2021学年3 氢原子光谱学案及答案

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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、氢原子光谱分析
1．氢原子光谱的实验规律
(1)光谱研究的意义
许多情况下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．
(2)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．
(3)巴耳末公式
①公式：eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(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．
2．经典理论的困难
(1)用经典(电磁)理论在解释原子的稳定性和原子光谱的分立特征时遇到了困难．
(2)经典理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用来解释原子世界的现象．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．(×)
(2)不同原子的发光频率是不一样的．(√)
(3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．(×)
(4)氢原子光谱是利用氢气放电管获得的．(√)
2．(多选)对原子光谱，下列说法正确的是( )
A．原子光谱是不连续的
B．原子光谱是连续的
C．由于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
D．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
[解析] 原子光谱为线状谱，A正确，B错误；各种原子都有自己的特征谱线，故C错，D对．
[答案] AD
3．(多选)以下论断中正确的是( )
A．按经典电磁理论，核外电子受原子核库仑引力，不能静止只能绕核运转，电子绕核加速运转，不断地向外辐射电磁波
B．按经典理论，绕核运转的电子不断向外辐射能量，电子将逐渐接近原子核，最后落入原子核内
C．按照卢瑟福的核式结构理论，原子核外电子绕核旋转，原子是不稳定的，说明该理论不正确
D．经典电磁理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用于解释原子世界的现象
[解析] 卢瑟福的核式结构没有问题，主要问题出在经典电磁理论不能用来解释原子世界的现象．
[答案] ABD
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
(1)优点：灵敏度高，分析物质的最低含量达10－10 g.
(2)应用：①应用光谱分析发现新元素； ②鉴别物体的物质成分；研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素. ③应用光谱分析鉴定食品优劣．
【例1】 关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( )
A．太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱
B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱
C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，也可以利用连续谱
D．观察月亮光谱，可以确定月亮的化学组成
[解析] 太阳光谱是吸收光谱，而月亮反射太阳光，也是吸收光谱，煤气灯火焰中钠蒸气产生的光谱属稀薄气体发光，是线状谱．由于月亮反射太阳光，其光谱无法确定月亮的化学组成．
[答案] B
1太阳光谱是吸收光谱，是阳光透过太阳的高层大气层时而形成的，不是地球大气造成的.
2某种原子线状光谱中的亮线与其吸收光谱中的暗线是一一对应的，两者均可用来作光谱分析.
1．太阳光谱中有许多暗线，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元素
D．地球表面大气层中存在着相应元素
[解析] 太阳是高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，某些特定频率的光会被太阳大气层中的某些元素的原子吸收，从而使我们观察到的太阳光谱是吸收光谱，分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，因此，选项C正确，A、B、D错误．
[答案] C
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：eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，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】 (多选)巴耳末通过对氢原子光谱的研究总结出巴耳末公式eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，n＝3,4,5…，对此，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
[解析] 巴耳末是利用当时已知的、在可见光区的四条谱线作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会发出若干特定频率的光，由此可知，选项CD正确．
[答案] CD
巴耳末公式的两点提醒
(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)公式是在对可见光的四条谱线分析时总结出来的，在紫外光区的谱线也适用．
2．氢原子光谱巴耳末系最短波长与最长波长之比为( )
A．eq \f(5,9) B．eq \f(4,9) C．eq \f(7,9) D．eq \f(2,9)
[解析] 由巴耳末公式eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，n＝3,4,5…得，当n＝∞时，波长最小，最小波长λ1满足eq \f(1,λ1)＝R·eq \f(1,22)，当n＝3时，波长最大，最大波长λ2满足eq \f(1,λ2)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,32)))，联立解得eq \f(λ1,λ2)＝eq \f(5,9)，选项A正确．
[答案] A
1．(多选)白光通过棱镜后在屏上会形成按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫排列的连续谱线，下列说法正确的是( )
A．棱镜使光谱加了颜色
B．白光是由各种颜色的光组成的
C．棱镜对各种颜色光的偏折不同
D．发光物质发出了在可见光区的各种频率的光
[解析] 白光通过棱镜使各种颜色的光落在屏上的不同位置，说明棱镜对各种颜色的光偏折不同，形成的连续光谱按波长(或频率)排列，即白光是包括各种频率的光，光的颜色是由波长(或频率)决定，并非棱镜增加了颜色，B、C、D正确，A错误．
[答案] BCD
2．(多选)下列说法中正确的是( )
A．炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱
B．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
C．气体发出的光只能产生明线光谱
D．在一定条件下气体也可以产生连续光谱
[解析] 据连续光谱的产生知A正确；吸收光谱中的暗线和明线光谱中的明线相对应，但通常吸收光谱中看到的暗线要比明线光谱中的明线少，所以B不对；气体发光，若为高压气体则产生吸收光谱，若为稀薄气体则产生明线光谱，所以C错误，D正确．
[答案] AD
3．(多选)关于线状谱，下列说法中正确的是( )
A．每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B．每种原子处在不同的物质中的线状谱相同
C．每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D．两种不同的原子发光的线状谱可能相同
[解析] 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，B、C正确．
[答案] BC
4．(多选)关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系，下列说法正确的是( )
A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性
B．经典电磁理论无法解释原子的稳定性
C．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上
D．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的
[解析] 根据经典电磁理论，电子绕核运动产生变化的电磁场，向外辐射电磁波，电子转动能量减少，轨道半径不断减小，运动频率不断改变，因此大量原子发光的光谱应该是连续谱，最终电子落到原子核上，所以A错误，B、C、D正确．
[答案] BCD
光谱分类和光谱分析
氢原子光谱的规律和应用
课 堂 小 结
1.光谱：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(或频率)和强度分布的记录.
2.线状谱：光谱是一条条的亮线.
3.连续谱：光谱为连在一起的光带.
4.各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的亮线位置不同，这些亮线称为原子的特征谱线.
5.巴耳末公式：eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－\f(1,n2)))，n＝3,4,5…
知 识 脉 络