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第3章 原子世界探秘
第3章 原子世界探秘
发射
吸收
直接
一切波长的光
不连续
发射
吸收
吸收
暗线
发射
亮线
特征
光谱
物质成分
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
光谱分析在科学技术中的应用
1.了解分光镜的构造和原理． 2.知道发射光谱、吸收光谱、光谱分析等概念．(重点＋难点)
3．明确光谱产生的机理及光谱分析的特点．(难点)
一、发射光谱和吸收光谱
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)概念：物体发光直接产生的光谱．
(2)分类
①连续谱：由连续分布的包含有一切波长的光组成的光谱．
②线状谱：由一些不连续亮线组成的光谱．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，这些光谱一般是明线光谱，即由一系列不连续的具有特定波长的谱线组成，这种谱线叫做元素的特征光谱．
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气时，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该原子的发射光谱中的一条亮线相对应．
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．( )
(2)不同原子的发光频率是不一样的．( )
提示：(1)× (2)√
二、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，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫做光谱分析．
2．应用
(1)检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求．
(2)研究天体的物质成分．
(3)发现新元素，如铷和铯．
(4)鉴定食品的优劣．
(5)鉴定文物．
月光比遥远的恒星发出的光亮得多，既然恒星的成分可以用光谱分析的方法分析，月球的成分是否可以用光谱分析的方法得到？
提示：月球反射太阳光，月球本身不发光，故不能通过对月光做光谱分析获得月球的成分．
常见光谱的分类及其特点[学生用书P47]
1．连续光谱
(1)产生：炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续谱．
(2)特点：其光谱是连在一起的光带．
2．明线光谱：只含有一些不连续的亮线光谱．
(1)产生：由游离状态的原子发射的，因此也叫原子光谱，稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是线状谱．实验证明，每种元素的原子都有一定特征的线状谱，可以使用光谱管观察稀薄气体发光时的线状谱．
(2)特点：不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素原子产生的线状谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可以用其线状谱加以鉴别，因此称某种元素的线状谱为这种元素原子的特征谱线．
3．吸收光谱
(1)产生：由高压气体或炽热物体发出的白光通过温度较低的气体后产生的．
(2)特点：在连续光谱的背景上有若干条暗线．实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的线状谱中的一条亮线相对应．即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素的特征谱线．
(1)某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的，两者均可用来作光谱分析．
(2)太阳光谱就是太阳内部发出的强光经温度较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．
(多选)关于光谱的下列说法中正确的是( )
A．连续谱和线状谱都是发射光谱
B．线状谱的谱线含有原子的特征谱线
C．固体、液体和气体的发射光谱是连续谱，只有金属蒸气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发出的光
[思路点拨] 根据各种光谱产生及特点进行分析．
[解析] 发射光谱分为连续谱、线状谱，线状谱的谱线含有原子的特征谱线，故A、B项正确；由吸收光谱的产生原理可知D项正确；炽热的固体、液体和高压气体产生的是连续光谱，故C错误．
[答案] ABD
要正确判断有关光谱的问题要把握以下几点：
(1)弄清连续谱、线状谱、吸收谱的产生和概念．
(2)正确区分连续谱和线状谱．
(3)知道用来做光谱分析的是哪些谱线及其使用这些谱线的原因．
(多选)对于光谱，下面的说法中正确的是( )
A．大量原子发光的光谱是连续谱，少量原子发光的光谱是线状谱
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
解析：选BD.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；B项是线状谱的特征，对；太阳光周围的元素的低温蒸气吸收了相应频率的光，故太阳光谱是线状谱，故D对、C错．
光谱分析及应用[学生用书P47]
1．特征谱线
每种元素的原子都有各自的发射光谱，这些光谱一般都是线状谱线，即由一系列不连续的具有特定波长的谱线组成，这种谱线叫做特征谱线．
2．光谱分析
由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫做光谱分析．在进行光谱分析时，可利用发射光谱，也可利用吸收光谱．
3．光谱分析的应用
(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．
太阳光谱也称为吸收光谱，同种元素的吸收光谱与线状光谱是一一对应的．光谱分析可用线状光谱，也可以用吸收光谱，它们同是原子的特征谱线．
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
[思路点拨] 光谱分析可利用的光谱是线状谱和吸收光谱．
[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
由于对各类光谱产生的原因不清楚，在进行光谱分析时不能确定相应的光谱，导致盲目选择．
与氢光谱结合的综合问题[学生用书P48]
处在激发态的氢原子向能量较低的状态跃迁时会发出一系列不同频率的光，称为氢光谱．氢光谱线的波长λ可以用下面的巴耳末—里德伯公式表示＝R，n、k分别表示氢原子跃迁后所处状态的量子数，k＝1，2，3，…对每一个k，有n＝k＋1，k＋2，k＋3，…R称为里德伯常量，是一个已知量．对于k＝1的一系列谱线其波长处在紫外光区，称为莱曼系；k＝2的一系列谱线其波长处在可见光区，称为巴耳末系．用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验，当用巴耳末系波长最短的光照射时，遏止电压的大小为U1，当用莱曼系波长最长的光照射时，遏止电压的大小为U2，已知电子电量的大小为e，真空中的光速为c，试求：普朗克常量和该种金属的逸出功．
[思路点拨] 理解氢原子能级及氢光谱是解题的前提，再利用爱因斯坦光电效应方程求解．
[解析] 设金属的逸出功为W，光电效应所产生的光电子最大初动能为Ekm
由动能定理知Ekm＝eU
对于莱曼系，当n＝2时对应的光波长最长，设为λ1
由题中所给公式有＝R＝R
波长为λ1的光对应的频率ν1＝＝Rc
对于巴耳末系，当n→∞时对应的光波长最短，设为λ2则有＝R＝R
波长λ2的光对应的频率ν2＝＝Rc
根据爱因斯坦的光电效应方程Ekm＝hν－W知
Ekm1＝hν1－W，Ekm2＝hν2－W
又Ekm1＝eU1，Ekm2＝eU2
解得h＝，W＝.
[答案]
本题综合运用了氢光谱的公式和光电效应方程求普朗克常量和金属的逸出功．
[随堂检测][学生用书P48]
1．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：选A.白炽灯发光属于炽热的固体发光，所以发出的是连续光谱．
2．(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是( )
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．光谱分析帮助人们发现了许多新元素
解析：选ACD.根据光谱的形成条件，可分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱包括连续谱和线状谱，故A项对；太阳发出的白光通过太阳大气层时，某些波长的光被吸收掉了，在它的连续谱中有许多暗线，是吸收光谱，B项错；每种原子的线状谱中的亮线与该原子的吸收光谱中的暗线是一一对应的，都是特征谱线，可用作光谱分析，C项对；据光谱分析的应用可知D项对．
3．在①白炽灯、②蜡烛、③霓虹灯、④酒精灯火焰中烧钠或钾的盐所产生的光谱中，能产生连续光谱的有____________，能产生明线光谱的有________．
解析：白炽灯是炽热物体，是连续光谱；蜡烛是化学反应，燃烧发光也是连续光谱；霓虹灯是稀薄气体发光，是明线光谱；在酒精灯火焰上烧钠或钾的盐，会使钠或钾的盐分解为钠离子或钾离子，使钠或钾处于电离态，当它们向基态跃迁时，会放出光子形成钠或钾的特征谱线，所以题中①和②属于连续光谱，③和④属于明线光谱．
答案：①和② ③和④
[课时作业][学生用书P104(单独成册)]
一、单项选择题
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
D．做光谱分析时，利用连续谱可以鉴别物质和确定物质的化学组成
答案：C
2．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．气体发出的光只能产生连续光谱
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甲物质的吸收光谱
解析：选A.据连续光谱的产生知A对；气体发光也可以形成明线光谱，所以B不对；气体发光也可以形成连续光谱，所以C不对；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，所以D不对．
3．太阳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
解析：选C.太阳光谱中的暗线是由于太阳内部发出的强光经过温度较低的太阳大气层时产生的，表明太阳大气层中含有与这些特征谱线相应的元素．
4．关于光谱分析，下列说法正确的是( )
A．光谱分析的依据是每种元素都有自己的特征谱线
B．光谱分析不能用线状谱
C．光谱分析既可以用线状谱也可以用连续谱
D．分析月亮的光谱，可以鉴别月球的化学成分
解析：选A.每种元素的原子都有自己的特征谱线，依据原子的特征谱线、线状谱和吸收光谱可做光谱分析，A对，B错；连续谱因含有一切波长的光，不是原子的特征谱线，因而不能用来做光谱分析，C错；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，只表示太阳的吸收光谱，D错．
5．一群氢原子核外电子由离核较远(n＞2)的轨道向离核较近的轨道跃迁，则( )
A．可能吸收若干频率不同的光子，形成由若干条暗线组成的光谱
B．可能放出若干频率不同的光子，形成由若干条明线组成的光谱
C．只吸收频率一定的光子，形成只有一条暗线组成的光谱
D．只放出频率一定的光子，形成只有一条明线组成的光谱
解析：选B.氢原子核外电子由离核较远(n＞2)的轨道向离核较近的轨道跃迁，就是从较高的激发态，向较低的激发态(或基态)跃迁，所以必定是放出光子，又由于氢原子核为一群，每个氢原子核外电子的跃迁是自发的，形成若干频率不同的光子，从而组成由若干条明线组成的光谱，因此，选项B正确．
6．如图甲所示的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( )
A．a元素 B．b元素
C．c元素 D．d元素
解析：选B.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．
二、多项选择题
7．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，只能用线状谱
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
解析：选BD.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．
8．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．由于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
解析：选ACD.原子光谱为线状谱；各种原子都有自己的特征谱线；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成．由此知A、C、D说法正确，B说法错误．
9．下列说法中正确的是( )
A．进行光谱分析，可以用线状谱，也可以用吸收光谱
B．光谱分析的优点是非常灵敏而迅速
C．使一种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气，取得吸收光谱，就可以对前者的化学组成进行分析
D．摄下月球的光谱，可以分析出月球是由哪些元素组成的
解析：选AB.由于每种元素都有自己的特征谱线，因此，可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成．所以光谱分析可以用线状谱或者吸收光谱．月球的光谱是太阳的反射光谱，故不能分析月球是由哪些元素组成的．
10．要得到钠元素的特征谱线，下列做法中正确的是( )
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
解析：选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，A错误；稀薄气体发光产生线状谱，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，C正确，D错误．
11．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：选AB.太阳是高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，某些特定频率的光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，因此，选项A、B正确．分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，由于地球大气层的温度很低，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，故选项C、D错误．
三、非选择题
12．如图所示分光镜是用来观察光谱的仪器，现有红、绿、紫三种单色光组成的复色光由小孔S进入平行光管，那么在光屏MN上的P处是________光，Q处是________光、R处是________光．
解析：分光镜是根据光的色散现象制成的，复色光通过三棱镜后，其偏折角不同，频率大的色光，偏折角大，故紫光的偏折角最大，而红光最小．
答案：红 绿 紫
13．试从原子核式结构出发，解释氢原子光谱．
解析：根据卢瑟福提出的核式结构，带负电的电子在核外空间运动，由于电子绕核旋转，当原子受到激发发光时，其自身能量会减少，轨道半径会减小，做圆周运动的频率连续变化，向外辐射光的频率也是连续的，形成光谱应为连续光谱，与实际情况不符，可见卢瑟福模型不能解释氢原子光谱的谱线结构．
答案：卢瑟福的核式结构模型不能解释氢原子光谱的谱线结构，可见此模型与实际情况不符．
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