2018-2019版物理新導(dǎo)學(xué)筆記滬科通用版選修3-5講義：第3章 原子世界探秘 3.4

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精3.4光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用［學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解各種光譜及其特點。2.知道光譜分析及其重要應(yīng)用．一、光譜答案根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子可以輻射各種頻率的光,即原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的,而實際上看到的原子的光譜總是分立的線狀譜．[知識梳理］1．定義：用光柵或棱鏡把光按波長展開，獲得光的波長（頻率）成分和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜．按形成條件，將光譜分為發(fā)射光譜和吸收光譜．2．發(fā)射光譜：物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜(1)連續(xù)譜．連續(xù)分布的包含有一切波長的光組成的光譜．①產(chǎn)生：熾熱的固體、液體和高壓氣體的光譜，如白熾燈絲、燭焰、熾熱鋼水等發(fā)出的光都是連續(xù)光譜．②特點：光譜是連在一起的光帶．(2)線狀譜．由一些不連續(xù)的亮線組成的光譜．①產(chǎn)生：由游離態(tài)的原子發(fā)射的,因此也叫原子光譜．稀薄氣體和金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是線狀譜．②特點：不同元素的原子產(chǎn)生的線狀譜是不同的，但同種元素的原子產(chǎn)生的線狀譜是相同的，這意味著,某種物質(zhì)的原子可用其線狀譜加以鑒別．(3）特征光譜每種元素的原子都有各自的發(fā)射光譜，即由一系列不連續(xù)的具有特定波長的譜線組成的光譜．3．吸收光譜物體發(fā)出的白光,通過溫度較低的物質(zhì)蒸氣時，某些波長的光被該物質(zhì)吸收后形成的光譜．（1）產(chǎn)生：物體發(fā)出的白光通過溫度較低的物質(zhì)蒸氣時產(chǎn)生的．(2)特點：在連續(xù)譜的背景上有若干條暗線．同種元素的吸收光譜與線狀譜是一一對應(yīng)的．(3)太陽光譜是吸收光譜①特點：在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線．②產(chǎn)生原因：陽光中含有各種顏色的光，當(dāng)陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽高層大氣含有的元素會吸收它自己特征譜線的光，然后再向四面八方發(fā)射出去,到達(dá)地球上的這些譜線看起來就暗了，這就形成了連續(xù)譜明亮背景下的暗線．[即學(xué)即用］判斷下列說法的正誤．(1）各種原子的發(fā)射光譜都是連續(xù)譜．（×）(2）不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的．(√)（3）連續(xù)譜一定是發(fā)射光譜（√)二、光譜分析[導(dǎo)學(xué)探究］為什么用棱鏡可以把各種顏色的光展開?我們記錄光譜有什么樣的意義?答案不同顏色的光在棱鏡中的折射率不同，因此經(jīng)過棱鏡后的偏折程度也不同．光譜分析的意義:①應(yīng)用光譜分析發(fā)現(xiàn)新元素，光譜分析對鑒別化學(xué)元素有著重大的意義，許多化學(xué)元素,如銫、銣、鉈、銦、鎵等，都是在實驗室里通過光譜分析發(fā)現(xiàn)的．②天文學(xué)家將光譜分析應(yīng)用于恒星，證明了宇宙中物質(zhì)構(gòu)成的統(tǒng)一性．③光譜分析還為深入研究原子世界奠定了基礎(chǔ)，近代原子物理學(xué)正是從原子光譜的研究中開始的．［知識梳理]1．光譜分析由于每種元素都有自己的特征光譜,可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它們的化學(xué)組成，這種方法叫光譜分析．2．優(yōu)點：靈敏、迅速,某種元素在樣品中的含量只要有1×10－10g就能檢測出來．3．應(yīng)用(1）鑒定產(chǎn)品的純度(如檢測半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達(dá)到高純度要求）．（2）發(fā)現(xiàn)新元素（如元素銣和銫）．(3）研究天體的物質(zhì)成分(如研究太陽光譜時發(fā)現(xiàn)了太陽大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、鈣、鈉等元素)．(4)鑒定食品的優(yōu)劣．(5）鑒定文物．[即學(xué)即用］判斷下列說法的正誤．(1)光譜分析時，既可以用線狀譜，也可以用連續(xù)譜．（×)（2)利用光譜分析可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分．(√）一、光譜例1關(guān)于光譜，下列說法正確的是(）A．一切光源發(fā)出的光譜都是連續(xù)譜B．一切光源發(fā)出的光譜都是線狀譜C．稀薄氣體發(fā)光形成的光譜是線狀譜D．白光通過鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜是線狀譜答案C解析由于物質(zhì)發(fā)光的條件不同,得到的光譜不同，故A、B錯誤；稀薄氣體發(fā)光形成的光譜為線狀譜,C正確；白光通過鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜是吸收光譜,D錯誤．二、光譜分析1．優(yōu)點:靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達(dá)10－10g。2．應(yīng)用：a。發(fā)現(xiàn)新元素；b。鑒別物體的物質(zhì)成分．3．用于光譜分析的光譜:線狀譜和吸收光譜．4．幾種光譜的比較比較光譜產(chǎn)生條件光譜形式及應(yīng)用線狀譜稀薄氣體發(fā)光形成的光譜一些不連續(xù)的亮線組成，不同元素的明線光譜不同(又叫特征光譜),可用于光譜分析連續(xù)譜熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)光形成的光譜連續(xù)分布，一切波長的光都有吸收光譜熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的光譜用分光鏡觀察時,見到連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)一些暗線(與特征譜線相應(yīng)）,可用于光譜分析例2（多選）下列關(guān)于光譜和光譜分析的說法中，正確的是()A．太陽光譜和白熾燈光譜都是線狀譜B．煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線狀譜C．進(jìn)行光譜分析時，可以用線狀譜,不能用連續(xù)光譜D．我們能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分答案BC解析太陽光譜中的暗線是太陽發(fā)出的連續(xù)譜經(jīng)過太陽大氣層時產(chǎn)生的吸收光譜，正是太陽發(fā)出的光譜被太陽大氣層中存在的對應(yīng)元素吸收所致，白熾燈發(fā)出的是連續(xù)譜，選項A錯誤；月球本身不會發(fā)光，靠反射太陽光才能使我們看到它，所以不能通過光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分,選項D錯誤；用于光譜分析只能是線狀譜或吸收光譜,連續(xù)譜是不能用來進(jìn)行光譜分析的，所以選項C正確；煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線狀譜,選項B正確．1．（光譜的理解)（多選)關(guān)于光譜，下列說法中正確的是()A．熾熱的液體發(fā)射連續(xù)譜B．線狀譜和吸收光譜都可以對物質(zhì)進(jìn)行光譜分析C．太陽光譜中的暗線，說明太陽中缺少與這些暗線相對應(yīng)的元素D．發(fā)射光譜一定是連續(xù)譜答案AB解析熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜，故A正確；線狀譜和吸收光譜都可以用來進(jìn)行光譜分析，B正確；太陽光譜中的暗線說明太陽大氣中含有與這些暗線相對應(yīng)的元素，C錯誤;發(fā)射光譜有連續(xù)譜和線狀譜,D錯誤．2．（光譜的理解）(多選)下列光譜中屬于原子光譜的是（)A．太陽光譜B．放電管中稀薄汞蒸氣產(chǎn)生的光譜C．白熾燈的光譜D．酒精燈中燃燒的鈉蒸氣所產(chǎn)生的光譜答案BD解析放電管中稀薄汞蒸氣產(chǎn)生的光譜,燃燒的鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜分別是由汞蒸氣、鈉蒸氣發(fā)光產(chǎn)生的，均是原子光譜,故選項B、D對．3．(光譜分析）(多選）關(guān)于光譜和光譜分析，下列說法中正確的是（)A．太陽光譜和白熾燈光譜都是連續(xù)譜B．霓虹燈產(chǎn)生的是線狀譜C．進(jìn)行光譜分析時，只能用線狀譜D．同一元素吸收光譜的暗線與線狀譜的位置是一一對應(yīng)的答案BD4．（光譜分析）太陽光的光譜中有許多暗線,它們對應(yīng)著某些元素的特征譜線，產(chǎn)生這些暗線是由于（）A．太陽表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B．太陽內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C．太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D．太陽內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素答案C解析吸收光譜的暗線是連續(xù)譜中某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的．陽光中含有各種顏色的光，當(dāng)陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽的高層大氣含有的元素會吸收它自己特征譜線的光，然后再向四面八方發(fā)射出去．易錯原因是不理解光譜的成因以及不同譜線的特點．一、選擇題考點一光譜的理解1．白熾燈發(fā)光產(chǎn)生的光譜是（）A．連續(xù)譜 B．明線光譜C．原子光譜 D．吸收光譜答案A解析白熾燈發(fā)光是由于燈絲在熾熱狀態(tài)下發(fā)出的光,是連續(xù)譜．2．對于光譜，下列說法中正確的是（)A．大量原子發(fā)出的光譜是連續(xù)譜，少量原子發(fā)出的光譜是線狀譜B．線狀譜由不連續(xù)的若干波長的光所組成C．太陽光譜是連續(xù)譜D．太陽光譜是線狀譜答案B3．關(guān)于原子光譜，下列說法中不正確的是()A．原子光譜是不連續(xù)的B．由于原子都是由原子核和電子組成的，所以各種原子的原子光譜是相同的C．由于各種原子的原子結(jié)構(gòu)不同，所以各種原子的原子光譜也不相同D．分析物質(zhì)發(fā)光的光譜，可以鑒別物質(zhì)中含哪些元素答案B解析原子光譜為線狀譜，A正確；各種原子都有自己的特征譜線，故B錯，C對；根據(jù)各種原子的特征譜線進(jìn)行光譜分析可鑒別物質(zhì)組成，D正確．4．下列關(guān)于光譜的說法正確的是()A．熾熱固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)譜B．對月光作光譜分析可以確定月亮的化學(xué)組成C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生線狀譜D．甲物質(zhì)發(fā)出的光通過低溫的乙物質(zhì)蒸氣可得到甲物質(zhì)的吸收光譜答案A5．在燃燒的酒精燈芯上放一些食鹽,然后用弧光燈發(fā)出的白光照射，就能得到（）A．鈉的線狀譜 B．鈉的吸收光譜C．鈉的連續(xù)譜 D．仍是白光連續(xù)譜答案B解析鈉被酒精燈加熱汽化,形成鈉蒸氣，弧光燈發(fā)出的白光通過鈉蒸氣，某些波長的光被吸收形成鈉的吸收光譜，B項正確．考點二光譜分析6．利用光譜分析的方法能夠鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，關(guān)于光譜分析，下列說法正確的是(）A．利用高溫物體的連續(xù)譜就可鑒別其組成成分B．利用物質(zhì)的線狀譜就可鑒別其組成成分C．高溫物體發(fā)出的光通過物質(zhì)后的光譜上的暗線反映了高溫物體的組成成分D．同一種物質(zhì)的線狀譜與吸收光譜上的暗線由于光譜的不同,它們沒有關(guān)系答案B7．如圖1甲所示的a、b、c、d為四種元素的特征譜線,圖乙是某礦物的線狀譜，通過光譜分析可以確定該礦物中缺少的元素為(）圖1A．a(chǎn)元素 B．b元素C．c元素 D．d元素答案B解析把礦物的線狀譜與幾種元素的特征譜線進(jìn)行對照，b元素的譜線在該線狀譜中不存在，故選項B正確．與幾個元素的特征譜線不對應(yīng)的線說明該礦物中還有其他元素．8．（多選）下列關(guān)于光譜和光譜分析的說法正確的是(）A．連續(xù)譜就是由連續(xù)發(fā)光的物體產(chǎn)生的光譜，線狀譜是線狀光源產(chǎn)生的光譜B．通過對連續(xù)譜的光譜分析，可鑒定物質(zhì)成分C．連續(xù)譜包括一切波長的光,線狀譜只包括某些特定波長的光D．通過對線狀譜的明線光譜分析或吸收光譜的暗線分析，可鑒定物質(zhì)成分答案CD解析連續(xù)譜是指光譜由連續(xù)分布的一切波長的光組成的,而不是指光源是連續(xù)的．連續(xù)譜是由熾熱固體、液體及高壓氣體發(fā)光產(chǎn)生的,同理線狀譜是指光譜是由一些不連續(xù)的亮線組成的，由稀薄氣體或金屬蒸氣所發(fā)出的光產(chǎn)生的，而不是指光源是線狀的，A錯，C對;光譜分析是根據(jù)不同原子都有自己的特征譜線來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分的方法，連續(xù)譜含有一切波長的光,不是原子的特征譜線，不能用來進(jìn)行光譜分析，而線狀譜和吸收光譜都是原子自身的特征譜線，所以可以用來進(jìn)行光譜分析，鑒定物質(zhì)成分,其優(yōu)點是靈敏度很高，在發(fā)現(xiàn)和鑒定元素上有著重大的意義，B錯,D對．9．（多選）關(guān)于太陽的光譜，下列說法正確的是（)A．太陽光譜是吸收光譜B．太陽光譜中的暗線，是太陽光經(jīng)過太陽大氣層時某些特定頻率的光被吸收后而產(chǎn)生的C．根據(jù)太陽光譜中的暗線，可以分析太陽的物質(zhì)組成D．根據(jù)太陽光譜中的暗線,可以分析地球大氣層中含有哪些元素答案AB解析太陽是高溫物體，它發(fā)出的白光通過溫度較低的太陽大氣層時，某些特定頻率的光會被太陽大氣層中的某些元素的原子吸收，從而使我們觀察到的太陽光譜是吸收光譜，因此,選項A、B正確．分析太陽的吸收光譜，可知太陽大氣層的物質(zhì)組成，由于地球大氣層的溫度很低，太陽光通過地球大氣層時不會被大氣層中的物質(zhì)原子吸收,故選項C、D錯誤．二、非選擇題10．(光譜分析）處在激發(fā)態(tài)的氫原子向能量較低的能級躍遷時會發(fā)出一系列不同頻率的光,稱為氫光譜．氫光譜線的波長λ可以用下面的巴耳末—里德伯公式表示eq\f（1，λ）＝Req\b\lc\(\rc\)（\a\vs4\al\co1（\f（1，k2)－\f(1，n2））），k、n分別表示氫原子躍遷后所處狀態(tài)的量子數(shù)，k＝1,2，3，…。對每一個k，有n＝k＋1，k＋2，k＋3，…，R稱為里德伯常量，是一個已知量．對于k＝1的一系列譜線其波長處在紫外光區(qū)，稱為萊曼系；k＝2的一系列譜線其波長處在可見光區(qū)，稱為巴耳末系．用氫原子發(fā)出的光照射某種金屬進(jìn)行光電效應(yīng)實驗，當(dāng)用巴耳末系波長最短的光照射時，遏止電壓的大小為U1，當(dāng)用萊曼系波長最長的光照射時,遏止電壓的大小為U2，已知電子電荷量的大小為e，真空中的光速為c，試求普朗克常量和該種金屬的逸出功．答案eq\f（2eU1－U2，Rc)eq\f(eU1－3U2,2）解析設(shè)該種金屬的逸出功為W，光電效應(yīng)所產(chǎn)生的光電子最大初動能為Ekm由動能定理知Ekm＝eU對于萊曼系,當(dāng)n＝2時對應(yīng)的光波長最長,設(shè)為λ1由題中所給公式有eq\f（1,λ1)＝Req\b\lc\（\rc\)(\a\vs4\al\co1（\f(1,12)－\f(1，22)））＝eq\f(3，4)R波長為λ1的光對應(yīng)的頻率ν1＝eq\f(c，λ1)＝eq\f（3，4)Rc對于巴耳末系，當(dāng)n→∞時對應(yīng)的光波長最短，設(shè)為λ2，則有eq\f(1，λ2)＝Req\b\lc\（\