第三节 氢原子光谱
学 习 目 标 ※ 了解光谱的定义与分类 知 识 导 图
知识点1 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
(1)线状谱：由__一条条的亮线__组成的光谱。
(2)连续谱：由__连在一起__的光带组成的光谱。
3．特征谱线
各种原子的发射光谱都是__线状谱__，且不同原子的亮线位置__不同__，故这些亮线称为原子的__特征__谱线。
4．光谱光析
由于每种原子都有自己的__特征谱线__，可以利用它来鉴别__物质__和确定物质的__组成成分__，这种方法称为光谱分析，它的优点是__灵敏度__高，样本中一种元素的含量达到__10－10g__时就可以被检测到。
知识点2 氢原子光谱的实验规律
1．光的产生
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__的一条重要途径。
2．巴耳末公式
1λ
＝__R ????122－1n 2__(n ＝3,4,5…) 3．巴耳末公式的意义
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__特征。
知识点3 经典理论的困难
1．核式结构模型的成就
正确地指出了__原子核__的存在，很好的解释了__α粒子散射实验__。
2．经典理论的困难
经典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__。
预习反馈
『判一判』
(1)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。(×)
(2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。(√)
(3)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。(√)
(4)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素。(√)
(5)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象。(×)
『选一选』
(多选)关于巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5…)的理解，正确的是( AC ) 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
D ．该公式包含了氢原子的所有光谱线
解析：巴耳末公式是分析氢原子的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。
『想一想』
能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分？
答案：不能。月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。
探究一 光谱和光谱分析
S 思考讨论i kao tao lun 1
早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱，如图所示。研究光谱有哪方面的意义？
提示：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。
G 归纳总结ui na zong jie
1．光谱的分类
光谱—?
?????
????????→发射光谱
???????? →定义：由发光体直接产生的光谱→连续光谱?????
产生条件：炽热的固体、液体和 高压气体发光形成的光谱形式：连续分布，一切 波长的光都有→线状光谱(原子光谱)????? 产生条件：稀薄气体发光形成 的光谱光谱形成：一些不连续的明线 组成，不同元素的明线光谱 不同(又叫特征光谱)→吸收光谱?????→定义：连续光谱中某些波长的光被物质
吸收后产生的光谱→产生条件：炽热的白光通过温度较白光低 的气体后，再色散形成的→光谱形成：用分光镜观察时，见到连续光谱 背景上出现一些暗线(与特征谱线相对应) 2．太阳光谱 (1)太阳光谱的特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线，是一种吸收光谱。 (2)对太阳光谱的解释：阳光中含有各种颜色的光，但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光，然后再向四面八方发射出去，到达地球的这些谱线看起来就暗了，这就形成了连续谱背景下的暗线。 3．光谱分析 这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。某种元素在物质中的含量达10－10克，就可以从
光谱中发现它的特征谱线将其检查出来。光谱分析在科学技术中有广泛的应用：
(1)检查物质的纯度。
(2)鉴别和发现元素。
(3)天文学上光谱的红移表明恒星的远离等等。
特别提醒：光谱分析可以使用发射光谱中的线状谱，也可以使用吸收光谱，因它们都有原子自身的特征谱线，但不能使用连续光谱。
D 典例剖析ian li pou xi
典例1 (多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是( BC )
A ．太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B ．煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C ．进行光谱分析时，可以用线状谱，不能用连续光谱
D．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分
解题指导：要明确光谱和物质发光的对应关系，炽热的固体、液体和高压气体发出的是连续光谱，而稀薄气体发射的是线状谱。
解析：太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱，正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致，白炽灯发出的是连续光谱，A 错误；月球本身不会发光，靠反射太阳光才能使我们看到它，所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分，D错误；光谱分析只能是线状谱和吸收光谱，连续光谱是不能用来做光谱分析的，所以C正确；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯都是稀薄气体发出的光，产生的光谱都是线状谱，B正确。,
〔对点训练1〕(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(BD)
A．a元素B．b元素
C．c元素D．d元素
解析：把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b、d元素的谱线在该线状谱中不存在，故B、D正确。
探究二氢原子光谱的实验规律
S
思考讨论
i kao tao lun 2
氢原子是自然界中最简单的原子，对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息，对于研究更复杂的原子的结构有指导意义。从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示，氢原子的光谱为线状谱。
试分析氢原子光谱的分布特点。
提示：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。
G 归纳总结
ui na zong jie
1．氢原子光谱实验
在充有稀薄氢气的放电管两极间加上2kV～3kV的高压，使氢气放电，氢原子在电场的激发下发光，通过分光镜观察氢原子的光谱。(实验装置如图所示)
2．实验现象
在可见光区内，观察到波长分别为656.47nm、486.27nm、434.17nm、410.29nm的四条谱线，分别用符号Hα、Hβ、Hγ、Hδ表示。(见下图)
3．巴耳末公式
1
λ＝R(1
22－1
n2)n＝3,4,5……式中n只能取整数，R称为里德伯常量R＝1.10×107m
－1。
①巴耳末线系的4条谱线都处于可见光区。
②在巴耳末线系中n 值越大，对应的波长λ越短，即n ＝3时，对应的波长最长；n ＝6时，对应的波长最短。
③除了巴耳末线系，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。
4．其他谱线
除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴其末公式类似的关系式。
D 典例剖析ian li pou xi
典例2 巴耳末系谱线波长满足巴耳末公式 1λ＝R (122－1n
2)，式中n ＝3,4,5，…在氢原子光谱可见光区，最长波长与最短波长之比为( D )
A ．95
B ．43
C ．98
D ．85
解题指导：注意氢原子光谱可见光区的四条谱线对应n 的取值分别为3,4,5,6，n 的取值越小，波长越大。
解析：巴耳末系的前四条谱线在可见光区，n 的取值分别为3,4,5,6。n 越小，λ越大，
故n ＝3时波长最大，λmax ＝365R ；n ＝6时波长最小，λmin ＝368R ，故λmax λmin ＝85
，D 正确。, 〔对点训练2〕 对于巴耳末公式下列说法正确的是( C )
A ．所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应
B ．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
C ．巴耳末公式确定了氢原子发光一组谱线的波长，其中既有可见光，又有紫外光
D ．巴耳末公式确定了各种原子发光中的光的波长
解析：巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一组谱线的波长，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，故A 、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，但它也适用于可见光和紫外光，故B 错误，C 正确。
易错点：对光谱和光谱分析认识不正确
案例 关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是( D )
A ．太阳光谱和白炽灯光谱都是发射光谱
B ．冶炼时的炼钢炉流出的铁水的光谱是线状谱
C ．光谱都可以用于物质成分的分析
D ．分析恒星的光谱，可以确定该恒星的化学成分
易错分析：不明确太阳光经过太阳大气层射到地球后，已是吸收光谱，而错选A ；不明确光谱分析的本质，认为光谱都可以用于物质成分的分析而错选C 。
正确解答：因为太阳光谱为吸收光谱，故A 错误；高温铁水是炽热液体，所产生的光谱为连续谱，B 错误；线状谱(明线光谱)、吸收光谱的谱线是原子的特征谱线，是原子辐射、吸收光子产生的光谱，可用于光谱分析。而连续谱无原子的特征谱线，故不能应用于光谱分析，C 错误；除恒星外的行星、卫星自身不发光，它们能反射太阳光，所以可利用光谱分析判断恒星的化学组成，故D 正确。
正确答案：D
1．(山东省滨州市2019～2019学年高二上学期期末)下列说法正确的是( B )
A ．汤姆逊首先发现了电子，并测定了电子电荷量
B ．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C ．光电效应现象揭示了光的波动性
D ．氢原子的发射光谱是连续谱
解析：汤姆逊首先发现了电子，提出了“枣糕”式原子模型，密立根测定了电子电荷量，故A 错误；α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，故B 正确；光电效应现象揭示了光的粒子性，故C 错；氢原子的发射光谱是不连续谱，只能发出特定频率的谱线，故D 错。
2．(河北省保定市2019～2019学年高二下学期期中)太阳的连续光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线，产生这些暗线是由于( C )
A ．太阳表面大气层中缺少相应的元素
B ．太阳内部缺少相应的元素
C ．太阳表面大气层中存在着相应的元素
D ．太阳内部存在着相应的元素
解析：太阳光谱是太阳内部发出的光在经过太阳大气的时候，被太阳大气层中的某些元素吸收而产生的，是一种吸收光谱。所以太阳光的光谱中有许多暗线，它们对应着太阳大气层中的某些元素的特征谱线，故C 正确，A 、B 、D 错误。
3．(多选)(山东德州2019－2019学年高三模拟)关于巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5…)的理解，正确的是( AC )
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
D ．该公式包含了氢原子的所有光谱线
解析：巴耳末公式是分析氢原子的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。
基础夯实
一、选择题(1～3题为单选题，4、5题为多选题)
1．卢瑟福的原子核式结构学说初步建立了原子核结构的正确图景，解决的问题有(A)
A．解释了α粒子散射现象
B．原子中存在电子
C．结合经典电磁理论解释原子的稳定性
D．结合经典电磁理论解释氢光谱
解析：通过α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，而经典电磁理论并不能解释原子的稳定性和氢原子光谱，A正确，B、C、D错误。
2．下列关于光谱的说法正确的是(C)
A．月光是连续光谱
B．日光灯产生的光谱是连续光谱
C．酒精灯中燃烧的钠蒸气所产生的光谱是线状谱
D．白光通过温度较低的钠蒸气，所产生的光谱是线状谱
解析：月光是反射的太阳光，是吸收光谱，故选项A错。日光灯是低压蒸气发光，所以产生的是线光谱，故选项B错。酒精灯中燃烧的钠蒸气属于低压气体发光产生线状谱，故选项C正确，选项D错。
3．巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式1
λ＝R(
1
22－
1
n2)(n＝3,4,5…)，对此，下
列说法正确的是(C)
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分立性，其波长的分立值并不是人为规定的解析：巴耳末公式是依据对氢光谱的分析得出的，而不是依据核式结构总结出的，A错、C对；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，此公式反映出氢原子发光是不连续的，B、D错。
4．关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系，下列说法正确的是(BC)
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
解析： 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，原子不应该是稳定的，并且发射的光谱应该是连续的。氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论，是要引入新的观念了。故正确答案为B 、C 。
5．关于太阳光谱，下列说法正确的是( BC )
A ．太阳光谱为连续谱
B ．太阳光谱为吸收光谱
C ．研究太阳光谱，可以了解太阳大气层的物质成分
D ．研究太阳光谱，可以了解地球大气层的物质成分
解析：弄清太阳光谱的成因。太阳光谱是吸收光谱，是通过太阳大气层后，被太阳大气层中物质吸收后形成的光谱。而吸收光谱的谱线与这种元素的线状谱是对应的，因此分析吸收光谱，也可了解物质的组成，故B 、C 正确。
二、非选择题
6．利用①白炽灯 ②蜡烛 ③霓虹灯 ④在酒精火焰中烧钠和钾的盐所产生的光谱中，能产生连续光谱的有__①和②__，能产生明线光谱的有__③和④__。
解析：白炽灯是炽热物体，是连续光谱，蜡烛是化学反应燃烧发光也是连续光谱；霓虹灯是稀薄气体发光，是明线光谱；在酒精火焰上钠或钾的盐，会使钠或钾的盐分解为钠离子或钾离子，即使钠或钾处于电离态，当它们向基态跃迁时，会放出光子形成钠或钾的特征谱线，形成明线光谱，所以题中①和②属于连续光谱，③和④属于明线光谱。
7．在可见光范围内波长最长的2条谱线所对应的n 和它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？
答案：n ＝3时，λ＝6.5×10－7m ，n ＝4时，λ＝4.8×10－
7m
解析：据公式1λ＝R (122－1n 2) n ＝3,4,5，…… 当n ＝3时，波长λ最大，其次是n ＝4时，
当n ＝3时，1λ1＝1.10×107×(14－19
) 解得λ1＝6.5×10－7m
当n ＝4时，1λ2＝1.10×107×(14－116
) 解得λ2＝4.8×10－7m
氢原子光谱是由一系列不连续的谱线组成的线状谱。
能力提升
一、选择题(1、2题为单选题，3～5题为多选题)
1．(黄冈中学2019～2019学年高二下学期期中)关于原子的特征谱线，下列说法不正确
的是(D)
A．不同原子的发光频率是不一样的，每种原子都有自己的特征谱线
B．原子的特征谱线可能是由于原子从高能级向低能级跃迁时放出光子而形成的
C．可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分
D．原子的特征谱线是原子具有核式结构的有力证据
解析：不同原子的发光频率是不一样的，每种原子都有自己的特征谱线，故不同原子的发光频率是不一样的，每种原子都有自己的特征谱线，选项A正确；原子的特征谱线可能是由于原子从高能级向低能级跃迁时放出光子而形成的，故选项B正确；每种原子都有自己的特征谱线，可以用特征谱线进行光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分，故选项C 正确；α粒子散射实验是原子具有核式结构的有力证据，故选项D错误。
2．对原子光谱，下列说法不正确的是(B)
A．原子光谱是不连续的
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．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素
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；对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。
3．下列对氢原子光谱实验规律的认识中，正确的是(AB)
A．虽然氢原子核外只有一个电子，但氢原子也能产生多种波长的光
B．氢原子产生的光谱是一系列波长不连续的谱线
C．氢原子产生的光谱是一系列亮度不连续的谱线
D．氢原子产生的光的波长大小与氢原子放电管放电强弱有关
解析：氢原子光谱是线状谱，波长是一系列不连续的、分立的特征谱线，并不是只含有一种波长的光，不是亮度不连续的谱线，选项A、B正确，选项C错误；氢原子光谱是氢原子的特征谱线，只要是氢原子发出的光，光谱就相同，与放电管的放电强弱无关，选项D 错误。
4．通过光栅或棱镜获得物质发光的光谱(ACD)
A．按光的频率顺序排列B．按光子的质量大小排列
C．按光的速度大小排列D．按光子的能量大小排列
解析：光谱是将光按波长展开的，而波长与频率相对应，故A正确；光子没有质量，各种色光在真空中传播速度相同，在介质中传播速度不同，B错误，C正确；由爱因斯坦的光子说可知光子能量与光子频率相对应，D正确。
5．关于光谱，下面说法中正确的是(AC)
A．炽热的液体发射连续光谱
B ．太阳光谱中的暗线说明太阳内部缺少与这些暗线相对应的元素
C ．明线光谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析
D ．发射光谱一定是连续光谱
解析：炽热的固体、液体、高压气体发出的是连续光谱，故A 正确；太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续光经过太阳大气层时产生的吸收光谱，故B 不正确；线状光谱和吸收光谱都是原子的特征光谱，都可以用于对物质成分进行分析，故C 正确；发射光谱可能是连续光谱，也可能是明线光谱，故D 不正确。
二、非选择题
6．如图所示的分光镜是用来观察光谱的仪器，现有红、绿、紫三种单色光组成的复色光由小孔S 进入平行光管，那么在光屏MN 上的P 处是__红__光，Q 处是__绿__光、R 处是__紫__光。
解析：分光镜是根据光的色散现象制成的。复色光通过三棱镜后，其偏折角不同，频率大的色光，偏折角大，故紫光的偏折角最大，而红光最小。
7．氢原子光谱除了巴耳末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为1λ＝R (132－1n 2)，n ＝4,5,6……，R ＝1.10×107m －1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域，试求： (1)n ＝6时，对应的波长？
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少？
n ＝6时，传播频率为多大？
答案：(1)1.09×10－
6m (2)3×108m/s 2.75×1014Hz
解析：(1)由帕邢系公式1λ＝R (132－1n 2)，当n ＝6时，得λ＝1.09×10－6m 。 (2)帕邢系形成的谱线在红外区域，而红外线属于电磁波，在真空中以光速传播，故波速为光速c ＝3×108m/s ，由v ＝λT ＝λν，得ν＝c λ＝3×1081.09×10－6Hz ＝2.75×1014Hz
氢原子光谱 摘 要：本实验用光栅光谱仪对氢原子光谱进行测量，测得了氢原子光谱巴尔末线系的波长，求出了里德伯常数。最后对本实验进行了讨论。 关键词：氢原子光谱，里德伯常数，巴尔末线系，光栅光谱仪 1. 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2. 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空 42 2 0-=n n H λλ??? ??-==22 1211~n R v H H H λ)/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ
高考经典课时作业15-2 原子结构、氢原子光谱 （含标准答案及解析） 时间：45分钟 分值：100分 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A ．光电效应实验 B ．伦琴射线的发现 C ．α粒子散射实验 D ．氢原子光谱的发现 2．关于巴耳末公式1λ ＝R ????122－1n 2的理解，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 ．公式中n 可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C ．公式中n 只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D ．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级，该氢原子( ) A ．放出光子，能量增加 B ．放出光子，能量减少 C ．吸收光子，能量增加 D ．吸收光子，能量减少 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( ) 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子( )
摘要：本实验用光栅光谱仪对氢原子光谱进行测量，测得了氢原子光谱巴尔末线系的波长， 求出了里德伯常数。最后对本实验进行了讨论。 关键词：氢原子光谱，里德伯常数，巴尔末线系 正文 一、引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里（H. C. Uery ）根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 WGD-3型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢原子光谱实验，一改以往在摄谱仪上用感光胶片记录的方法，而使光谱仪既可在微机屏幕上显示，又可打印成谱图保存，实验结果准确明了。 二、实验目的 1、熟悉光栅光谱仪的性能和用法； 2、用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数； 三、实验原理 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 2 024 H n n λλ=?- 式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长，ι0＝364.57nm 是一经验常数；n 取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 式中H R 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 ??? ??-==221211~n R v H H H λ)/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ
氢原子光谱 一．实验目的 1．熟悉光栅光谱仪的性能和用法 2．用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数 二．实验原理 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 2 024 H n n λλ=- （1） 式中H λ为氢原子谱线在真空中的波长。0364.57nm λ＝是一经验常数。n 取3,4,5等整数。 若用波数表示，则上式变为 221 112H H R n νλ?? = =- ??? （2） 式中H R 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 () () 242 2 3 0241/Z me Z R ch m M ππε= + （3） 式中M 为原子核质量，m 为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，0ε为真空介电常数，Z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数)
() 242 2 3 024me Z R ch ππε∞= （4） 所以 () 1/Z R R m M ∞ = + （5） 对于氢，有 () 1/H H R R m M ∞ =+ （6） 这里H M 是氢原子核的质量。 由此可知，通过实验测得氢的巴尔末线系的前几条谱线j 的波长，借助（6）式可求得氢的里德伯常数。 里德伯常数R ∞是重要的基本物理常数之一，对它的精密测量在科学上有重要意义，目前它的推荐值为()=10973731.56854983/R m ∞ 表1为氢的巴尔末线系的前四条波长表 表1 氢的巴尔末线系波长 值得注意的是，计算H R 和R ∞时，应该用氢谱线在真空中的波长，而实验是在空气中进行的，所以应将空气中的波长转换成真空中的波长。即1λλλ?真空空气＝＋，氢巴尔末线系前6条谱线的修正值如表2所示。 表2 真空—空气波长修正值
2014届高考物理领航规范训练：15-2原子结构、氢原子光谱 1．(2011·高考天津卷)下列能揭示原子具有核式结构的实验是( ) A．光电效应实验B．伦琴射线的发现 C．α粒子散射实验D．氢原子光谱的发现 解析：光电效应实验说明光的粒子性，伦琴射线的发现说明X射线是一种比光波波长更短的电磁波，氢原子光谱的发现促进了氢原子模型的提出．故C正确． 答案：C 2．关于巴耳末公式1 λ＝R? ? ?? ? 1 22 － 1 n2的理解，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．公式中n可取任意值，故氢原子光谱是连续谱 C．公式中n只能取不小于3的整数值，故氢原子光谱是线状谱 D．公式不但适用于氢原子光谱的分析，也适用于其他原子光谱的分析 解析：巴耳末公式是经验公式，只适用于氢原子光谱，公式中n只能取n≥3的整数，故C正确． 答案：C 3．(2012·高考北京卷)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量减少 解析：根据玻尔原子理论知，氢原子从高能级n＝3向低能级n＝2跃迁时，将以光子形式放出能量，放出光子后原子能量减少，故B选项正确． 答案：B 4．(2012·高考江苏卷)如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长 的光．在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( )
解析：由h ν＝h c λ＝E 初－E 末可知该原子跃迁前后的能级差越大，对应光线的能量越大， 波长越短．由图知a 对应光子能量最大，波长最短，c 次之，而b 对应光子能量最小，波长最长，故C 正确． 答案：C 5．氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，下列说法中正确 的是( ) A ．氢原子的能量增加 B ．氢原子的能量减少 C ．氢原子要吸收一定频率的光子 D ．氢原子要放出一定频率的光子 解析：氢原子的核外电子离原子核越远，氢原子的能量(包括动能和势能)越大．当氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时，原子的能量减少，氢原子要放出一定频率的光子．显然，选项B 、D 正确． 答案：BD 6．(2011·高考大纲全国卷)已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2 ，其中n ＝ 2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 解析：依题意可知第一激发态能量为E 2＝E 1 22，要将其电离，需要的能量至少为ΔE ＝0 －E 2＝h ν，根据波长、频率与波速的关系c ＝νλ，联立解得最大波长λ＝－4hc E 1 ，C 正确． 答案：C 7．(2012·高考四川卷)如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢 原 子( ) A ．从n ＝4能级跃迁到n ＝3能级比从n ＝3能级跃迁到n ＝2能级辐射出电磁波的波长长 B ．从n ＝5能级跃迁到n ＝1能级比从n ＝5能级跃迁到n ＝4能级辐射出电磁波的速度大
氢原子跃迁与氢原子光谱 玻尔原子理论第三条假设的“跃迁’指出：原子从一个定态(设能量为En ）跃迁到 )时．它輻射和吸收一定频率的光于．光子能量由这两个定态另一种定态(没能量为E K 能量差决定，即hυ=En-Ek 若原于原来处于能级较大的定态——激发态．这时原子处于不稳定的能量状态，一有机会让会释放能量．回到能量较小的激发态或基态（能级最小的定态)．这一过程放出的能量以放出光于的形式实现的，这就是原于发光原因。可见原子发光与能级跃迁有必然联系。对于氢原子它们对应关系如上图所示，从图可知当电子从n＝3、4、5、6这四个激发态跃迁到n＝2的激发态时，可得到可见光区域的氢原子光增，其波长"入"用下列公式计算 hc/入=E (1/n2-1/n2) 1 其中n=3,4,5,6．相应波长依次为: h α=656.3nm,hβ=486.1nm,hδ=434.1nm,hγ=410.1nm. 它们属于可见光，颜色分别为红、蓝、紫、紫。组成谱线叫巴耳末线系；若从n＞1的激发态 跃迁到基态，放出一系列光子组成谱线在紫外区，肉眼无法观测,叫赖曼线系.....。 当原子处于基态或能级较低的激发态向高能级跃迁，必须吸收能量。这能量来源有
两种途径。 其一、吸收光子能量、光子实质上是一种不连续的能量状态。光的发射与吸收都是一份一份的，每一份能量E=hυ叫光子能量．光子能量不能被分割的。因此原子所吸收的光子只有满足hυ=En-Ek时，才能被原子吸收，从En定态跃迁到Ek定态。若不满足hυ=En-Ek的光子均不被吸收，原子也就无法跃迁。 例如用能量为123eV的光子去照射一群处于基态的氢原子．下列关于氢原子跃迁的说法中正确的是（） 1）原子能跃迁到n=2的轨道上;2）原子能跃迁到n＝3的轨道； 4）原子能跃迁到n=4的轨道上;3）原子不能跃迁。 通过计算可知E 1-E 2 ＝10.2eV＜I2.3ev；E 3 －E 1 ＝12.09ev＜12.3eV,E 4 一E 1 =12.75eV ＞12.3eV，即任意两定态能级差均不等于12.3eV．此光子原子无法吸收。答案D）正确。 其二、吸收电子碰撞能量。夫兰克——赫兹实验指出：当电子速度达到一定数值时，与原子碰撞是非弹性的，电子把一份份能量传给原子，使原子从一个较低能级跃迁到较高能级，原子从电子处获得能量只能等于两定态能量差。电子与光子不同．其能量不是一份一份的只要人射电子能量大于或等于两定态能量差． 均可使原子发生能级跃迁。 例如,已知汞原子可能能级如下图所示,一个自由电子总能量为9.0电子伏与处 于基态的汞原子发生碰撞，已知碰撞过程中不计汞原子动能变化，则电子剩余能量为（）（A）0.2eV；（B）1.4eV（C）2.3eV（D）5.5eV． 因为E 2-E 1 =4.9ev＜9.0eV,E 3 -E 1 ＝7.7eV＜9.0ev,E 4 -E 1 ＝8.8ev＜9.0ev. 满足人射电子能量大于两定态能量差 .处于基态汞原子分别吸收电子部分能量跃迁到n= 2、3．4能级,而电子剩余能量分别为4.1ev,1.3ev,0.2ev,只选项（A）正确。 摘自《物理园地》
3.光谱氢原子光谱 学习目标知识脉络 1.了解光谱、连续谱、线状谱等 概念．(重点) 2.知道光谱分析及应用．(重点) 3.知道氢原子光谱的规律．(重 点、难点) 光谱和光谱分析 [先填空] 1．光谱 复色光分解为一系列单色光，按波长长短的顺序排列成一条光带，称为光谱． 2．分类 (1)连续谱：由波长连续分布的彩色光带组成的光谱． (2)发射光谱：由发光物质直接产生的光谱． (3)吸收光谱：连续光谱中某些特定频率的光被物质吸收而形成的谱线． (4)线状谱：由分立的谱线组成的光谱． (5)原子光谱：对于同一种原子，线状谱的位置是相同的，这样的谱线称为原子光谱． 3．光谱分析 (1)定义：利用原子光谱的特征来鉴别物质和确定物质的组成部分． (2)优点：灵敏度、精确度高． [再判断] 1．各种原子的发射光谱都是连续谱．(×) 2．不同原子的发光频率是不一样的．(√) 3．线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质．(×) [后思考] 为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？ 【提示】不同颜色的光在棱镜中的折射率不同，因此经过棱镜后的偏折程度也不同．
1．光谱的分类 2．光谱分析的应用 (1)应用光谱分析发现新元素； (2)鉴别物体的物质成分；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； (3)应用光谱分析鉴定食品优劣； (4)探索宇宙的起源等． 1．对原子光谱，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】ADE 2．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是( ) A．太阳光谱和白炽灯光谱是线状谱 B．霓虹灯和煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气产生的光谱是线状谱 C．进行光谱分析时，可以利用线状谱，不能用连续谱
实验2 氢原子光谱的观察与测定 每一种原子都有其特定的线状光谱线。氢原子的光谱线最为简单，且具有明显的规律。测定氢原子可见光谱线的波长对认识原子的分离能级、以及由于能级间的跃迁而产生的光辐射的规律起着重要作用。本实验用读谱仪测量氢原子可见谱线的波长，并通过巴耳末公式推算出氢原子的里德伯常数。 【实验目的】 （1）观察氢原子的可见光谱。 （2）了解读谱仪的结构，掌握读谱仪的调节与使用方法。 （3）通过测量氢原子可见光谱线的波长，验证巴耳末公式的正确性。 （4）准确测定氢原子的里德伯常数。 （5）理解曲线拟合法的意义。 【仪器用具】 WPL —2型读谱仪，氢谱光源，氦氖谱光源，会聚透镜。 【仪器介绍】 整个实验的装置简图如图1所示。 读谱仪是由棱镜摄谱仪改进设计而成。它是利用棱镜分光在物镜上观察光谱的光学仪器。其结构大致可以分为三部分：平行光管系统、色散系统、接收系统。 （1）平行光管系统 平行光管系统包括入射狭缝和入射物镜。入射物镜的作用是使入射狭缝发出的光线变成平行光，所以入射狭缝应放在入射物镜的焦平面上。 （2）色散系统 色散系统实际上就是一个恒偏向棱镜，如图2所示。 它的作用是将光束分解，使不同波长的单色光束沿不同 的方向射出。符合最小偏向角条件的单色光，其入射光束和出射光束的夹角为900。 （3）接收系统 接收系统由出射物镜及放在该物镜焦平面上的目镜组成。不同方向的单色光束经出射物镜聚焦，在其焦平面上得到连续或不连续的依照波长次序排列的入射狭缝的单色像，即光谱。调节光谱的位置时，可以使用水平方向左右移动的手轮、丝杠、滑块、导轨和支架，还包括读出目镜位置用的标尺和100分度的手轮刻度。 手轮转一圈平移mm 1，每分度mm 01.0，要求估读到 1.0分度。目境内的叉丝用来对准被测谱线的中心。 【实验原理】 图 1 图2
实验二十 钠原子光谱 引言 研究元素的原子光谱，可以了解原子的内部结构，认识原子内部电子的运动，并导致电子自旋的发现。钠原子是一个多电子原子，原子序数为11，既有稳定的满内壳层，又有自由电子，既存在着原子核和电子的相互作用，又存在着电子之间的相互作用，还有电子自旋运动与轨道运动的相互作用，其光谱结构比较简单，即可用吸收光谱，也可用发射光谱进行研究，在激光光谱日益发展的今天，钠光谱仍是深入研究的对象之一。 一、实验目的 1、WGD-8型组合光栅光谱仪拍摄钠原子光谱的实验方法； 2、测定钠光谱线的波长，通过里德伯关系计算钠原子能级和量子亏损，并绘出能级图。 二、实验原理 在原子物理中，氢原子光谱的规律告诉我们：当原子在主量子数为2n 与1n 的上下两能级间跃迁时,它们的谱线波数可以用两光谱项之差表示： 22 21~n R n R ?=ν, (1) 式中R 为里德伯常量(109 677.581?cm )．当21=n ，2n ＝3，4，5，…，则为巴尔末线系。 对于只有一个价电子的碱金属原子(Li ，Na ，K ，…)，其价电子是在核和内层电子所组成的原子实的库仑场中运动，和氢原子有点类似。但是，由于原子实的存在，价电子处在不同量子态时，或者按轨道模型的描述，处于不同的轨道时，它和原子实的相互作用是不同的。因为价电子处于不同轨道时，它们的轨道在原子实中贯穿的程度不同，所受到的作用不同。还有，价电子处于不同轨道时，引起原子实极化的程度也不同。这二者都要影响原子的能量。即使电子所处轨道的主量子数n 相同而轨道量子数l 不同，原子的能量也是不同的，因此原子的能量与价电子所处轨道的量子数n 、l 都有关，轨道贯穿和原子实极化都使原子的能量减少，量子数l 越小，轨道进入原子实部分越多，原子实的极化也越显著，因而原子的能量减少得越多。与主量子数n
专题练习(四十一)原子结构氢原子光谱 1．(2011·上海高考)卢瑟福利用α粒子轰击金箔嘚实验研究原子结构，正确反映实验结果嘚示意图是( ) 3．(20 12·北京高考)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子( ) A．放出光子，能量增加 B．放出光子，能量减少 C．吸收光子，能量增加 D．吸收光子，能量减少 解析：氢原子由高能级跃迁到低能级要放出光子，能量减少；由低能级跃迁到高能级要吸收光子，能量增加，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，即从高能级向低能级跃迁，则要放出光子，能量减少，故A、C、D错误，B正确． 答案：B
4．(2011·四川高考)氢原子从能级m 跃迁到能级n 时辐射红光嘚频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k 时吸收紫光嘚频率为ν2，已知普朗克常量为h ，若氢原子从能级k 跃迁到能级m ，则( ) A ．吸收光子嘚能量为hν1＋hν2 B ．辐射光子嘚能量为hν1＋hν2 C ．吸收光子嘚能量为hν2－hν1 D ．辐射光子嘚能量为hν2－hν1 解析：由题意可知：E m －E n ＝hν1，E k －E n ＝hν2.因为紫光嘚频率大于红光嘚频率，所以ν2>ν1，即k 能级嘚能量大于m 能级嘚能量，氢原子从能级k 跃迁到能级m 时向外辐射能量，其值为E k －E m ＝hν2－hν1，故只有D 项正确． 答案：D 5．(2011·大纲全国高考)已知氢原子嘚基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1/n 2，其中n ＝2,3，….用h 表示普朗克常量，c 表示真空中嘚光速．能使氢原子从第一激发态电离嘚光子嘚最大波长为 ( ) A ．－4hc 3E 1 B ．－2hc E 1 C ．－4hc E 1 D ．－9hc E 1 . 解析：处于第一激发态时n ＝2，故其能量E 2＝E 14，电离时释放嘚能量ΔE＝0－E 2＝－E 1 4，而 光子能量ΔE＝hc λ，则解得λ＝－4hc E 1 ，故C 正确，A 、B 、D 均错． 答案：C 6．(2012·江苏高考)如图所示是某原子嘚能级图，a 、b 、c 为原子跃迁所发出嘚三种波长嘚光．在下列该原子光谱嘚各选项中，谱线从左向右嘚波长依次增大，则正确嘚是( )
氢原子光谱和里德伯常量测定
摘要： 本文详细地介绍了氢原子光谱和里德伯常量实验的实验要求、实验原理、仪器介绍、实验内容和数据处理，并从钠黄双线无法区分的现象触发定量地分析了此现象的原因和由此产生的误差，结合光谱不够锐亮和望远镜转动带来的误差提出了创新的实验方案。从理论上论证了实验方案的可行性，总结了基础物理实验的经验感想。 关键字：氢原子光谱里德伯常量钠黄双线 Abstract: This paper introduced the hydrogen atoms spectrum and Rydberg constant experiment from experimental requirements, experimental principle, instruments required, content and Data processing. Considering that the wavelength difference of Na-light double yellow line is indistinguishable from human eyes, we analyze the cause of this phenomenon and the resulting errors quantitatively and propose an innovate experiment method combined with inadequate sharpness and lightness of the spectrum as well as the errors brought during the turning of telescope. We verify the feasibility of this method In theory and summarizes the experience and understanding of basic physics experiment. Key words: hydrogen atoms spectrum, Rydberg constant, Na-light double yellow line
氢（氘）原子光谱 侯建强 （南京大学匡亚明学院理科强化部2010级，学号：101242015） 1.引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。1885年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。1932年尤里根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 2.实验目的 （1）熟悉光栅光谱仪的性能和用法； （2）用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末系数的波长，求里德伯常数。 3.实验原理 1.氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 42 2 0-=n n H λλ （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 ??? ? ?-==22 1211~n R v H H H λ （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 )/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数) 3202 42)4(2ch z me R πεπ= ∞ （4） 所以
第1讲原子结构氢原子光谱 板块一主干梳理·夯实基础 【知识点1】氢原子光谱Ⅰ 1．原子的核式结构 (1)电子的发现：英国物理学家J.J.汤姆孙发现了电子. (2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来. (3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转. 2．光谱 (1)光谱 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)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱.有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱. (3)氢原子光谱的实验规律 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1 λ＝R? ? ? ? 1 22－ 1 n2，(n＝3,4,5，…)，R 是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1，n为量子数. 【知识点2】氢原子的能级结构、能级公式Ⅰ 1．玻尔理论 (1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量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. (2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝E m－E n.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) (3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周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也是不连续的. 2．基态和激发态 原子能量最低的状态叫基态，其他能量较高的状态叫激发态. 3．氢原子的能级图
学案正标题 一、考纲要求 1.知道两种原子结构模型，会用玻尔理论解释氢原子光谱. 2.掌握氢原子的能级公式并能结合能级图求解原子的跃迁问题. 二、知识梳理 1.原子的核式结构 (1)1909～1911年，英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型． (2)α粒子散射实验 ①实验装置：如下图所示； ②实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回． (3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转． 2.氢原子光谱 氢原子光谱线是最早被发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：＝R n＝3，4，5，… 3.玻尔的原子模型 (1)玻尔理论 ①轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道是不连续的； ②定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态．因而具有不同的能量，即原子的能量是不连续的．这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，处于基态的原子是稳定的，不向外辐射能量； ③跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，光子的能量等于这两个状态的能量差，即hν＝E m－E n． (2)几个概念 ①能级：在玻尔理论中，原子各个状态的能量值； ②基态：原子能量最低的状态； ③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他能量较高的状态； ④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数． (3)氢原子的能级和轨道半径
氢原子光谱实验 背景介绍： 原子的电子运动状态发生变化时发射或吸收的有特定频率的电磁频谱。原子光谱是一些线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。原子的发射谱线与吸收谱线位置精确重合。不同原子的光谱各不相同，氢原子光谱最为简单，其他原子光谱较为复杂，最复杂的是铁原子光谱。用色散率和分辨率较大的摄谱仪拍摄的原子光谱还显示光谱线有精细结构和超精细结构，所有这些原子光谱的特征，反映了原子内部电子运动的规律性。 阐明原子光谱的基本理论是量子力学。原子按其内部运动状态的不同，可以处于不同的定态。每一定态具有一定的能量，它主要包括原子体系内部运动的动能、核与电子间的相互作用能以及电子间的相互作用能。能量最低的态叫做基态 ，能量高于基态的叫做激发态 ，它们构成原子的各能级。高能量激发态可以跃迁到较低能态而发射光子，反之，较低能态可以吸收光子跃迁到较高激发态，发射或吸收光子的各频率构成发射谱或吸收谱。量子力学理论可以计算出原子能级跃迁时发射或吸收的光谱线位置和光谱线的强度。 原子光谱提供了原子内部结构的丰富信息。事实上研究原子结构的原子物理学和量子力学就是在研究分析阐明原子光谱的过程中建立和发展起来的。原子是组成物质的基本单元。原子光谱的研究对于分子结构、固体结构也有重要意义。原子光谱的研究对激发器的诞生和发展起着重要作用，对原子光谱的深入研究将进一步促进激光技术的发展；反过来激光技术也为光谱学研究提供了极为有效的手段。原子光谱技术还广泛地用于化学、天体物理、等离子体物理等和一些应用技术学科之中。 原子或离子的运动状态发生变化时，发射或吸收的有特定频率的电磁波谱．原子光谱的覆盖范围很宽，从射频段一直延伸到X 射线频段，通常，原子光谱是指红外、可见、紫外区域的谱． 原子光谱中某一谱线的产生是与原子中电子在某一对特定能级之间的跃迁相联系的．因此，用原子光谱可以研究原子结构．由于原子是组成物质的基本单位，原子光谱对于研究分子结构、固体结构等也是很重要的．另一方面，由于原子光谱可以了解原子的运动状态，从而可以研究包含原子在内的若干物理过程．原子光谱技术广泛应用于化学、天体物理学、等离子物理学和一些应用技术科学中． 实验目的： 1、进一步熟悉光栅光谱仪的性能与使用方法； 2、测量氢原子的光谱，理解原子结构与原子跃迁过程。 实验原理： 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管（氢灯）中的稀薄的氢气（压力为102Pa 左右），可以得到线状的氢原子光谱。在19世纪下半期，已了解到稀薄气体发光产生的光谱是不连续的。从1885年，瑞士中学教师巴耳末发现描述氢原子光谱规律性的巴耳末公式开始，由大量实验数据分析出原子发射的线光谱是由按照一定规律组成的若干线系构成的。例如，氢原子光谱谱线的波数可用下述的经验公式来描述： 4 22 0-=n n H λλ
第三节 氢原子光谱 学 习 目 标 ※ 了解光谱的定义与分类 知 识 导 图 知识点1 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 (1)线状谱：由__一条条的亮线__组成的光谱。 (2)连续谱：由__连在一起__的光带组成的光谱。 3．特征谱线 各种原子的发射光谱都是__线状谱__，且不同原子的亮线位置__不同__，故这些亮线称为原子的__特征__谱线。 4．光谱光析 由于每种原子都有自己的__特征谱线__，可以利用它来鉴别__物质__和确定物质的__组成成分__，这种方法称为光谱分析，它的优点是__灵敏度__高，样本中一种元素的含量达到__10－10g__时就可以被检测到。 知识点2 氢原子光谱的实验规律 1．光的产生 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__的一条重要途径。 2．巴耳末公式 1λ ＝__R ????122－1n 2__(n ＝3,4,5…) 3．巴耳末公式的意义 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__特征。 知识点3 经典理论的困难 1．核式结构模型的成就 正确地指出了__原子核__的存在，很好的解释了__α粒子散射实验__。 2．经典理论的困难
经典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__。 预习反馈 『判一判』 (1)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。(×) (2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。(√) (3)巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的。(√) (4)分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素。(√) (5)经典物理学可以很好地应用于宏观世界，也能解释原子世界的现象。(×) 『选一选』 (多选)关于巴耳末公式1λ＝R (122－1n 2)(n ＝3,4,5…)的理解，正确的是( AC ) 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 D ．该公式包含了氢原子的所有光谱线 解析：巴耳末公式是分析氢原子的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。 『想一想』 能否根据对月光的光谱分析确定月球的组成成分？ 答案：不能。月球不能发光，它只能反射太阳光，故其光谱是太阳的光谱，对月光进行光谱分析确定的并非月球的组成成分。 探究一 光谱和光谱分析 S 思考讨论i kao tao lun 1 早在17世纪，牛顿就发现了白光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的彩色光带叫做光谱，如图所示。研究光谱有哪方面的意义？ 提示：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。 G 归纳总结ui na zong jie 1．光谱的分类
18.3 氢原子光谱 一．学情分析 1．学生已经掌握的知识 通过“电子的发现”、“原子核式结构模型”的学习学生已经了解关于原子的基本结构，并且在头脑中基本建立起关于原子的核式结构模型，通过α散射实验，估算到原子核半径的数量级为10－15 m，整个原子半径数量级是10－10 m，原子内部是一个十分“空旷”的空间。 2．学生欠缺的地方 虽然学生对原子的结构有了大致的了解，但对于电子原子核周围如何运动，以及它们的能量等都不太了解，而要了解这些问题必须通过一些实验来进一步进行研究与证实，其中比较一种重要的方法是通过“光谱”来认识关于原子内电子的运动与能量问题。 3．教学应对策略 在通过牛顿色散现象激发学生兴趣的基础上，再根据学校内实验室的条件做一些原子光谱实验（如Na光谱等）给学生看，让学生初步认识“光谱”，并了解“光谱”的意义。再通过投影片展出发射光谱（连续、线状谱）和吸收光谱，让学生了解光谱的类型，并认识各种类型光谱的特点，通过让学生明白：每种原子都有其特定的谱线，可以通过这种谱线（对应的有吸收光谱）来进行光谱分析。最后通过最简单的氢原子光谱了认识氢原子光谱特点。根据光谱分析分析出经典的理论的困难为学生进一步深入学习提供心理基础。 二．教材的地位和作用 本节教材是在明确光谱、连续光谱、线状态光谱的概念之后，进一步介绍原子的特征光谱和光谱分析，重点讲述氢光谱的实验规律。原子光谱的事实不能核式结构理论解释、必须建立新的原子模型，这为学生产生进一步深入学习的思想基础，因此，本节教学除让学生通过光谱来认识原子结构之外，也是起取承上启下的作用。 三．教学重点和难点 重点：氢原子光谱的实验规律 难点：经典理论的困难
第3节光谱氢原子光谱 学习目标核心提炼 1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。 3类光谱——连续光谱、发射光谱、 吸收光谱 1个实验规律——氢原子光谱的实 验规律 2.知道氢原子光谱的实验规律。 3.识记巴尔末公式。 4.让学生进一步体会物理规律是在接受实践 检验的过程中不断地发展和完善的。 一、光谱的几种类型和光谱分析的应用 1.光谱的定义：复色光通过棱镜后，分解为一系列单色光，而且按波长长短的顺序排列成一条光带，称为光谱。 2.光谱的分类和比较 光谱分类产生条件光谱形式 发射 光谱 连续谱 炽热固体、液体和高压 气体发光形成 连续分布，一切波长的光都有线状谱 (原子光谱) 稀薄气体发光形成 一些不连续的亮线组成，不同元 素谱线不同 吸收光谱 炽热的白光通过温度较 低的气体后，某些波长 的光被吸收后形成 用分光镜观察时，见到连续谱背 景上出现一些暗线与这种原子 的线状谱对应 各种原子的发射光谱和吸收光谱都是分立的谱线，称为线状谱。对于同一种原子，线状谱的位置相同，不同原子的谱线位置不同，这样的谱线叫原子光谱，它只决定于原子的内部结构。 4.光谱分析 (1)由于原子发光的频率只与原子结构有关，因此可以根据其光谱来鉴别物质的化学组成，这种方法叫做光谱分析。 (2)可用于光谱分析的光谱：明线光谱和吸收光谱。 思考判断
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱。( ) (2)不同原子的发光频率是不一样的。( ) (3)线状谱和连续谱都可以用来鉴别物质。( ) (4)稀薄气体发光形成的光谱是线状谱。( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× (4)√ 二、氢原子光谱 1.巴尔末公式 (1)巴尔末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：1λ＝R H ? ?? ??122－1n 2(n ＝3，4，5，6…)，该公式称为巴尔末公式。式中R H 叫做里德堡常数，实验值为R H ＝ 1.10×107 m －1。 (2)巴尔末公式说明氢原子光谱的波长只能取分立值，不能取连续值。巴尔末公式以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱，即辐射波长的分立特征。 2.其他谱线：除了巴尔末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴尔末公式类似的关系式。 思考判断 (1)光是由原子核内部的电子运动产生的，光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径。( ) (2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离，使气体变成导体。( ) (3)巴尔末公式中的n 既可以取整数也可以取小数。( ) 答案 (1)× (2)√ (3)× 光谱和光谱分析 [要点归纳] 1.光谱的分类
图1 第3课时 原子结构 氢原子光谱 导学目标 1.理解玻尔理论对氢原子光谱的解释.2.掌握氢原子的能级公式并能灵活应用，会用氢原子能级图求解原子的能级跃迁问题． 一、原子的核式结构模型 [基础导引] 判断下列说法的正误： (1)汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕”式原子模型( ) (2)卢瑟福做α粒子散射实验时发现α粒子绝大多数穿过，只有少数发生大角度偏转( ) (3)α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 ( ) (4)卢瑟福提出了原子“核式结构”模型，并解释了α粒子发生大角度偏转的原因 ( ) [知识梳理] 1．电子的发现：1897年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子． 2．原子的核式结构 (1)α粒子散射实验的结果 绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但 ______α粒子发生了大角度偏转，________α粒子甚至被撞了 回来，如图1所示． (2)卢瑟福的原子核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核，叫__________，原子的所有正电荷和几乎____________都集中在原子核里，带负电的________在核外绕核旋转． (3)原子核的尺度：原子核直径的数量级为________ m ，原子直径的数量级约为________ m. 二、氢原子光谱 [基础导引] 对原子光谱，下列说法正确的是 ( ) A ．原子光谱是不连续的 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 ．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同 D ．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素 [知识梳理] 1．线状谱、连续谱、吸收谱的产生 (1)线状谱：由稀薄气体或金属蒸气所发出的光谱为线状光谱，不同元素的谱线不同，又称为原子的特征谱线． (2)连续谱：由炽热固体、液体及高压气体发光所发射的光谱均为连续光谱． (3)吸收谱：连续光谱中某波长的光波被吸收后出现的暗线．太阳光谱就是典型的吸收光谱． 2．光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成 分，
氢原子光谱实验报告 引言 光谱线系的规律与原子结构有内在的联系，因此，原子光谱是研究原子结构的一种重要方法。１８８５年巴尔末总结了人们对氢光谱测量的结果，发现了氢光谱的规律，提出了著名的巴尔末公式，氢光谱规律的发现为玻尔理论的建立提供了坚实的实验基础，对原子物理学和量子力学的发展起过重要作用。１９３２年尤里（Ｈ．Ｃ．Ｕｒｅｙ）根据里德伯常数随原子核质量不同而变化的规律，对重氢赖曼线系进行摄谱分析，发现氢的同位素——氘的存在。通过巴尔末公式求得的里德伯常数是物理学中少数几个最精确的常数之一，成为检验原子理论可靠性的标准和测量其他基本物理常数的依据。 ＷＧＤ-３型光栅光谱仪用于近代物理实验中的氢(氘)原子光谱实验，一改以往在大型摄谱仪上用感光胶片记录的方法，而使光谱既可在微机屏幕上显示，又可打印成谱图保存，实验结果准确明了。 实验目的 1.熟悉光栅光谱仪的性能与用法。 2.用光栅光谱仪测量氢原子光谱巴尔末线系的波长，求里德伯常数。 实验原理 氢原子光谱 氢原子光谱是最简单、最典型的原子光谱。用电激发氢放电管(氢灯)中的稀薄氢气(压力在102 Pa 左右)，可得到线状氢原子光谱。瑞士物理学家巴尔末根据实验结果给出氢原子光谱在可见光区域的经验公式 42 2 0-=n n H λλ （1） 式中λH 为氢原子谱线在真空中的波长。 λ0＝364.57ｎｍ是一经验常数。 ｎ取3，4，5等整数。 若用波数表示，则上式变为 ??? ? ?-==22 1211~n R v H H H λ （2） 式中ＲH 称为氢的里德伯常数。 根据玻尔理论，对氢和类氢原子的里德伯常数的计算，得 )/1()4(23202 42M m ch z me R z += πεπ （3） 式中Ｍ为原子核质量，ｍ为电子质量，e 为电子电荷，c 为光速，h 为普朗克常数，ε0为真空介电常数，z 为原子序数。 当M →∞时，由上式可得出相当于原子核不动时的里德伯常数(普适的里德伯常数) 3202 42)4(2ch z me R πεπ= ∞ （4） 所以