物理選修3一5第三章第三節《氫原子光譜》

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第三章   原子結構之謎

新課標要求

1．內容標準

（1）了解人類探索原子結構的歷史以及有關經典實驗。

例1 、用錄像片或計算機模擬，演示α粒子散射實驗。

（2）通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構。

例2、了解光譜分析在科學技術中的應用。

2．活動建議

觀看有關原子結構的科普影片。

新課程學習

3.3  氫原子光譜

★新課標要求

（一）知識與技能

1．了解光譜的定義和分類。

2．了解氫原子光譜的實驗規律，知道巴耳末系。

3．了解經典原子理論的困難。

（二）過程與方法

通過本節的學習，感受科學發展與進步的坎坷。

（三）情感、態度與價值觀

培養我們探究科學、認識科學的能力，提高自主學習的意識。

★教學重點

氫原子光譜的實驗規律

★教學難點

經典理論的困難

★教學方法

教師啟發、引導，學生討論、交流。

★教學用具：

投影片，多媒體輔助教學設備

★課時安排

1 課時

★教學過程

（一）引入新課

講述： 粒子散射實驗使人們認識到原子具有核式結構，但電子在核外如何運動呢？它的能量怎樣變化呢？通過這節課的學習我們就來進一步了解有關的實驗事實。

（二）進行新課

1．光譜（結合課件展示）

早在17世紀，牛頓就發現了日光通過三稜鏡後的色散現象，並把實驗中得到的彩色光帶叫做光譜。（如圖所示）

講述：

光譜是電磁輻射（不論是在可見光區域還是在不可見光區域）的波長成分和強度分布的記錄。有時只是波長成分的記錄。

（1）發射光譜

物體發光直接產生的光譜叫做發射光譜。

發射光譜可分為兩類：連續光譜和明線光譜。

引導學生閱讀教材，回答什麼是連續光譜和明線光譜？

學生回答：連續分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續光譜。只含有一些不連續的亮線的光譜叫做明線光譜。明線光譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應不同波長的光。

教師講述：熾熱的固體、液體和高壓氣體的發射光譜是連續光譜。例如白熾燈絲髮出的光、燭焰、熾熱的鋼水發出的光都形成連續光譜。如圖所示。

稀薄氣體或金屬的蒸氣的發射光譜是明線光譜。明線光譜是由游離狀態的原子發射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發射的明線光譜也不同，每種原子只能發出具有本身特徵的某些波長的光，因此明線光譜的譜線也叫原子的特徵譜線。如圖所示。

（2）吸收光譜

教師：高溫物體發出的白光（其中包含連續分布的一切波長的光）通過物質時，某些波長的光被物質吸收後產生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原子的發射光譜中的一條明線相對應。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發出的光。因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特徵譜線。太陽的光譜是吸收光譜。如圖所示。

課件展示，氫、鈉的光譜、太陽光譜

 

投影各種光譜的特點及成因知識結構圖：

（3）光譜分析

由於每種原子都有自己的特徵譜線，因此可以根據光譜來鑑別物質和確定的化學組成。這種方法叫做光譜分析。

原子都有自己的特徵譜線，因此可以根據光譜來鑑別物質和確定的化學組成。這種方法叫做光譜分析。

（3）光譜分析

由於每種原子都有自己的特徵譜線，因此可以根據光譜來鑑別物質和確定的化學組成。這種方法叫做光譜分析。

原子光譜的不連續性反映出原子結構的不連續性，所以光譜分析也可以用於探索原子的結構。

2．氫原子光譜的實驗規律

教師講述：氫原子是最簡單的原子，其光譜也最簡單。

引導學生閱讀教材61頁有關內容。

（課件展示）

3．盧瑟福原子核式模型的困難

教師：（講述）盧瑟福原子核式模型無法解釋氫原子光譜的規律。

引導學生閱讀教材62頁有關內容。

教師總結：按經典理論電子繞核旋轉，作加速運動，電子將不斷向四周輻射電磁波，它的能量不斷減小，從而將逐漸靠近原子核，最後落入原子核中。

軌道及轉動頻率不斷變化，輻射電磁波頻率也是連續的，原子光譜應是連續的光譜。實驗表明原子相當穩定，這一結論與實驗不符。實驗測得原子光譜是不連續的譜線。

課堂視頻

3.3　氫原子光譜

問題導學

一、光譜與光譜分析

活動與探究1

1．什麼是光譜？為什麼線狀譜又叫原子的特徵光譜？

2．利用白熾燈的光譜，能否檢測出燈絲的成分？

3．線狀譜和連續譜的區別是什麼？

4．可以用作光譜分析的是哪種光譜？

5．吸收光譜是溫度很高的光源發出來的白光，通過溫度較低的蒸汽或氣體後產生的，如讓高溫光源發出的白光，通過溫度較低的鈉的蒸汽就能生成鈉的吸收光譜。這個光譜背景是明亮的連續光譜。而在鈉的標識譜線的位置上出現了暗線。通過大量實驗觀察總結出一條規律，即每一種元素的吸收光譜裡暗線的位置跟它們明線光譜的位置是互相重合的。也就是每種元素所發射的光的頻率跟它所吸收的光頻率是相同的。太陽光譜是一種吸收光譜，在太陽光譜上有許多暗線，有的同學認為這些暗線表示太陽上含有這些元素，有的同學認為這些暗線是因為地球大氣中含有的元素，在太陽光穿過地球大氣層時吸收了相應的特徵譜線而出現的，你認為呢？

遷移與應用1

下列說法中正確的是（　　）

A．熾熱的固體、液體和高壓氣體發出的光形成連續光譜

B．各種原子的發射光譜中的明線和它吸收光譜中的暗線必定一一對應

C．氣體發出的光只能產生線狀譜

D．甲物質發出的白光通過乙物質的蒸氣形成的是甲物質的吸收光譜

名師點評

各種光譜的特點及成因歸納

分類

產生條件

光譜形式

連續

光譜

熾熱的固體、液體、高壓氣體發光而產生的

連續分布，一切波長的光都有

線狀譜

稀薄氣體發光形成的光譜

一些不連續的明線組成，不同原子的明線光譜不同（又叫特徵光譜）

吸收

光譜

熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體後，再色散形成的

用分光鏡觀察時，見到連續光譜背景上出現一些暗線（與特徵譜線相對應）

二、氫原子光譜

活動與探究2

氫原子光譜是怎樣獲得的？研究氫原子光譜對於探索原子結構有什麼意義？

遷移與應用2

對於巴耳末公式，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光的可見光部分的光的波長

C．巴耳末公式確定了氫原子發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光中的光的波長

名師點評

巴耳末公式只適用於部分氫光譜的規律，在氫光譜中還有其他線系，從公式可以看出氫光譜是不連續的，由於不同原子有自己的特徵譜線，因此此公式不適用於其他原子光譜。 

測一測

1．關於線狀譜，下列說法中正確的是（　　）

A．每種原子處在不同溫度下發光的線狀譜不同

B．每種原子處在不同的物質中的線狀譜不同

C．每種原子在任何條件下發光的線狀譜都相同

D．兩種不同的原子發光的線狀譜可能相同

2．白光通過稜鏡後在屏上會形成按紅、橙、黃、綠、藍、靚、紫排列的連續光譜，下列說法不正確的是（　　）

A．稜鏡使光增加了顏色

B．白光是由各種顏色的光組成的

C．稜鏡對各種色光的折射率不同

D．看到白光是因為發光物體發出了在可見光區的各種頻率的光

3．關於光譜，下列說法中正確的是（　　）

A．熾熱的液體發射連續譜

B．發射光譜一定是連續譜

C．線狀譜和吸收光譜都可以對物質成分進行分析

D．霓虹燈發光形成的光譜是線狀譜

3.3　氫原子光譜答案

答案：

課堂·合作探究

【問題導學】

活動與探究1：1．答案：用稜鏡或光柵可以把光按波長展開，獲得光的波長（或頻率）成分和強度分布的記錄，即為光譜。通俗地說就是自然光經過三稜鏡後在屏幕上得到的彩色光帶。

不同元素的原子發出的光譜不相同，就像人的指紋一樣各不相同，代表了人的特徵，線狀譜也就代表了原子的特徵。

2．答案：不能，白熾燈的光譜是連續譜，不是原子的特徵譜線，因而無法檢測出燈絲的成分。

3．答案：

線狀譜

連續譜

形狀特徵

一條條分立的譜線

連在一起的光帶

組成

某些不連續的波長的光組成

一切波長的光都有

產生

稀薄氣體或金屬蒸氣發光形成

熾熱的固體、液體、高壓氣體發光而產生的

應用

可用於光譜分析

不能用於光譜分析

4．答案：光譜分析可以使用發射光譜中的線狀譜，也可以使用吸收光譜，因為它們都有原子自身的特徵譜線，但不能使用連續光譜。

5．答案：太陽光吸收光譜上的暗線是因為太陽發出的光穿過溫度比太陽本身低得多的太陽大氣層，而在這大氣層裡存在著從太陽裡蒸發出來的許多元素的氣體，太陽光穿過它們的時候跟這些元素的標識譜線相同的光都被這些氣體吸收掉了。因此我們看到的太陽光譜是在連續光譜的背景上分布著許多條暗線。這些暗線對應的元素為太陽大氣層的成分。

遷移與應用1：AB解析：對照連續光譜的特徵和產生原理可知選項A正確；對於同一種元素的原子輻射或吸收的光的能量是一定的，因此選項B正確；高壓氣體發出的光譜是連續光譜，低壓稀薄氣體發出的光譜是線狀譜，因此選項C錯誤；甲物質發出的白光通過乙物質的蒸氣，其中有部分波長的光被乙物質的原子吸收，因此暗線是與乙物質的原子對應，所以這樣形成的吸收光譜是乙物質的吸收光譜，選項D錯誤。

活動與探究2：答案：氫原子光譜是從氫氣放電管發光得到的。因為許多情況下光是由原子內部電子的運動產生的，所以光譜研究是探索原子結構的一條重要途徑。

遷移與應用2：C解析：巴耳末公式只確定了氫原子發光中一個線系的波長，不能描述氫原子發出的各種波長，也不能描述其他原子的發光，A、D錯誤；巴耳末公式是由當時已知的可見光中的部分譜線總結出來的，但它適用於整個巴耳末線系，該線系包括可見光和紫外光，B錯誤，C正確。

【當堂檢測】

1．C解析：每種原子都有自己的結構，只能發出由內部結構決定的自己的特徵譜線，不會因溫度、物質不同而改變，選項C正確。

2．A解析：白光通過稜鏡使各種色光落在屏上的不同位置，說明稜鏡對各種色光的折射率不同，形成的連續光譜按波長（或頻率）排列，即白光是包括各種頻率的光，光的顏色由波長（或頻率）決定，並非稜鏡增加了顏色，即B、C、D正確。

3．ACD解析：熾熱的液體發射連續譜，所以選項A正確；發射光譜可以是連續譜也可以是線狀譜，所以選項B錯誤；線狀譜和吸收光譜都對應某種元素的光譜，都可以對物質成分進行分析，所以選項C正確；霓虹燈發光形成的光譜是線狀譜，所以選項D正確。

授課教師

第三節　氫原子光譜課後練習

題組一　光譜和光譜分析

1.關於線狀譜，下列說法中正確的是()

A.每種原子處在不同溫度下發光的線狀譜不同

B.每種原子處在不同的物質中的線狀譜不同

C.每種原子在任何條件下發光的線狀譜都相同

D.兩種不同的原子發光的線狀譜可能相同

2.(多選)關於經典電磁理論與氫原子光譜之間的關係，下列說法正確的是()

A.經典電磁理論很容易解釋原子的穩定性

B.根據經典電磁理論，電子繞原子核轉動時，電子會不斷釋放能量，最後被吸附到原子核上

C.根據經典電磁理論，原子光譜應該是連續的

D.氫原子光譜徹底否定了經典電磁理論

3.對於光譜，下面的說法中正確的是()

A.大量原子發光的光譜是連續譜，少量原子發光的光譜是線狀譜

B.線狀譜是由不連續的若干波長的光所組成

C.太陽光譜是連續譜

D.太陽光譜是線狀譜

4.(多選)下列關於光譜的說法正確的是()

A.熾熱固體、液體和高壓氣體發出的光形成連續譜

B.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

C.氣體發出的光只能產生線狀譜

D.甲物質發出的光通過低溫的乙物質蒸氣可得到甲物質的吸收光譜

5.(多選)關於光譜和光譜分析，下列說法正確的是()

A.發射光譜包括連續譜和線狀譜

B.太陽光譜是連續譜，氫光譜是線狀譜

C.只有線狀譜可用作光譜分析

D.光譜分析幫助人們發現了許多新元素

6.各種原子的光譜都是____________，說明原子只發出幾種特定頻率的光.不同原子的亮線位置不同，說明不同原子的發光頻率是____________的.因此這些亮線稱為原子的____________.

題組二　氫原子光譜及巴耳末公式的應用

7.下列對氫原子光譜實驗規律的認識中，正確的是()

A.因為氫原子核外只有一個電子，所以氫原子只能產生一種波長的光

B.氫原子產生的光譜是一系列波長不連續的譜線

C.氫原子產生的光譜是一系列亮度不連續的譜線

D.氫原子產生的光的波長大小與氫氣放電管放電強弱有關

8.巴耳末公式簡潔顯示了氫原子光譜的()

A.分立特徵  B.連續特徵

C.既連續又分立  D.既不連續又不分立

9.氫原子光譜巴耳末系最小波長與最大波長之比為()

A.5/9   B.4/9    C. 7/9   D.2/9   

10.如圖甲所示的a、b、c、d為四種元素的特徵譜線，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()

A.a元素                                  B.b元素

C.c元素                                   D.d元素

11.1885年瑞士的中學教師巴耳末發現，氫原子光譜中可見光部分的四條譜線的波長可歸納成一個簡單的經驗公式：

n為大於2的整數，R為裡德伯常量，1913年，丹麥物理學家玻爾受到巴耳末公式的啟發，同時還吸取了普朗克的量子假說、愛因斯坦的光子假說和盧瑟福的原子核式結構模型，提出了自己的原理理論.根據玻爾理論，推導出了氫原子光譜譜線的波長公式：

m與n都是正整數，且n>m.當m取定一個數值時，不同數值的n得出的譜線屬於同一個線系.如：

m＝1，n＝2，3，4…組成的線系叫萊曼系；

m＝2，n＝3，4，5…組成的線系叫巴耳末系；

m＝3，n＝4，5，6…組成的線系叫帕邢系；

m＝4，n＝5，6，7…組成的線系叫布喇開系；

m＝5，n＝6，7，8…組成的線系叫普豐德系；

以上線系只有一個在紫外光區，這個線系是()

A.萊曼系  B.帕邢系   C.布喇開系  D.普豐德系

答案解析

1.答案C

解析　每種原子都有自己的結構，只能發出由內部結構決定的自己的特徵譜線，不會因溫度、物質不同而改變，選項C正確.

2.答案BC

解析　根據經典電磁理論，電子繞原子核轉動時，電子會不斷釋放能量最後被吸附到原子核上，原子不應該是穩定的，並且發射的光譜應該是連續的.氫原子光譜並沒有完全否定經典電磁理論，是要引入新的觀念了.故正確選項為B、C.

3.答案B

解析　原子光譜體現原子的特徵，是線狀譜，同一種原子無論多少發光特徵都相同，即形成的線狀譜都一樣，故A錯； B項是線狀譜的特徵，正確；太陽光在經過太陽大氣層時某些光會被太陽大氣層中的某些元素的原子吸收，故太陽光譜是吸收譜，故C、D均錯.

4.答案AB

5.答案AD

解析　光譜分為發射光譜和吸收光譜，發射光譜分為連續譜和線狀譜，選項A正確；太陽光譜是吸收光譜，選項B錯誤；線狀譜和吸收光譜都可用作光譜分析，選項C錯誤；光譜分析可以精確分析物質中所含元素，並能幫助人們發現新元素，選項D正確.

6.答案　線狀譜　不一樣　特徵譜線

7.答案B

解析　氫原子光譜是線狀譜，波長是一系列不連續的、分立的特徵譜線，並不是只含有一種波長的光，也不是亮度不連續的譜線，B正確，A、C錯誤；氫原子光譜是氫原子的特徵譜線，只要是氫原子發出的光的光譜就相同，與放電管的放電強弱無關，D錯誤.

8.答案A

解析　巴耳末公式中的n只能取正整數，得到的波長是一些分立的值.

9.答案A

10.答案B

解析　由礦物的線狀譜與幾種元素的特徵譜線進行對照，b元素的譜線在該線狀譜中不存在，故B正確.與幾個元素的特徵譜線不對應的線說明該礦物中還有其他元素.

11.答案A

解析　在真空中，電磁波的波長和頻率互成反比例關係，波長最長的頻率最小，紫外光區的頻率較大，根據氫原子光譜譜線的波長公式：

得這個線系是萊曼系.故A正確，B、C、D錯誤.