沪教版高中物理选修3-5 3.4光谱分析在科学技术中的应用_学案2

光谱分析在科学技术中的应用

【学习目标】
1．了解各种光谱及其特点。
2．知道光谱分析及其重要应用。
【学习重难点】
1．了解各种光谱及其特点。
2．知道光谱分析及其重要应用。
【学习过程】
一、知识储备
1．三棱镜的分光原理

图1
如图1所示，白光通过三棱镜后，由于棱镜对不同色光的折射率不同，从而使白光分解成单色光，形成从红到紫依次按顺序排列的彩色光带，这种复色光分解为单色光的现象叫光的色散。
2．各种色光按波长由大到小的排列顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，频率和波长的关系是c＝λf。
3．光谱
（1）光谱：用光栅或棱镜把光按波长展开，获得光的波长(频率)成分和强度分布的记录，即光谱。
按形成条件，将光谱分为发射光谱和吸收光谱。
（2）发射光谱
①物体发光直接产生的光谱。
②分类：
连续谱：连续分布的包含有一切波长的光组成的光谱。
线状谱：由一些不连续的亮线组成的光谱，又叫原子光谱。
③特征光谱
每种元素的原子都有各自的发射光谱，即由一系列不连续的具有特定波长的谱线组成的光谱。
（3）吸收光谱
①概念：物体发出的白光，通过温度较低的物质蒸汽时，某些波长的光被该物质吸收后形成的光谱。
②说明：各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应。
4．光谱分析的应用
（1）光谱分析
由于每种元素都有自己的特征光谱，可以根据光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫光谱分析。
（2）优点：灵敏、迅速，某种元素在样品中的含量只要有1×10－10_g就能检测出来。
（3）应用
①鉴定产品的纯度(如检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求)。
②发现新元素(如元素铷和铯)。
③研究天体的物质成分(如研究太阳光谱时发现了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、钙、钠等元素)。
④鉴定食品的优劣。
⑤鉴定文物。
二、合作探究
（一）对光谱的认识
[要点提炼]
1．连续谱和线状谱都属于发射光谱
（1）连续谱
①产生：炽热的固体、液体和高压气体的光谱，如灯丝、烛焰、炽热钢水等发出的光都是连续光谱。
②特点：光谱是连在一起的光带。
（2）线状谱
①产生：由游离态的原子发射的，因此也叫原子光谱。稀薄气体和金属的蒸汽的发射光谱是线状谱。
②特点：不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素的原子产生的线状谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可用其线状谱加以鉴别。
2．吸收光谱
（1）产生：物体发出的白光通过温度较低的物质蒸汽时产生的。
（2）特点：在连续谱的背景上有若干条暗线。同种元素的吸收光谱与线状谱是一一对应的。
3．太阳光谱是吸收光谱
（1）特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线。
（2）产生原因：阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气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，到达地球上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。
例1：下列光谱中哪些是线状谱( )
A．日光灯产生的光谱
B．白炽灯的光谱
C．酒精灯中燃烧的钠蒸汽所产生的光谱
D．白光通过温度较低的钠蒸汽所产生的光谱
解析 日光灯是低压水银蒸汽导电发光，产生的是线状谱，A项对；白炽灯是炽热钨丝发光，其光谱为连续谱，B项错。白光通过温度较低的钠蒸汽应产生吸收光谱，而酒精灯中燃烧的钠蒸汽所产生的光谱为线状谱，所以C项对，D项错。
答案 AC
例2：关于太阳光谱，下列说法正确的是( )
A．太阳光谱是吸收光谱
B．太阳光谱中的暗线，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
C．根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成
D．根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素
解析 太阳是一个高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收，从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱，所以分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，而某种物质要观察到它的吸收光谱，要求它的温度不能太低，但也不能太高，否则会直接发光，由于地球大气层的温度很低，所以太阳光通过地球大气层时不会被地球大气层中的物质原子吸收。
答案 AB

（二）光谱分析
[要点提炼]
光谱分为发射光谱和吸收光谱。发射光谱的线状谱和吸收光谱都是原子的特征谱线，都可用于光谱分析。
例3：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与吸收光谱上的暗线，由于光谱的不同，它们没有关系
解析 由于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，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，因此线状谱中的亮线与吸收光谱中的暗线相对应。D错误。
答案 B
针对训练 关于光谱分析，下列说法错误的是( )
A．光谱分析的依据是每种元素都有其特征谱线
B．光谱分析不能用连续谱
C．光谱分析既可以用线状谱，也可以用吸收光谱
D．分析月亮的光谱可得知月球的化学组成
答案 D
解析 光谱分析常用反映原子特性的光谱，既可以用线状谱，也可以用吸收光谱，但不能用连续谱，故A、B、C项正确；月亮反射太阳光，因此，分析月亮的光谱并不能鉴定月球的化学组成，所以D不正确。
三、课堂小结


四、课堂检测
1．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
答案 ACD
解析 炽热的液体发射的光谱为连续谱，所以选项A正确。发射光谱可以是连续谱也可以是线状谱，所以选项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，所以选项C正确。霓虹灯发光形成的光谱是线状谱，所以选项D正确。
2．对原子光谱，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．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
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，选项A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故选项B错误，选项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的组成，选项D正确。
3．关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是( )
A．太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱
B．霓虹灯产生的是线状谱
C．进行光谱分析时，只能用明线光谱
D．同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的
答案 BD
解析 太阳光谱是吸收光谱，可进行光谱分析；白炽灯光产生的是连续谱；霓虹灯管内充有稀薄气体，产生的光谱为线状谱。
4．太阳光的光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于( )
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着相应的元素
D．太阳内部存在着相应的元素
答案 C
解析 吸收光谱的暗线是连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的。阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳的高层大气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。易错原因是不理解光谱的成因以及不同谱线的特点。
【达标检测】
[基础题]
1．白炽灯发光产生的光谱是( )
A．连续谱 B．明线光谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
答案 A
解析 白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出的光，是连续谱。
2．对于光谱，下列说法中正确的是( )
A．大量原子发出的光谱是连续谱，少量原子发出的光谱是线状谱
B．线状谱是由不连续的若干波长的光所组成
C．太阳光谱是连续谱
D．太阳光谱是线状谱
答案 B
解析 原子光谱体现原子的特征，是线状谱，同一种原子无论多少发光特征都相同，即形成的线状谱都一样，故A错误；B项是线状谱的特征，正确；太阳光周围的元素的低温蒸汽吸收了相应频率的光，故太阳光谱是吸收谱，故C、D错误。
3．按经典的电磁理论，关于氢原子光谱的描述应该是( )
A．亮线光谱 B．连续光谱
C．吸收光谱 D．发射光谱
答案 B
4．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( )
A．做光谱分析时只能用发射光谱，不能用吸收光谱
B．做光谱分析时只能用吸收光谱，不能用发射光谱
C．做光谱分析时既可以用发射光谱，也可以用吸收光谱
D．同一种物质的线状谱和吸收光谱上的暗线由于光谱的不同，它们没有关系
答案 C
5．关于光谱的下列说法中，正确的是( )
A．连续谱和明线光谱都是发射光谱
B．明线光谱的明线叫做原子的特征谱线
C．固体、液体和气体的发射光谱都是连续谱，只有金属蒸汽的发射光谱是明线光谱
D．在吸收光谱中，低温气体原子吸收的光恰好就是这种气体原子在高温时发出的光
答案 ABD
6．在燃烧的酒精灯芯上放一些食盐，然后用弧光灯发出的白光照射，就能得到( )
A．钠的线状谱 B．钠的吸收光谱
C．钠的连续谱 D．仍是白光连续谱
答案 B
解析 钠被酒精灯加热汽化，形成钠蒸汽，弧光灯发出的白光通过钠蒸汽，某些波长的光被吸收形成钠的吸收光谱，B项正确。
[能力题]
7．有关氢原子光谱的说法正确的是( )
A．氢原子的发射光谱是连续谱
B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光
C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的
D．氢原子光谱的频率与氢原子能级的能量差无关
答案 BC
解析 氢原子的发射光谱是线状谱，故选项A错误；氢原子光谱说明：氢原子只能发出特定频率的光，氢原子能级是分立的，故选项B、C正确；由玻尔理论知氢原子发射出的光子的能量由前、后两个能级的能量差决定，即hv＝Em－En，故选项D错误。
8．如图1甲所示的abcd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( )

图1
A．a元素 B．b元素
C．c元素 D．d元素
答案 B
解析 由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。






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