【物理】2019届一轮复习人教版原子结构学案 15页

第48课时　原子结构 考点1　原子的核式结构 ‎1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”。‎ ‎2．原子的核式结构 ‎(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型。‎ ‎(2)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：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。‎ ‎1．下列四个示意图表示的实验中能说明原子核式结构的是(　　)‎ 答案　A 解析　α粒子散射实验说明原子的核式结构，故A正确；双缝干涉实验证明光具有波动性，故B 错误；光电效应说明光具有粒子性，故C错误；放射线在磁场中偏转是根据带电粒子的偏转方向确定放射线的电性，故D错误。‎ ‎2．(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是(　　)‎ A．是通过发现电子现象得出来的 B．原子的中心有个核，叫做原子核 C．原子的正电荷均匀分布在整个原子中 D．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旋转 答案　BD 解析　原子的核式结构模型是在α粒子的散射实验结果的基础上提出的，A错误。原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，B正确、C错误。原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。‎ ‎3.‎ 根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，如图所示虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(　　)‎ A．动能先增大，后减小 B．电势能先减小，后增大 C．电场力先做负功，后做正功，总功等于零 D．加速度先变小，后变大 答案　C 解析　α粒子从a点经b点到达等势点c的过程中电场力先做负功后做正功，α粒子的电势能先增加后减小、动能先减小后增大，加速度先变大，后变小，回到同一等势线上时，电场力做的总功为零，故C正确。‎ 考点2　能级跃迁及相关的能量问题 ‎1．氢原子光谱 ‎(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：‎ ‎(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R(n＝3,4,5…，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)。‎ ‎(4)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，且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。‎ ‎2．氢原子的能级结构、能级公式 ‎(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：当电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En。(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)几个概念 ‎①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级。‎ ‎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)氢原子的能级公式：En＝E1(n＝1,2,3…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV。‎ ‎(4)氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m。‎ ‎(5)氢原子的能级图：能级图如图所示。‎ ‎[例]　‎ ‎(2017·辽宁沈阳郊联体期末)根据氢原子的能级图，现让一束单色光照射到一群处于基态(量子数n＝1)的氢原子上，受激的氢原子能自发地发出6种不同频率的光，则照射氢原子的单色光的光子能量为(　　)‎ A．13.6 eV B．3.4 eV C．12.75 eV D．12.09 eV 解析　受激的氢原子能自发地发出6种不同频率的光，说明氢原子从n＝1能级跃迁到n＝4能级上，所以照射氢原子的单色光的光子能量E＝E4－E1＝12.75 eV，C正确。‎ 答案　C 能级跃迁中的几种情况 ‎(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子。光子的频率ν＝＝。‎ ‎(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。‎ ‎①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差hν＝ΔE，即对光子的吸收具有选择性。‎ ‎②当入射光子能量大于该能级的电离能时，原子对光子吸收不再具有选择性，而是吸收电离。‎ ‎③碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，即E外≥ΔE。‎ ‎(3)一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光的种类有C＝种。一个氢原子处于量子数为n的激发态，向低能级跃迁时，最多可辐射出的光的种类有n－1种。‎ ‎1．(2017·河南省洛阳月考)用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2、ν3的三条谱线，且ν3>ν2>ν1，则(　　)‎ A．ν0<ν1 B．ν3＝ν2＋ν1‎ C．ν0＝ν1＋ν2＋ν3 D.＝＋ 答案　B 解析　大量氢原子跃迁时只有三个频率的光谱，这说明是从n＝3能级向低能级跃迁。由于ν3>ν2>ν1，则：‎ n＝3能级向n＝1能级跃迁时，hν3＝E3－E1‎ n＝2能级向n＝1能级跃迁时，hν2＝E2－E1‎ n＝3能级向n＝2能级跃迁时，hν1＝E3－E2‎ 将以上三式变形可得，hν3＝hν2＋hν1‎ 解得ν3＝ν2＋ν1，故B正确，再根据氢原子理论可知，入射光频率ν0＝ν3，故A、C、D错误。‎ ‎2．氢原子辐射出一个光子后(　　)‎ A．电子绕核旋转半径增大 B．电子的动能增大 C．氢原子的电势能增大 D．原子的能级值增大 答案　B 解析　‎ 根据玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道，在此跃迁过程中，电场力对电子做了正功，因而电势能应减小。另由经典电磁理论，电子绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力：k＝m，则Ek＝mv2＝。可见，电子运动半径越小，其动能越大。再结合能量转化和守恒定律，氢原子放出光子，辐射出一定的能量，所以原子的总能量减少，只有B正确。‎ ‎3．(2018·广州市执信中学期末)已知氢原子的能级如图所示，现用光子能量介于10～12.9 eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是(　　)‎ A．在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种 B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种 C．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有10种 D．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种 答案　B 解析　因为－13.6 eV＋10 eV＝－3.6 eV，－13.6 eV＋12.9 eV＝－0.7 eV，能量介于－3.6～－0.7 eV的能级有n＝2、3、4三种，可知照射光中有三种频率的光子被吸收，故A错误、B正确；氢原子跃迁的最高能级为n＝4能级，根据C＝6知，氢原子发射出六种不同波长的光，故C、D错误，故选B。‎ ‎1．在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是(　　)‎ A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B．正电荷在原子中是均匀分布的 C．原子中存在着带负电的电子 D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中 答案　A 解析　α粒子和电子之间有相互作用力，它们接近时就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有α粒子质量的，粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一个灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变，α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较大的正电荷；三是这一粒子的体积很小，故A正确。‎ ‎2．如图所示为α粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中a、b、c、d四个位置。则这四个位置在相等时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是(　　)‎ A．1305、25、7、1 B．202、405、625、825‎ C．1202、1010、723、203 D．1202、1305、723、203‎ 答案　A 解析　由于绝大多数粒子运动方向基本不变，所以a位置闪烁次数最多，少数粒子发生了偏转，极少数发生了大角度偏转。符合该规律的数据只有A选项。‎ ‎3．(2018·长春外国语学校期末)(多选)氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离原子核较近的轨道上，下列说法正确的是(　　)‎ A．核外电子受力变小 B．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 答案　BD 解析　根据F＝k得，轨道半径减小，则核外电子受力变大，故A错误；由较远轨道跃迁到较近轨道，原子能量减小，故B正确；因为原子能量减小，所以氢原子放出一定频率的光子，故C错误、D正确。‎ ‎4．(2017·吉林高中三调)下列说法正确的是(　　)‎ A．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分 B．α粒子散射实验揭示了原子具有枣糕式结构 C．氢原子核外电子轨道半径越大，其能量越低 D．原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1的光子；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1>λ2，那么原子从a能级跃迁到c能级状态时将要吸收波长为的光子 答案　D 解析　β衰变是原子核中的中子转化为质子同时产生电子的过程，但电子不是原子核的组成部分，故A错误；α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构，B错误；氢原子核外电子轨道半径越大，其能量越高，C错误；原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1‎ 的光子；原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子，已知λ1>λ2。根据玻尔理论得a→b：Ea－Eb＝h，b→c：Ec－Eb＝h，a→c：Ec－Ea＝h，联立上三式得，λ＝，D正确。‎ ‎5．(2017·湖北七市联考)(多选)如图所示是氢原子的能级图，大量处于n＝5激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出10种不同频率的光子。其中莱曼系是指氢原子由高能级向n＝1 能级跃迁时释放的光子，则(　　)‎ A．10种光子中波长最短的是n＝5激发态跃迁到基态时产生的 B．10种光子中有4种属于莱曼系 C．使n＝5能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量 D．从n＝2能级跃迁到基态释放光子的能量等于n＝3能级跃迁到n＝2能级释放光子的能量 答案　AB 解析　n＝5激发态跃迁到基态时产生的光子的能量最大、频率最大，所以波长最短，故A正确；由题意知，从n＝5、4、3、2激发态跃迁到n＝1时发出的4种光子属于莱曼系，故B正确；由图知，n＝5能级的电离能为0.54 eV，故C错误；从n＝2‎ 能级跃迁到基态释放光子的能量大于n＝3能级跃迁到n＝2能级释放光子的能量，故D错误。‎ ‎6．(多选)按照玻尔的理论，氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当一个氢原子从n＝4的能级向低能级跃迁时，下列说法正确的是(　　)‎ A．氢原子系统的电势能减小，电子的动能增加 B．氢原子系统的电势能减小，电子的动能减小 C．氢原子可能辐射6种不同波长的光 D．氢原子可能辐射3种不同波长的光 答案　AD 解析　当一个氢原子从n＝4的能级向低能级跃迁时，轨道半径减小，能量减小，根据k＝m知，电子动能增大，电势能减小，故A正确，B错误；当一个氢原子从n＝4的能级向低能级跃迁时，可能放出3种不同波长的光子，分别由n＝4跃迁到n＝3、n＝3跃迁到n＝2、n＝2跃迁到n＝1所释放的光子，故C错误、D正确。‎ ‎7．按照玻尔原子理论，氢原子中的电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道，要________(填“释放”或“吸收”)能量。已知氢原子的基态能量为E1(E1<0)，电子的质量为m，则基态氢原子的电离能为________，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子后被电离，电离后电子的速度大小为________(已知普朗克常量为h)。‎ 答案　吸收　－E1　 解析　氢原子中的电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道，原子能量增大，则需要吸收能量。氢原子的基态能量为E1(E1<0)，则发生电离，基态氢原子的电离能为－E1，根据能量守恒得：hν＋E1＝mv2，解得电离后电子的速度大小为：v＝ ‎ eq (f(2(hν＋E1),m))。‎ ‎8．(2017·江西宜川五校联考)如图为氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子跃迁时，发出多个能量不同的光子，其中频率最大的光子能量为________eV，若用此光照射到逸出功为2.75 eV的光电管上，则加在该光电管上的遏止电压为 ________V。‎ 答案　12.75　10‎ 解析　根据C＝6知，大量处于n＝4的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种能量不同的光子。能级间跃迁放出或吸收光子的能量满足hν＝Em－En。所以频率最大的光子能量为E＝E4－E1＝－0.85 eV＋13.6 eV＝12.75 eV。根据爱因斯坦光电效应方程，有Ek＝hν－W0。根据动能定理eU＝Ek，解得：U＝10 V。‎ ‎9．(2016·北京高考)处于n＝3能级的大量氢原子向低能级跃迁时，辐射光的频率有(　　)‎ A．1种 B．2种 C．3种 D．4种 答案　C 解析　因为是大量氢原子，所以根据C可得有3种可能，故C正确。‎ ‎10.‎ ‎(2017·陕西咸阳二模)已知类氢结构氦离子(He＋)的能级图如图所示，根据能级跃迁理论可知(　　)‎ A．氦离子(He＋)处于n＝1能级时，能吸收45 eV的能量跃迁到n＝2能级 B．大量处在n＝3能级的氦离子(He＋)向低能级跃迁时，只能发出2种不同频率的光子 C．氦离子(He＋)从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出光子的波长大 D．若氦离子(He＋)从n＝2能级跃迁到基态，辐射出的光子能使某金属板发生光电效应，则从n＝4能级跃迁到n＝2能级释放的光子一定也能使该金属板发生光电效应 答案　C 解析　吸收的光子能量等于两能级间的能量差，才能发生跃迁，从n＝1能级跃迁到n＝2能级，吸收的光子能量为40.8 eV，故A错误；大量处在n＝3能级的氦离子(He＋)向低能级跃迁，能发出3种不同频率的光子，故B错误；由图可知，从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射的光子能量小于从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射的光子能量，所以从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出光子的频率低，波长大，故C正确；从n＝2‎ 能级跃迁到基态释放的光子能量为－13.6 eV－(－54.4 eV)＝40.8 eV，若能使某金属板发生光电效应，从n＝4能级跃迁到n＝2能级释放的光子能量为－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV<40.8 eV，则不一定能使该金属板发生光电效应，故D错误。‎ ‎11.‎ ‎(2017·天津五校联考)氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n＝4能级向n＝2能级跃迁时辐射出可见光a，从n＝3能级向n＝2能级跃迁时辐射出可见光b，则(　　)‎ A．氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出γ射线 B．氢原子从n＝4能级向n＝3能级跃迁时会辐射出紫外线 C．从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，电子的电势能减小，氢原子的能量也减小 D．氢原子在n＝2能级时可吸收任意频率的光而发生电离 答案　C 解析　γ射线的产生机理是原子核受激发才产生的，故A错误；根据跃迁规律可知氢原子从高能级向低能级跃迁时辐射光子的能量等于这两个能级的能量差，从n＝4能级向n＝3能级跃迁时辐射出的光子能量小于a光子的能量，不可能为紫外线，故B错误；根据库仑引力提供向心力，结合牛顿第二定律，可知＝m，从n＝3能级跃迁到n＝2能级时，电子的动能增大，电子的电势能减小，由于放出光子，氢原子的能量减小，故C正确；欲使在n＝2‎ 能级的氢原子发生电离，吸收的光子能量一定不能小于3.4 eV，故D错误。‎ ‎12．(2017·天津五区县质检)实验室考查氢原子跃迁时的微观效应。已知氢原子能级图如图所示，氢原子质量为mH＝1.67×10－27 kg。设原来处于静止状态的大量激发态氢原子处于n＝5的能级状态。‎ ‎(1)求氢原子由高能级向低能级跃迁时，可能发射出多少种不同频率的光；‎ ‎(2)若跃迁后光子沿某一方向飞出，且光子的动量可以用p＝表示(h为普朗克常量，ν为光子频率，c为真空中光速)，求发生电子跃迁后氢原子的最大反冲速率。(结果保留三位有效数字)‎ 答案　(1)10　(2)4.17 m/s 解析　(1)可能发射出不同频率的光谱的种数为：‎ N＝C＝10。‎ ‎(2)由动量守恒定律可得：－mHvH＝0‎ 解得氢原子的最大反冲速率为：‎ vH＝＝ m/s≈4.17 m/s。‎