粵教版物理選修35講義第3章第3節(jié)氫原子光譜

第三節(jié)氫原子光譜[學習目標]1.了解氫原子光譜的特點．(重點)2.知道巴耳末公式及里德伯常量．(重點)3.了解原子光譜及光譜分析的應用．一、氫原子光譜的巴耳末系及其他線系1．巴耳末系(1)公式：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))).(式中n＝3,4,5,6…，R＝1.097×107m(2)巴耳末系：符合巴耳末公式的光譜線統(tǒng)稱為巴耳末系．2.其他線系：在紫外區(qū)、紅外區(qū)、近紅外區(qū)發(fā)現(xiàn)了氫原子的其他線系，分別是萊曼系(紫外區(qū))、布喇開系(紅外區(qū))、普豐德系(紅外區(qū))、帕邢系(近紅外區(qū))．3．廣義巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,m2)－\f(1,n2)))式中m，n均為正整數(shù)且n>m.二、原子光譜1．原子光譜(1)某種原子的氣體通電后可以發(fā)光并產(chǎn)生固定不變的光譜，這種光譜被稱之為原子光譜．(2)科學家觀察了大量的原子光譜，發(fā)現(xiàn)每種原子都有自己特定的原子光譜．不同的原子，其原子光譜均不相同，因而，原子光譜被稱為原子的“指紋”．2．光譜分析及應用(1)光譜分析應用的兩種光譜①明線光譜：它是稀薄氣體發(fā)光直接產(chǎn)生的．②吸收光譜：它是當白光通過物質時，某些波長的光被物質吸收后產(chǎn)生的．③實驗表明：原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該原子的明線光譜中的一條明線相對應．即原子只能釋放出某種特定頻率的光，也只能吸收某種特定頻率的光，而且釋放的光和吸收的光的頻率是相同的．(2)光譜分析①通過對光譜的分析鑒別不同的原子，確定物體的化學組成并發(fā)現(xiàn)新元素．②優(yōu)點：靈敏度高．1．正誤判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)在充有稀薄氫氣的放電管兩極間加上2～3kV的高壓，使氫氣放電，氫原子在電場的激發(fā)下發(fā)光，再通過分光鏡觀察光譜． (√)(2)氫原子受激發(fā)只能發(fā)出幾種特定頻率的光，它的光譜是連續(xù)的亮線． (×)(3)n大于6的符合巴耳末公式的光譜線大部分在紫外區(qū)． (√)(4)原子光譜的譜線是一些分立的亮線，是不連續(xù)的． (√)(5)每種原子都有自己特定的原子光譜．不同的原子其原子光譜不相同，其亮線位置不同，即特征譜線不同． (√)2．氫是自然界中最簡單的元素，下列關于氫原子光譜的說法正確的是()A．氫原子光譜是連續(xù)譜B．氫原子光譜是氫原子的特性譜線C．經(jīng)典物理學可以解釋氫原子光譜D．不同化合物中的氫的光譜不同B[原子光譜是線狀譜，只能是一些分立的譜線，不是連續(xù)譜，A選項錯誤；不同原子的原子光譜是不同的，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，明線光譜中的明線和吸收光譜中的暗線都是特征譜線，可以進行元素的光譜分析，B選項正確；經(jīng)典物理學不可以解釋氫原子光譜的分立特性，C選項錯誤；不同化合物中的氫的光譜相同，氫原子光譜是氫原子的特性譜線，D選項錯誤．]3．對于巴耳末公式下列說法正確的是()A．所有氫原子光譜的波長都與巴耳末公式相對應B．巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光的可見光部分的光的波長C．巴耳末確定了氫原子發(fā)光的一個線系的波長，其中既有可見光，又有紫外光D．巴耳末公式確定了各種原子發(fā)光中的光的波長C[氫原子能級躍遷發(fā)出一系列不同頻率的光子，巴耳末系表示的是發(fā)出的光子中的可見光部分，其中包括紫外線部分，C選項正確．]氫原子光譜特點1.在氫原子光譜圖中的可見光區(qū)內(nèi)，由右向左，相鄰譜線間的距離越來越小，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性．2．巴耳末對氫原子光譜的譜線進行研究得到了下面的公式，eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))n＝3、4、5、6…(該公式稱為巴耳末公式)．公式中n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值，波長也只會是分立的值．3．除了巴耳末系，氫原子光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線，也都滿足與巴耳末公式類似的關系式．【例1】氫原子光譜的巴耳末系中波長最長的譜線的波長為λ1，其次為λ2，求：(1)eq\f(λ1,λ2)的值等于多少？(2)其中最長波長的光子能量是多少？[解析](1)由巴耳末公式可得eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,42)))所以eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(\f(1,4)－\f(1,16),\f(1,4)－\f(1,9))＝eq\f(27,20).(2)當n＝3時，對應的波長最長，代入巴耳末公式有eq\f(1,λ1)＝1.10×107×eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))m－1，解得λ1≈6.5×10－7m光子能量為ε1＝hν＝heq\f(c,λ1)＝eq\f(6.63×10－34×3×108,6.5×10－7)J＝3.06×10－19J.[答案](1)eq\f(27,20)(2)3.06×10－19J巴耳末公式的兩點提醒1．巴耳末公式反映氫原子發(fā)光的規(guī)律特征，不能描述其它原子．2．公式是在對可見光的四條譜線分析時總結出來的，在紫外光區(qū)的譜線也適用．訓練角度1：對巴耳末公式的理解1．巴耳末通過對氫光譜的研究總結出巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…)．對此，下列說法正確的是()A．巴耳末依據(jù)核式結構理論總結出巴耳末公式B．巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的連續(xù)性C．巴耳末依據(jù)氫光譜的分析總結出巴耳末公式D．巴耳末公式準確反映了氫原子發(fā)光的實際，其波長的分立值并不是人為規(guī)定的C[巴耳末公式只確定了氫原子發(fā)光中的可見光譜系列的規(guī)律，對于氫光譜在紅外和紫外光區(qū)的其他譜線不適用，故D錯，巴耳末公式是由氫光譜中的可見光中的部分譜線總結出來的，反映了氫原子發(fā)光的不連續(xù)性，故A、B錯，C對．]訓練角度2：巴耳末公式的應用2．已知氫原子光譜中巴耳末系第一條譜線Hα的波長為656.47nm(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，真空中的光速c＝3×108m·s(1)試推算里德伯常量的值；(2)利用巴耳末公式求其中第四條譜線的波長和對應光子的能量．[解析](1)巴耳末系中第一條譜線對應n＝3eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))R＝eq\f(36,5λ1)≈1.097×107m－1.(2)巴耳末系中第四條譜線對應n＝6，則：eq\f(1,λ4)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,62)))解得λ4＝eq\f(36,8×1.097×107)m≈4.102×10－7m＝410.2nmE＝hν4＝heq\f(c,λ4)≈4.85×10－19J.[答案](1)1.097×107(2)4.102×10－7m(或410.2nm)4.85×10－19光譜及光譜分析1.光譜的分類2．太陽光譜(1)太陽光譜的特點：在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線，是一種吸收光譜．(2)對太陽光譜的解釋：陽光中含有各種顏色的光，但當陽光透過太陽的高層大氣射向地球時，太陽高層大氣中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，到達地球的這些譜線看起來就暗了，這就形成了連續(xù)譜背景下的暗線．3．光譜分析(1)優(yōu)點：靈敏度高，分析物質的最低量達10－10g(2)應用：①應用光譜分析發(fā)現(xiàn)新元素；②鑒別物體的物質成分；研究太陽光譜時發(fā)現(xiàn)了太陽中存在鈉、鎂、銅、鋅、鎳等金屬元素；③應用光譜分析鑒定食品優(yōu)劣．【例2】(多選)下列關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成分BC[太陽光譜中的暗線是太陽發(fā)出的連續(xù)光譜經(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元素吸收所致，白熾燈發(fā)出的是連續(xù)光譜，A項錯誤；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成分，D項錯誤；光譜分析只能是線狀譜和吸收光譜，連續(xù)光譜是不能用來做光譜分析的，所以C項正確；煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈都是稀薄氣體發(fā)出的光，產(chǎn)生的光譜都是線狀譜，B項正確．]光譜問題的分析方法解決光譜和光譜分析的問題，應從分析光譜成因入手，理解不同譜線的特征．1．連續(xù)譜和線狀譜都是物體直接發(fā)光產(chǎn)生的光譜，同屬發(fā)射光譜．連續(xù)譜由熾熱的固體、液體和高壓氣體直接發(fā)光形成，光譜為一條光帶，含有各種頻率的光．線狀譜是由稀薄氣體或金屬蒸氣產(chǎn)生的．光譜是一些不連續(xù)的亮線，僅含有一些特定頻率的光．線狀譜中每條光譜線對應著一種頻率，不同元素的原子產(chǎn)生的線狀譜不同，因而可以用線狀譜來確定物質的成分．2．太陽光譜是吸收光譜．吸收光譜是由高溫物體發(fā)出的白光通過低溫物質，某些波長的光被吸收后產(chǎn)生的光譜，光譜是在連續(xù)譜的背景下有若干暗線，而這些暗線與線狀譜的亮線一一對應，因而吸收光譜中的暗線也是該元素原子的特征譜線．3．對原子光譜，下列說法正確的是()A．原子光譜是連續(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．各種原子的原子結構雖不同，但各種原子的原子光譜相同D．分析物質發(fā)光的光譜，可以鑒別物質中含哪些元素D[原子光譜為線狀譜，A錯誤；各種原子都有自己的特征譜線，故B、C錯誤；據(jù)各種原子的特征譜線進行光譜分析可鑒別物質組成，D正確．]課堂小結知識脈絡1.巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2))).n＝3,4,5，…2.各種原子的發(fā)射光譜都是明線光譜，對應的譜線稱為原子的特征譜線.3.明線光譜和吸收光譜均可用于光譜分析.4.太陽光譜為吸收光譜，分析太陽光譜可以得出太陽大氣層中所含的元素.1．(多選)關于線狀譜，下列說法中正確的是()A．每種原子處在不同溫度下發(fā)光的線狀譜不同B．每種原子處在不同的物質中的線狀譜相同C．每種原子在任何條件下發(fā)光的線狀譜都相同D．兩種不同的原子發(fā)光的線狀譜可能相同BC[每種原子都有自己的結構，只能發(fā)出由內(nèi)部結構決定的自己的特征譜線，不會因溫度、物質不同而改變，B、C正確．]2．(多選)下列說法中正確的是()A．熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜B．各種原子的明線光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線必定一一對應C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生明線光譜D．甲物體發(fā)出的白光通過乙物質的蒸氣形成了乙物質的吸收光譜ABD[熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)光譜，A選項正確；各種原子的明線光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線是一一對應的，B選項正確；氣體發(fā)出的光可以形成連續(xù)光譜，C選項錯誤；甲物質發(fā)出的白光