2017-2018學(xué)年物理人教版選修3-5講義第十八章原子結(jié)構(gòu)18-3

[目標定位]1.了解光譜、連續(xù)譜和線狀譜等概念.2.知道氫原子光譜的實驗規(guī)律.3.知道經(jīng)典物理的困難在于無法解釋原子的穩(wěn)定性和光譜分立特征．一、光譜1．定義用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜．2．分類(1)線狀譜：由一條條的亮線組成的光譜．(2)連續(xù)譜：由連在一起的光帶組成的光譜．3．特征譜線各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜，且不同原子的亮線位置不同，故這些亮線稱為原子的特征譜線．4．光譜分析由于每種原子都有自己的特征譜線，可以利用它來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，這種方法稱為光譜分析，它的優(yōu)點是靈敏度高，樣本中一種元素的含量達到10－10_g時就可以被檢測到．【深度思考】物質(zhì)的光譜按其產(chǎn)生方式不同可分為兩大類：發(fā)射光譜和吸收光譜，線狀譜、連續(xù)譜和太陽光譜分別屬于哪類光譜？答案(1)發(fā)射光譜——物體直接發(fā)出的光通過分光后產(chǎn)生的光譜．它分為連續(xù)譜和明線光譜(線狀譜)．①連續(xù)譜——由連續(xù)分布的一切波長的光組成的光譜．熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)譜，如燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)譜．②線狀譜——只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜．各種原子的發(fā)射光譜(由稀薄氣體發(fā)出)都是線狀譜．每種原子都有自己的特征譜線，不同元素線狀譜不同．(2)吸收光譜——高溫物體發(fā)出的白光通過溫度較低的物質(zhì)時，某些波長的光被該物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜．這種光譜的特點是在連續(xù)的背景上有若干條暗線．這些暗線與特征譜線相對應(yīng)．太陽光譜是一種吸收光譜．【例1】(多選)關(guān)于光譜和光譜分析，下列說法中正確的是()A．發(fā)射光譜包括連續(xù)譜和線狀譜B．太陽光譜是連續(xù)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(fā)現(xiàn)了許多新元素解析光譜分為發(fā)射光譜和吸收光譜，發(fā)射光譜分為連續(xù)譜和線狀譜，A正確；太陽光譜是吸收光譜，B錯誤；線狀譜和吸收光譜都可用作光譜分析，C錯誤；光譜分析可以精確分析物質(zhì)中所含元素，并能發(fā)現(xiàn)新元素，D正確．答案AD光譜分析只能用特征譜線來分析，每種原子都有自己的特征譜線，不同元素線狀譜不同，因此可用來分析物質(zhì)中所含元素．針對訓(xùn)練1(多選)關(guān)于光譜，下列說法中正確的是()A．熾熱的液體發(fā)射連續(xù)譜B．線狀譜和吸收光譜都可以對物質(zhì)進行光譜分析C．太陽光譜中的暗線，說明太陽中缺少與這些暗線相對應(yīng)的元素D．發(fā)射光譜一定是連續(xù)譜答案AB解析熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜，故A正確；線狀譜和吸收光譜都可以用來進行光譜分析，B正確；太陽光譜中的暗線說明太陽大氣中含有與這些暗線相對應(yīng)的元素，C錯誤；發(fā)射光譜有連續(xù)譜和線狀譜，D錯誤．二、氫原子光譜的實驗規(guī)律1．研究光譜的意義光是由原子內(nèi)部電子的運動產(chǎn)生的，因此光譜研究是探索原子結(jié)構(gòu)的一條重要途徑．2．巴耳末公式巴耳末研究發(fā)現(xiàn)，氫原子在可見光區(qū)的四條譜線的波長能夠用一個公式表示即巴耳末公式：eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\f(1,n2))，n＝3，4,5…，式中R叫做里德伯常量，R＝1.10×107m－1.它確定的這一組譜線稱為巴耳末系．式中的n只能取整數(shù)，不能連續(xù)取值．【例2】(多選)下列關(guān)于巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))的理解，正確的是()A．此公式是巴耳末在研究氫原子光譜特征時發(fā)現(xiàn)的B．公式中n可取任意值，故氫原子光譜是連續(xù)譜C．公式中n只能取不小于3的整數(shù)值，故氫原子光譜是線狀譜D．公式不但適用于氫原子光譜的分析，也適用于其他原子的光譜解析此公式是巴耳末在研究氫原子光譜在可見光區(qū)的4條譜線中得到的，只適用于氫原子光譜的分析，且n只能取大于等于3的整數(shù)，則λ不能取連續(xù)值，故氫原子光譜是線狀譜．答案AC針對訓(xùn)練2氫原子光譜巴耳末系最小波長與最大波長之比為()A.eq\f(5,9)B.eq\f(4,9)C.eq\f(7,9)D.eq\f(2,9)答案A解析由巴耳末公式eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))n＝3,4,5，…當n→∞時，有最小波長λ1，eq\f(1,λ1)＝Req\f(1,22)，當n＝3時，有最大波長λ2，eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))，得eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(5,9).三、經(jīng)典理論的困難1．核式結(jié)構(gòu)模型的成就：正確地指出了原子核的存在，很好的解釋了α粒子散射實驗．2．經(jīng)典理論的困難：既無法解釋原子的穩(wěn)定性，又無法解釋原子光譜的分立特征.1．(光譜和光譜分析)(多選)關(guān)于太陽光譜，下列說法正確的是()A．太陽光譜是吸收光譜B．太陽光譜中的暗線，是太陽光經(jīng)過太陽大氣層時某些特定頻率的光被吸收后產(chǎn)生的C．根據(jù)太陽光譜中的暗線，可以分析太陽的物質(zhì)組成D．根據(jù)太陽光譜中的暗線，可以分析地球大氣層中含有哪些元素答案AB解析太陽光譜是吸收光譜．因為太陽是一個高溫物體，它發(fā)出的白光通過溫度較低的太陽大氣層時，會被太陽大氣層中的某些元素的原子吸收，從而使我們觀察到的太陽光譜是吸收光譜，所以分析太陽的吸收光譜，可知太陽大氣層的物質(zhì)組成，而某種物質(zhì)要觀察到它的吸收光譜，要求它的溫度不能太低，但也不能太高，否則會直接發(fā)光，由于地球大氣層的溫度很低，所以太陽光通過地球大氣層時不會被地球大氣層中的物質(zhì)原子吸收，故上述選項中正確的是A、B.2．(光譜和光譜分析)利用光譜分析的方法能夠鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，關(guān)于光譜分析，下列說法正確的是()A．利用高溫物體的連續(xù)譜就可鑒別其組成成分B．利用物質(zhì)的線狀譜就可鑒別其組成成分C．高溫物體發(fā)出的光通過物質(zhì)后的光譜上的暗線反映了高溫物體的組成成分D．同一種物質(zhì)的線狀譜與吸收光譜上的暗線由于光譜的不同，它們沒有關(guān)系答案B解析由于高溫物體的光譜包括了各種頻率的光，與其組成成分無關(guān)，故A項錯誤；某種物質(zhì)發(fā)光的線狀譜中的明線是與某種原子發(fā)出的某頻率的光有關(guān)，通過這些亮線與原子的特征譜線對照，即可確定物質(zhì)的組成成分，B項正確；高溫物體發(fā)出的光通過物質(zhì)后某些頻率的光被吸收而形成暗線，這些暗線由所經(jīng)過的物質(zhì)決定，C項錯誤；某種物質(zhì)發(fā)出某種頻率的光，當光通過這種物質(zhì)時它也會吸收這種頻率的光，因此線狀譜中的亮線與吸收光譜中的暗線相對應(yīng)，D項錯誤．3．(氫原子光譜的實驗規(guī)律)(多選)巴耳末通過對氫原子光譜的研究總結(jié)出巴耳末公式eq\f(1,λ)＝R(eq\f(1,22)－eq\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(jié)構(gòu)理論總結(jié)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)氫原子光譜的分析總結(jié)出巴耳末公式D．巴耳末公式反映了氫原子發(fā)光的分立性，其波長的分立值并不是人為規(guī)定的答案CD解析巴耳末公式是根據(jù)氫原子光譜總結(jié)出來的．氫原子光譜的不連續(xù)性反映了氫原子發(fā)光的分立性，即輻射波長的分立特征，選項C、D正確．題組一光譜和光譜分析1．白熾燈發(fā)光產(chǎn)生的光譜是()A．連續(xù)光譜 B．明線光譜C．原子光譜 D．吸收光譜答案A解析白熾燈發(fā)光是由于燈絲在熾熱狀態(tài)下發(fā)出的光，是連續(xù)譜．2．關(guān)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(zhì)中的線狀譜不同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答案C解析每種原子都有自己的結(jié)構(gòu)，只能發(fā)出由內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的自己的特征譜線，不會因溫度、物質(zhì)不同而改變，選項C正確．3．(多選)要得到鈉元素的特征譜線，下列做法正確的是()A．使固體鈉在空氣中燃燒B．將固體鈉高溫加熱成稀薄鈉蒸氣C．使熾熱固體發(fā)出的白光通過低溫鈉蒸氣D．使熾熱固體發(fā)出的白光通過高溫鈉蒸氣答案BC解析熾熱固體發(fā)出的是連續(xù)譜，燃燒固體鈉不能得到特征譜線，A錯誤；稀薄氣體發(fā)光產(chǎn)生線狀譜，B正確；強烈的白光通過低溫鈉蒸氣時，某些波長的光被吸收產(chǎn)生鈉的吸收光譜，C正確，D錯誤．4．太陽光譜中有許多暗線，它們對應(yīng)著某些元素的特征譜線，產(chǎn)生這些暗線是由于()A．太陽表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素B．太陽內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素C．太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素D．太陽內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素答案C解析太陽光譜中的暗線是由于太陽發(fā)出的連續(xù)光譜通過太陽表面大氣層時某些光被吸收造成的，因此，太陽光譜中的暗線是由于太陽表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素，故C正確，A、B、D均錯誤．5．關(guān)于光譜，下列說法正確的是()A．一切光源發(fā)出的光譜都是連續(xù)譜B．一切光源發(fā)出的光譜都是線狀譜C．稀薄氣體發(fā)出的光譜是線狀譜D．作光譜分析時，利用連續(xù)譜和線狀譜都可以鑒別物質(zhì)以確定物質(zhì)的化學(xué)組成答案C解析不同光源發(fā)出的光譜有連續(xù)譜，也有線狀譜，故A、B錯誤；稀薄氣體發(fā)出的光譜是線狀譜，C正確；線狀譜和吸收光譜可以進行光譜分析，D錯誤．6．(多選)下列關(guān)于光譜的說法正確的是()A．熾熱固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)譜B．各種原子的線狀譜中的亮線和它的吸收光譜中的暗線是一一對應(yīng)的C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生線狀譜D．甲物質(zhì)發(fā)出的光通過低溫的乙物質(zhì)蒸氣可得到甲物質(zhì)的吸收光譜答案AB解析吸收光譜中的暗線與線狀譜中的亮線是一一對應(yīng)的，所以B正確；而氣體發(fā)光時，若是高壓氣體發(fā)光則形成連續(xù)譜，若是稀薄氣體發(fā)光則形成線狀譜，故A正確，C錯誤；甲物質(zhì)發(fā)出的白光通過低溫的乙物質(zhì)蒸氣后，得到的是乙物質(zhì)的吸收光譜，D錯誤．7.如圖1甲所示的a、b、c、d為四種元素的特征譜線，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()圖1A．a(chǎn)元素 B．b元素C．c元素 D．d元素答案B解析由礦物的線狀譜與幾種元素的特征譜線進行對照，b元素的譜線在該線狀譜中不存在，故B正確；與幾個元素的特征譜線不對應(yīng)的線說明該礦物中還有其他元素．題組二氫原子光譜的實驗規(guī)律8．下列對氫原子光譜實驗規(guī)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(chǎn)生一種波長的光B．氫原子產(chǎn)生的光譜是一系列波長不連續(xù)的譜線C．氫原子產(chǎn)生的光譜是一系列亮度不連續(xù)的譜線D．氫原子產(chǎn)生的光的波長大小與氫氣放電管放電強弱有關(guān)答案B解析氫原子光譜是線狀譜，波長是一系列不連續(xù)的、分立的特征譜線，并不是只含有一種波長的光，也不是亮度不連續(xù)的譜線，B對，A、C錯；氫原子光譜是氫原子的特征譜線，只要是氫原子發(fā)出的光的光譜就相同，與放電管的放電強弱無關(guān)，D錯．9.(多選)如圖2甲所示，是a、b、c、d四種元素的線狀譜，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乏的()圖2A．a(chǎn)元素B．b元素C．c元素D．d元素答案BD解析將甲中的線狀譜與乙中的譜線相對照．10．氫原子光譜的巴耳末系中波長最長的光波的光子能量為E1，其次為E2，則eq\f(E1,E2)為()A.eq\f(20,27) B.eq\f(27,20)C.eq\f(2,3) D.eq\f(3,2)答案A解析由eq\f(1,λ)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))得：當n＝3時，波長最長，eq\f(1,λ1)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,32)))，當n＝4時，波長次之，eq\f(1,λ2)＝Req\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,42)))，解得：eq\f(λ1,λ2)＝eq\f(27,20)，由E＝heq\f(c,λ)得：eq\f(E1,E2)＝eq\f(λ2,λ1)＝eq\f(20,27).11．試計算氫原子光譜中巴耳末系的最長波和最短波的波長各是多少？(保留三位有效數(shù)字)答案6.55×10－17m3.64×10－解析根據(jù)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，…可得λ＝eq\f(1,R\b\lc\(\rc\)(\a