3　氢原子光谱公开课教案

课时18.3

氢原子光谱

一、学习目标

1.了解光谱的定义和分类。

2.了解氢原子光谱的实验规律,了解巴耳末系。

3.知道经典原子理论无法解释原子的稳定性和光谱的分立特性。

二、学习重点难点

重点难点:氢原子光谱的实验规律。

教学建议:本节是在明确光谱、连续谱、线状谱的概念后(可以补充光谱的分类),进一步学习原子的特征光谱和光谱分析、氢光谱的实验规律。教学中应组织学生自主阅读教材,充分利用多媒体展示各类光谱,在了解光谱、连续谱和线状谱概念后再讲述原子的特征谱线和光谱分析。分析巴耳末公式时,应着重让学生看出物理量之间的关系、明确物理量的变化趋势,从而了解氢原子辐射的波长是分立的,为下一节玻尔原子模型做好铺垫。

导入新课: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作光谱。此后,许多科学家通过对光谱进行实验研究,认识到它与物质的化学成分有关,可以检测物质材料中的纯度,发现新元素,鉴别食品优劣,鉴定文物,也可以用于探索原子的结构等。下面我们就来学习最简单的原子光谱——氢原子光谱。

三、课堂预习

1.光谱

(1)用光栅或者棱镜可以把各种颜色的光按①波长展开,获得光的②波长(频率)和③强度分布的纪录,这就是光谱。 (2)有些光谱是一条条的④亮线,叫作线状谱;有些光谱是连在一起的⑤光带,叫作连续谱。

(3)各种原子的发射光谱都是线状谱,说明每种原子只能发出几种特定⑥频率的光。不同原子的发射光谱不同,因此这些亮线称为原子的⑦特征谱线,可以用它来鉴别物质和确定物质的组成成分,这种方法叫作⑧光谱分析。

2.氢原子光谱

(1)气体放电管:玻璃管中稀薄气体的分子在强电场作用下会⑨电离,成为自由移动的⑩正负电荷,于是气体变成导体,导电时会发光,因此我们可以获得不同气体的光谱。

(2)巴耳末公式:分立的值。

3.经典理论的困难

(1)按照经典物理学理论,核外电子在库仑力的作用下绕核做周期性的运动,会激发电磁波向外辐射能量,那么原子是不稳定的,而事实上,原子是个很稳定的系统。

(2)根据经典物理学理论,电子绕核运动的频率的变化应该是连续的,即原子的光谱应该总是连续的,而实际上观察到的原子光谱却是分立的线状谱。

1.原子的特征谱线有何作用? 解答:利用原子的特征谱线可以鉴别物质或确定物质的化学组成。

2.巴耳末系是指什么? 解答:在氢原子光谱的可见光区,有四条谱线,这些谱线的波长可用一个公式表示,这个公式表示的线系叫作巴耳末系。

3.经典物理学在解释原子光谱时遇到了什么困难?

=R(

-

),式中的n只能取整数,可见氢原子发光的波长只能是

解答:事实上,原子是稳定的,原子光谱是分立的线状谱。按照经典的电磁理论,如果带电粒子做变速运动(包括圆周运动),粒子一定向外辐射能量,原子核外的电子绕原子核做圆周运动,要向外辐射能量,原子核外的电子运动速度将不断减小,轨道半径将不断减小,最后应“跌落”到原子核上。这样原子应该是很不稳定的,且向外辐射的能量应是连续的。

四、知识探究

探究1:光谱

情景:牛顿把白光通过三棱镜后在光屏上形成七色光带的现象叫作色散现象,这个彩色光带叫作光谱。光谱是电磁辐射(不论是在可见光区域还是在不可见光区域)的波长成分和强度分布的记录,有时却只是波长成分的记录。请阅读教材中“光谱”标题下的内容,回答下面的问题。

问题:你知道光谱有哪些种类吗? 解答:光谱有两大类:线状谱、连续谱。

知识链接:炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。各种原子发射的光谱都是线状谱。

探究2:光谱分析

情景:太阳离我们十分遥远,太阳是一个庞大的火球,给我们光和热。利用望远镜,人们能看清楚太阳表面的光斑和黑子。而太阳的化学成分,单靠望远镜是看不出来的。

问题:你知道科学家是如何知道太阳的化学成分的吗? 解答:由于每种元素的原子都有自己的特征谱线,不同的元素,其特征谱线不同,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定其化学组成。这种方法叫作光谱分析。只要将太阳的谱线与各元素的特征谱线进行比对,很容易就能知道太阳的化学成分。

知识链接:高温物体发出的白光通过物质时,某些波长的光被物质吸收后产生吸收光谱,其谱线也是原子的特征谱线。

探究3:氢原子光谱的实验规律

情景:请阅读课本中“氢原子光谱的实验规律”的内容,思考下列问题。

问题:氢原子光谱如何获得?氢原子光谱有什么实验规律? 解答:玻璃管中稀薄气体的分子在强电场作用下会电离,成为自由移动的正负电荷,于是气体变成导体,导电时会发光。这种装置就是气体放电管,利用氢气放电管可以获得氢原子光谱。

氢原子是最简单的原子,其光谱也最简单。可见光区氢原子光谱的实验规律满足巴耳末公式:=R(

-

)(n=3,4,5,…),式中R=1.10×10 m,称为里德伯常量。该公式是在可见光

7-1区由巴耳末分析发现的。

从巴耳末公式可以看出,由于n的不连续性,氢原子光谱对应的波长是分立的,n取一个值,则对应一个波长。

知识链接:研究氢原子的光谱线获得的原子内部结构信息,对于研究更复杂的原子的结构具有指导意义。

探究4:经典理论的困难

情景:卢瑟福原子核式模型成功地解释了α粒子散射实验,能否解释氢原子光谱的实验规律呢?阅读课本中“经典理论的困难”的内容,思考下面的问题。

问题:经典理论在解释氢原子光谱时遇到了哪些困难? 解答:经典理论在解释氢原子光谱时遇到了如下两个困难。

(1)按经典理论,电子绕核旋转,做周期性运动,将不断向四周辐射电磁波,它的能量不断减小,从而将逐渐靠近原子核,最后落入原子核中,而事实上原子是稳定的。

(2)由于轨道及转动频率连续变化,辐射电磁波的频率应是连续变化的,原子光谱应是连续的光谱。而实验测得的原子光谱是不连续的谱线。

知识链接:按照经典物理学理论,原子是不稳定的,其光谱应该总是连续的。这与物理事实相矛盾。

五、当堂检测

1.(考查原子的发射光谱)下列关于光谱的说法正确的是(

)。

A.原子发射的光谱是连续光谱

B.所有原子发射的光谱都相同

C.氢原子光谱是线状谱

D.每一种原子都有自己的特征谱线

【解析】原子发射的光谱是线状谱,每一种原子都有自己的特征谱线,它们发射的光谱是不相同的。

【答案】CD 2.(考查经典理论的困难)下列说法正确的是(

)。

A.经典理论认为,由于电子与原子核之间的库仑力作用,电子只能绕核转动

B.经典理论认为,电子周期性运动一定会激发电磁波

C.经典理论认为,电子与原子核组成的系统是稳定的

D.经典理论无法解释氢原子光谱是分立的

【解析】经典理论认为电子受到原子核的引力,不可能静止,只能绕核不停运动,同时必定向外辐射电磁波,消耗能量,因此原子是不稳定的。经典理论认为辐射光谱的频率变化是连续的,也无法解释原子光谱分立的特征。

【答案】ABD 3.(考查氢原子光谱)有关氢原子光谱的说法正确的是(

)。

A.氢原子的发射光谱是连续谱

B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光

C.氢原子光谱说明氢原子辐射波长是分立的

D.氢原子光谱只有四条谱线

【解析】氢原子的发射光谱是线状谱,每一条谱线对应一定频率的光,且是不连续的,氢原子光谱的谱线有很多,但在可见光区只有四条。

【答案】BC 4.(考查光谱分析)下列说法正确的是(

)。

A.用连续谱可以鉴定物质的成分

B.只能用线状谱鉴定物质的成分

C.虽然用光谱可以鉴定物质的成分,但灵敏度不高

D.我们可以通过对其他星球进行光谱分析来确定其物质成分

【解析】只有线状谱才是特征谱线,才能反映不同原子的特征,因此可以用来鉴定物质成分,且灵敏度极高。

【答案】BD 六、知识拓展

拓展一:光谱

1.有关线状谱,下列说法正确的是(

)。

A.线状谱间接地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

【分析】由于每种原子只能发出特定频率的光,因此原子的发射光谱是分立的,我们也可根据发射光谱来鉴别物质的成分。

【解析】不同的原子发出的谱线不相同,每一种原子都有自己的特征谱线,利用光谱分析可以用来鉴别物质所含元素,所以A、B、D正确。太阳光谱是吸收光谱,故C不正确。

【答案】ABD 【点拨】解决有关光谱的选择题,只需记住各种光谱的定义及产生机理即可。

2.对于线状谱,下列说法正确的是(

)。

A.线状谱是不连续的

B.由于原子都是由原子核和电子组成的,所以各种原子的线状谱是相同的

C.各种原子的原子结构不同,所以各种原子的线状谱也不相同

D.分析物质发光的光谱,可以鉴别物质所含元素

【解析】线状谱为不连续谱,A正确;各种原子都有自己的特征谱线,故B错,C对;用各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质的组成成分,D正确。

【答案】ACD 拓展二:氢原子光谱的实验规律

3.关于巴耳末公式,下列说法正确的是(

)。

A.所有氢原子光谱都遵循这一规律

B.n只能取整数,不能取分数

C.巴耳末公式能解释氢原子的光谱是线状谱

D.以上说法都错误

【分析】巴耳末对其当时发现的氢原子发出的可见光谱进行分析,得出了巴耳末公式。现在人们已经探测到不可见的红外光区和紫外光区的氢原子光谱谱线也满足与巴耳末公式类似的公式。

【解析】由巴耳末公式

=R(

-

)(其中n=3,4,5,…)可以看出,n只能取整数,不能连续取值,波长也只会是分立的值,所以通过巴耳末公式求出的是线状光谱。

【答案】BC 【点拨】记住氢原子光谱的实验规律是解决这种问题的唯一有效途径。

七、小结