鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第4章 第3节 光谱与氢原子光谱学案word含解析

第3节　光谱与氢原子光谱
核心素养 物理观念 科学态度与责任
1.知道什么是光谱，能说出连续谱和线状谱的区别。
2.能记住氢原子光谱的实验规律。
3.知道巴耳末公式及里德伯常量。 了解光谱分析在科技与生活中的应用。
[观图助学]
如图，一束太阳光经三棱镜折射后投射到光屏上，从上到下，不同色光的频率、波长各有什么特点？
1.不同的光谱
(1)光谱：复色光通过棱镜或光栅后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小依次排列的图案，称为光谱。
(2)光谱的类型
①连续光谱：包含有各种色光且连续分布的光谱称为连续光谱。
②线状光谱：有些光谱不是连续的，而是由一条条的亮线组成，这种光谱称为线状光谱。
③发射光谱：物体自身发光形成的光谱称为发射光谱，发射光谱又分为连续光谱和线状谱。
④吸收光谱：高温物体发出的包含连续分布的各种波长的光通过其他物质时，某些波长的光被该种物质吸收后，在连续光谱中相应波长的位置上便出现了暗线，这样的光谱称为吸收光谱。
(3)光谱分析
原子的发射光谱都是线状光谱，这些亮线称为原子的特征谱线。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。
2.氢原子光谱
(1)氢原子光谱的特点
①Hα～Hδ的这n个波长数值构成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它里面含有这些波长的光谱线，就能断定这种化合物里一定含有氢。
②从长波到短波，Hα～Hδ两相邻光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：＝R(n＝3，4，5…)其中R叫作里德伯常量，其值为
R＝1.096 775 81×107 m－1。
[思考判断]
(1)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。(√)
(2)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分。(√)
(3)线状谱和连续光谱都可以用来鉴别物质。(×)
(4)巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数。(×)
从上到下依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光，它们的频率依次增大，波长依次减小。
炽热的固体、液体发出的都是连续光谱，稀薄的气体发光形成的都是线状光谱。
同种物质的发射光谱的亮线和吸收光谱的暗线是对应的。
能用来做光谱分析的是发射光谱和吸收光谱，连续光谱不能用来做光谱分析。
氢原子光谱是线状光谱，只含有若干特定频率的光。
巴耳末公式中n只能取大于等于3的整数。
核心要点 　光谱和光谱分析
[问题探究]
如图所示为不同物体发出的不同光谱。
(1)钨丝白炽灯的光谱与其他三种光谱有什么区别？
(2)铁电极弧光灯的光谱、分子状态的氢光谱、钡光谱的特征相同吗？
答案　(1)钨丝白炽灯的光谱是连续的中间没有暗线或亮线。而其他三种光谱是由一些不连续的亮线组成的。
(2)这三种光谱中亮线的位置是不同的，即特征不同。
[探究归纳]
1.几种光谱的比较
比较 光谱　 产生条件 光谱形式 应用
线状谱 稀薄气体发光形成的光谱 一些不连续的亮线组成，不同元素的亮线光谱不同(又叫特征谱线) 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 不能用于光谱分析
吸收光谱 炽热的白光通过温度比白光低的气体后，再色散形成的 用分光镜观察时，见到连续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
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弱了，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10－10 g。
(2)应用
①应用光谱分析发现新元素。
②鉴别物体的物质组成成分：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。
[经典示例]
[例1] 下列关于光谱的说法正确的是(　　)
A.到达地球上的太阳光的光谱是连续谱
B.日光灯产生的光谱是连续谱
C.酒精灯中燃烧的钠蒸气所产生的光谱是线状谱
D.白光通过温度较低的钠蒸气，所产生的光谱是线状谱
解析　太阳发出的白光本来是连续谱，但在经过温度比较低的太阳大气层时，被大气层内存在着的从太阳蒸发出来的多种元素的气体吸收，到达地球的是吸收光谱，故选项A错误；日光灯是通过汞蒸气辐射的紫外线激发灯管上的荧光粉发出的荧光，其光谱不是连续谱，缺少两端的谱线，故选项B错误；酒精灯中燃烧的钠蒸气属于低压气体，所产生的光谱是线状谱，故选项C正确；白光通过温度较低的钠蒸气，所产生的光谱是吸收光谱，故选项D错误。
答案　C
规律总结
(1)每种原子都有其特定原子谱线，该谱线与原子所处状态无关。
(2)由于每种原子的线状光谱与吸收光谱一一对应，光谱分析中既可以用线状光谱，也可以用吸收光谱。
[针对训练1] (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，不能用连续谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
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或吸收光谱，连续谱是不能用来进行光谱分析的，选项C正确；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，选项B正确。
答案　BC
核心要点 　氢原子光谱
[要点归纳]
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。巴耳末对氢原子光谱在可见光区的四条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。
[经典示例]
[例2] (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可取任意值，故氢原子光谱是连续谱
C.公式中n只能取大于或等于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析
解析　此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线中得到的，只适用于氢原子光谱的分析，A正确，D错误；公式中n只能取大于等于3的整数，不能连续取值，波长λ也只会是分立的值，故氢原子光谱是线状谱，B错误，C正确。
答案　AC
规律总结　巴耳末公式的应用方法及注意问题
(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征，不能描述其他原子。
(2)公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也是分立的值。
(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出的，在紫外区的谱线也适用。
(4)应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长λ。
[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. B.
C. D.
解析　由巴耳末公式＝R　n＝3，4，5，…
当n→∞时，有最小波长λ1，＝R，
当n＝3时，有最大波长λ2，＝R，得＝。
答案　A
1.(光谱的理解)(多选)关于光谱，下列说法中正确的是(　　)
A.炽热的液体发射连续谱
B.线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析
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谱
解析　炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱，故A正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C错误；发射光谱分为连续谱和线状谱，D错误。
答案　AB
2.(光谱和光谱分析)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，下列说法中正确的是(　　)
A.利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分
B.利用物质的线状谱就可以鉴别其组成成分
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.我们观察月亮射来的光的光谱，可以确定月亮的化学组成
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其它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，与高温物体无关，C错误；月亮反射到地面的光是太阳光，D错误。
答案　B
3.(氢原子光谱的实验规律)(多选)下列说法正确的是(　　)
A.所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出
B.巴耳末系谱线均位于可见光波段
C.巴耳末系是氢原子光谱中的一部分
D.氢原子光谱是线状谱的一个例证
解析　氢原子光谱包括：巴耳末系、赖曼系、帕邢系等，其中巴耳末系，只是其中的一部分。氢原子光谱为不连续的线状谱，无线电波、微波、红外光、可见光、到紫外光区段都有其谱线，巴耳末系也包括可见光和不可见光区段的谱线。
答案　CD
4.(氢原子光谱的实验规律)(多选)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式＝R(－)，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.巴耳末依据氢原子光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性，其波长的分立值并不是人为规定的
解析　巴耳末公式是根据氢原子光谱总结出来的。氢原子光谱的不连续性反映了氢原子发光的分立性，即辐射波长的分立特征，选项C、D正确。
答案　CD
基础过关
1.(多选)下列物质中产生线状谱的是(　　)
A.炽热的钢水 B.发光的日光灯管
C.点燃的蜡烛 D.极光
解析　炽热的钢水、点燃的蜡烛能产生连续谱，发光的日光灯管是荧光粉受紫外线激发而发光，是线状谱，极光是宇宙射线激发的气体发光，能产生线状谱。选项B、D正确。
答案　BD
2.白炽灯发光产生的光谱是(　　)
A.连续光谱 B.线状谱
C.原子光谱 D.吸收光谱
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。
答案　A
3.太阳的连续谱中有许多暗线，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着相应的元素
D.太阳内部存在着相应的元素
解析　由于对太阳光谱的成因认识不清，易误认为暗线是由于太阳内部缺少相应的元素产生的，因此错误地选择B。实际上太阳内部进行着激烈的热核反应，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氢、氮、氦、碳、镁、硅、钙、钠等几十种元素。因此正确答案为C。
答案　C
4.下列对氢原子光谱实验规律的认识中，正确的是(　　)
A.因为氢原子核外只有一个电子，所以氢原子只能产生一种波长的光
B.氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线
C.氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
D.氢原子产生的光的波长大小与氢气放电管放电强弱有关
解析　氢原子光谱是线状谱，波长是一系列不连续的、分立的特征谱线，并不是只含有一种波长的光，也不是亮度不连续的谱线，B正确，A、C错误；氢原子光谱是氢原子的特征谱线，只要是氢原子发出的光的光谱就相同，与放电管的放电强弱无关，D错误。
答案　B
5.下列对于巴耳末公式的说法正确的是(　　)
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。
答案　C
能力提升
6.如图甲所示的a、b、c、d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　将矿物的线状谱与a、b、c、d四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a、b、c、d四种元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素。
答案　B
7.(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
解析　连续谱是指光谱由连续分布的一切波长的光组成的，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，同理线状谱是指光谱是由一些不连续的亮线组成的，由稀薄气体或金属蒸气所发出的光产生的，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。
答案　CD
8.(多选)下列关于光谱的说法正确的是(　　)
A.炽热固体、液体和高压气体发出的光形成连续谱
B.各种原子的线状谱中的亮线和它的吸收光谱中的暗线是一一对应的
C.气体发出的光只能产生线状谱
D.甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱
解析　吸收光谱中的暗线与线状谱中的亮线是一一对应的，所以B正确；而气体发光时，若是高压气体发光则形成连续谱，若是稀薄气体发光则形成线状谱，故A正确，C错误；甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气后，得到的是乙物质的吸收光谱，D错误。
答案　AB
9.可见光的波长范围为400～700 nm，在可见光范围内，氢原子发光的波长最长的两条谱线所对应的波长各是多少？频率各是多少？
解析　利用巴耳末公式计算波长＝R(－)
当n＝3、4时，氢原子发光所对应的两条谱线在可见光范围内波长最长
当n＝3时，＝1.10×107×(－) m－1，
解得λ1≈6.54×10－7 m
当n＝4时，＝1.10×107×(－)m－1，
解得λ2≈4.85×10－7 m，由波速公式c＝λν
得ν1＝＝ Hz≈4.59×1014 Hz
ν2＝＝ Hz≈6.19×1014 Hz。
答案　6.54×10－7 m，4.85×10－7 m；4.59×1014 Hz，6.19×1014 Hz