2020-2021学年高二下学期物理鲁科版（2019)选择性必修第三册课件：4.3 光谱与氢原子光谱（44张PPT）

第3节　光谱与氢原子光谱
一、不同的光谱
1.光谱:当复色光经过棱镜或光栅后,被色散开的单色光按_________________
依次排列的图案,称为_____。
2.光谱的分类:
(1)连续光谱:包含有_________且_________的光谱称为连续光谱。
(2)线状光谱:有些光谱不连续,由一条条的_____组成,称为线状光谱。这些亮
线称为原子的_________。
(3)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_____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。
波长(或频率)大小
光谱
各种色光
连续分布
亮线
特征谱线
吸收
3.光谱的应用:每种原子都有独自的_________,人们利用_________来鉴别物质
或确定物质的化学组成,这种方法称为_________。
特征谱线
特征谱线
光谱分析
二、氢原子光谱
1.氢原子光谱的特点:
(1)从红外区到紫外区呈现多条具有确定_____的谱线。
(2)从长波到短波,Hα～Hδ等谱线间的距离_________,表现出明显的_______。
2.巴耳末公式: = (n=3,4,5,…),其中R叫作___________,其值
为R=1.096 775 81×107 m-1。
波长
越来越小
规律性
里德伯常量
一　不同的光谱
1.光谱的分类:
发
射
光
谱
发光物体直接产生的光谱
连续
光谱
特点
连续分布的包含从红光
到紫光各种色光的光谱
产生
由炽热的固体、液体以及高压气体产生
线状
光谱
特点
只含有一些不连续的亮线的光谱
产生
由稀薄气体或金属蒸气产生
吸
收
光
谱
高温物体发出的白光通过某种物质时,
某些波长的光被该物质吸收后形成的光谱
特点
连续光谱的背景上出现一些暗线
产生
由炽热的物体发出的白光
通过温度较低的气体后产生
与线
状光
谱的
关系
各种原子的吸收光谱的暗线和线状光谱的亮线相对应,即表明某种原子发出的光和吸收的光的频率是特定的,通常吸收光谱中的暗线比线状光谱中的亮线要少一些。这些亮线或暗线称为该原子的特征谱线。
2.线状光谱与连续光谱的不同之处:
线状光谱
连续光谱
形状特征
一条条分立的谱线
连在一起的光带
组成
某些特定频率的谱
线,不同元素的光谱
一切波长的光都有
应用
可用于光谱分析
不能用于光谱分析
【思考?讨论】
太阳光通过三棱镜后形成的谱线为哪种类型?这种谱线是否可以用于鉴别物质的化学组成?
提示:连续光谱。不可以用于物质的化学组成的鉴别。
【典例示范】
(多选)关于光谱,下列说法中正确的是 (　　)
A.进行光谱分析,可以用线状光谱,也可以用吸收光谱
B.光谱分析的优点是非常灵敏且迅速的
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.根据月球的光谱,可以分析出月球是由哪些元素组成的
【解题探究】
(1)光谱分析应用的光谱有哪些?
提示:线状光谱和吸收光谱。
(2)利用吸收光谱进行光谱分析,可以确定哪种物质中所存在的物质?
提示:吸收物质中所存在的物质。
【解析】选A、B。光谱分析非常灵敏且迅速,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的化学成分,所以光谱分析可以用线状光谱或者吸收光谱。一种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得光谱,不能对前者的化学组成分析。月亮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。故A、B正确,C、D错误。
【误区警示】解答本题应注意以下两个误区:
(1)每种元素都有自己的特征光谱,进行光谱分析可以用线状光谱,也可以用吸收光谱。
(2)吸收光谱能够分析的是吸收者的元素组成,不是被吸收者的元素组成。
【素养训练】
1.(多选)地球上接收到的太阳光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征谱线。下列说法正确的是 (　　)
A.太阳光谱是连续光谱
B.太阳表面大气层中存在着相应的元素
C.这些暗线是由太阳光通过太阳大气层中温度较低的气体时被气体吸收形成的
D.这些暗线是由太阳光通过太阳大气层中温度较低的气体时发射形成的
【解析】选B、C。太阳光谱是吸收光谱,其中的暗线说明太阳表面大气层中存在与这些暗线相对应的元素,故A错误,B正确。这些暗线是由太阳光通过太阳大气层中温度较低的气体时被气体吸收形成的,故C正确,D错误。
2.下列关于光谱的说法中正确的是 (　　)
A.炽热的固体、液体和高压气体发出的光谱是连续光谱
B.各种原子的线状光谱中的明线和它的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线状光谱
D.甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱
【解析】选A。据连续光谱的产生可知,炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱,A正确;吸收光谱中的暗线和线状光谱中的明线相对应,但通常吸收光谱中看到的暗线要比线状光谱看到的明线少,所以用于吸收光谱的原连续光谱中可能并不包含线状光谱的所有频率,故B错误;气体发光,若为高压气体则产生连续光谱,若为稀薄气体则产生线状光谱,故C错误;甲物质发出的白光通过乙物质的蒸气形成的是乙物质的吸收光谱,故D错误。
【补偿训练】
根据经典电磁理论,从卢瑟福原子结构模型可以得到的推论是 (　　)
A.原子十分稳定,原子光谱是连续光谱
B.原子十分稳定,原子光谱是线状光谱
C.原子很不稳定,原子光谱是连续光谱
D.原子很不稳定,原子光谱是线状光谱
【解析】选C。按经典电磁理论,做圆周运动的电子会不断地向外辐射电磁波,发射的应该是连续光谱,电子的能量不断减少,最后电子落到原子核上,则原子不稳定,故C正确,A、B、D错误。
二　氢原子光谱
1.巴耳末公式:
氢光谱


巴耳末
公式
(n=3,4,5,6,…)
式中n只能取整数,最小值为3,里德伯常量R=1.10×107 m-1
规律
①
巴耳末线系的四条谱线都处于可见光区
②
在巴耳末线系中n值越大,对应的波长λ越短,即n=3时,对应的
波长最长
③
除了巴耳末系,氢原子光谱在红外区和紫外区的其他谱线也都
满足与巴耳末公式类似的关系式
2.赖曼线系和帕邢线系:氢原子光谱除了存在巴耳末线系外,还存在其他一些
线系。例如,
赖曼线系(在紫外区): (n=2,3,4,…)
帕邢线系(在红外区): (n=4,5,6,…)
【思考?讨论】
瑞士科学家巴耳末总结出了氢原子在可见光区域的光谱线遵循的规律:
(n=3,4,5,6,…)其中,n只能取正整数,不能取连续值说明什么?
提示:氢原子在可见光区域发射不连续的光谱,n反映了氢原子光谱波长的分立
特征(线状光谱)。
【典例示范】
氢原子的可见光谱中波长最长的光波的光子频率为ν1,其次为ν2,求ν1和ν2的比值。
【解题探究】
(1)氢原子在放电管中发光获得光谱线,在可见光区域的四条谱线波长满足什么
规律?
提示:巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式
(n=3,4,5,…)
(2)波长与频率之间满足什么关系?
提示:波长与频率之间满足c=λν。
【解析】谱线的波长满足公式: (n=3,4,5,…),当n=3时,波长最长,
,当n=4时,波长次之, ,解得: ,由c=λν得:
。
答案:
【误区警示】应用巴耳末公式的四点注意
(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。
(3)公式中n只能取整数,不能连续取值,因此波长也只是分立的值。当n取不同值时,可求出一一对应的波长λ。
(4)根据频率与波长的关系为c=λν可以求出一一对应的频率ν。
【素养训练】
1.对于巴耳末公式,下列说法正确的是 (　　)
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中的可见光部分的光波长
C.巴耳末公式确定了氢原子发光中的一个线系的波长,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】选C。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发光中的光的波长,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。
2.氢原子光谱巴耳末系是指氢原子从n=3、4、5、6……能级跃迁到n=2能级时
发出的光子光谱线系,因瑞士数学教师巴耳末于1885年总结出其波长公式(巴耳
末公式)而得名。巴耳末公式为: ,其中λ为谱线波长,R为里德伯
常量,n为量子数。则氢原子光谱巴耳末系谱线最小波长与最大波长之比
为 (　　)
【解析】选C。由巴耳末公式知,最小波长λ1满足: (n取无穷大),最大
波长λ2满足: (n=3),两式相比得: ,故C正确,A、B、D错
误。
【补偿训练】
关于巴耳末公式 的理解,正确的是 (　　)
A.此公式是巴耳末在研究氦光谱特征时发现的
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】选C。在研究氢光谱特征时发现的巴耳末公式 中的n只
能取整数,因此得到氢原子光谱是线状谱,只能适用于氢原子,故A、D错误;此公
式中n不可以取任意值,只能取整数,最小值为3,氢原子光谱是线状谱,故B错
误,C正确。
【拓展例题】考查内容:氢原子光谱
【典例】已知氢原子光谱中巴耳末线系第一条谱线Hα的波长为6 565 。
(1)试推算里德伯常量的值。
(2)利用巴耳末公式求其中第四条谱线的波长。(1 =10-10m)
【解析】(1)巴耳末系中第一条谱线为n=3时,即 ,R=
= =1.097×107m-1。
(2)巴耳末系中第四条谱线对应n=6,则

λ4= m=4.102×10-7m。
答案:(1)1.097×107 m-1
(2)4.102×10-7m
【课堂回眸】
1.有关原子光谱,下列说法错误的是 (　　)
A.原子光谱反映了原子结构特征
B.氢原子光谱跟氧原子光谱是不同的
C.鉴别物质的成分可以采用光谱分析
D.每种原子处于不同的物质中的线状谱不同
【解析】选D。原子光谱的特征间接地反映了原子的结构特征,不同元素的原子结构是不同的,故产生的光谱也不同,故A、B正确,D错误;因为各种原子有自己的特征谱线,我们可以利用光谱分析来鉴别物质的化学组成,C正确。
2.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】选B。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。
3.巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式 ,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实际,其波长的分立值是人为规定的
【解析】选C。巴耳末公式是根据在可见光区氢原子的四条谱线总结出的规律,氢原子光谱是线状的、不连续的,波长只能是分立的值,故A、B错误,C正确;谱线之间有一定的关系,可用一个统一的公式(也称广义巴耳末公式)表达,每一个谱线的波数都可以表达为两个光谱项之差,其分立值不是人为规定的。故D错误。
【新思维·新考向】
情境:氢原子光谱除了巴耳末系外,还有赖曼系、帕邢系等,如图所示。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。
问题:
(1)请分析n=6时,对应的波长是多少?
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少?n=6时,传播频率为多大?
【解析】(1)根据帕邢系公式 ,n=4,5,6,…,当n=6时,代入数据得
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=3×108 m/s,由c=λν得ν= ≈2.75×1014Hz。
答案:(1)1.09×10-6 m　(2)3×108 m/s　2.75×1014Hz