资源简介

4.3　光谱　氢原子光谱
学习目标
1.通过任务1及其活动知道光谱及分类,理解光谱分析的原理。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动知道氢原子光谱的实验规律,体会巴尔末公式隐藏的量子化思想。(科学探究)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:巴尔末公式反映了氢原子光谱有何特征


思考2:按照经典理论:原子是稳定的还是不稳定的 光谱是连续的还是不连续的 这是否符合物理事实


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)少量原子发出的是线状谱,大量原子发出的是连续谱。 (　　)
(2)连续光谱一定是大量不同元素共同发出的光谱。 (　　)
(3)分析物质发光的光谱,可以鉴别物质中含有哪些元素。(　　)
(4)氢原子光谱有无数条分立谱线,其中有四条谱线在可见光范围内。 (　　)
(5)巴尔末公式能全部表示氢原子光谱。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　光谱的几种类型　光谱分析的应用
使用分光镜(如图所示)进行下面的活动。
活动1　准备一个白炽灯泡,让其发出强光,使光线通过一个狭缝进入分光镜的平行管,记录通过分光镜观察到的现象。
活动2　在暗室中点燃酒精灯,在火焰上撒一些钠盐,使用分光镜观察火焰发出的光,记录通过分光镜观察到的现象。
活动3　用弧光灯发出的白光,照射钠蒸气(在酒精灯的灯芯上撒上一些钠盐,钠盐受热分解产生钠蒸气),用分光镜观察通过钠蒸气后的强光。记录通过分光镜观察到的现象。
1.在活动1中,你观察到了什么现象

2.在活动2中,你观察到了什么现象


3.在活动3中,你观察到了什么现象

4.通过上面的活动,我们可知,复色光通过分光镜后,会分解为一系列单色光,而且这些单色光会按波长的顺序排列成一条光带。在物理学中,将这样的光带叫作什么 它有哪些类型 请根据活动中观察到的现象,阐述光谱的分类及不同光谱的特征。

5.比较在活动2和活动3中所观察到的实验现象,你有什么发现 阅读原子光谱研究的相关资料,谈谈你对原子光谱的理解。

1.光谱
(1)定义:用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长(频率)展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。
(2)分类:
①连续谱:光谱是连在一起的光带,由波长连续分布的光组成。
②线状谱:光谱由一条条分立的亮线(每条分立的亮线都称为光谱线)组成,每条光谱线对应一定波长的单色光。
③发射光谱:由发光物质所发的光直接产生的光谱。例如,连续光谱和明线光谱都是发射光谱。
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,也叫暗线光谱,如图所示。
2.原子的特征谱线
(1)对于某一种原子,其发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线,即原子的光谱是线状谱。
(2)原子只发出几种特定频率的光,同一种原子发射光谱中的明线和吸收光谱中的暗线的位置是相同的。不同原子的发光频率是不一样的,因此,原子的光谱又称为原子的特征光谱。
3.光谱分析
(1)不同原子的特征光谱不同,光谱只决定于原子的内部结构。基于此,可利用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法称为光谱分析。
(2)特点:①灵敏度高;②可以在不破坏、不接触研究对象的情况下,获取其内部信息。
(3)同一种原子可以发射和吸收同一种频率的谱线。
应用　光谱的分类及应用
(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
归纳总结 　　光谱的分类
任务2　氢原子光谱
氢原子光谱在可见光范围内存在四条分立的谱线,如图所示。
1.针对氢原子光谱在可见光范围内的四条谱线,瑞士科学家巴尔末做出了怎样的解释


2.在巴尔末研究的基础上,科学家又在紫外区和红外区发现了一些新的氢原子谱线系。针对这些谱线系,科学家们有何发现


3.当科学家们为上述发现而欣喜的同时,也为无法说明这些谱线产生的原因而苦恼。原因是根据卢瑟福的核式结构模型和经典电磁理论,电子绕原子核运动的系统应该是不稳定的,原子的光谱应该是连续光谱。然而,事实并非如此。根据卢瑟福的核式结构模型和经典电磁理论,电子绕原子核运动的系统为什么是不稳定的 原子的光谱为什么是连续光谱 请简要阐述理由。


1.巴尔末公式
(1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了公式=R∞-,n=3,4,5,…,该公式被称为巴尔末公式。
(2)公式中只能取n≥3的整数,不能连续取值,波长是分立的值。
(3)意义:巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱的特征。
2.其他谱线
除了巴尔末系,氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴尔末公式类似的关系式。
应用1　氢原子光谱的特征
(多选)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辐射波长是分立的
D.氢原子光谱只有四条谱线
应用2　巴尔末公式的应用
氢原子光谱巴尔末系中最小波长与最大波长的比为 (　　)
A.　　　B.　　　C.　　　D.
氢原子的所有谱线都满足巴尔末公式吗 在巴尔末公式中,n越大,对应的波长越大还是越小

【随堂检测·精评价】
1.(任务1)对原子光谱,下列说法正确的是 (　　)
A.每种原子在不同温度下发光的线状谱不同
B.因为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.因为原子的结构不同,所以各种原子的原子光谱也不相同
D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同
2.(任务1)(原创)下列说法正确的是 (　　)
A.观察月亮光谱,可以确定月亮的化学组成
B.炽热的钢水产生的光谱是线状谱
C.同一元素的线状谱的明线与吸收光谱中的暗线都是一一对应的
D.氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
3.(任务2)(多选)关于巴尔末公式,下列说法正确的是 (　　)
A.所有氢原子光谱都遵循这一规律
B.n只能取整数,不能取分数
C.巴尔末公式能解释氢原子的光谱是线状谱
D.n的值可以取2
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:反映了氢原子光谱是一条条分立的谱线,即氢原子的光谱是线状谱。
思考2:按照经典物理学理论,原子是不稳定的,其光谱应该总是连续的。这与物理事实相矛盾。
判断　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.观察到了连续彩色光带,如图所示。
2.观察到了在较暗的连续光谱的背景上出现一些分立的彩色亮线,如图所示。
3.观察到在较强的连续光谱的背景上有一些分立的暗线,如图所示。
4.复色光通过分光镜后,会分解为一系列单色光,而且这些单色光会按波长的顺序排列成一条光带。在物理学中将这样的光带叫作光谱。通过实验可知,有的光谱是连续的彩色光带,即它由波长连续分布的光组成,这种光谱叫作连续光谱,在活动1中观察到的光谱即连续光谱;有的光谱由一条条分立的亮线(每条分立的彩色亮线都称为光谱线,每条光谱线对应一定波长的单色光)组成,这种光谱叫作线状谱,在活动2中观察到的在较暗的连续光谱的背景上出现的分立的彩色亮线即线状谱。在活动1、活动2中观察到的连续光谱和明线光谱都是由发光物质所发的光直接产生的,这种光谱称为发射光谱;在活动3中,我们还观察到在较强的连续光谱的背景上有一些分立的暗线,这是被火焰加热的钠盐产生的钠蒸气吸收了弧光灯发出的白光中的一些特定频率的光而形成的谱线,这类光谱称为吸收光谱,也称为暗线光谱。
5.对于某一种原子(例如钠),其发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线,即原子的光谱是线状谱。原子只发出几种特定频率的光,同一种原子发射光谱中的明线和吸收光谱中的暗线的位置是相同的。不同原子的发光频率是不一样的,因此,原子的光谱又称为原子的特征光谱。不同原子的特征光谱不同,它只决定于原子的内部结构,基于此可利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法称为光谱分析。
应用探究
例1　BC　【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,A项错误;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,D项错误;光谱分析只能是线状谱和吸收光谱,连续谱是不能用来做光谱分析的,C项正确;煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯都是稀薄气体发出的光,产生的光谱都是线状谱,B项正确。
任务2
问题引领
1.这些谱线的波长λ满足关系式=R∞-(n=3,4,5,…),式中R∞=1.10×107 m-1,称为里德伯常量,n取整数。在物理学中,将该关系式称为巴尔末公式。
2.科学家们发现这些谱线的波长也都满足与巴尔末公式类似的关系式,即=R∞-(m、n都取整数,m=1,2,3,…;n=m+1,m+2,m+3,…;R∞=1.10×107 m-1)。
3.原子内部电子的运动是原子发光的原因。按照经典电磁理论,核外电子在原子核对它的库仑引力的作用下,以一定的速度绕核运动时,会辐射出电磁波,这样电子的能量不断地被电磁波带走而减少,电子能量的减少导致电子的速度减小,库仑引力将使其做近心运动,轨道半径不断减小,最终电子会落在原子核上,即电子绕原子核运动的系统是不稳定的。又电子在运动过程中,随着轨道半径的缩小,线速度不断增大,转动频率不断增大,辐射电磁波的频率将不断增大,因而大量原子发光的光谱应该是连续光谱。
应用探究
例2　BC　
例3　A　【解析】根据巴尔末公式=R,n=3,4,5,…可知
当n→∞时,最小波长的倒数=R×
当n=3时,最大波长的倒数=R-
联立解得=。
随堂检测·精评价
1.C　
2.C　【解析】由于月亮反射太阳光,其光谱无法确定月亮的化学组成,A项错误;炽热的钢水产生的光谱是连续光谱,B项错误;线状谱中的明线与吸收光谱中的暗线都是特征谱线,且同一元素的线状谱的明线与吸收光谱中的暗线都是一一对应的,C项正确;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,不是亮度不连续的谱线,D项错误。
3.BC　【解析】由巴尔末公式=R-(其中n=3,4,5,…)可以看出,n只能取整数,不能连续取值,波长也只会是分立的值,所以通过巴尔末公式求出的是线状光谱。

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