3　氢原子光谱教学实录

氢原子光谱

学习目标：1.知道什么是光谱，能说出连续谱和线状谱的区别. 2.能记住氢原子光谱的实验规律. 3.能说出经典物理学在解释原子的稳定性和原子光谱分立特性上的困难．

教学重点：讲述氢光谱的实验规律

教学难点：原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾

教学过程：

一、光谱和光谱分析

探究：(1)根据经典的电磁理论，原子的光谱是怎样的？而实际看到的原子的光谱是怎样的？

分析：根据经典电磁理论，原子可以辐射各种频率的光，即原子光谱应该是连续的，而实际上看到的原子的光谱总是分立的线状谱．

(2)为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？我们记录光谱有什么样的意义？

分析：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．

光谱分析的意义：①应用光谱分析发现新元素．

②光谱分析对鉴别化学元素有着重大的意义，许多化学元素，如铯、铷、铊、锢、镓等，都是在实验室里通过光谱分析发现的．

③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统一性．

④光谱分析还为深入研究原子世界奠定了基础，近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的．

小结：

(1)光谱的定义

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)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．

(3)光谱的分类和比较

光谱分类

连续谱

线状谱

(原子光谱)

产生条件

炽热固体、液体和高压气体发光形成

稀薄气体发光形成

光谱形式

连续分布，一切波长的光都有

一些不连续的亮线组成．不同元素谱线不同(又叫特征谱线) 发射光谱

吸收光谱

(4)太阳光谱

炽热的白光通过温度较低的气体用分光镜观察时，见到连续谱背景后，某些波长的光被吸收后形成

上出现一些暗线(与特征谱线对应) 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产生原因：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，这就形成了连续谱背景下的暗线．

(5)光谱分析

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．

①优点：灵敏度高，样本中一种元素的含量达到10②应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分．

③用于光谱分析的光谱：线状谱和吸收光谱．

学生练习：(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中，正确的是(

) A．日光灯产生的光谱是连续谱

B．我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分

C．连续谱是不能用来作光谱分析的

D．线状谱和吸收光谱都可以对物质成分进行分析

答案

CD 二、氢原子光谱的实验规律

探究：(1)氢原子光谱是什么光谱？它是如何获取的？

分析：氢原子光谱是线状谱，用氢气放电管和光谱仪可以获得氢原子光谱．

(2)能否根据巴耳末公式计算出对应的氢光谱的最长波长？

分析：能．氢光谱的最长波长对应着n＝3，代入巴耳末公式便可计算出最长波长．

小结：

(1)巴耳末公式

111－＝R(2－2)，n＝3,4,5，…式中R叫做里德伯常量，实验值为R＝1.10×107 m1. λ2n1①公式特点：第一项都是2；

2②巴耳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．巴耳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)其他公式

氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线满足与巴耳末公式类似的关系式．如莱曼系在紫外光111区，公式为＝R12－n2，其中n＝2,3,4，…

λ－10 g时就可以被检测到．

111学生练习：(多选)下列关于巴耳末公式＝R22－n2的理解，正确的是(

) λA．此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的

B．公式中n可取任意值，故氢光谱是连续谱

C．公式中n只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱

D．公式不仅适用于氢光谱的分析，还适用于其他原子光谱的分析

解析：巴耳末公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的，故A选项正确；公式中的n只能取大于或等于3的整数值，故氢光谱是线状谱，B选项错误，C选项正确；巴耳末公式只适用于氢光谱的分析，不适用于其他原子光谱的分析，D选项错误．

三、经典理论的困难

探究：(1)卢瑟福的原子结构很好地解释了α粒子散射实验，核外的电子绕核高速旋转，这个结构和经典的电磁理论有什么矛盾？

分析：核外电子被库仑力吸引→电子以很大速度绕核运动(绕核运动的加速度不为零)→电磁场周期性变化→向外辐射电磁波(绕核运动的能量以电磁波的形式辐射出去)→能量减少→电子绕核运动的轨道半径减小→电子做螺旋线运动，最后落入原子核中，但是原子是稳定的，并没有原子核外的电子落入原子核内．所以，经典的电磁理论不能解释电子核外的电子的运动情况和原子的稳定性．

(2)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，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？经典的电磁理论不能解释哪些地方？

答案

电子绕核运动时辐射电磁波的频率应等于电子绕核运动的频率→电子越转能量越小→轨道半径不断减小→运行频率不断改变→这个变化有连续性→原子辐射电磁波的频率也要不断变化→大量原子发光的光谱应该是连续谱．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．

小结：

(1)核式结构模型的成就：正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验．

(2)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．

学生练习：(多选)关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系，下列说法正确的是(

) 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．原子的核式结构模型彻底否定了经典电磁理论

答案

BC