2018-2019版高中物理 第3章 原子世界探秘 3.4 光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用學(xué)案 滬科版選修3-5.docx

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3.4　光譜分析在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解各種光譜及其特點(diǎn).2.知道光譜分析及其重要應(yīng)用． 一、光譜 [導(dǎo)學(xué)探究]　根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，原子的光譜是怎樣的？而實(shí)際看到的原子的光譜是怎樣的？ 答案　根據(jù)經(jīng)典電磁理論，原子可以輻射各種頻率的光，即原子光譜應(yīng)該是連續(xù)的，而實(shí)際上看到的原子的光譜總是分立的線(xiàn)狀譜． [知識(shí)梳理] 1．定義： 用光柵或棱鏡把光按波長(zhǎng)展開(kāi)，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)成分和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜． 按形成條件，將光譜分為發(fā)射光譜和吸收光譜． 2．發(fā)射光譜：物體發(fā)光直接產(chǎn)生的光譜 (1)連續(xù)譜． 連續(xù)分布的包含有一切波長(zhǎng)的光組成的光譜． ①產(chǎn)生：熾熱的固體、液體和高壓氣體的光譜，如白熾燈絲、燭焰、熾熱鋼水等發(fā)出的光都是連續(xù)光譜． ②特點(diǎn)：光譜是連在一起的光帶． (2)線(xiàn)狀譜． 由一些不連續(xù)的亮線(xiàn)組成的光譜． ①產(chǎn)生：由游離態(tài)的原子發(fā)射的，因此也叫原子光譜．稀薄氣體和金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是線(xiàn)狀譜． ②特點(diǎn)：不同元素的原子產(chǎn)生的線(xiàn)狀譜是不同的，但同種元素的原子產(chǎn)生的線(xiàn)狀譜是相同的，這意味著，某種物質(zhì)的原子可用其線(xiàn)狀譜加以鑒別． (3)特征光譜 每種元素的原子都有各自的發(fā)射光譜，即由一系列不連續(xù)的具有特定波長(zhǎng)的譜線(xiàn)組成的光譜． 3．吸收光譜 物體發(fā)出的白光，通過(guò)溫度較低的物質(zhì)蒸氣時(shí)，某些波長(zhǎng)的光被該物質(zhì)吸收后形成的光譜． (1)產(chǎn)生：物體發(fā)出的白光通過(guò)溫度較低的物質(zhì)蒸氣時(shí)產(chǎn)生的． (2)特點(diǎn)：在連續(xù)譜的背景上有若干條暗線(xiàn)．同種元素的吸收光譜與線(xiàn)狀譜是一一對(duì)應(yīng)的． (3)太陽(yáng)光譜是吸收光譜 ①特點(diǎn)：在連續(xù)譜的背景上出現(xiàn)一些不連續(xù)的暗線(xiàn)． ②產(chǎn)生原因：陽(yáng)光中含有各種顏色的光，當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)的高層大氣射向地球時(shí)，太陽(yáng)高層大氣含有的元素會(huì)吸收它自己特征譜線(xiàn)的光，然后再向四面八方發(fā)射出去，到達(dá)地球上的這些譜線(xiàn)看起來(lái)就暗了，這就形成了連續(xù)譜明亮背景下的暗線(xiàn)． [即學(xué)即用]　判斷下列說(shuō)法的正誤． (1)各種原子的發(fā)射光譜都是連續(xù)譜．(　　) (2)不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的．(　√　) (3)連續(xù)譜一定是發(fā)射光譜(　√　) 二、光譜分析 [導(dǎo)學(xué)探究]　為什么用棱鏡可以把各種顏色的光展開(kāi)？我們記錄光譜有什么樣的意義？ 答案　不同顏色的光在棱鏡中的折射率不同，因此經(jīng)過(guò)棱鏡后的偏折程度也不同． 光譜分析的意義：①應(yīng)用光譜分析發(fā)現(xiàn)新元素，光譜分析對(duì)鑒別化學(xué)元素有著重大的意義，許多化學(xué)元素，如銫、銣、鉈、銦、鎵等，都是在實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)的．②天文學(xué)家將光譜分析應(yīng)用于恒星，證明了宇宙中物質(zhì)構(gòu)成的統(tǒng)一性．③光譜分析還為深入研究原子世界奠定了基礎(chǔ)，近代原子物理學(xué)正是從原子光譜的研究中開(kāi)始的． [知識(shí)梳理] 1．光譜分析 由于每種元素都有自己的特征光譜，可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定它們的化學(xué)組成，這種方法叫光譜分析． 2．優(yōu)點(diǎn)：靈敏、迅速，某種元素在樣品中的含量只要有110－10g就能檢測(cè)出來(lái)． 3．應(yīng)用 (1)鑒定產(chǎn)品的純度(如檢測(cè)半導(dǎo)體材料硅和鍺是不是達(dá)到高純度要求)． (2)發(fā)現(xiàn)新元素(如元素銣和銫)． (3)研究天體的物質(zhì)成分(如研究太陽(yáng)光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)大氣層中含有氫、氦、氮、碳、氧、鐵、鎂、鈣、鈉等元素)． (4)鑒定食品的優(yōu)劣． (5)鑒定文物． [即學(xué)即用]　判斷下列說(shuō)法的正誤． (1)光譜分析時(shí)，既可以用線(xiàn)狀譜，也可以用連續(xù)譜．(　　) (2)利用光譜分析可以鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分．(　√　) 一、光譜 例1　關(guān)于光譜，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．一切光源發(fā)出的光譜都是連續(xù)譜 B．一切光源發(fā)出的光譜都是線(xiàn)狀譜 C．稀薄氣體發(fā)光形成的光譜是線(xiàn)狀譜 D．白光通過(guò)鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜是線(xiàn)狀譜 答案　C 解析　由于物質(zhì)發(fā)光的條件不同，得到的光譜不同，故A、B錯(cuò)誤；稀薄氣體發(fā)光形成的光譜為線(xiàn)狀譜，C正確；白光通過(guò)鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜是吸收光譜，D錯(cuò)誤． 二、光譜分析 1．優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分析物質(zhì)的最低量達(dá)10－10g. 2．應(yīng)用：a.發(fā)現(xiàn)新元素；b.鑒別物體的物質(zhì)成分． 3．用于光譜分析的光譜：線(xiàn)狀譜和吸收光譜． 4．幾種光譜的比較 　　比較 光譜　　 產(chǎn)生條件 光譜形式及應(yīng)用 線(xiàn)狀譜 稀薄氣體發(fā)光形成的光譜 一些不連續(xù)的亮線(xiàn)組成，不同元素的明線(xiàn)光譜不同(又叫特征光譜)，可用于光譜分析 連續(xù)譜 熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)光形成的光譜 連續(xù)分布，一切波長(zhǎng)的光都有 吸收光譜 熾熱的白光通過(guò)溫度較白光低的氣體后，再色散形成的光譜 用分光鏡觀(guān)察時(shí)，見(jiàn)到連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)一些暗線(xiàn)(與特征譜線(xiàn)相應(yīng))，可用于光譜分析 例2　(多選)下列關(guān)于光譜和光譜分析的說(shuō)法中，正確的是(　　) A．太陽(yáng)光譜和白熾燈光譜都是線(xiàn)狀譜 B．煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線(xiàn)狀譜 C．進(jìn)行光譜分析時(shí)，可以用線(xiàn)狀譜，不能用連續(xù)光譜 D．我們能通過(guò)光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分 答案　BC 解析　太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)是太陽(yáng)發(fā)出的連續(xù)譜經(jīng)過(guò)太陽(yáng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜，正是太陽(yáng)發(fā)出的光譜被太陽(yáng)大氣層中存在的對(duì)應(yīng)元素吸收所致，白熾燈發(fā)出的是連續(xù)譜，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；月球本身不會(huì)發(fā)光，靠反射太陽(yáng)光才能使我們看到它，所以不能通過(guò)光譜分析鑒別月球的物質(zhì)成分，選項(xiàng)D錯(cuò)誤；用于光譜分析只能是線(xiàn)狀譜或吸收光譜，連續(xù)譜是不能用來(lái)進(jìn)行光譜分析的，所以選項(xiàng)C正確；煤氣燈火焰中燃燒的鈉蒸氣或霓虹燈產(chǎn)生的光譜都是線(xiàn)狀譜，選項(xiàng)B正確． 1．(光譜的理解)(多選)關(guān)于光譜，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．熾熱的液體發(fā)射連續(xù)譜 B．線(xiàn)狀譜和吸收光譜都可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行光譜分析 C．太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)，說(shuō)明太陽(yáng)中缺少與這些暗線(xiàn)相對(duì)應(yīng)的元素 D．發(fā)射光譜一定是連續(xù)譜 答案　AB 解析　熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜，故A正確；線(xiàn)狀譜和吸收光譜都可以用來(lái)進(jìn)行光譜分析，B正確；太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)說(shuō)明太陽(yáng)大氣中含有與這些暗線(xiàn)相對(duì)應(yīng)的元素，C錯(cuò)誤；發(fā)射光譜有連續(xù)譜和線(xiàn)狀譜，D錯(cuò)誤． 2．(光譜的理解)(多選)下列光譜中屬于原子光譜的是(　　) A．太陽(yáng)光譜 B．放電管中稀薄汞蒸氣產(chǎn)生的光譜 C．白熾燈的光譜 D．酒精燈中燃燒的鈉蒸氣所產(chǎn)生的光譜 答案　BD 解析　放電管中稀薄汞蒸氣產(chǎn)生的光譜，燃燒的鈉蒸氣產(chǎn)生的光譜分別是由汞蒸氣、鈉蒸氣發(fā)光產(chǎn)生的，均是原子光譜，故選項(xiàng)B、D對(duì)． 3．(光譜分析)(多選)關(guān)于光譜和光譜分析，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．太陽(yáng)光譜和白熾燈光譜都是連續(xù)譜 B．霓虹燈產(chǎn)生的是線(xiàn)狀譜 C．進(jìn)行光譜分析時(shí)，只能用線(xiàn)狀譜 D．同一元素吸收光譜的暗線(xiàn)與線(xiàn)狀譜的位置是一一對(duì)應(yīng)的 答案　BD 4．(光譜分析)太陽(yáng)光的光譜中有許多暗線(xiàn)，它們對(duì)應(yīng)著某些元素的特征譜線(xiàn)，產(chǎn)生這些暗線(xiàn)是由于(　　) A．太陽(yáng)表面大氣層中缺少相應(yīng)的元素 B．太陽(yáng)內(nèi)部缺少相應(yīng)的元素 C．太陽(yáng)表面大氣層中存在著相應(yīng)的元素 D．太陽(yáng)內(nèi)部存在著相應(yīng)的元素 答案　C 解析　吸收光譜的暗線(xiàn)是連續(xù)譜中某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的．陽(yáng)光中含有各種顏色的光，當(dāng)陽(yáng)光透過(guò)太陽(yáng)的高層大氣射向地球時(shí)，太陽(yáng)的高層大氣含有的元素 會(huì)吸收它自己特征譜線(xiàn)的光，然后再向四面八方發(fā)射出去．易錯(cuò)原因是不理解光譜的成因以及不同譜線(xiàn)的特點(diǎn)． 一、選擇題 考點(diǎn)一　光譜的理解 1．白熾燈發(fā)光產(chǎn)生的光譜是(　　) A．連續(xù)譜 B．明線(xiàn)光譜 C．原子光譜 D．吸收光譜 答案　A 解析　白熾燈發(fā)光是由于燈絲在熾熱狀態(tài)下發(fā)出的光，是連續(xù)譜． 2．對(duì)于光譜，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．大量原子發(fā)出的光譜是連續(xù)譜，少量原子發(fā)出的光譜是線(xiàn)狀譜 B．線(xiàn)狀譜由不連續(xù)的若干波長(zhǎng)的光所組成 C．太陽(yáng)光譜是連續(xù)譜 D．太陽(yáng)光譜是線(xiàn)狀譜 答案　B 3．關(guān)于原子光譜，下列說(shuō)法中不正確的是(　　) A．原子光譜是不連續(xù)的 B．由于原子都是由原子核和電子組成的，所以各種原子的原子光譜是相同的 C．由于各種原子的原子結(jié)構(gòu)不同，所以各種原子的原子光譜也不相同 D．分析物質(zhì)發(fā)光的光譜，可以鑒別物質(zhì)中含哪些元素 答案　B 解析　原子光譜為線(xiàn)狀譜，A正確；各種原子都有自己的特征譜線(xiàn)，故B錯(cuò)，C對(duì)；根據(jù)各種原子的特征譜線(xiàn)進(jìn)行光譜分析可鑒別物質(zhì)組成，D正確． 4．下列關(guān)于光譜的說(shuō)法正確的是(　　) A．熾熱固體、液體和高壓氣體發(fā)出的光形成連續(xù)譜 B．對(duì)月光作光譜分析可以確定月亮的化學(xué)組成 C．氣體發(fā)出的光只能產(chǎn)生線(xiàn)狀譜 D．甲物質(zhì)發(fā)出的光通過(guò)低溫的乙物質(zhì)蒸氣可得到甲物質(zhì)的吸收光譜 答案　A 5．在燃燒的酒精燈芯上放一些食鹽，然后用弧光燈發(fā)出的白光照射，就能得到(　　) A．鈉的線(xiàn)狀譜 B．鈉的吸收光譜 C．鈉的連續(xù)譜 D．仍是白光連續(xù)譜 答案　B 解析　鈉被酒精燈加熱汽化，形成鈉蒸氣，弧光燈發(fā)出的白光通過(guò)鈉蒸氣，某些波長(zhǎng)的光被吸收形成鈉的吸收光譜，B項(xiàng)正確． 考點(diǎn)二　光譜分析 6．利用光譜分析的方法能夠鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，關(guān)于光譜分析，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．利用高溫物體的連續(xù)譜就可鑒別其組成成分 B．利用物質(zhì)的線(xiàn)狀譜就可鑒別其組成成分 C．高溫物體發(fā)出的光通過(guò)物質(zhì)后的光譜上的暗線(xiàn)反映了高溫物體的組成成分 D．同一種物質(zhì)的線(xiàn)狀譜與吸收光譜上的暗線(xiàn)由于光譜的不同，它們沒(méi)有關(guān)系 答案　B 7．如圖1甲所示的a、b、c、d為四種元素的特征譜線(xiàn)，圖乙是某礦物的線(xiàn)狀譜，通過(guò)光譜分析可以確定該礦物中缺少的元素為(　　) 圖1 A．a(chǎn)元素 B．b元素 C．c元素 D．d元素 答案　B 解析　把礦物的線(xiàn)狀譜與幾種元素的特征譜線(xiàn)進(jìn)行對(duì)照，b元素的譜線(xiàn)在該線(xiàn)狀譜中不存在，故選項(xiàng)B正確．與幾個(gè)元素的特征譜線(xiàn)不對(duì)應(yīng)的線(xiàn)說(shuō)明該礦物中還有其他元素． 8．(多選)下列關(guān)于光譜和光譜分析的說(shuō)法正確的是(　　) A．連續(xù)譜就是由連續(xù)發(fā)光的物體產(chǎn)生的光譜，線(xiàn)狀譜是線(xiàn)狀光源產(chǎn)生的光譜 B．通過(guò)對(duì)連續(xù)譜的光譜分析，可鑒定物質(zhì)成分 C．連續(xù)譜包括一切波長(zhǎng)的光，線(xiàn)狀譜只包括某些特定波長(zhǎng)的光 D．通過(guò)對(duì)線(xiàn)狀譜的明線(xiàn)光譜分析或吸收光譜的暗線(xiàn)分析，可鑒定物質(zhì)成分 答案　CD 解析　連續(xù)譜是指光譜由連續(xù)分布的一切波長(zhǎng)的光組成的，而不是指光源是連續(xù)的．連續(xù)譜是由熾熱固體、液體及高壓氣體發(fā)光產(chǎn)生的，同理線(xiàn)狀譜是指光譜是由一些不連續(xù)的亮線(xiàn)組成的，由稀薄氣體或金屬蒸氣所發(fā)出的光產(chǎn)生的，而不是指光源是線(xiàn)狀的，A錯(cuò)，C對(duì)；光譜分析是根據(jù)不同原子都有自己的特征譜線(xiàn)來(lái)鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分的方法，連續(xù)譜含有一切波長(zhǎng)的光，不是原子的特征譜線(xiàn)，不能用來(lái)進(jìn)行光譜分析，而線(xiàn)狀譜和吸收光譜都是原子自身的特征譜線(xiàn)，所以可以用來(lái)進(jìn)行光譜分析，鑒定物質(zhì)成分，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度很高，在發(fā)現(xiàn)和鑒定元素上有著重大的意義，B錯(cuò)，D對(duì)． 9．(多選)關(guān)于太陽(yáng)的光譜，下列說(shuō)法正確的是(　　) A．太陽(yáng)光譜是吸收光譜 B．太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)，是太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)大氣層時(shí)某些特定頻率的光被吸收后而產(chǎn)生的 C．根據(jù)太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)，可以分析太陽(yáng)的物質(zhì)組成 D．根據(jù)太陽(yáng)光譜中的暗線(xiàn)，可以分析地球大氣層中含有哪些元素 答案　AB 解析　太陽(yáng)是高溫物體，它發(fā)出的白光通過(guò)溫度較低的太陽(yáng)大氣層時(shí)，某些特定頻率的光會(huì)被太陽(yáng)大氣層中的某些元素的原子吸收，從而使我們觀(guān)察到的太陽(yáng)光譜是吸收光譜，因此，選項(xiàng)A、B正確．分析太陽(yáng)的吸收光譜，可知太陽(yáng)大氣層的物質(zhì)組成，由于地球大氣層的溫度很低，太陽(yáng)光通過(guò)地球大氣層時(shí)不會(huì)被大氣層中的物質(zhì)原子吸收，故選項(xiàng)C、D錯(cuò)誤． 二、非選擇題 10．(光譜分析)處在激發(fā)態(tài)的氫原子向能量較低的能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)發(fā)出一系列不同頻率的光，稱(chēng)為氫光譜．氫光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)λ可以用下面的巴耳末—里德伯公式表示＝R，k、n分別表示氫原子躍遷后所處狀態(tài)的量子數(shù)，k＝1,2,3，….對(duì)每一個(gè)k，有n＝k＋1，k＋2，k＋3，…，R稱(chēng)為里德伯常量，是一個(gè)已知量．對(duì)于k＝1的一系列譜 線(xiàn)其波長(zhǎng)處在紫外光區(qū)，稱(chēng)為萊曼系；k＝2的一系列譜線(xiàn)其波長(zhǎng)處在可見(jiàn)光區(qū)，稱(chēng)為巴耳末系．用氫原子發(fā)出的光照射某種金屬進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用巴耳末系波長(zhǎng)最短的光照射時(shí)，遏止電壓的大小為U1，當(dāng)用萊曼系波長(zhǎng)最長(zhǎng)的光照射時(shí)，遏止電壓的大小為U2，已知電子電荷量的大小為e，真空中的光速為c，試求普朗克常量和該種金屬的逸出功． 答案　　 解析　設(shè)該種金屬的逸出功為W，光電效應(yīng)所產(chǎn)生的光電子最大初動(dòng)能為Ekm 由動(dòng)能定理知Ekm＝eU 對(duì)于萊曼系，當(dāng)n＝2時(shí)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)最長(zhǎng)， 設(shè)為λ1 由題中所給公式有＝R＝R 波長(zhǎng)為λ1的光對(duì)應(yīng)的頻率ν1＝＝Rc 對(duì)于巴耳末系，當(dāng)n→∞時(shí)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)最短，設(shè)為λ2， 則有＝R＝R 波長(zhǎng)λ2的光對(duì)應(yīng)的頻率ν2＝＝Rc 根據(jù)愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)方程Ekm＝hν－W知Ekm1＝hν1－W，Ekm2＝hν2－W 又Ekm1＝eU1，Ekm2＝eU2 解得h＝，W＝.