高中物理18.3氢原子光谱(探究导学课型)课件新人教版选修35

1、3氢原子光谱1.1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。了解光谱、连续谱和线状谱等概念。2.2.知道氢原子光谱的实验规律。知道氢原子光谱的实验规律。3.3.知道经典物理学的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分知道经典物理学的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分立特性。立特性。4.4.让学生进一步体会物理规律是在接受实践检验的过程中不断让学生进一步体会物理规律是在接受实践检验的过程中不断地发展和完善的。地发展和完善的。一、光谱及应用一、光谱及应用1.1.光谱光谱: :用用_可以把各种颜色的光按可以把各种颜色的光按_展开展开, ,获得获得光的光的_和和_分布的记录。分布的记录。2.2.分类分类: :(

2、1)(1)线状谱线状谱: :光谱是一条条的光谱是一条条的_。(2)(2)连续谱连续谱: :光谱是光谱是_的光带。的光带。光栅或棱镜光栅或棱镜波长波长波长波长( (频率频率) )强度强度亮线亮线连在一起连在一起3.3.线状谱与原子线状谱与原子: :各种原子的发射光谱都是各种原子的发射光谱都是_,_,不同原子不同原子的亮线位置的亮线位置_,_,说明原子只发出几种说明原子只发出几种_的光的光, ,不同原不同原子的发光频率子的发光频率_,_,光谱中的亮线称为原子的光谱中的亮线称为原子的_。4.4.应用应用: :由于每种原子都有自己的由于每种原子都有自己的_,_,可以利用它来鉴可以利用它来鉴别物质和确定

3、物质的别物质和确定物质的_。这种方法称为光谱分析。这种方法称为光谱分析, ,它的它的优点是优点是_高高, ,样本中一种元素的含量达到样本中一种元素的含量达到_时就可以时就可以被检测到。被检测到。线状谱线状谱不同不同特定频率特定频率不一样不一样特征谱线特征谱线特征谱线特征谱线组成成分组成成分灵敏度灵敏度1010-10-10g g二、氢原子光谱的实验规律与经典理论的困难二、氢原子光谱的实验规律与经典理论的困难1.1.氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律: :(1)(1)许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的, ,因此光谱研因此光谱研究是探索究是探索_的

4、一条重要途径。的一条重要途径。原子结构原子结构(2)(2)氢原子光谱的实验规律满足。氢原子光谱的实验规律满足。巴耳末公式巴耳末公式: (n=3,4,5): (n=3,4,5)式中式中R R为为_常量常量,R=1.10,R=1.1010107 7m m-1-1,n,n取整数。取整数。(3)(3)巴耳末公式的意义巴耳末公式的意义: :以简洁的形式反映了氢原子的以简洁的形式反映了氢原子的_光光谱谱, ,即辐射波长的即辐射波长的_特征。特征。22111R2n()里德伯里德伯线状线状分立分立2.2.经典理论的困难经典理论的困难: :(1)(1)经典电磁理论无法解释原子核外的电子高速绕核转动而又经典电磁理

5、论无法解释原子核外的电子高速绕核转动而又_电磁波而处于稳定状态。电磁波而处于稳定状态。(2)(2)经典电磁理论无法解释原子光谱的经典电磁理论无法解释原子光谱的_特征。特征。不辐射不辐射分立分立1.1.判一判判一判: :(1)(1)连续光谱是由各种不同频率的光组成的各种颜色的光连续光谱是由各种不同频率的光组成的各种颜色的光带。带。( () )(2)(2)我们能用连续光谱来鉴定物质的组成成分。我们能用连续光谱来鉴定物质的组成成分。( () )(3)(3)研究线状谱是探究原子结构的一条重要途径。研究线状谱是探究原子结构的一条重要途径。( () )(4)(4)氢原子光谱是一些分立的不连续的线状谱氢原子

6、光谱是一些分立的不连续的线状谱, ,但没有什么规律。但没有什么规律。( () )提示提示: :(1)(1)。连续光谱中的频率是连续的。连续光谱中的频率是连续的, ,所以是含有各种颜所以是含有各种颜色的连续的彩色光带。色的连续的彩色光带。(2)(2)。因为每种原子都有自己的特征谱线。因为每种原子都有自己的特征谱线, ,我们能用原子的特我们能用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。而连续光谱含有各征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。而连续光谱含有各种频率的光种频率的光, ,不具有原子的特征谱线不具有原子的特征谱线, ,故不能用来鉴定物质的组故不能用来鉴定物质的组成成分。成成分。(3)(3

7、)。因为许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的。因为许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的, ,因因此线状谱研究是探究原子结构的一条重要途径。此线状谱研究是探究原子结构的一条重要途径。(4)(4)。任何原子的特征谱线都遵从一定的规律。任何原子的特征谱线都遵从一定的规律, ,氢原子在可见氢原子在可见光区的四条谱线遵从巴耳末公式。光区的四条谱线遵从巴耳末公式。2.2.想一想想一想: :(1)(1)利用白炽灯的光谱利用白炽灯的光谱, ,能否检测出灯丝的成分能否检测出灯丝的成分? ?提示提示: :不能不能, ,白炽灯的光谱是连续谱白炽灯的光谱是连续谱, ,不是原子的特征谱线不是原子的特征谱线, ,

8、因而因而无法检测出灯丝的成分。无法检测出灯丝的成分。(2)(2)根据经典的电磁理论根据经典的电磁理论, ,原子的光谱是怎样的原子的光谱是怎样的? ?而实际看到的而实际看到的原子的光谱是怎样的原子的光谱是怎样的? ?提示提示: :根据经典理论根据经典理论, ,原子可以辐射各种频率的光原子可以辐射各种频率的光, ,即原子的光即原子的光谱应该总是连续的。实际看到的原子的光谱是分立的线状谱。谱应该总是连续的。实际看到的原子的光谱是分立的线状谱。主题一主题一 光谱光谱【问题探究】【问题探究】1.1.不同物质具有不同的光谱形式不同物质具有不同的光谱形式, ,那么光谱有哪些种类那么光谱有哪些种类? ?提示提

9、示: :物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类: :(1)(1)发射光谱。发射光谱。连续谱连续谱; ;线状谱线状谱( (原子光谱原子光谱) )。(2)(2)吸收光谱。吸收光谱。2.2.上题中不同种类的光谱是如何产生的上题中不同种类的光谱是如何产生的? ?提示提示: :(1)(1)发射光谱发射光谱: :物体发光直接产生的光谱。它又分为连续物体发光直接产生的光谱。它又分为连续谱和线状谱。谱和线状谱。连续谱连续谱: :这种光谱看起来不是一条条分立的谱线这种光谱看起来不是一条条分立的谱线, ,而是连在一而是连在一起的光带起的光带, ,我们把它叫作连续谱。炽热的固体

10、、液体和高压气我们把它叫作连续谱。炽热的固体、液体和高压气体所产生的光谱都是连续谱。体所产生的光谱都是连续谱。线状谱线状谱: :是由一条条亮线构成是由一条条亮线构成, ,我们把它们叫作谱线我们把它们叫作谱线, ,这样的这样的光谱叫线状谱。它是由游离状态的原子发射的光谱叫线状谱。它是由游离状态的原子发射的, ,因此也称为原因此也称为原子光谱。稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱就是线状谱。子光谱。稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱就是线状谱。(2)(2)吸收光谱吸收光谱: :高温的固体或液体发出的光高温的固体或液体发出的光( (其中含可见光的一其中含可见光的一切波长的光切波长的光) )通过低温物质时通过低

11、温物质时, ,某些波长的光被该物质吸收后所某些波长的光被该物质吸收后所形成的光谱称为吸收光谱。形成的光谱称为吸收光谱。例如例如, ,太阳光谱就是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太太阳光谱就是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。低温气体原子吸收的光恰好是这阳大气层时产生的吸收光谱。低温气体原子吸收的光恰好是这种原子在高温时发出的光。因此种原子在高温时发出的光。因此, ,吸收光谱中的谱线吸收光谱中的谱线( (暗线暗线),),也也是原子的特征谱线是原子的特征谱线, ,只是通常情况在吸收光谱中看到的特征谱只是通常情况在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中少。线比明线光谱中少

12、。3.3.什么是光谱分析什么是光谱分析? ?用哪种光谱可以进行光谱分析用哪种光谱可以进行光谱分析? ?提示提示: :由于每种原子都有自己的特征谱线由于每种原子都有自己的特征谱线, ,因此可以根据光谱来因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成鉴别物质和确定它的化学组成, ,这种方法叫作光谱分析。做光这种方法叫作光谱分析。做光谱分析时谱分析时, ,可以利用线状谱可以利用线状谱, ,也可利用吸收光谱。也可利用吸收光谱。4.4.光谱分析有何优点和意义光谱分析有何优点和意义? ?提示提示: :(1)(1)优点优点: :灵敏度高灵敏度高, ,分析物质的最低量达分析物质的最低量达1010-10-10g

13、g。(2)(2)意义意义: :应用光谱分析发现新元素。应用光谱分析发现新元素。光谱分析对鉴别化学元素有着重大的意义光谱分析对鉴别化学元素有着重大的意义, ,许多化学元素许多化学元素, ,如如铯、铷、铊、铟、镓等铯、铷、铊、铟、镓等, ,都是在实验室里通过光谱分析发现的。都是在实验室里通过光谱分析发现的。天文学家将光谱分析应用于恒星天文学家将光谱分析应用于恒星, ,证明了宇宙中物质构成的证明了宇宙中物质构成的统一性。统一性。光谱分析还为深入研究原子世界奠定了基础光谱分析还为深入研究原子世界奠定了基础, ,近代原子物理近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。学正是从原子光谱的研究中开始的。【探

14、究总结】【探究总结】光谱分析的应用光谱分析的应用(1)(1)线状谱是由稀薄气体或金属蒸汽产生的。线状谱中每条光谱线对应着一线状谱是由稀薄气体或金属蒸汽产生的。线状谱中每条光谱线对应着一种频率种频率, ,不同元素的原子产生的线状谱不同不同元素的原子产生的线状谱不同, ,因而可以用线状谱来确定物质的因而可以用线状谱来确定物质的成分。成分。(2)(2)吸收光谱是由高温物体发出的白光通过低温物质吸收光谱是由高温物体发出的白光通过低温物质, ,某些波长的光被吸收后某些波长的光被吸收后产生的光谱产生的光谱, ,是在连续谱的背景下有若干暗线是在连续谱的背景下有若干暗线, ,而这些暗线与线状谱的亮线一而这些暗

15、线与线状谱的亮线一一对应一对应, ,因而吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线因而吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线, ,因而吸收光谱也因而吸收光谱也可用来确定物质的成分。可用来确定物质的成分。【即时训练】【即时训练】1.(1.(多选多选) )关于光谱关于光谱, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是( () )A.A.太阳光谱是连续光谱太阳光谱是连续光谱B.B.稀薄的氢气发光产生的光谱是线状谱稀薄的氢气发光产生的光谱是线状谱C.C.煤气灯上燃烧的钠盐汽化后的钠蒸汽产生的光谱是线状谱煤气灯上燃烧的钠盐汽化后的钠蒸汽产生的光谱是线状谱D.D.白光通过钠蒸汽产生的光谱是线状谱白光通过钠蒸汽

16、产生的光谱是线状谱【解题探究】【解题探究】(1)(1)由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成的光谱是成的光谱是_。(2)(2)稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱是稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱是_。连续谱连续谱线状谱线状谱【解析】【解析】选选B B、C C。太阳光谱是太阳光产生的白光通过太阳周围。太阳光谱是太阳光产生的白光通过太阳周围温度较低的大气时温度较低的大气时, ,某些波长的光被太阳大气层中的某些元素某些波长的光被太阳大气层中的某些元素吸收从而产生的吸收光谱吸收从而产生的吸收光谱, ,故故A A错错; ;稀薄的氢气发光产生的光谱稀薄的氢气发光产生的光谱

17、是原子光谱又叫明线光谱是原子光谱又叫明线光谱, ,故故B B正确正确; ;钠蒸汽产生的光谱是原子钠蒸汽产生的光谱是原子光谱光谱, ,故故C C正确正确; ;白光通过钠蒸汽产生的光谱是吸收光谱白光通过钠蒸汽产生的光谱是吸收光谱, ,故故D D错。错。2.2.关于光谱分析关于光谱分析, ,下列说法中不正确的是下列说法中不正确的是( () )A.A.进行光谱分析进行光谱分析, ,既可以利用连续谱既可以利用连续谱, ,也可以利用线状谱也可以利用线状谱B.B.进行光谱分析进行光谱分析, ,必须利用线状谱或吸收光谱必须利用线状谱或吸收光谱C.C.利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分利用光谱分析可以

18、鉴别物质和确定物质的组成成分D.D.利用光谱分析可以深入了解原子的内部结构利用光谱分析可以深入了解原子的内部结构【解析】【解析】选选A A。进行光谱分析。进行光谱分析, ,必须利用线状谱或吸收光谱必须利用线状谱或吸收光谱, ,它它们能够反映原子的特征们能够反映原子的特征,A,A错误错误,B,B正确正确; ;利用光谱分析可以确定利用光谱分析可以确定物质中含有哪些元素物质中含有哪些元素,C,C正确正确; ;光是由原子内部电子的运动产生光是由原子内部电子的运动产生的的, ,利用光谱分析可以确定电子的运动情况利用光谱分析可以确定电子的运动情况, ,即原子的内部结即原子的内部结构构,D,D正确。正确。主

19、题二主题二 氢原子光谱的实验规律氢原子光谱的实验规律 【问题探究】【问题探究】1.1.氢原子光谱是怎样的光谱氢原子光谱是怎样的光谱? ?它是如何获取的它是如何获取的? ?提示提示: :氢原子光谱是线状谱氢原子光谱是线状谱, ,用氢气放电管和光谱仪可以获得氢用氢气放电管和光谱仪可以获得氢原子光谱原子光谱, ,如图所示如图所示2.2.从氢原子光谱图中可以看出氢原子光谱有什么特点从氢原子光谱图中可以看出氢原子光谱有什么特点? ?它符合它符合什么规律什么规律? ?能否用公式表示出这个规律能否用公式表示出这个规律? ?提示提示: :在氢原子光谱图中的可见光区内在氢原子光谱图中的可见光区内, ,由右向左由

20、右向左, ,相邻谱线间相邻谱线间的距离越来越小的距离越来越小, ,表现出明显的规律性。巴耳末对氢气放电管表现出明显的规律性。巴耳末对氢气放电管中的氢原子光谱的谱线进行研究得到了巴耳末公式中的氢原子光谱的谱线进行研究得到了巴耳末公式: : (n=3,4,5)(n=3,4,5)式中式中n n只能取整数只能取整数, ,在可见光区内在可见光区内,n,n的最大值为的最大值为6,6,最小值为最小值为3,R3,R称为里德伯常量称为里德伯常量,R=1.10,R=1.1010107 7m m-1-1。22111R2n ()3.3.所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应吗所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应

21、吗? ?为什么为什么? ?提示提示: :不是。巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系波长不是。巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系波长, ,不能描述氢原子发出的各种波长不能描述氢原子发出的各种波长, ,也不能描述其他原子的发光。也不能描述其他原子的发光。4.4.巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长吗巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长吗? ?提示提示: :不是。巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线不是。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总结出来的, ,但它适用于整个巴耳末线系但它适用于整个巴耳末线系, ,该线系包括可见光和该线系包括可见光和

22、紫外光。紫外光。【探究总结】【探究总结】巴耳末公式的应用方法及注意问题巴耳末公式的应用方法及注意问题(1)(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征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。不能描述其他原子。(2)(2)公式中公式中n n只能取整数只能取整数, ,不能连续取值不能连续取值, ,因此波长也只是分立的因此波长也只是分立的值。值。(3)(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出来的公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出来的, ,在紫外在紫外光区的谱线也适用。光区的谱线也适用。(4)(4)应用时熟记公式应用时熟记公式, ,当当n n取不同值时求出一一对应的波长取不同

23、值时求出一一对应的波长。【即时训练】【即时训练】1.1.巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式 (n=3,4,5,),(n=3,4,5,),对此对此, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( () )A.A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式B.B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性C.C.巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式D.D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的分立性巴耳末公式准确反映了氢原子发光的分立性, ,其波长的分立其波长的分立值

24、并不是人为规定的值并不是人为规定的22111R2n ()【解题探究】【解题探究】(1)(1)巴耳末依据对巴耳末依据对_的分析总结出巴耳末的分析总结出巴耳末公式。公式。(2)(2)巴耳末公式反映氢原子发光的巴耳末公式反映氢原子发光的_。氢光谱氢光谱分立性分立性【解析】【解析】选选C C。巴耳末公式是依据对氢光谱的分析得出的。巴耳末公式是依据对氢光谱的分析得出的, ,而不而不是依据核式结构总结出的是依据核式结构总结出的,A,A错、错、C C对对; ;巴耳末公式只确定了氢原巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长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不能描述氢原子发出的各种光

25、的波长长, ,此公式反映出氢原子发光是不连续的此公式反映出氢原子发光是不连续的,B,B、D D错。错。2.(2.(多选多选) )关于巴耳末公式关于巴耳末公式 (n=3,4,5)(n=3,4,5)的理解的理解, ,正确的是正确的是( () )A.A.此公式只适用于氢原子发光此公式只适用于氢原子发光B.B.公式中的公式中的n n可以是任意数可以是任意数, ,故氢原子发光的波长是任意的故氢原子发光的波长是任意的C.C.公式中的公式中的n n是大于等于是大于等于3 3的正整数的正整数, ,所以氢原子光谱不是连续所以氢原子光谱不是连续的的D.D.该公式包含了氢原子的所有光谱线该公式包含了氢原子的所有光谱

26、线22111R2n ()【解析】【解析】选选A A、C C。巴耳末公式是分析氢原子的谱线得到的一个。巴耳末公式是分析氢原子的谱线得到的一个公式公式, ,它只反映氢原子谱线的一个线系它只反映氢原子谱线的一个线系, ,故故A A对、对、D D错错; ;公式中的公式中的n n只能取不小于只能取不小于3 3的正整数的正整数,B,B错、错、C C对。对。主题三主题三 经典电磁理论的困难经典电磁理论的困难【问题探究】【问题探究】1.1.卢瑟福的原子结构很好地解释了卢瑟福的原子结构很好地解释了粒子散射实验粒子散射实验, ,核外的电核外的电子绕核高速旋转子绕核高速旋转, ,这个结构和经典的电磁理论有什么矛盾这

27、个结构和经典的电磁理论有什么矛盾? ?提示提示: :核外电子被库仑力吸引核外电子被库仑力吸引电子以很大速度绕核运动电子以很大速度绕核运动( (绕核绕核运动的加速度不为零运动的加速度不为零)电磁场周期性变化电磁场周期性变化向外辐射电磁波向外辐射电磁波( (绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去)能量减少能量减少电子电子绕核运行轨道半径减小绕核运行轨道半径减小电子做螺旋线运动电子做螺旋线运动, ,最后落入原子核最后落入原子核中中, ,但是原子是稳定的但是原子是稳定的, ,并没有原子核外的电子落入原子核内。并没有原子核外的电子落入原子核内。所以所以, ,经典的电磁理

28、论不能解释原子核外的电子的运动情况和经典的电磁理论不能解释原子核外的电子的运动情况和原子的稳定性。原子的稳定性。2.2.通过对氢原子光谱特点的分析通过对氢原子光谱特点的分析, ,氢原子光谱是分立的线状谱氢原子光谱是分立的线状谱, ,并符合巴耳末公式并符合巴耳末公式, ,这和经典的电磁理论又有什么对立之处这和经典的电磁理论又有什么对立之处? ?经经典的电磁理论不能解释哪些地方典的电磁理论不能解释哪些地方? ?提示提示: :电子绕核运动时辐射电磁波的频率应等于电子绕核转动电子绕核运动时辐射电磁波的频率应等于电子绕核转动的频率的频率电子越转能量越小电子越转能量越小轨道半径不断减小轨道半径不断减小运行

29、频率不运行频率不断改变断改变这个变化有连续性这个变化有连续性原子辐射电磁波的频率也要不断原子辐射电磁波的频率也要不断变化变化大量原子发光的光谱应该是连续谱。据经典理论大量原子发光的光谱应该是连续谱。据经典理论, ,以上以上推理都是正确的推理都是正确的, ,但推出的结果与现实不相符但推出的结果与现实不相符, ,说明经典理论可说明经典理论可以很好地应用于宏观物体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。但不能用于解释原子世界的现象。【探究总结】【探究总结】经典电磁理论的局限经典电磁理论的局限按照经典的电磁理论按照经典的电磁理论, ,电子绕原子核做圆周运动。库仑力提供电子绕原子核做圆

30、周运动。库仑力提供向心力向心力, ,原子向外辐射电磁波原子向外辐射电磁波, ,可得出以下结论可得出以下结论: :(1)(1)原子不稳定。原子不稳定。(2)(2)原子光谱应该是连续的。原子光谱应该是连续的。实际上原子是稳定的实际上原子是稳定的, ,并且原子光谱是不连续的并且原子光谱是不连续的, ,经典电磁理论经典电磁理论与事实不符与事实不符, ,说明了经典电磁理论还不完善说明了经典电磁理论还不完善, ,不适用于我们研究不适用于我们研究的原子世界的原子世界, ,原子世界需要一个不同于经典电磁理论的新理论。原子世界需要一个不同于经典电磁理论的新理论。【即时训练】【即时训练】1.(1.(多选多选) )关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系, ,下下列说法正确的是列说法正确的是( () )A.A.经典电磁理论很容易解释原子的稳定性经典电磁理论很容易解释原子的稳定性B.B.根据经典电磁理论根据经典电磁理论, ,电子绕原子核转动时电子绕原子核转动时, ,电子会不断释放能电子会不断释放能量量, ,最后被吸附到原子核上最后被吸附到原子核上C.C.根据经典电磁理论根据经典电磁理论, ,原子光谱应该是连续的原子光谱应该是连续的D.D.原子的核式结构模型彻底否定