高中物理第3章原子世界探秘3.4光谱分析在科学技术中的应用学案沪科版选修3_5
光谱分析在科学技术中的应用(沪科版选修)解析
光谱分析在科学技术中的应用(沪科版选修)【教材分析】光谱分析及其应用是3.3节卢瑟福原子结构模型、玻尔原子理论假设的延续，是量子论观点下科学的必然发展。
教材把光谱分析按排在玻尔原子理论之后，体现了物理学的连续发展，同时，由于理论的连续性也使学生更容易接受。
本节内容虽属了解，但通过学习能进一步拓展学生视野，使学生感受物理世界的奥妙和神奇，从而激发学生的学科兴趣。
【教学目标】（一）知识与技能1．引导学生通过实验和观察了解光谱的形成，从而知道什么是光谱。
2．帮助学生学会观察光谱的方法，并能了解各种光谱的成因，从而区分各种光谱。
3．引导学生分析光谱的特点，能把光谱分析应用到科学技术中去。
（二）过程与方法帮助学生学会利用各种器材观察光谱，了解各种光谱的形成及特点，从而能把光谱分析应用到科学技术中去。
（三）情感、态度与价值观1．培养学生科学的探究方法：实验——观察——讨论——应用——总结2．激发学生的科学热情，【教学重难点】教学重点：光谱的形成及特点教学难点：仪器的使用和光谱的分析【教学思路】本节课是继玻尔理论的延续，教学中应使学生感到光谱的产生是玻尔理论的必然结果，并帮助学生通过实验——观察——讨论的方式了解各种光谱的形成、特点及分类，使学生学会分析光谱，从而将光谱分析应用到科学技术中去。
【教学器材】分光镜、小灯泡、酒精灯、食盐、光谱管、感应圈、电源【教学过程】◆新课导入根据玻尔的原子理论，物体发光是原子发生能级跃迁的结果，各种物质的原子结构不同，能级分布也不同，它们跃迁时发射的光的频率也不同，这就是我们看见“七色阳光”的原因。
本节课我们就从“七色阳光”——美丽的彩带出发，认识光谱，并利用光谱分析的方法去探索未知世界。
◆新课展示一、光谱实验观察：（引导学生用三棱镜观察太阳光谱）提出：这种彩色光带就叫光谱。
（引导学生阅读本节第一段：夫琅和费对太阳光谱的研究，并用多媒体展示太阳光谱。
）讨论：光谱与物质的化学成分有关，并注意其中有些暗线。
高二物理沪科版选修3-5全册精品课件第3章原子世界探秘第4节光谱分析在科学技术中的应用
2．发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做_发__射_光谱，包括 _连__续_光谱和_明__线_光谱．炽热的固体、液体以及 高压气体的光谱是由连续分布的包含有一切波 长的光组成的，这种光谱叫做连续谱；稀薄气 体的光谱是由一些不连续的亮线组成的，这种 光谱叫做线状谱．
二、常见光谱的产生及特点 1．连续光谱 (1)产生：炽热的固体、液体和高压气体的发射 光谱是连续谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢 水发出的光都形成连续谱． (2)特点：其光谱是连在一起的光带．
2．明线光谱：只含有一些不连续的亮线光谱． (1)产生：由游离状态的原子发射的，因此也叫 原子光谱，稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱 是线状谱．实验证明，每种元素的原子都有一 定特征的线状谱，可以使用光谱管观察稀薄气 体发光时的线状谱．
3．4 光谱分析在科学技术中的应用
3．4
课标定位 课前自主学案 核心要点突破 课堂互动讲练 知能优化训练
课标定位
学习目标：1.了解分光镜的构造和原理． 2．知道发射光谱，吸收光谱、光谱分析等概 念． 3．明确光谱产生的机理及光谱分析的特点． 重点难点：光谱的种类及产生的条件；各种 光谱的区分．
课前自主学案
思考感悟 氢原子光谱是线状谱还是连续谱？ 提示：根据玻尔理论氢原子核外电子从高能级 跃迁到低能级只能辐射一定频率的光子，因此 氢原子光谱是线状谱．
核心．
图3－4－1
A为平行光管，由两部分组成，一端有狭缝，另 一端有凸透镜，狭缝到凸透镜的距离等于一倍 焦距，狭缝入射的光经凸透镜后变成平行光线 ，射到三棱镜上．通过三棱镜P色散将不同颜色 的光分开．通过望远镜筒B可以观察光谱，在 MN上放上底片还可以拍摄光谱，管C在目镜中 有一个标尺，以便对光谱进行定量研究．
2017-2018学年高中物理 第三章 原子世界探秘 3.3 量子视野下的原子模型教案 沪科版选修3
3.3 量子视野下的原子模型三维教学目标1、知识与技能（1）了解玻尔原子理论的主要内容；（2）了解能级、能量量子化以及基态、激发态的概念。
2、过程与方法：通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生。
3、情感、态度与价值观：培养我们对科学的探究精神，养成独立自主、勇于创新的精神。
教学重点：玻尔原子理论的基本假设。
教学难点：玻尔理论对氢光谱的解释。
教学方法：教师启发、引导，学生讨论、交流。
课时安排2课时教学过程引入新课:1、α粒子散射实验的现象是什么？2、原子核式结构学说的内容是什么？3、卢瑟福原子核式结构学说与经典电磁理论的矛盾教师：为了解决上述矛盾，丹麦物理学家玻尔，在1913年提出了自己的原子结构假说。
新课教学:1、玻尔的原子理论（1）能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。
这些状态叫定态。
（本假设是针对原子稳定性提出的）（2）跃迁假设：原子从一种定态（设能量为E n ）跃迁到另一种定态（设能量为E m ）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 n m E E h -=ν（h 为普朗克恒量）（本假设针对线状谱提出）（3）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。
原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。
（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）2.玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：轨道半径：12r n r n = n=1，2，3……能 量： 121E n E n = n=1，2，3……式中r 1、E 1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，r n 、E n 分别代表第n 条可能轨道的半径和电子在第n 条轨道上运动时的能量，n 是正整数，叫量子数。
(沪科版)高中物理选修(3-5)第三章原子世界探秘教材分析
(沪科版)高中物理选修(3-5)第三章原子世界探秘教材分析一、《普通高中课程标准》原子结构部分课程标准（二）原子结构1．内容标准（1）了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。
例1 用录像片或计算机模拟，演示α粒子散射实验。
（2）通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。
例2 了解光谱分析在科学技术中的应用。
2．活动建议观看有关原子结构的科普影片。
二、课标解读内容标准 (1)了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验.。
具体要求：了解人类探索原子结构的历史以及有关经典实验。
例如，了解汤姆逊发现电子的实验和原子的“枣糕结构”模型；了解卢瑟福的α粒子散射实验和原子的“核式结构模型”；通过了解人类探索原子结构的历程，体会科学方法在科学发展中所起的作用。
.内容标准(2) 通过对氢原子光谱的分析,了解原子的能级结构。
具体要求：初步了解玻尔原子结构假说的基本内容。
例如，知道原子核外电子绕核运动的轨道半径只能取某些分立的数值；电子绕核做变速运动但不辐射能量,因而相应的状态是稳定的；原子处于能量最低的基态时最稳定，当处于较高能量状态的原子其核外电子向较低能量状态跃迁时，将以光子的形式放出能量；知道能级的概念;了解氢原子的能级，例如,了解氢原子的能级公式；能计算氢原子在两个能级,间跃迁时发射光子的频率，知道计算公式。
了解光谱的基本知识,知道氢原子光谱的实验规律，认识经典理论对氢原子光谱解释的困难，初步了解玻尔理论对氢原子光谱的解释。
三、整章教材分析1.本章知识的逻辑结构图关于阴极射线的争论 阴极射线是粒子流？ 射线是波长极短的电磁波？ 研究阴极射线的带电性质；用荷质比法测定电子的质量探究实验一 探究实验二 电子的发现及其重大意义英国化学家道尔顿的观点 物体是原子组成的，原子就像实心球，是不能再分割的科学家们对阴极射线的积极研究促使十九世纪末的三大发现 1895年伦琴发现了射线1896贝克勒尔发现了放射性 1897年汤姆生发现了电子 原子模型的提出1904年汤姆生提出枣糕模型 1911年卢瑟福根据α粒子的散射实验提出原子的核式模型吸收光谱明线光谱发射光谱连续光谱2.本章教材内容分析本章教材以人类探索原子结构的历程为线索，从电子的发现开始，展示科学家探索原子结构的过程及有关的经典实验，让学生体会人类在探究微观世界过程中的研究方法及其在现代科学发展中的作用和价值，认识在量子力学视野下的原子结构图景；最后通过对氢原子光谱的分析，让学生了解原子的能级结构，以及光谱分析在科学技术中的应用。
2016-2017学年高中物理第3章原子世界探秘3.4光谱分析在科学技术中的应用学业分层测评沪科版选修3-5
3.4 光谱分析在科学技术中的应用(建议用时：45分钟)[学业达标]1.下列物质产生连续谱的是( )A.炽热的钢水B.发亮的白炽灯C.炽热的高压气体D.固体或液体汽化成稀薄气体后发光E.氢原子的发射光谱是连续谱【解析】由于炽热的固体、液体以及高压气体的光谱包含了一切波长的光，光谱为连续光谱，而稀薄气体的光谱为线状谱，氢原子的发射光谱是不连续的，由此可知，ABC正确.【答案】ABC2.有关原子光谱，下列说法正确的是( )A.原子光谱反映了原子结构特征B.氢原子光谱跟氧原子光谱是不同的C.太阳光谱是连续谱D.鉴别物质的成分可以采用光谱分析E.原子光谱是连续谱【解析】各种原子的发射光谱都是线状谱，不同原子的线状谱不同.因此，线状谱又称为原子的特征谱线，所以A、B项正确，E错误；鉴别物质的成分可采用分析原子的线状谱，故选项D正确；太阳光通过太阳大气层后某些波长的光被吸收，因此太阳光谱是吸收光谱，不是连续谱，C错误.【答案】ABD3.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E.甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱【解析】据连续光谱的产生知A正确；由于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；甲物体发出的白光通过乙物质的蒸气形成了乙物质的吸收光谱，所以E正确.【答案】ADE4.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E.两种不同原子发光的线状谱不相同【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、E正确.【答案】BCE5.对于原子光谱，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E.分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素【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 错误，D正确；据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，E正确.故A、D、E.【答案】ADE6.同一元素的明线光谱的明线与吸收光谱的暗线是________.【解析】实验表明各种元素的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的明线光谱中的一条明线相对应.【答案】相对应的7.卢瑟福的核式结构模型正确地指出了________的存在，很好地解释了________，但是经典的物理学既无法解释原子的________，又无法解释原子光谱的________.【答案】原子核α粒子的散射定态特征谱线[能力提升]8.关于光谱，下列说法正确的是( )A.太阳光谱是吸收光谱B.太阳光谱中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的C.根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成D.根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素E.各种原子的发射光谱都是线状谱【解析】太阳光谱是吸收光谱.因为太阳是一个高温物体，它发出的白光通过温度较低的太阳大气层时，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，所以分析太阳的吸收光谱，可知太阳大气层的物质组成，而某种物质要观察到它的吸收光谱，要求它的温度不能太低，但也不能太高，否则会直接发光，由于地球大气层的温度很低，所以太阳光通过地球大气层时不会被地球大气层中的物质原子吸收.上述选项中正确的是A、B、E.【答案】ABE9.如图341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________元素.图3-4-1【解析】将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图对照，可知矿物中缺少b、d元素.【答案】b、d10.各种原子的光谱都是________，说明原子只发出几种特定频率的光.不同原子的亮线位置不同，说明不同原子的发光频率是________的.因此这些亮线称为原子的________.【解析】由于每种原子的内部结构不同，各种原子的光谱不同，因此都是线状谱；线状谱中的亮线对应相应的频率，不同原子亮线位置不同，说明发光频率不同，这些亮线称为原子的特征谱线.【答案】线状谱不一样特征谱线11.城市夜间的路灯常常用高压钠灯，其工作物质是钠，钠在被激发放电时，其辐射的谱线主要集中在钠原子的特征谱线589 nm和589.6 nm附近，这一波长的谱线正是可见光的黄光波段，所以灯光呈黄色，若用一个发出的是连续光谱的光源照射钠的冷蒸气，钠原子吸收对应的光，这时我们若通过分光镜观察光谱，可以看到什么现象？【解析】①明线光谱中的特征谱线是由钠原子的能级决定的.②而同一种元素中的吸收光谱中也吸收相应明线对应波长的光，即明线光谱中的亮线与吸收光谱的暗线相对应.【答案】在黄光区有两条暗线。
2021-2022学年高二物理沪科版选修3-5学案：第3章 原子世界探秘
学案5章末总结一、对α粒子散射试验及核式结构模型的理解例1关于α粒子散射试验现象的分析，下列说法正确的是()A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，是α粒子受力平衡的结果B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子是“中空”的C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大解析在α粒子散射试验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A错，B对；极少数α粒子发生大角度偏转，说明受到原子核明显的力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转而原子核未动，说明原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子的质量，α粒子打在电子上，不会有明显偏转，故C对，D错．答案BC二、对玻尔的原子结构模型的理解1．玻尔的原子结构模型可概括为三个要点(1)能量的量子化E n ＝1n2E 1(E n为动能、电势能之和)．(2)轨道的量子化r n＝n2r1.(3)能级跃迁量子化hν＝E m－E n(吸取或辐射确定频率的光子)．2．留意三个不同(1)一群氢原子与一个氢原子的不同：一个氢原子在一次跃迁时只能辐射一个光子，故一个氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射的光谱条数为n－1.而一群氢原子处于量子数为n的激发态时，由于向各个能级跃迁的可能性都存在，故可能辐射的光谱条数为N＝C2n＝n(n－1)2.(2)跃迁与电离的不同跃迁时只能吸取等于两个能级差的光子；电离时只要原子吸取的能量ΔE≥E∞－E n，就可以使处于定态n上的氢原子电离，当ΔE>E∞－E n时，电离后电子还具有确定的动能．(3)吸取光子跃迁与电子碰撞跃迁的不同电子碰撞原子核时，只要电子的动能大于或等于某两个能级能量差就可引起原子的激发跃迁．但由于电子的动能不是一份一份的，因此撞击时可把部分动能传给原子，剩余的部分自身保留．例2有一群氢原子处于量子数n＝4的激发态中，能发出几种频率的光子？其中最高频率、最低频率各为多少？若有一个氢原子处于量子数n＝4的激发态时，最多能发出几种频率的光子？解析一群氢原子向低能级跃迁时，各种跃迁方式都会发生，即可以从n＝4的激光态跃迁到n＝3、n＝2、n ＝1的各能级；再从n＝3的激发态跃迁到n＝2、n＝1的各能级；再从n＝2的激发态跃迁到n＝1的基态．故有N＝n(n－1)2＝6种频率的光子产生．如图所示为跃迁示意图．最高频率的光子满足hν1＝－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.75 eV＝2.04×10－18 J，ν1＝3.1×1015 Hz.最低频率的光子满足hν2＝－0.85 eV－(－1.51 eV)＝0.66 eV＝1.056×10－19 J，ν2＝1.6×1014 Hz.一个氢原子处于量子数为4的激发态时，最多能发出4－1＝3(种)频率的光子．答案6种 3.1×1015 Hz 1.6×1014 Hz3种例3当用具有1.87 eV能量的光子照射n＝3激发态的氢原子时，氢原子()A．不会吸取这个光子B．吸取该光子后被电离，电离后的动能为0.36 eVC ．吸取该光子后被电离，电离后电子的动能为零D ．吸取该光子后不会被电离解析 E 3＝E 19＝－ 1.51 eV ，即处于n ＝3激发态的氢原子吸取大于或等于1.51 eV 能量的光子后即会发生电离，所以具有1.87 eV 能量的光子能被吸取，且电离后电子动能E k ＝(1.87－1.51) eV ＝0.36 eV .可见选项B 正确． 答案 B例4 用大量具有确定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了确定数目的光谱线．调高电子的能量再次进行观测，发觉光谱线的数目比原来增加了5条．用Δn 表示两次观测中最高激发态的量子数之差，E 表示调高后电子的能量．依据氢原子的能级图(如图1所示)可以推断，Δn 和E 的可能值为( )图1A ．Δn ＝1,13.22 eV<E <13.32 eVB ．Δn ＝2,13.22 eV<E <13.32 eVC ．Δn ＝1,12.75 eV<E <13.06 eVD ．Δn ＝2,12.75 eV<E <13.06 eV解析 由于原子发光时间谱线的数目为C 2m ＝m (m －1)2，调高电子的能量后光谱线的数目为C 2n ＝n (n －1)2，由C 2n －C 2m＝5得n ＝4，m ＝2和n ＝6，m ＝5，故存在两种可能性．又由于是电子轰击，故电子的能量必需大于或等于某两个能级间的能量差，当Δn ＝2时应满足13.6 eV －0.85 eV<E <13.6 eV －0.54 eV ，即D 对；当Δn ＝1时应满足13.6 eV －0.38 eV<E <13.6 eV －0.28 eV ，即A 对． 答案 AD三、玻尔原子结构与力学的综合一般认为电子绕原子核做匀速圆周运动，电子与原子核间的库仑力供应向心力，由此可利用相关学问列方程求解某些问题．例5 氢原子辐射出一个光子后，则( ) A ．电子绕核旋转的半径增大B ．电子的动能增大C ．氢原子的电势能增大D ．原子的能级值增大解析 由玻尔理论可知，当氢原子辐射出一个光子后，氢原子将由高能级跃迁到低能级，即原子的能级减小，同时，氢原子核外电子的轨道半径将减小，故A 、D 选项错误．核外电子绕核运动的向心力由氢核对电子的库仑力供应，故有 k e 2r 2＝m v 2r则电子的动能为E k ＝12m v 2＝ke 22r可见r 减小时，电子的动能增大，B 选项正确．当核外电子的轨道半径减小时，原子核对电子的库仑力做正功，因而氢原子的电势能减小，C 选项错误． 答案 B1．下列关于原子结构的说法中正确的是( ) A ．电子的发觉说明白原子内部还有简洁结构 B ．α粒子散射试验揭示了原子的核式结构 C ．α粒子散射试验中绝大多数都发生了较大偏转D ．α粒子散射试验中有的α粒子发生较大偏转，是α粒子与原子发生碰撞所致 答案 AB解析 电子的发觉，证明白原子内部存在带正电的物体，α粒子的散射试验说明白原子内部很空旷，揭示了原子的内部结构．2．一个氢原子中的电子从一半径为r a 的轨道自发地直接跃迁至另一半径为r b 的轨道，已知r a >r b ，则在此过程中( )A ．原子要辐射一系列频率的光子B ．原子要吸取一系列频率的光子C ．原子要吸取某一频率的光子D ．原子要辐射某一频率的光子 答案 D解析 由于是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，因此B 、C 错误．“直接”从一能级跃迁至另一能级，只对应某一能级差，故只能辐射某一频率的光子．3．已知氢原子的基态能量为－13.6 eV，当一群处于量子数为n＝3的激发态的氢原子发生跃迁时，可能辐射的光子能量是()A．1.5 eVB．12.09 eVC．1.89 eV、12.09 eVD．1.89 eV、10.2 eV、12.09 eV答案D4．关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是()A．用能量为20.75 eV的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子B．用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态C．用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D．用能量为12.5 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态答案AB解析氢原子的电离能ΔE＝0－(－13.6) eV＝13.6 eV<20.75 eV所以可使氢原子电离，A正确．由hν＝E m－E1得E m1＝hν＋E1＝10.2 eV＋(－13.6) eV＝－3.4 eVE m2＝11.0 eV＋(－13.6) eV＝－2.6 eVE m3＝12.5 eV＋(－13.6) eV＝－1.1 eV由E ＝E1n2得，只有E m1＝－3.4 eV对应于n＝2的状态．由于电子绕核运动时吸取光子只能吸取恰好为两能级能量差的光子，所以只有B可使氢原子从基态跃迁到激发态．5．汞原子的能级图如图2所示，现让一束单色光照射到大量处于基态的汞原子上，汞原子只发出三种不同频率的单色光．那么，关于入射光的能量，下列说法正确的是()图2A．可能大于或等于7.7 eV B．可能大于或等于8.8 eVC．确定等于7.7 eVD．包含2.8 eV、4.9 eV、7.7 eV三种答案C解析汞原子发出三种不同频率的单色光说明汞原子确定吸取能量从基态跃迁到n＝3的激发态上，其能级差为ΔE＝E3－E1＝7.7 eV，故C正确．6．用12.6 eV的电子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？若能引起，则可以使氢原子跃迁到哪些能级上？若用12.6 eV的光子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？答案能n＝2和n＝3不能解析依据氢原子的能级图并分析两能级差可知，当用电子去轰击处于基态的氢原子样品时，由于12.6 eV>10.2 eV,12.6 eV>12.09 eV,12.6 eV<12.75 eV，故可以使氢原子跃迁到n＝2和n＝3的能级上．但用光子去轰击处于基态的氢原子样品时，入射光子的能量必需为两能级的能量差值，即10.2 eV、12.09 eV、12.75 eV、…所以用12.6 eV的光子去轰击时不能引起氢原子的跃迁．7．处于n＝3的氢原子能够自发地向低能级跃迁，(1)跃迁过程中电子动能和原子能量如何变化？(2)可能辐射的光子波长是多少？(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)答案(1)电子动能增大，原子能量减小(2)6.58×10－7 m 1.03×10－7 m 1.22×10－7 m解析(1)电子从外轨道进入内轨道，半径变小，由于ke2r2＝m v2r则E k＝12m v2＝ke22r，由此可知动能增大；在此过程中，原子向外辐射光子，因此原子能量减小．(2)原子的可能跃迁及相应波长①从n＝3到n＝2而E3＝－1.51 eV，E2＝－3.4 eV由hν＝h cλ＝E m－E n得λ1＝hcE3－E2＝6.63×10－34×3×1081.89×1.6×10－19m＝6.58×10－7 m②从n＝3到n＝1而E1＝－13.60 eVλ2＝hcE3－E1＝6.63×10－34×3×10812.09×1.6×10－19m＝1.03×10－7 m③从n＝2到n＝1，则λ3＝hcE2－E1＝6.63×10－34×3×10810.2×1.6×10－19m＝1.22×10－7 m。
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动，说明 α 粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原
本 子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故 A
学 案
错，B 对；极少数 α 粒子发生大角度偏转，说明受到原子核
栏 目
明显的力的作用的空间在原子内很小，α 粒子偏转而原子核
开 关
未动，说明原子核的质量和电荷量远大于 α 粒子的质量和
电荷量，电子的质量远小于 α 粒子的质量，α 粒子打在电
栏 目 开
子的能量后光谱线的数目为 C2n＝nn－ 2 1，由 Cn2－Cm2 ＝5 得 n＝4，
关 m＝2 和 n＝6，m＝5，故存在两种可能性．又由于是电子轰击，
故电子的能量必须大于或等于某两个能级间的能量差，当 Δn＝
2 时应满足 13.6 eV－0.85 eV<E<13.6 eV－0.54 eV，即 D 对；当
学案5
图1 ()
专题·整合区
学案5
A．Δn＝1,13.22 eV<E<13.32 eV
B．Δn＝2,13.22 eV<E<13.32 eV
C．Δn＝1,12.75 eV<E<13.06 eV
D．Δn＝2,12.75 eV<E<13.06 eV
本 学 案
解析
由于原子发光时光谱线的数目为 C2m＝mm2－1，调高电
因此 B、C 错误．“直接”从一能级跃迁至另一能级，
只对应某一能级差，故只能辐射某一频率的光子．
自我·检测区
学案5
3．已知氢原子的基态能量为－13.6 eV，当一群处于量子数
本
为 n＝3 的激发态的氢原子发生跃迁时，可能辐射的光
学
子能量是
案
高中物理 第3章 原子世界探秘学案 沪科版选修35
第3章原子世界探秘一、对α粒子散射实验及核式结构模型的理解例1关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是( )A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，是α粒子受力平衡的结果B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子是“中空”的C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大解析在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A错，B 对；极少数α粒子发生大角度偏转，说明受到原子核明显的力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转而原子核未动，说明原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子的质量，α粒子打在电子上，不会有明显偏转，故C对，D错．答案BC二、对玻尔的原子结构模型的理解1．玻尔的原子结构模型可概括为三个要点(1)能量的量子化E n ＝1n2E 1(E n 为动能、电势能之和)．(2)轨道的量子化r n ＝n 2r 1.(3)能级跃迁量子化hν＝E m －E n (吸收或辐射一定频率的光子)． 2．注意三个不同(1)一群氢原子与一个氢原子的不同：一个氢原子在一次跃迁时只能辐射一个光子，故一个氢原子处于量子数为n 的激发态时，可能辐射的光谱条数为n －1.而一群氢原子处于量子数为n 的激发态时，由于向各个能级跃迁的可能性都存在，故可能辐射的光谱条数为N ＝C 2n ＝n n －12. (2)跃迁与电离的不同跃迁时只能吸收等于两个能级差的光子；电离时只要原子吸收的能量ΔE ≥E ∞－E n ，就可以使处于定态n 上的氢原子电离，当ΔE >E ∞－E n 时，电离后电子还具有一定的动能． (3)吸收光子跃迁与电子碰撞跃迁的不同电子碰撞原子核时，只要电子的动能大于或等于某两个能级能量差就可引起原子的激发跃迁．但由于电子的动能不是一份一份的，因此撞击时可把部分动能传给原子，剩余的部分自身保留．例2 有一群氢原子处于量子数n ＝4的激发态中，能发出几种频率的光子？其中最高频率、最低频率各为多少？若有一个氢原子处于量子数n ＝4的激发态时，最多能发出几种频率的光子？解析 一群氢原子向低能级跃迁时，各种跃迁方式都会发生，即可以从n ＝4的激光态跃迁到n ＝3、n ＝2、n ＝1的各能级；再从n ＝3的激发态跃迁到n ＝2、n ＝1的各能级；再从n ＝2的激发态跃迁到n ＝1的基态．故有N ＝n n －12＝6种频率的光子产生．如图所示为跃迁示意图．最高频率的光子满足hν1＝－0.85 eV －(－13.6 eV)＝12.75 eV ＝2.04×10－18 J ， ν1＝3.1×1015 Hz.最低频率的光子满足hν2＝－0.85 eV －(－1.51 eV)＝0.66 eV ＝1.056×10－19J ，ν2＝1.6×1014Hz.一个氢原子处于量子数为4的激发态时，最多能发出4－1＝3(种)频率的光子． 答案 6种 3.1×1015Hz 1.6×1014Hz 3种例3 当用具有1.87 eV 能量的光子照射n ＝3激发态的氢原子时，氢原子( ) A ．不会吸收这个光子B ．吸收该光子后被电离，电离后的动能为0.36 eVC ．吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零D ．吸收该光子后不会被电离解析 E 3＝E 19＝－1.51 eV ，即处于n ＝3激发态的氢原子吸收大于或等于1.51 eV 能量的光子后即会发生电离，所以具有1.87 eV 能量的光子能被吸收，且电离后电子动能E k ＝(1.87－1.51) eV ＝0.36 eV.可见选项B 正确． 答案 B例4 用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线．调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条．用Δn 表示两次观测中最高激发态的量子数之差，E 表示调高后电子的能量．根据氢原子的能级图(如图1所示)可以判断，Δn 和E 的可能值为( )图1A ．Δn ＝1,13.22 eV<E <13.32 eVB ．Δn ＝2,13.22 eV<E <13.32 eVC ．Δn ＝1,12.75 eV<E <13.06 eVD ．Δn ＝2,12.75 eV<E <13.06 eV解析 由于原子发光时光谱线的数目为C 2m ＝m m －12，调高电子的能量后光谱线的数目为C 2n ＝n n －12，由C 2n －C 2m ＝5得n ＝4，m ＝2和n ＝6，m ＝5，故存在两种可能性．又由于是电子轰击，故电子的能量必须大于或等于某两个能级间的能量差，当Δn ＝2时应满足13.6 eV －0.85 eV<E <13.6 eV －0.54 eV ，即D 对；当Δn ＝1时应满足13.6 eV －0.38 eV<E <13.6 eV －0.28 eV ，即A 对． 答案 AD三、玻尔原子结构与力学的综合一般认为电子绕原子核做匀速圆周运动，电子与原子核间的库仑力提供向心力，由此可利用相关知识列方程求解某些问题．例5 氢原子辐射出一个光子后，则( ) A ．电子绕核旋转的半径增大 B ．电子的动能增大 C ．氢原子的电势能增大 D ．原子的能级值增大解析 由玻尔理论可知，当氢原子辐射出一个光子后，氢原子将由高能级跃迁到低能级，即原子的能级减小，同时，氢原子核外电子的轨道半径将减小，故A 、D 选项错误．核外电子绕核运动的向心力由氢核对电子的库仑力提供，故有k e 2r 2＝mv 2r则电子的动能为E k ＝12mv 2＝ke 22r可见r 减小时，电子的动能增大，B 选项正确．当核外电子的轨道半径减小时，原子核对电子的库仑力做正功，因而氢原子的电势能减小，C 选项错误． 答案 B1．下列关于原子结构的说法中正确的是( ) A ．电子的发现说明了原子内部还有复杂结构 B ．α粒子散射实验揭示了原子的核式结构 C ．α粒子散射实验中绝大多数都发生了较大偏转D ．α粒子散射实验中有的α粒子发生较大偏转，是α粒子与原子发生碰撞所致答案AB解析电子的发现，证明了原子内部存在带正电的物体，α粒子的散射实验说明了原子内部很空旷，揭示了原子的内部结构．2．一个氢原子中的电子从一半径为r a的轨道自发地直接跃迁至另一半径为r b的轨道，已知r a>r b，则在此过程中( )A．原子要辐射一系列频率的光子B．原子要吸收一系列频率的光子C．原子要吸收某一频率的光子D．原子要辐射某一频率的光子答案 D解析因为是从高能级向低能级跃迁，所以应放出光子，因此B、C错误．“直接”从一能级跃迁至另一能级，只对应某一能级差，故只能辐射某一频率的光子．3．已知氢原子的基态能量为－13.6 eV，当一群处于量子数为n＝3的激发态的氢原子发生跃迁时，可能辐射的光子能量是( )A．1.5 eVB．12.09 eVC．1.89 eV、12.09 eVD．1.89 eV、10.2 eV、12.09 eV答案 D4．关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是( )A．用能量为20.75 eV的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子B．用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态C．用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D．用能量为12.5 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态答案AB解析氢原子的电离能ΔE＝0－(－13.6) eV＝13.6 eV<20.75 eV所以可使氢原子电离，A正确．由hν＝E m－E1得E m1＝hν＋E1＝10.2 eV＋(－13.6) eV＝－3.4 eVE m 2＝11.0 eV ＋(－13.6) eV ＝－2.6 eVE m 3＝12.5 eV ＋(－13.6) eV ＝－1.1 eV由E ＝E 1n2得，只有E m 1＝－3.4 eV 对应于n ＝2的状态．由于电子绕核运动时吸收光子只能吸收恰好为两能级能量差的光子，所以只有B 可使氢原子从基态跃迁到激发态．5．汞原子的能级图如图2所示，现让一束单色光照射到大量处于基态的汞原子上，汞原子只发出三种不同频率的单色光．那么，关于入射光的能量，下列说法正确的是( )图2A ．可能大于或等于7.7 eVB ．可能大于或等于8.8 eVC ．一定等于7.7 eVD ．包含2.8 eV 、4.9 eV 、7.7 eV 三种 答案 C解析 汞原子发出三种不同频率的单色光说明汞原子一定吸收能量从基态跃迁到n ＝3的激发态上，其能级差为ΔE ＝E 3－E 1＝7.7 eV ，故C 正确．6．用12.6 eV 的电子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？若能引起，则可以使氢原子跃迁到哪些能级上？若用12.6 eV 的光子去轰击处于基态的氢原子样品时，能否引起氢原子的跃迁？ 答案 能 n ＝2和n ＝3 不能解析 根据氢原子的能级图并分析两能级差可知，当用电子去轰击处于基态的氢原子样品时，因为12.6 eV>10.2 eV,12.6 eV>12.09 eV,12.6 eV<12.75 eV ，故可以使氢原子跃迁到n ＝2和n ＝3的能级上．但用光子去轰击处于基态的氢原子样品时，入射光子的能量必须为两能级的能量差值，即10.2 eV 、12.09 eV 、12.75 eV 、…所以用12.6 eV 的光子去轰击时不能引起氢原子的跃迁．7．处于n ＝3的氢原子能够自发地向低能级跃迁， (1)跃迁过程中电子动能和原子能量如何变化？(2)可能辐射的光子波长是多少？(普朗克常量h ＝6.63×10－34J·s)答案 (1)电子动能增大，原子能量减小(2)6.58×10－7 m 1.03×10－7 m 1.22×10－7m解析 (1)电子从外轨道进入内轨道，半径变小，由于ke 2r 2＝mv 2r 则E k ＝12mv 2＝ke22r，由此可知动能增大；在此过程中，原子向外辐射光子，因此原子能量减小． (2)原子的可能跃迁及相应波长 ①从n ＝3到n ＝2而E 3＝－1.51 eV ，E 2＝－3.4 eV 由hν＝h cλ＝E m －E n 得λ1＝hcE 3－E 2＝6.63×10－34×3×1081.89×1.6×10－19 m＝6.58×10－7m ②从n ＝3到n ＝1 而E 1＝－13.60 eVλ2＝hcE 3－E 1＝6.63×10－34×3×10812.09×1.6×10－19 m ＝1.03×10－7 m ③从n ＝2到n ＝1，则λ3＝hc E 2－E 1＝6.63×10－34×3×10810.2×1.6×10－19 m ＝1.22×10－7m。
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3.4 光谱分析在科学技术中的应用
一、发射光谱和吸收光谱 1．光谱：日光通过三棱镜后发生色散得到的彩色光带。
按形成的条件，将光谱分为发射光谱和吸收光谱。
2
．发射光谱：物体发光直接产生的光谱，包括连续光谱和明线光谱。
连续光谱是由包含一切波长的光组成的，线状谱是由一些不连续的亮线组成的。
3．吸收光谱：物体发出的白光，通过温度较低的物质蒸气时，某些波长的光被该物质吸收后形成的光谱，吸收光谱是在连续光谱的背景下出现了若干条暗线。
4．特征谱线：实验表明，各种原子吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子发射光谱中的一条亮线相对应，因此说，明线光谱和吸收光谱都是原子的特征谱线。
预习交流1
拍摄下月球的光谱，能分析月球上有哪些元素吗？
答案：不能。
月球本身不发光，它反射的是太阳光，故不能用拍摄下月球的光谱来分析月球的元素。
二、光谱分析的应用
1．光谱分析：由于每种元素都有自己的特征谱线，因此可以通过光谱来鉴别物质和确定它们的化学组成。
2．应用：鉴别产品的纯度、发现新元素、研究天体的物质成分、鉴定文物等。
预习交流2
利用白炽灯的光谱能检测出灯丝所含的元素吗？
答案：不能。
白炽灯的光谱是连续光谱，不是原子的特征谱线，故不能检测出灯丝的成分。
一、光谱的分类
光谱分几类？你能对各类光谱梳理整合吗？
答案：
关于光谱的下列说法中正确的是（）。
A．连续谱和线状谱都是发射光谱
B．线状谱的谱线含有原子的特征谱线
C．固体、液体和气体的发射光谱是连续谱，只有金属蒸气的发射光谱是线状光谱
D．在吸收光谱中，低温气体原子吸收的光恰好就是这种气体原子在高温时发出的光答案：ABD
解析：发射光谱分为连续谱、线状谱，线状谱的谱线含有原子的特征谱线，故A、B项正确；由吸收光谱的产生原理可知D项正确。
炽热的固体、液体和高压气体产生的是连续光谱，故C错。
光谱问题的分析方法
解决光谱和光谱分析的问题，应从分析光谱成因入手，理解不同谱线的特征。
（1）连续谱和线状谱都是物体直接发光产生的光谱，同属发射光谱。
连续谱由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形成，光谱为一条光带，含有各种频率的光。
线状谱是由稀薄气体或金属蒸气产生的。
光谱是一些不连续的亮线，仅含有一些特定频率的光。
线状谱中每条光谱线对应着一种频率，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成分。
（2）太阳光谱是吸收光谱，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产生的光谱，光谱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。
二、光谱分析及应用
光谱分析的理论依据是什么？
答案：光谱分析的理论依据：
由于各种原子结构不同，能级分布也各异，不同的能级差对应不同频率的光，对应不同的亮线，表现出不连续性，因此它们发射的光的频率也不同。
利用不同原子都有自己的特定谱线可以来鉴别物质和确定物质的组成成分。
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正确的是（）。
A．利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B．利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C．高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D．同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线，由于光谱的不同，它们没有关系
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是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。
1．光谱分析时，既可以利用发射光谱，也可以利用吸收光谱，这是由于原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱的一条亮线相对应。
2．光谱分析的特点是灵敏而迅速。
1．白炽灯发光产生的光谱是（）。
A．连续谱B．线状谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
答案：A
2．（2011·湖州高二检测）关于光谱，下列说法正确的是（）。
A．大量原子发出的光谱是连续谱，少量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．作光谱分析时只能用发射光谱，不能用吸收光谱
D．作光谱分析时只能用吸收光谱，不能用发射光谱
答案：B
3．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．稀薄气体发出的光谱是线状谱
D．月亮的光谱是连续谱
答案：C
解析：稀薄气体发出的光谱是线状谱，故A错，C对；月亮本身不发光，它反射太阳光，而太阳光是吸收光谱，所以月亮光是吸收光谱，D错；高温物体发射的是连续谱，如白炽灯，故B错。
4．关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是（）。
A．发射光谱包括连续谱和线状谱
B．太阳光谱是连续谱，氢光谱是线状谱
C．线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析
D．光谱分析帮助人们发现了许多新元素
答案：ACD
解析：根据光谱的形成条件，可分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱包括连续谱和线状谱，故A项对；太阳发出的白光通过太阳大气层时，某些波长的光被吸收掉了，在它的连续谱中有许多暗线，是吸收光谱，B项错；每种原子的线状谱中的亮线与该原子的吸收光谱中
的暗线是对应的，都是特征谱线，可用作光谱分析，C项对；据光谱分析的应用可知D项对。
5．一群氢原子核外电子由离核较远（n＞2）的轨道向离核较近的轨道跃迁，则（）。
A．可能吸收若干频率不同的光子，形成由若干条暗线组成的光谱
B．可能放出若干频率不同的光子，形成由若干条明线组成的光谱
C．只吸收频率一定的光子，形成只有一条暗线组成的光谱
D．只放出频率一定的光子，形成只有一条明线组成的光谱
答案：B
解析：氢原子核外电子由离核较远（n＞2）的轨道向离核较近的轨道跃迁，就是从较高的激发态，向较低的激发态（或基态）跃迁，所以必定是放出光子，又由于氢原子核为一群，每个氢原子核外电子的跃迁是自发的，形成若干频率不同的光子，从而组成由若干条明线组成的光谱，因此，选项B正确。