高中物理 第十八章 原子结构 3 氢原子光谱教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十八章 原子结构 3 氢原子光谱教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

‎3 氢原子光谱 ‎ 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、光谱 ‎1.光谱 用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(或频率)成分和强度分布的记录.‎ ‎2.光谱分类 物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类：‎ ‎(1)发射光谱——物体直接发出的光通过分光后产生的光谱.它可分为连续光谱和明线光谱(线状光谱).‎ ‎①连续光谱——由连续分布的一切波长的光(一切单色光)组成的光谱.炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱.‎ ‎②线光谱——只含有一些不连续的亮线的光谱.它是由游离状态的原子发射的，因此也叫原子光谱，稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱，实验证明，每种元素的原子都有一定特征的线光谱，可以使用光谱管观察稀薄气体发光时的线光谱.不同元素的原子产生的线光谱是不同的，但同种元素原子产生的线光谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可从其线光谱加以鉴别，因此称某种元素原子的线光谱的谱线为这种元素原子的特征谱线.‎ 辨析比较 连续谱是由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成，例如：白炽灯、炽热的钢水、铁水.线状谱是由稀薄气体或金属蒸气所发射的光谱，例如：光谱管、霓虹灯、烧钠盐形成的钠气发光.线光谱主要是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱.‎ 联想发散 线状光谱中每条光谱线对应着一种频率，不同物质的线光谱不同，因此通过测定线光谱可以鉴别物质.‎ ‎(2)吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱.这种光谱的特点是在连续光谱的背景上由若干条暗线组成的.例如太阳光谱就是太阳内部发出的强光经温度较低的太阳大气层时产生的吸收光谱.实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线光谱中的一条明线相对应.即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线.‎ ‎3.光谱分析 由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析.‎ 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)检查物体的纯度.‎ ‎(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等.‎ 学法一得 做光谱分析时，可以利用明线光谱，也可利用吸收光谱.‎ 二、氢原子光谱的实验规律 ‎1.实验观察氢原子光谱 在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2 kV—3 kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜观察氢原子的光谱.‎ 实验现象：如图‎18-3-1‎所示为氢原子光谱图.在可见光区内，有四条谱线，分别用符号Hα、Hβ、Hγ、Hδ表示，这四条谱线的波长分别为656.47 nm、486.27 nm、434.17 nm、410.29 nm.‎ 图‎18-3-1‎ ‎2.氢原子光谱的特点 ‎(1)氢原子光谱的特点之一是：从红外区到紫外区呈现多条具有确定波长的谱线Hα ‎、Hβ、Hγ、Hδ等(图‎18-3-2‎).‎ 图‎18-3-2‎ 深化升华 这几个波长数值成了氢原子的“印记”，不论是何种化合物的光谱，只要它里面含有这些波长的光谱线，我们就能断定这种化合物里一定含有氢.‎ ‎(2)氢原子光谱的特点之二是：从长波到短波，Hα—Hβ等谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性，瑞士数学家巴耳末(J.J.Balmer)对氢气放电得到的氢原子光谱可见光部分的四条谱线进行了研究和分析，发现这些谱线的波长可以用一个很简单的数学公式 =R(-)(n=3，4，5，6，…)表示，式中，R叫做里德伯常量(R=1.096 775 81×‎107 m-1).‎ 分别将n=3,4,5,6,…代入公式后，便可计算出对应的波长λ，而这些计算值都与氢原子光谱线吻合.‎ 学法一得 用数学公式或函数来解决处理问题，是探究物理规律，表述规律中最常用的方法和手段，用数学公式或函数表述物理规律有时显得更直观，更简洁.‎ ‎(3)氢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.‎ ‎3.其他原子的原子光谱 ‎(1)氢原子光谱是线状的，即辐射的波长具有分立性，氢分子是自然界中最简单的原子，对它的光谱线的研究所获得的原子内部结构的信息对研究其他复杂原子的结构具有指导意义.‎ ‎(2)科学家观察了大量的其他原子的原子光谱，发现每种原子都有自己特定的光谱，不同的原子，其原子光谱均不相同，和氢原子一样，其他原子的光谱线的波数也可以表示为两个光谱项之差，所不同的是，它们的光谱项的形式要复杂一些.‎ ‎(3)通过分析研究大量的原子光谱，可以得到一个共同的规律，那就是各种原子辐射的光波都是线状光谱，波长具有分立性，只能是不连续的分立值.‎ 三、经典理论的困难 ‎1.原子是否稳定？‎ 电子绕核旋转，做的是一种变加速运动，因而就要向外辐射电磁波，由于能量不断地向外辐射，使得电子绕核运动的轨道半径也要减小，这样电子会沿着螺旋线落在原子核上，因而原子应该是不稳定的.但事实上原子通常是稳定的.‎ ‎2.原子发光时，所发出的光的频率是否单一？‎ 电子绕核运动时辐射的电磁波的频率等于电子绕核运动的频率；当电子运动的轨道半径逐渐减小时，辐射出的电磁波的频率将不断增大，这样大量原子发光时所发射的光应包含各种频率的光，而实际上原子所发出的光的频率是不连续的.‎ 联想发散 微观物体的变化规律不能用从宏观现象中得出的经典理论加以说明，为了解决这一矛盾，丹麦的青年物理学家玻尔在前人学说的基础上，把普朗克的量子理论应用于原子系统中，提出了新的原子理论——玻尔的原子理论.‎ 典题·热题 知识点一 各种光谱的认识 例1 下列关于光谱的说法正确的是( )‎ A.太阳光谱是连续光谱 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光谱 D.白光通过温度较低的钠蒸气，所产生的光谱是线光谱 解析：太阳发出的白光本来是连续光谱，但在穿过太阳表面温度比较低的太阳大气层时，被大气层内存在着的从太阳蒸发出来的多种元素的气体吸收，到达地球时形成吸收光谱，故选项A错.日光灯是低压蒸气发光，所以产生的是线光谱，故选项B错.酒精灯中燃烧的钠蒸气属于低压气体发光产生线状谱，故选项C正确，选项D错.‎ 答案：C 方法归纳 注意辨别区分各种不同光谱的名称及产生情况可迅速解决问题.这样的知识要在理解的基础上加强记忆.‎ 巧妙变式 太阳的连续光谱中有许多暗线，产生这些暗线能说明太阳表面大气层中存在元素的什么情况？(太阳表面大气层中存在着相应的元素)‎ 知识点二 氢原子光谱的实验规律 例2 请根据巴耳末公式=R(-)，计算当n=2，3，4，5时的波长，并与实验结果对比.‎ 解析：利用巴耳末公式计算出波长.‎ 当n=2时，=R(-)，则λ2=0‎ 当n=3时，=R(-)‎ 则λ3=6.563×10-7m 当n=4时，=R(-)‎ 则λ4=4.862 7×10-7m 当n=5时，=R(-)‎ 则λ5=4.342×10‎-7 m.‎ 方法归纳 解此类题的关键是抓住巴耳末系的巴耳末公式：‎ ‎=R(-)(n=3,4,5，…)‎ 再根据n的取值即可进行对波长的计算，在计算时还应注意，在各公式中n的最大值都可以取到无穷大，但n的最小值都是固定的.‎ 问题·探究 方案设计探究 问题 自己设计实验测定里德伯常量R？‎ 探究过程：探究：实验器材：棱镜摄谱仪、氢原子光源、凸透镜.‎ 实验步骤：1.把光源放在第一个凸透镜L3的集点上(如图‎18-3-2‎所示).‎ 图‎18-3-2‎ ‎2.打开摄谱仪，让底面曝光，注意曝光时间不要过长.‎ ‎3.从光谱相片上测量出Hβ、Hγ、Hδ对应的位置，和已知Hα的波长(Hα=6 ‎562.10A。)进行对比求出Hβ、Hγ、Hδ的波长.‎ ‎4.将所得到的波长代入巴耳末公式，计算出里德伯常量R.‎ 探究结论:可以粗略的测量出里德伯常量R.‎