1、第2讲原子结构氢原子光谱1原子的核式结构模型(1)粒子散射实验实验装置:粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。实验现象:绝大多数的粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进。少数粒子发生了大角度偏转。极少数粒子的偏转角度大于90,甚至有极个别粒子几乎被“撞了回来”。实验意义:卢瑟福通过粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。(2)核式结构模型1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动。(3)原子核的电荷与尺度1.1 (2019辽宁沈阳模拟)(多选)如图所示为卢瑟福和他的助手做粒子散射实验的装置示意图,荧光屏和
2、显微镜一起分别放在图中的A、B、C三个位置时,关于观察到的现象,下列说法中正确的是()。A.放在A位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最少C.放在C位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最少D.放在C位置时观察不到屏上有闪光【答案】AC1.2 (2018南昌期末)不能用卢瑟福原子核式结构模型得出的结论是()。A.原子中心有一个很小的原子核B.原子核是由质子和中子组成的C.原子的质量几乎全部集中在原子核内D.原子的正电荷全部集中在原子核内【答案】B2氢原子光谱玻尔的原子模型(1)玻尔理论定态: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
3、子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定,即h=Em-En。(h是普朗克常量,h=6.6310-34 Js)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)氢原子的能级能级图如图所示2.1 (2019陕西师大附中模拟)(多选)根据玻尔理论可知,以下说法正确的是()。A.电子绕核运动有加速度,就要向外辐射电磁波B.处于定态的原子,其电子做变速运动,但它并不向外辐射能量C.原子内电子的可能轨道是不连续的D.原子能级
4、跃迁时,辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差【答案】BCD2.2 (2019山西临汾一中质检)某光电管的阴极为金属钾制成的,它的逸出功为2.21 eV,如图所示是氢原子的能级图,一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,辐射的光照射到该光电管的阴极上,这束光中能使金属钾发生光电效应的光谱线条数是()。A.2条B.4条C.5条D.6条【答案】B题型能级的分析与计算1.氢原子跃迁条件原子跃迁条件h=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和原子作用而使氢原子电离时,只要入射光的能量E13.6 eV,氢原子就能吸收光子的能量,对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时
5、,实物粒子的能量大于或等于能级差即可。2.氢原子跃迁时能量的变化(1)原子能量:En=Ekn+Epn=E1n2,随n增大而增大,其中E1=-13.6 eV。(2)电子动能:电子绕氢原子核运动时由静电力提供向心力,即ke2r2=mv2r,所以Ek=ke22r,即动能随r增大而减小。(3)电势能:通过库仑力做功判断电势能的增减。当轨道半径减小时,库仑力做正功,电势能减小;当轨道半径增大时,电势能增加。3.光谱线条数(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法:用数学中的组合知识求解:N=Cn2=n(n-1)2。利用能级图求解:在氢
6、原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。4.区别原子的跃迁与电离若入射光子的能量低于原子的电离能,则只有光子的能量恰好等于原子的两个能级之差时才能被吸收,并使原子发生跃迁,若入射光子的能量大于原子的电离能,则可以被吸收,并使原子电离。【例题】(多选)如图为氢原子的能级示意图,关于氢原子跃迁,下列说法中正确的是()。 A.一个处于能级n=5的激发态的氢原子,它向低能级跃迁时,可发出10种不同频率的光子B.处于n=3激发态的氢原子子吸收具有1.87 eV能量的光子后被电离C.用12 eV的光子照射处于基态的氢原子时,电子仍处于基态D.电子从高能级跃迁到低能级时,动能增大,电势能增
7、大【解析】一个处于能级n=5的激发态的氢原子,它向低能级跃迁时,最多可发出4种不同频率的光子,所以A项错误;当n=3时,氢原子的能量E3=-1.51 eV,所以处于n=3激发态的氢原子的电离能是1.51 eV,当该原子吸收具有1.87 eV能量的光子后被电离,B项正确;根据玻尔理论可知,处于基态的原子不可能吸收12 eV的光子,所以电子仍处于基态,C项正确;电子从高能级跃迁到低能级时,动能增大,电势能减小,所以D项错误。【答案】BC分析原子跃迁问题的注意事项(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时,也可以被处于基态的氢原子吸收,使氢原子电离。当处
8、于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能而被激发。因为实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差,就可以发生跃迁。(4)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由h=Em-En求得,波长可由公式c=求得。【变式训练】(2019河北衡水中学模拟)(多选)如图所示,氢原子在不同能级间发生a、b、c三种跃迁时,释放光子的波长分别是a、b、c,则下列说法正确的是()。A.从n=3能级跃迁到n=1能级时,释放光子的波长可表示为hcE3-E1B.从n=3能级跃迁到n=2
9、能级时,电子的电势能减小,氢原子的能量增加C.若用波长为c的光照射某金属时恰好能发生光电效应,则用波长为a的光照射该金属时也一定能发生光电效应D.用12.09 eV的光子照射大量处于基态的氢原子时,可以发出3种频率的光【解析】从n=3能级跃迁到n=1能级时,释放出的光子能量为(E3-E1),由E=h得释放光子的波长为hcE3-E1,A项正确;从n=3能级跃迁到n=2能级时释放光子,因此电子的电势能减小,氢原子的能量减小,B项错误;由能级图可知波长为c的光对应的光子频率大于波长为a的光所对应的光子频率,因此用波长为c的光照射某金属时恰好能发生光电效应,用波长为a的光照射该金属时一定不能发生光电效
10、应,C项错误;用12.09 eV的光子照射大量处于基态的氢原子时,氢原子可以从n=1能级跃迁到n=3能级,大量氢原子再由n=3能级跃迁到n=1能级时将发出3种不同频率的光,D项正确。【答案】AD1.(2018山西平遥中学模拟)关于原子结构,下列说法正确的是()。A.玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律B.卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性C.卢瑟福的粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子D.卢瑟福的粒子散射实验肯定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”【解析】玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律;卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性;卢瑟福的粒子散射实验表明原子
11、具有核式结构,否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”,故A项正确,B、C、D三项错误。【答案】A2.(2019海南华侨中学1月考试)卢瑟福通过粒子散射实验,判断出原子中心有一个很小的核,并由此提出了原子的核式结构模型。如图所示的平面示意图中两条线表示粒子运动的轨迹,则沿所示方向射向原子核的粒子可能的运动轨迹是()。A.轨迹aB.轨迹bC.轨迹cD.轨迹d【解析】粒子带正电,因此粒子靠近核时,与核间有斥力,沿方向射向原子核的粒子比沿方向的粒子离核近,与核的作用强,因此粒子沿方向进入后与核作用向外侧散射的偏转角应该比沿的大,故A项正确。【答案】A3.(2018安庆市第二中学月考)氢光谱在可见光的区
12、域内有4条谱线,按照在真空中波长由长到短的顺序,这4条谱线分别是H、H、H和H,它们都是氢原子的电子从能级数大于2的可能轨道上跃迁到能级数为2的轨道时所发出的光,下列判断错误的是()。A.电子处于激发态时,H所对应的轨道量子数最大B.H的光子能量大于H的光子能量C.对于同一种玻璃,4种光的折射率以H为最小D.对同一种金属,若H能使它发生光电效应,则H、H、H都可以使它发生光电效应【解析】由E=hc,知波长长,光子能量小,故H光子能量最小,H光子能量最大,再由hc=En-E2,得H对应的轨道量子数最小,A项错误。【答案】A4.(2019辽宁沈阳市第二中学模拟)中国“北斗三号”全球组卫星计划在20
13、18年底前完成18颗“北斗三号”卫星发射任务。“北斗三号”采用星载氢原子钟,其精度将比“北斗二号”的星载铷原子钟提高一个数量级。如图所示为氢原子的部分能级图,以下判断正确的是()。A.处于n=3能级的氢原子可以辐射任意频率的光子B.欲使处于基态的氢原子被激发,可用12.09 eV的光子照射C.当氢原子从n=5的状态跃迁到n=3的状态时,要吸收光子D.用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时不能发生光电效应【解析】根据C32=3知,这些n=3能级的氢原子可以辐射出三种不同频率的光子,A项错误;3能级和1能级的能量之差为12.09 eV,所以12.09 eV的光
14、子能被基态吸收,跃迁到n=3能级,B项正确;氢原子从高能级跃迁到低能级时放出光子,C项错误;从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光子的能量E=E2-E1=-3.4 eV-(-13.6)eV=10.2 eV6.34 eV,而使金属发生光电效应的条件是光子的能量大于电子的逸出功,故可以发生光电效应,D项错误。【答案】B5.(2019衡水检测)氦原子被电离出一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量E1=-54.4 eV,氦离子的能级示意图如图所示,在具有下列能量的光子或者电子中,不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是()。A.42.8 eV(光子)B.43.2 eV(电子)C.41.0
15、eV(电子)D.54.4 eV(光子)【解析】由于光子能量不可分,因此只有能量恰好等于两能级能量差的光子才能被氦离子吸收,A项中光子不能被吸收,D项中光子能被吸收;而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级能量差,均可被吸收,B、C两项中的电子均能被吸收。【答案】A6.(2019吉林一中月考)(多选)氢原子能级图的一部分如图所示,a、b、c分别表示氢原子在不同能级间的三种跃迁途径,设在a、b、c三种跃迁过程中,放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和a、b、c,则()。A.b=a+cB.1b=1a+1cC.b=acD.Eb=Ea+Ec【解析】Ea=E3-E2,Eb=E3-E1,Ec=E2-E
16、1,所以Eb=Ea+Ec,D项正确;由=c得a=hcE3-E2,b=hcE3-E1,c=hcE2-E1,取倒数后得到1b=1a+1c,B项正确。【答案】BD1.(2014全国卷,35)(多选)在人类对微观世界进行探索的过程中,科学实验起到了非常重要的作用。下列说法符合历史事实的是()。A.密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值B.贝克勒尔通过对天然放射现象的研究,发现了原子中存在原子核C.居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素D.卢瑟福通过粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子E.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验,发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的,并测出了该
17、粒子的比荷【解析】密立根通过油滴实验测出了基本电荷的电荷量,A项正确;卢瑟福通过粒子散射实验建立了原子核式结构模型,并发现了原子中心有一个核,B、D两项错误;居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素,并因此获得了诺贝尔奖,C项正确;汤姆孙通过研究阴极射线,发现了电子,并测出了电子的比荷,E项正确。【答案】ACE2.(2016海南卷,17)(多选)下列说法正确的是()。A.爱因斯坦在光的粒子性的基础上,建立了光电效应方程B.康普顿效应表明光子只具有能量,不具有动量C.玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律D.卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子的核式结构模型E.德布罗意指出微观粒子的动量
18、越大,其对应的波长就越长【解析】爱因斯坦提出了光子假说,建立了光电效应方程,故A项正确;康普顿效应表明光不仅具有能量,还具有动量,故B项错误;玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律,故C项正确;卢瑟福根据粒子散射实验提出了原子核式结构模型,故D项正确;微观粒子的德布罗意波长=hp,其中p为微观粒子的动量,故动量越大,对应的波长就越短,E项错误。【答案】ACD3.(2015浙江卷自选,14)以下说法正确的是()。A.所有原子核中的质子数和中子数都相等B.在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒C.氢原子从高能级向低能级跃迁时能辐射出射线D.只要光照射金属电极的时间足够长,就能发生光电效应【解析】原子核中的质子数和中子数不一定相等,例如一种元素可能有多种同位素,即质子数相同,但中子数不同,A项错误。在核反应中,虽然有质量亏损,但质量数、电荷数仍然守恒,B项正确。射线是原子核反应中伴随着或射线产生的,C项错误。光电效应能否发生只与照射光的频率有关,与照射时间无关,D项错误。【答案】B10
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