3　氢原子光谱优秀教学设计

人教版

高中物理选修3-5 第18章第3节

氢原子光谱

【知识与技能】

1．了解光谱的定义和分类。

2．了解氢原子光谱的实验规律，知道巴耳末系。

3．了解经典理论的困难。

【过程与方法】

通过本节的学习，感受科学发展的过程。

【情感态度与价值观】

培养学生探究科学、认识科学的能力，提高自主学习的意识。[来源:学|科|网Z

【教学重难点】

教学重点：氢原子光谱的实验规律

教学难点：经典理论的困难

【教学过程】

重难点一、光谱

用光栅或棱镜可以把光波按波长展开，获得光的波长(频率)成分和强度分布的记录，即光谱，用摄谱仪可以得到光谱的照片．

物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类：

(1)发射光谱——物体直接发出的光通过分光后产生的光谱．它可分为连续光谱和明线光谱(线状光谱)．

①连续光谱——由连续分布的一切波长的光(一切单色光)组成的光谱．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱．

②明线光谱——只含有一系列分立的亮线的光谱．它是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明线光谱．实验证明，每种元素的原子都有一定特征的明线光谱．

可以使用光谱管观察稀薄气体发光时的明线光谱．不同元素的原子产生的明线光谱是不同的，但同种元素原子产生的明线光谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可从其明线光谱加以鉴别．因此称某种元素原子的明线光谱的谱线为这种元素原子的特征谱线．

(2)吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时，某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱．这种光谱的特点是在连续光谱的背景上由若干条暗线组成的．例如太阳光谱就是太阳内部发出的强光经温度较低的太阳大气层时产生的吸收光谱．

实验表明，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该原子的明线光谱中的一条明线相对应．即某种原子发出的光与吸收的光的频率是特定的，因此吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线．

光谱的分类

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。

光谱分析

－10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。

【典型例题】下列说法不正确的是(

) A．普朗克最先提出能量子观念，但至于微观世界量子化的观念，是爱因斯坦跨出了真正说明物质世界量子性质的第一步

B．实物粒子也具有波动性，但实物粒子所具有的物质波不是概率波

C．各种原子的发射光谱都是线状谱，线状谱是原子的特征谱线

D．电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构

【审题指导】

(1)在量子力学中，物理量只能以确定的大小一份一份地进行变化，具体有多大要随体系所处的状态而定．这种物理量只能采取某些分离数值的特征叫作量子化，变化的最小份额称为量子．

(2)量子力学认为物质没有确定的位置，它表现出的宏观看起来的位置其实是对几率波函数的平均值，故对微观粒子运动状态的最准确的描述是概率波，即实物粒子也具有波动性，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波．

(3)原子光谱，是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列波长的光所组成的光谱．原子吸收光源中部分波长的光形成吸收光谱，为暗淡条纹；发射光子时则形成发射光谱，为明亮彩色条纹．两种光谱都不是连续的，且吸收光谱条纹可与发射光谱一一对应．每一种原子的光谱都不同，遂称为特征光谱．

【答案】B 【解析】普朗克最先提出能量子观念，但至于微观世界量子化的观念，是爱因斯坦跨出了真正说明物质世界量子性质的第一步，故A正确；实物粒子也具有波动性，实物粒子所具有的物质波是概率波，故B错误；各种原子的发射光谱都是线状谱，线状谱是原子的特征谱线，故C正确；原先人们认为原子是最小的单位，电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构，故C正确．

重难点二、氢原子光谱

氢原子光谱的实验规律

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

1117m－1。

＝R(－)

n＝3,4,5……式中n只能取整数，R称为里德伯常量R＝1.10×1022λ2n①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。

经典理论的困难

1．按经典电磁理论，电子绕核转动具有加速度，加速运动着的电荷(电子)要向周围空间辐射电磁波，电磁波频率等于电子绕核旋转的频率，随着不断地向外辐射能量，原子系统的能量逐渐减少，电子运动的轨道半径也越来越小，绕核旋转的频率连续增大，电子辐射的电磁波频率也在连续地变化，因而所呈现的光谱应为连续光谱。

2．由于电子绕核运动时不断向外辐射电磁波，电子能量不断减少，电子将逐渐接近原子核，最后落于核上，这样，原子应是一个不稳定系统。

3．据经典理论，以上推理都是正确的，但推出的结果与现实不相符，说明经典理论可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。

【典型例题】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＝6.5×107m，n＝4时，λ＝4.8×107m －－111【解析】据公式λ＝R(22－n2)

n＝3,4,5，……

当n＝3时，波长λ最大，其次是n＝4时，

111当n＝3时，λ＝1.10×107×(4－9) 1解得λ1＝6.5×107m 111当n＝4时，λ＝1.10×107×(4－16) 2－

解得λ2＝4.8×107m 氢原子光谱是由一系列不连续的谱线组成的线状谱。

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