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第3节　光谱与氢原子光谱
学习目标：1.[物理观念]了解光谱、连续谱和线状谱等概念．　2.[物理观念]知道氢原子光谱的实验规律．　3.[物理观念]知道巴耳末公式、里德伯常量的概念．
一、光 谱
1．定义
用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．
2．分类
(1)线状谱：由一条条的亮线组成的光谱．
(2)连续谱：由连在一起的光带组成的光谱．
3．特征谱线
各种原子的发射光谱都是线状谱，且不同原子的亮线位置不同，故这些亮线称为原子的特征谱线．
4．光谱分析
(1)定义：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分．
(2)优点：灵敏度高．
二、氢原子光谱
1．气体发光原理
(1)气体放电：玻璃管中稀薄气体在强电场的作用下会电离，形成自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光．
(2)氢光谱：从氢气放电管可以获得氢原子光谱．
2．巴耳末公式
(1)公式：＝R(n＝3,4,5…)．
(2)意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线必定一一对应． (×)
(2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱． (√)
(3)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的． (√)
(4)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素． (√)
(5)由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的． (×)
2．关于原子光谱，下列说法正确的是(　　)
A．每种原子处在不同温度下发光的光谱不同
B．每种原子处在不同的物质中的光谱不同
C．每种原子在任何条件下发光的光谱都相同
D．两种不同的原子发光的光谱可能相同
C　[每种原子都有自己的结构，只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线，不会因温度、物质不同而改变，C正确．]
3．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光谱的可见光部分的光的波长
C．巴耳末公式确定了氢原子光谱的一个线系的波长，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光谱中的光的波长
C　[巴耳末公式只确定了氢原子光谱中一个线系波长，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．]
光谱和光谱分析
早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫作光谱，如图所示．研究光谱有哪方面的意义？
提示：光是由原子内部电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径．
1．光谱的分类
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暗了，这就形成了连续谱背景下的暗线．
3．光谱分析
这种方法的优点是非常灵敏而且迅速．某种元素在物质中的含量达10－10克，就可以从光谱中发现它的特征谱线将其检查出来．光谱分析在科学技术中有广泛的应用：
(1)检查物质的纯度．
(2)鉴别和发现元素．
(3)天文学上光谱的红移表明恒星的远离等．
【例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，不能用连续光谱
D．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
BC　[太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光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光谱，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，D错误；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续光谱是不能用来做光谱分析的，C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正确．]
光谱分析可以使用发射光谱中的线状谱，也可以使用吸收光谱，因它们都有原子自身的特征谱线，但不能使用连续光谱.
[跟进训练]
1．(多选)如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是(　　)
A．a元素 B．b元素
C．c元素 D．d元素
BD　[把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b、d元素的谱线在该线状谱中不存在，故B、D正确．]
氢原子光谱
(1)巴耳末是依据核式结构理论总结出巴耳末公式的吗？
(2)根据巴耳末公式可知氢原子发光的波长是分立值，它是人为规定的吗？
提示：(1)不是．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，不是依据核式结构理论总结出来的．
(2)不是．巴耳末公式准确反映了氢原子发光的实际波长，其波长的分立值并不是人为规定的．
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．
3．巴耳末公式
(1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：＝R，n＝3,4,5…该公式称为巴耳末公式．
(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．
4．其他谱线
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】　根据巴耳末公式，指出氢原子光谱巴耳末线系的最长波长和最短波长所对应的n，并计算其波长．
[解析]　对应的n越小，波长越长，故当n＝3时，氢原子发光所对应的波长最长．
当n＝3时，＝1.10×107×m－1
解得λ1＝6.55×10－7 m．
当n＝∞时，波长最短，＝R＝R×，
λ＝＝ m＝3.64×10－7 m．
[答案]　当n＝3时，波长最长为6.55×10－7 m
当n＝∞时，波长最短为3.64×10－7 m
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．
[跟进训练]
2．(多选)巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式＝R(n＝3,4,5…)，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分立性，其波长的分立值并不是人为规定的
CD　[由于巴耳末是利用当时已知的在可见光区的4条谱线做了分析总结出的巴耳末公式，并不是依据核式结构理论总结出来的，巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性，也就是氢原子实际只有若干特定频率的光，C、D正确．]
1．月亮的光通过分光镜所得到的光谱是(　　)
A．连续谱 B．吸收光谱
C．线状光谱 D．原子光谱
B　[因月亮光反射的是太阳光，而太阳光谱是吸收光谱，故正确选项为B．]
2．太阳的连续光谱中有许多暗线，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
C　[太阳光谱是太阳内部发出的光在经过太阳大气的时候，被太阳大气层中的某些元素吸收而产生的，是一种吸收光谱．所以太阳光的光谱中有许多暗线，它们对应着太阳大气层中的某些元素的特征谱线，故C正确，A、B、D错误．]
3．下列关于光谱的说法正确的是(　　)
A．月光是连续光谱
B．日光灯产生的光谱是连续光谱
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
C　[月光是反射的太阳光，是吸收光谱，故选项A错误．日光灯是低压蒸气发光，所以产生的是线光谱，故选项B错误．酒精灯中燃烧的钠蒸气属于低压气体发光产生线状谱，白光通过温度较低的钠蒸气产生的是吸收光谱，故选项C正确，D错误．]
4．下列说法正确的是(　　)
A．进行光谱分析可以用连续光谱，也可以用线状光谱
B．摄下月球的光谱可以分析出月球上有哪些元素
C．巴耳末系是氢原子光谱中的不可见光部分
D．氢原子光谱是线状谱的一个例证
D　[进行光谱分析只可以用线状光谱，不可以用连续光谱，故A错误；月光是反射光线，不能进行光谱分析出月球上有哪些元素，故B错误；根据巴耳末系公式，可知，巴耳末系是氢原子光谱中的可见光部分，故C错误；氢原子光谱是线状谱的一个例证，故D正确．]
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