不能鉴别物质。
提示 巴耳末公式中的n只能取整数。
×
√
×
√
×
即学即用 练一练
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不同,但各种原子的原子光谱可能是相同的
D.分析物质发光的光谱,可以鉴别物质中含哪些元素
D
解析 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。
重难探究·能力素养全提升
探究一 光谱
情境探究
早在17世纪时,牛顿就发现了太阳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。1814年,德国物理学家夫琅禾费对太阳光谱进行了细心的检验,并编绘了太阳光谱图。该光谱图内有多条黑线,夫琅禾费对其中8条重要的黑线做了标识。这些黑线后来就成为比较不同玻璃材料折射率的标准,并为光谱精确测量提供了基础。此后,许多科学家对光谱进行了实验研究,认识到光谱与物质的化学成分有关,从而促进了光谱分析技术的应用。
请你结合对光谱的认识,谈一谈在日常生活中光谱的应用。
要点提示 光谱分析可以检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求;光谱分析可以帮助人们发现新元素;光谱分析可以鉴定食品的优劣;光谱分析可以鉴定文物等。
知识归纳
1.光谱的分类
2.几种光谱的比较
比较项 产生条件 光谱形式及应用
发射 光谱 线状谱 稀薄气体发光形成的光谱 由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
吸收光谱 炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后,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
3.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,这就形成了明亮背景下的暗线。
4.光谱分析
(1)优点:灵敏度高,分析物质的最低含量达10-10 g。
(2)应用:a.发现新元素;b.鉴别物质的组成成分。
(3)用于光谱分析的光谱:线状谱和吸收光谱。
应用体验
典例1 (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.霓虹灯产生的光谱是线状谱
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
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,选项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,选项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,所以选项C正确;霓虹灯产生的光谱是线状谱,选项B正确。
针对训练1
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某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D.同一种物质的线状谱上的亮线与吸收光谱上的暗线,由于光谱的不同,它们没有关系
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,故A错误;某种物质发射的线状谱中的亮线与某种原子发出的某频率的光有关,通过这些亮线与原子的特征谱线对照,即可确定物质的组成成分,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,这些暗线由所经过的物质决定,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,因此同一物质线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应,D错误。
探究二 氢原子光谱的实验规律
情境探究
如图所示为某氢原子的光谱。
(1)仔细观察,氢原子光谱具有什么特点
(2)阅读课本,指出氢原子光谱的谱线波长具有什么规律
要点提示 (1)从右至左,相邻谱线间的距离越来越小。
知识归纳
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.巴耳末公式
(n=3,4,5,…)。该公式称为巴耳末公式。式中R叫作里德伯常量,实验值约为R=1.10×107 m-1。
(2)巴耳末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值,不能取连续值。巴耳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。
3.其他谱线:除了巴耳末系,氢原子光谱在红外光区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。
应用体验
(n=3,4,5,…),对此,下列说法正确的是( )
A.巴耳末依据原子核式结构模型总结出巴耳末公式
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所有情况,其波长的分立值并不是人为规定的
C
解析 巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长,不能描述氢原子发出的各种光的波长,也不能描述其他原子发出的光,故B、D错误;巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的,但它适用于整个巴耳末系,故A错误,C正确。
针对训练2
氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为( )
A
学以致用·随堂检测全达标
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1.下列说法正确的是( )
A.巴耳末公式所计算得出的波长与氢原子光谱中的波长是一一对应的关系
B.根据巴耳末公式不仅可以分析氢原子光谱,也可以分析其他原子的发光光谱
C.由巴耳末公式得到的波长都在可见光波段
D.氢原子光谱中有红外光区、可见光区和紫外光区
D
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解析 巴耳末公式只能描述氢原子光谱中的一个线系,不能确定氢原子光谱中所有谱线对应的波长,A错误;根据巴耳末公式只能分析氢原子光谱,不能分析其他原子的发光光谱,B错误;巴耳末线系包括可见光区和部分紫外光区,C错误;氢原子光谱中有可见光区、红外光区和紫外光区,D正确。
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2.(多选)下列关于光谱和光谱分析,正确的是( )
A.光谱包括发射光谱、连续谱、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.利用太阳光谱可以分析太阳的化学组成
D.各种原子的发射光谱都是线状谱
BD
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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谱和线状谱,线状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;太阳光谱是吸收光谱,其中的暗线,是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的,说明太阳大气层中存在与这些暗线相对应的元素,但是不能分析太阳的化学组成,故C错误。
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3.(多选)关于光谱,下列说法正确的是( )
A.炽热的液体发射连续光谱
B.明线光谱和暗线光谱都可以用来对物质进行分析
C.太阳光谱中的暗线,说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素
D.发射光谱一定是连续光谱
AB
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解析 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱,故选项A正确;每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光,各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应,因此吸收光谱中的暗谱线,也是原子的特征谱线,可以用来光谱分析,选项B正确;太阳光谱中的暗线,说明太阳大气层中含有与这些暗线相对应的元素,选项C错误;发射光谱有连续光谱和明线光谱,选项D错误。第3节 光谱与氢原子光谱
A级 必备知识基础练
1.太阳的连续谱中有许多暗线,它们对应某些元素的特征谱线。产生这些暗线的原因是( )
A.太阳表面大气层中缺少相应的元素
B.太阳内部缺少相应的元素
C.太阳表面大气层中存在相应的元素
D.太阳内部存在相应的元素
2.(多选)下列关于光谱的说法正确的是( )
A.连续谱就是由连续发光的物体产生的光谱,线状谱是线状光源产生的光谱
B.通过对连续谱的光谱分析,可鉴定物质成分
C.连续谱包括一切波长的光,线状谱只包括某些特定波长的光
D.通过对线状谱的明线光谱分析或吸收光谱的暗线分析,可鉴定物质成分
3.(多选)要得到钠元素的特征谱线,下列做法正确的是( )
A.使固体钠在空气中燃烧
B.将固体钠高温加热成稀薄钠蒸气
C.使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气
D.使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气
B级 关键能力提升练
4.(多选)下列关于巴耳末公式=R的理解,正确的是( )
A.此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
B.公式中n可以取任意值,氢原子光谱是连续谱
C.公式中n只能取不小于3的整数值,氢原子光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢原子光谱分析,也适用于其他原子光谱分析
5.计算巴耳末系中波长最大的光子的能量为 J。
6.氢原子光谱除了巴耳末系外,还有赖曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为=R,n=4,5,6,…,R=1.10×107 m-1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域。
(1)求n=6时,对应的波长。
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多大 n=6时,传播频率为多大
第3节 光谱与氢原子光谱
1.C 太阳内部进行着激烈的核反应,它发出的连续谱经过温度比较低的太阳大气层时产生吸收光谱,我们通过对太阳光谱中暗线的分析,把它跟各种原子的特征谱线对照,就知道太阳大气层中含有哪些元素。因此正确答案为C。
2.CD 连续谱是指由连续分布的一切波长的光组成的光谱,而不是指光源是连续的,连续谱是由炽热固体、液体及高压气体发光产生的,线状谱是指由一些不连续的亮线组成的光谱,由稀薄气体或金属蒸气所发出的光产生,而不是指光源是线状的,A错误,C正确;光谱分析是根据不同原子都有自己的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分的方法,连续谱含有一切波长的光,不是原子的特征谱线,不能用来进行光谱分析,而线状谱和吸收光谱都是原子自身的特征谱线,所以可以用来进行光谱分析,鉴定物质成分,其优点是灵敏度很高,在发现和鉴定元素上有着重大的意义,B错误,D正确。
3.BC 炽热固体发出的是连续谱,燃烧固体钠不能得到特征谱线,选项A错误;稀薄气体发光产生线状谱,选项B正确;强烈的白光通过低温钠蒸气时,某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱,选项C正确,D错误。
4.AC 此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区域的四条谱线中得到的,只适用于氢原子光谱分析,选项A正确,D错误;公式中n只能取不小于3的整数值,λ不能取连续值,选项C正确,B错误。
5.答案 3×10-19
解析 根据公式=R可知,当n=3时,λ最大,这时λ=656.3nm。据公式c=λν,E=hν得E=hν=hJ=3×10-19J。
6.答案 (1)1.09×10-6 m
(2)3×108 m/s 2.75×1014 Hz
解析 (1)帕邢系公式=R,当n=6时,得λ=1.09×10-6m。
(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=3×108m/s,由v==λf,得f=Hz=2.75×1014Hz。
