高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 3 氢原子光谱 Word版含解析
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| 名称 | 高二物理人教版选修3-5学案 第十八章 3 氢原子光谱 Word版含解析 |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 317.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-10-20 14:53:25 | ||
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文档简介
3 氢原子光谱
我们看到这样的情景：在太阳光下，我们用一个玻璃棱镜放在水平面上，在棱镜的背面会看到彩色的光带，你知道这种现象是如何产生的吗？
提示：这是一种光的色散现象．白光为复色光，是由七种颜色的光复合而成，复色光分解为单色光的现象叫做光的色散，形成的彩色光带称为光谱．
光谱研究的鼻祖是鼎鼎大名的科学家牛顿，1663年，当他还是一个剑桥大学21岁的大学生时就开始研究色与光的问题．三年后，他做了有名的三棱镜光散射实验，将一束太阳光经一块三角形玻璃棱镜折射后，在墙上分布成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色的彩色光带．当再倒放一个三棱镜于第一个三棱镜后面时，各颜色又重新组合成为一束白光.1672年，在伦敦皇家学会上发表的第一篇论文《光和色的新理论》中，牛顿将这种彩虹色带命名为光谱，并正确地解释了它的成因．光谱分析可以用于鉴别物质和确定物质的组成成分，而且历史上有些元素就是利用光谱分析发现的，你能说出两种通过光谱分析发现的元素吗？
提示：铷和铯．
随着原子核式结构模型的建立与氢原子光谱规律的研究，经典理论出现了哪些困难？
提示：(1)在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子具有加速度．根据经典电磁理论，电子加速运动时，要向外辐射电磁波，要辐射能量．这样，能量就会不断减少，轨道半径会越来越小，最终电子会坠入原子核中，原子将不复存在！
(2)根据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率，电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转得也就越来越快，这个变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射各种频率的光，即原子的光谱应该总是连续的，而实际我们得到的氢原子光谱是分立的线状谱．
考点一 光谱和光谱分析
1．光谱的分类
按光谱的产生方式可分为发射光谱和吸收光谱，见下表：
发射光谱 吸收光谱
连续谱 线状谱
定义 物体直接发出的光通过分光后产生的光谱 高温物体发出的白光通过低温物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱．吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线
由连续分布的一切波长的光(一切单色光)组成的光谱 只含有一些不连续的亮线的光谱．它是由游离态的原子发射的，因此也叫原子光谱．某种元素原子线状谱的谱线称为该元素原子的特征谱线
举例 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱都是连续谱，如电灯灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光形成的光谱 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱都是线状谱 太阳光谱
应用 不能用于光谱分析 可用于光谱分析 可用于光谱分析
互动探究：太阳光谱的形成及其应用
形成：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．
应用：分析太阳光谱中的暗线，可以确定太阳大气层中含有的成分．
2．光谱分析
(1)定义：每种原子都有自己的特征谱线，可以利用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分．
(2)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10 g.
(3)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1】 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
吸收光谱的暗线是连续谱中某些波长的光波被物质吸收后产生的．
【答案】 C
【解析】 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．
总结提能 太阳光谱是吸收光谱，不是连续谱．通过太阳光谱中的暗线与发射光谱的明线相对应，可确定太阳大气层的组成．
(多选)关于光谱，下列说法正确的是( ACD )
A．各种原子的发射光谱都是线状谱
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．根据各种原子发光的特征谱线进行光谱分析，可以鉴别物质和确定物质组成成分
解析：每种原子都有自己的特征谱线，所以才能根据光谱来鉴别物质．
考点二 氢原子光谱的实验规律
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．
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．巴耳末对放电的氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式，该公式称为巴耳末公式：＝R(－)(n＝3、4、5、6…)
(1)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．
(2)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2】 在可见光范围内，氢原子发光的波长最长的2条谱线的波长各为多少？氢原子的光谱有什么特点？
根据巴耳末公式进行计算．
【答案】 6.5×10－7 m 4.8×10－7 m 不连续的线状谱
【解析】 巴耳末公式为＝R(－)，n＝3,4,5…
因此，n取两个最小值3和4时，对应的波长最长，即
n＝3时，＝1.10×107×(－)m－1
解得λ1＝6.5×10－7 m
n＝4时，＝1.10×107×(－) m－1
解得λ2＝4.8×10－7 m.
由于公式中的n只能取从3开始的整数，因此计算得到的氢原子光谱是由一系列线系组成的不连续的线状谱．
总结提能 应用巴耳末公式进行计算时，一定要理解公式中n的取值与波长λ的对应关系．
(多选)关于巴耳末公式＝R(－)的理解，正确的是( AC )
A．此公式是巴耳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只能取不小于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：此公式是巴耳末在研究氢光谱在可见光区的14条谱线中得到的，只适用于氢光谱的分析，且n只能取大于等于3的整数，则波长λ不能取连续值，故氢原子光谱是线状谱．
重难疑点辨析
解决光谱和光谱分析问题的方法
1．解决有关光谱和光谱分析的问题，应从深入理解光谱的成因入手，正确理解不同谱线的特点
连续谱是由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成的，例如：白炽灯、炽热的铁水．线状谱是由稀薄气体或金属蒸气所发射的光谱，例如：光谱管、霓虹灯、烧钠盐形成的钠气发光．线状谱主要是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱．
2．线状谱中每条光谱线对应着一种频率，不同物质的线状谱不同，因此通过测定线状谱可以鉴别物质
学习光谱时，易对发射光谱、吸收光谱区别不清，造成错误．避免混淆的关键是正确理解光谱的形成原因．发射光谱是物体直接发出的光通过分光后产生的光谱，吸收光谱是高温物体发出的光通过低温物质时，某些波长的光被该物质吸收后而形成的，它的特点是在连续光谱的背景上呈现暗线．太阳光谱是典型的吸收光谱．
【典例】 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．各种原子的线状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．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成的是甲物质的吸收光谱
【解析】 据连续光谱的产生知A正确；由于吸收光谱中的暗线和线状谱中的明线相对应，但通常吸收光谱中看到的暗线要比线状谱中的明线少，所以B不对；气体发光，若为高压气体则产生连续谱，若为稀薄气体则产生明线光谱，所以C不对；甲物质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，应选A.
【答案】 A
线状谱 连续谱
形状特征 一条条分立的谱线 连在一起的光带
组成 某些不连续的波长的光组成 一切波长的光都有
产生 稀薄气体或金属蒸气发光形成 炽热的固体、液体、高压气体发光而产生的
应用 可用于光谱分析 不能用于光谱分析
1．白炽灯产生的光谱是( A )
A．连续光谱 B．线状光谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
解析：炽热的固体发出的光谱是连续光谱．
2．白光通过棱镜后在屏上会形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫排列的连续光谱，下列说法不正确的是( A )
A．棱镜使光增加了颜色
B．白光是由各种颜色的光组成的
C．棱镜对各种色光的折射率不同
D．看到白光是因为发光物体发出了在可见光区的各种频率的光
解析：白光通过棱镜使各种色光落在屏上的不同位置，说明棱镜对各种色光的折射率不同，形成的连续光谱按波长(或频率)排列，即白光包括各种频率的光，光的颜色是由波长(或频率)决定的，并非棱镜增加了颜色，即B、C、D正确．
3．(多选)关于光谱和光谱分析，下列正确的是( CD )
A．光谱包括连续光谱和线状谱
B．太阳光谱是连续光谱，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：光谱包括发射光谱和吸收光谱，发射光谱又分为线状谱和连续谱，其中线状谱和吸收光谱可用作光谱分析．
4．对于巴耳末公式，下列说法正确的是( C )
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．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长
解析：巴耳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线系，该线系包括可见光和紫外光，B错误，C正确．
5．计算巴耳末系中波长最长的光子的能量是多少？
答案：3.0×10－19 J
解析：根据巴耳末公式＝R(－)可知，
当n＝3时λ最大，
将n＝3代入得λ＝6.563×10－7 m
据公式c＝λν及光子能量E＝hν可知，
E＝hν＝h＝6.63×10－34× J
＝3.0×10－19 J.
我们看到这样的情景：在太阳光下，我们用一个玻璃棱镜放在水平面上，在棱镜的背面会看到彩色的光带，你知道这种现象是如何产生的吗？
提示：这是一种光的色散现象．白光为复色光，是由七种颜色的光复合而成，复色光分解为单色光的现象叫做光的色散，形成的彩色光带称为光谱．
光谱研究的鼻祖是鼎鼎大名的科学家牛顿，1663年，当他还是一个剑桥大学21岁的大学生时就开始研究色与光的问题．三年后，他做了有名的三棱镜光散射实验，将一束太阳光经一块三角形玻璃棱镜折射后，在墙上分布成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色的彩色光带．当再倒放一个三棱镜于第一个三棱镜后面时，各颜色又重新组合成为一束白光.1672年，在伦敦皇家学会上发表的第一篇论文《光和色的新理论》中，牛顿将这种彩虹色带命名为光谱，并正确地解释了它的成因．光谱分析可以用于鉴别物质和确定物质的组成成分，而且历史上有些元素就是利用光谱分析发现的，你能说出两种通过光谱分析发现的元素吗？
提示：铷和铯．
随着原子核式结构模型的建立与氢原子光谱规律的研究，经典理论出现了哪些困难？
提示：(1)在核式结构模型中，电子绕原子核做圆周运动，电子具有加速度．根据经典电磁理论，电子加速运动时，要向外辐射电磁波，要辐射能量．这样，能量就会不断减少，轨道半径会越来越小，最终电子会坠入原子核中，原子将不复存在！
(2)根据经典电磁理论，电子辐射电磁波的频率，就是它绕核转动的频率，电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转得也就越来越快，这个变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射各种频率的光，即原子的光谱应该总是连续的，而实际我们得到的氢原子光谱是分立的线状谱．
考点一 光谱和光谱分析
1．光谱的分类
按光谱的产生方式可分为发射光谱和吸收光谱，见下表：
发射光谱 吸收光谱
连续谱 线状谱
定义 物体直接发出的光通过分光后产生的光谱 高温物体发出的白光通过低温物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱．吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线
由连续分布的一切波长的光(一切单色光)组成的光谱 只含有一些不连续的亮线的光谱．它是由游离态的原子发射的，因此也叫原子光谱．某种元素原子线状谱的谱线称为该元素原子的特征谱线
举例 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱都是连续谱，如电灯灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光形成的光谱 稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱都是线状谱 太阳光谱
应用 不能用于光谱分析 可用于光谱分析 可用于光谱分析
互动探究：太阳光谱的形成及其应用
形成：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．
应用：分析太阳光谱中的暗线，可以确定太阳大气层中含有的成分．
2．光谱分析
(1)定义：每种原子都有自己的特征谱线，可以利用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分．
(2)优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10 g.
(3)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1】 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
吸收光谱的暗线是连续谱中某些波长的光波被物质吸收后产生的．
【答案】 C
【解析】 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．
总结提能 太阳光谱是吸收光谱，不是连续谱．通过太阳光谱中的暗线与发射光谱的明线相对应，可确定太阳大气层的组成．
(多选)关于光谱，下列说法正确的是( ACD )
A．各种原子的发射光谱都是线状谱
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．根据各种原子发光的特征谱线进行光谱分析，可以鉴别物质和确定物质组成成分
解析：每种原子都有自己的特征谱线，所以才能根据光谱来鉴别物质．
考点二 氢原子光谱的实验规律
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．
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．巴耳末对放电的氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式，该公式称为巴耳末公式：＝R(－)(n＝3、4、5、6…)
(1)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．
(2)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2】 在可见光范围内，氢原子发光的波长最长的2条谱线的波长各为多少？氢原子的光谱有什么特点？
根据巴耳末公式进行计算．
【答案】 6.5×10－7 m 4.8×10－7 m 不连续的线状谱
【解析】 巴耳末公式为＝R(－)，n＝3,4,5…
因此，n取两个最小值3和4时，对应的波长最长，即
n＝3时，＝1.10×107×(－)m－1
解得λ1＝6.5×10－7 m
n＝4时，＝1.10×107×(－) m－1
解得λ2＝4.8×10－7 m.
由于公式中的n只能取从3开始的整数，因此计算得到的氢原子光谱是由一系列线系组成的不连续的线状谱．
总结提能 应用巴耳末公式进行计算时，一定要理解公式中n的取值与波长λ的对应关系．
(多选)关于巴耳末公式＝R(－)的理解，正确的是( AC )
A．此公式是巴耳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只能取不小于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：此公式是巴耳末在研究氢光谱在可见光区的14条谱线中得到的，只适用于氢光谱的分析，且n只能取大于等于3的整数，则波长λ不能取连续值，故氢原子光谱是线状谱．
重难疑点辨析
解决光谱和光谱分析问题的方法
1．解决有关光谱和光谱分析的问题，应从深入理解光谱的成因入手，正确理解不同谱线的特点
连续谱是由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成的，例如：白炽灯、炽热的铁水．线状谱是由稀薄气体或金属蒸气所发射的光谱，例如：光谱管、霓虹灯、烧钠盐形成的钠气发光．线状谱主要是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱．
2．线状谱中每条光谱线对应着一种频率，不同物质的线状谱不同，因此通过测定线状谱可以鉴别物质
学习光谱时，易对发射光谱、吸收光谱区别不清，造成错误．避免混淆的关键是正确理解光谱的形成原因．发射光谱是物体直接发出的光通过分光后产生的光谱，吸收光谱是高温物体发出的光通过低温物质时，某些波长的光被该物质吸收后而形成的，它的特点是在连续光谱的背景上呈现暗线．太阳光谱是典型的吸收光谱．
【典例】 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．各种原子的线状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．甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成的是甲物质的吸收光谱
【解析】 据连续光谱的产生知A正确；由于吸收光谱中的暗线和线状谱中的明线相对应，但通常吸收光谱中看到的暗线要比线状谱中的明线少，所以B不对；气体发光，若为高压气体则产生连续谱，若为稀薄气体则产生明线光谱，所以C不对；甲物质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，应选A.
【答案】 A
线状谱 连续谱
形状特征 一条条分立的谱线 连在一起的光带
组成 某些不连续的波长的光组成 一切波长的光都有
产生 稀薄气体或金属蒸气发光形成 炽热的固体、液体、高压气体发光而产生的
应用 可用于光谱分析 不能用于光谱分析
1．白炽灯产生的光谱是( A )
A．连续光谱 B．线状光谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
解析：炽热的固体发出的光谱是连续光谱．
2．白光通过棱镜后在屏上会形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫排列的连续光谱，下列说法不正确的是( A )
A．棱镜使光增加了颜色
B．白光是由各种颜色的光组成的
C．棱镜对各种色光的折射率不同
D．看到白光是因为发光物体发出了在可见光区的各种频率的光
解析：白光通过棱镜使各种色光落在屏上的不同位置，说明棱镜对各种色光的折射率不同，形成的连续光谱按波长(或频率)排列，即白光包括各种频率的光，光的颜色是由波长(或频率)决定的，并非棱镜增加了颜色，即B、C、D正确．
3．(多选)关于光谱和光谱分析，下列正确的是( CD )
A．光谱包括连续光谱和线状谱
B．太阳光谱是连续光谱，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：光谱包括发射光谱和吸收光谱，发射光谱又分为线状谱和连续谱，其中线状谱和吸收光谱可用作光谱分析．
4．对于巴耳末公式，下列说法正确的是( C )
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．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长
解析：巴耳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线系，该线系包括可见光和紫外光，B错误，C正确．
5．计算巴耳末系中波长最长的光子的能量是多少？
答案：3.0×10－19 J
解析：根据巴耳末公式＝R(－)可知，
当n＝3时λ最大，
将n＝3代入得λ＝6.563×10－7 m
据公式c＝λν及光子能量E＝hν可知，
E＝hν＝h＝6.63×10－34× J
＝3.0×10－19 J.