2020高中物理第十八章原子结构第3节氢原子光谱课时训练含解析 人教版选修3-5 9页

第3节　氢原子光谱 ‎1．知道什么是光谱，掌握连续谱和线状谱的区别，知道什么是光谱分析。‎ ‎2．知道氢原子光谱的实验规律，会应用巴耳末公式进行简单计算。‎ ‎3．知道经典物理学在解释原子的稳定性和原子光谱分立特性上的困难。‎ 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：有些光谱是一条条的亮线，这样的亮线叫谱线，这样的光谱叫线状谱。有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连续在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。‎ ‎3．特征光谱：各种原子的发射光谱都是线状谱，说明原子只发射几种特定频率的光。不同原子发射的线状谱的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是不一样的，因此这些亮线称为原子的特征光谱。‎ ‎4．光谱分析：利用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分，这种方法叫做光谱分析。‎ 二、氢原子光谱的实验规律 ‎1．研究光谱的意义：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．巴耳末公式：从氢气放电管可以得到氢原子光谱，在可见光区的氢光谱符合巴耳末公式，用波长的倒数写出的公式为＝R，n＝3,4,5，…。式中的R为里德伯常量，实验值为R＝1.10×107 m－1。可以看出，n只能取正整数，不能连续取值，波长也只能是分立的值。‎ ‎3．其他线系：除了巴耳末线系，发现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公式。‎ ‎4．巴耳末公式的意义：巴耳末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立性。‎ 三、经典理论的困难 ‎1．卢瑟福核式学说的成就：卢瑟福的核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验。‎ ‎2．困难：经典的物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。‎ 9‎ 判一判 ‎(1)少量原子发出的是线状谱，大量原子发出的是连续谱。(　　)‎ ‎(2)连续光谱一定是大量不同元素共同发出的光谱。(　　)‎ ‎(3)氢原子光谱有无数条分立谱线，其中有四条谱线在可见光范围内。(　　)‎ ‎(4)巴耳末公式能全部表示氢原子光谱。(　　)‎ 提示：(1)×　(2)×　(3)√　(4)×‎ 想一想 ‎(1)不同原子的光谱相同吗？‎ 提示：不同原子的光谱不同，因而叫原子的特征谱。‎ ‎(2)原子的核式结构模型与经典电磁理论的矛盾给了我们什么启示？‎ 提示：这些矛盾的存在，不仅表明这一模型还不完善，而且还预示着原子世界需要一个不同于经典物理学的理论。‎ 9‎ 课堂任务　光谱和光谱分析 ‎1．对光谱有关问题的理解 ‎(1)光谱的产生机理 许多情况下，光是由原子内部电子的运动产生的。‎ ‎(2)连续谱、线状谱、光谱中的暗线 ‎①连续谱 其光谱是连在一起的光带。例如钨丝白炽灯的光谱。‎ ‎②线状谱 各种原子的发射光谱都是线状谱。不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素原子产生的线状谱是相同的。‎ ‎③光谱中的暗线 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线状谱中的一条亮线相对应。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。例如：太阳光谱就是典型的吸收光谱。‎ ‎2．光谱分析的应用 ‎(1)鉴别物质和确定物质的组成成分，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。‎ ‎(2)发现新元素 光谱分析的灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10－10 g时就可以被检测到。‎ 例1　关于光谱，下列说法正确的是(　　)‎ A．一切光源发出的光谱都是连续谱 B．一切光源发出的光谱都是线状谱 C．各种原子的发射光谱是线状谱 D．做光谱分析时，利用连续谱和线状谱都可以鉴别物质和确定物质的化学组成 ‎　　(1)光源发出的都是连续谱吗？‎ 提示：不是的。例如氢气放电管发射的氢原子光谱。‎ ‎(2)利用光谱分析鉴别物质及确定物质成分时，利用的是什么光谱？‎ 提示：利用的是线状谱和吸收谱(暗线谱)。‎ ‎[规范解答]　钨丝白炽灯的光谱是连续谱，从氢气放电管获得的氢原子光谱是线状谱，故A、B错误，C正确；在鉴别物质和确定物质的化学组成时是利用原子光谱即线状谱或吸收光谱(即暗线谱)进行分析，故D错误。‎ ‎[完美答案]　C 9‎ 线状谱和连续谱的区别 线状谱 连续谱 形状特征 一条条分立的谱线 连在一起的光带 组成 某些特定频率的谱线，不同的元素线状谱线不同 一切波长的光都有 应用 可用于光谱分析 不能用于光谱分析 　(多选)下列关于特征谱线的几种说法正确的是(　　)‎ A．线状谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线 B．线状谱中的明线是特征谱线，吸收光谱中的暗线不是特征谱线 C．线状谱中的明线不是特征谱线，吸收光谱中的暗线是特征谱线 D．同一元素的线状谱的明线与吸收光谱的暗线是相对应的 答案　AD 解析　线状谱中的明线与吸收光谱中的暗线均为特征谱线，并且实验表明各种元素吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的线状谱中的一条明线相对应。故A、D正确。‎ 课堂任务　氢原子光谱的实验规律 ‎1．氢原子光谱：从氢气放电管可以获得氢原子光谱，氢原子的光谱是线状谱，在可见光区有四条谱线。‎ ‎2．氢原子光谱的实验规律 ‎(1)巴耳末公式：＝R(n＝3,4,5，…)‎ 式中R叫做里德伯常量，其测量值为R＝1.10×107 m－1。‎ ‎(2)由巴耳末公式确定的一组谱线称为巴耳末系。除了巴耳末系，后来发现的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。‎ ‎3．经典理论的困难 ‎(1)经典物理学无法解释原子的稳定性 9‎ 按照经典物理学，核外电子受到原子核的库仑引力作用，不可能是静止的，它一定在原子核的库仑引力作用下，以一定的速度绕核转动。电子在做周期性运动，它产生的电磁场就在周期性变化，而周期性变化的电磁场会激发电磁波，即电子不断把自己绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去，因此电子绕核转动。这个系统是不稳定的，电子会失去能量，轨道半径逐渐变小，最后落在原子核上。但是事实不是这样，原子是个很稳定的系统。‎ ‎(2)经典物理学无法解释原子光谱的分立特征 根据经典电磁理论，电子辐射的电磁波的频率就是它绕核转动的频率。电子越转能量越小，它离原子核就越来越近，转得也就越来越快，这个变化是连续的，也就是说，我们应该看到原子辐射出各种频率(波长)的光，即原子的光谱应该总是连续的，而实际上我们看到的是分立的线状谱。‎ 这些矛盾说明经典理论可以很好地应用于宏观物体，但不能解释原子世界的现象。‎ 例2　巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式＝R(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所有情况，其波长的分立值并不是人为规定的 ‎(1)巴耳末公式是根据什么总结出来的？‎ 提示：巴耳末公式是根据已知的可见光的谱线总结出来的。‎ ‎(2)氢原子的所有谱线都满足巴耳末公式吗？‎ 提示：在红外和紫外光区的部分谱线不满足巴耳末公式。‎ ‎[规范解答]　巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长，不能描述氢原子发出的各种光的波长，也不能描述其他原子发出的光，故B、D错误；巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的，但它适用于整个巴耳末线系，故A错误，C正确。‎ ‎[完美答案]　C 巴耳末公式的应用方法及注意问题 ‎(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)公式中n只能取整数，不能连续取值，因此波长也只是分立的值。‎ ‎(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析总结出的，巴耳末系中在紫外区的谱线也适用。‎ ‎(4)应用时熟记公式，当n取不同值时求出一一对应的波长λ。‎ 　(多选)关于巴耳末公式＝R(n＝3,4,5，…)的理解，正确的是(　　)‎ A．此公式只适用于氢原子发光 B．公式中的n可以是任意数，故氢原子发光的波长是任意的 C．公式中的n是大于等于3的正整数，所以氢原子光谱不是连续的 9‎ D．该公式包含了氢原子的所有光谱线 答案　AC 解析　巴耳末公式是分析氢原子的可见光谱线得到的一个公式，它只反映氢原子谱线的一个线系，故A正确，D错误；公式中的n只能取不小于3的正整数，B错误，C正确。‎ A组：合格性水平训练 ‎1．(光谱)(多选)关于光谱，下列说法正确的是(　　)‎ A．炽热的灯丝发射连续谱 B．发射光谱一定是连续谱 C．线状谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析 D．氢气放电管发射的光谱是线状谱 答案　ACD 解析　炽热的灯丝发射的光谱为连续谱，A正确；发射光谱可以是连续谱也可以是线状谱，B错误；线状谱和吸收光谱都对应某种元素的光谱，都可以对物质成分进行分析，C正确；氢气放电管发射的光谱是线状谱，D正确。‎ ‎2．(光谱)关于光谱，下列说法正确的是(　　)‎ A．有的原子发出的光谱是连续谱，有的原子发出的光谱是线状谱 B．线状谱由不连续的若干波长的光组成 C．光谱分析时只能用发射光谱，不能用吸收光谱 D．光谱分析时只能用吸收光谱，不能用发射光谱 答案　B 解析　各种原子发出的光谱是特征光谱，是线状谱，A错误；线状谱只包含对应波长的若干光，B正确；光谱分析一定要用线状谱，既可以是发射光谱也可以是吸收光谱，C、D错误。‎ ‎3．(光谱分析)利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法中正确的是(　　)‎ A．利用高温物体的连续谱就可以鉴别其组成成分 B．利用物质的线状谱就可以鉴别其组成成分 C．高温物体发出的光通过某物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分 D．我们观察月亮射来的光谱，可以确定月亮的化学组成 答案　B 解析　由于高温物体的光谱包括了各种频率的光，与其组成成分无关，故A错误；某种物质发光的线状谱中的明线与某种原子发出的某频率的光有关，通过这些亮线与原子的特征谱线对照，即可确定物质的组成成分，B正确；高温物体发出的光通过物质后某些频率的光被吸收而形成暗线，这些暗线与所经物质有关，与高温物体无关，C错误；月亮反射到地面的光是太阳光谱，D错误。‎ ‎4．(光谱)(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 9‎ B．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 C．各种原子的结构不同，所以各种原子的光谱也不相同 D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 答案　ACD 解析　原子光谱为线状谱，A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B错误，C正确；根据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，D正确。‎ ‎5．(氢原子光谱的规律)氢原子光谱巴耳末系最小波长与最大波长之比为(　　)‎ A. B. C. D. 答案　A 解析　由巴耳末公式＝R(n＝3,4,5，…)，当n＝∞时，最小波长倒数＝R；当n＝3时，最大波长倒数＝R，得＝。‎ ‎6．(经典理论的困难)(多选)关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法中正确的是(　　)‎ A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性 B．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 C．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的 D．氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论 答案　BC 解析　卢瑟福的核式模型在经典电磁理论下完全是不稳定的，电子绕核运转会辐射电磁波损失能量，故A错误；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，故B正确；根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的，故C正确；氢原子光谱没有彻底否定经典电磁理论，而是引入了新的概念，故D错误。‎ B组：等级性水平训练 ‎7．(线状谱)对于线状谱，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不同 C．每种原子在任何条件下发光的线状谱相同 D．两种不同的原子发光的线状谱可能相同 答案　C 解析　同种原子在任何条件下发光的线状谱相同，C正确，A、B错误，两种不同的原子发光的线状谱不相同，D错误。‎ ‎8．(氢原子光谱的规律)下列说法正确的是(　　)‎ A．所有氢原子光谱的波长都可由巴耳末公式求出 B．巴耳末公式中的n可以连续取值 9‎ C．巴耳末系是氢原子光谱中的不可见光部分 D．氢原子光谱是线状谱的一个例证 答案　D 解析　巴耳末公式为＝R n＝3,4,5，…，巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系的波长，不能描述氢原子发出的所有光的波长，也不能描述其他原子的发光光谱，巴耳末系中的光谱线有无数条，但在可见光的区域中只有4条光谱线，其余都在紫外光区域。其中的n是不连续的。氢原子的光谱是线状光谱。所以A、B、C错误，D正确。‎ ‎9．(综合)下列说法中正确的是(　　)‎ A．巴耳末公式所计算得出的波长与氢原子光谱中的波长是一一对应的关系 B．根据巴耳末公式不仅可以分析氢原子光谱，也可以分析其他原子的发光光谱 C．由巴耳末公式得到的波长都在可见光波段 D．氢原子光谱中有红外区，可见光区和紫外区，可见光只有四条谱线 答案　D 解析　巴耳末公式只能描述氢原子光谱中的一个线系，不能确定氢原子光谱中所有光的波长，A错误；巴耳末公式只能确定氢原子光谱的可见光区和部分紫外光区，不能确定其他原子光谱，B、C错误；氢原子光谱中有可见光、红外线和紫外线，D正确。‎ ‎10．(光谱分析)(多选)如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是(　　)‎ A．a元素 B．b元素 C．c元素 D．d元素 答案　BD 解析　将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图中对照，可知矿物中缺少b、d元素，故选B、D。‎ ‎11．(综合)已知氢原子光谱中巴耳末线系第一条谱线Hα的波长为6565 Å(1 Å＝1×10－10 m)。‎ ‎(1)试推算里德伯常量的值；‎ ‎(2)利用巴耳末公式求其中第四条谱线的波长和对应光子的能量；‎ ‎(3)试计算巴耳末系中波长最短的光对应的波长。‎ 答案　(1)1.097×107 m－1　(2)4.102×10－7 m　4.85×10－19 J　(3)3.65×10－7 m 解析　(1)巴耳末系中第一条谱线为n＝3时，‎ 9‎ 即＝R R＝＝ m－1≈1.097×107 m－1。‎ ‎(2)巴耳末系中第四条谱线对应n＝6，‎ 则＝R λ4＝ m≈4.102×10－7 m E＝hν＝h＝ J≈4.85×10－19 J。‎ ‎(3)n＝∞时，对应的波长最短，即＝R，‎ 得λmin≈3.65×10－7 m。‎ 9‎