2019高中物理 第三章 原子结构之谜章末复习课学案 粤教版选修3-5

第三章 原子结构之谜
章末复习课
【知识体系】
原子结构之谜⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪
⎪⎧电子的发现⎩⎪⎨⎪⎧阴极射线→电子→① →葡萄干布丁模型荷质比⎝ ⎛⎭⎪⎫q m 的测定电子电荷量的测定② 核式结构⎩⎪⎨⎪⎧③ 实验：⎩⎪⎨⎪⎧现象原因→核式结构的建立原子的核式结构模型
原子、原子核的尺寸、电荷
氢原子光谱⎩⎪⎨⎪⎧光谱⎩⎪⎨⎪⎧线状谱→④ 连续谱实验规律：巴耳末公式⑤ 玻尔的原子结构模型⎩⎪⎨⎪⎧⑥ 量子化⑦ 量子化
能级跃迁：⑧
[答案填写] ①汤姆生 ②卢瑟福 ③α粒子散射 ④光谱分析 ⑤1λ＝R (122－1n 2)，n ＝3，4，5，… ⑥能量 ⑦轨道 ⑧h ν＝E m －E n
主题1 对α粒子散射实验及核式结构模型的理解
1．实验现象．
(1)α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进．
(2)少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°.
(3)有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°.
2．核式结构学说．
在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，电子绕核运转．
【典例1】 (2016·上海卷)卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出了原子内部存在(
)
A ．电子
B ．中子
C ．质子
D ．原子核
解析：α粒子散射实验现象为：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来．卢瑟福根据该实验现象提出了原子核式结构模型：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空间里绕着核旋转，故A 、B 、C 错误，D 正确．
答案：D
针对训练
1．α粒子散射实验首次表明了( )
A ．α粒子带正电
B ．电子是原子的组成部分
C ．原子是一个正、负电荷均匀分布的球
D ．原子中带正电的部分体积很小
解析：卢瑟福根据该实验现象提出了原子的核式结构模型：原子中心有一很小的核，集中着全部正电荷及几乎全部质量，电子绕核旋转，故D 正确．
答案：D
主题2 玻尔的原子结构模型
1．玻尔的原子结构模型可概括为三个要点．
(1)能量的量子化E n ＝1n 2E 1(E n 为动能、电势能之和)． (2)轨道的量子化r n ＝n 2r 1.
(3)能级跃迁量子化h ν＝E m －E n (吸收或辐射一定频率的光子)．
2．氢原子的能级．
(1)对氢原子而言，核外的一个电子绕核运行时，若半径不同，则对应的原子能量也不同．原子各能级的关系为E n ＝E 1n 2 (n ＝1，2，3…)对于氢原子而言，基态能级：E 1＝－13.6 eV.
(2)氢原子的能级图如图所示．
【典例2】 (多选) 按照玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是( )
A ．第m 个定态和第n 个定态的轨道半径r m 和r n 之比为：r m ∶r n ＝m 2∶n 2
B ．第m 个定态和第n 个定态的能量E m 和E n 之比为：E m ∶E n ＝n 2∶m 2
C ．电子沿某一轨道绕核运动，若其圆周运动的频率是ν，则其发光频率也是ν
D ．若氢原子处于能量为
E 的定态，则其发光频率为ν＝E h
解析：由氢原子核外电子轨道半径公式：r n ＝n 2r 1，轨道半径与量子数的平方成正比，
所以r m ∶r n ＝m 2∶n 2，A 选项正确．氢原子的能量公式：E n ＝1n 2E 1，可见氢原子的能量与量子数的平方成反比，所以E m ∶E n ＝n 2∶m 2
，B 选项正确．根据玻尔的原子理论，只有核外电子发生能级跃迁时，才能发射某一频率的光，所以C 、D 选项不正确．
答案：AB
针对训练
2．(多选)以下关于玻尔原子理论的说法正确的是( )
A ．电子绕原子核做圆周运动的轨道半径不是任意的
B ．电子在绕原子核做圆周运动时，稳定地产生电磁辐射
C ．电子从量子数为2的能级跃迁到量子数为3的能级时要辐射光子
D ．不同频率的光照射处于基态的氢原子时，只有某些频率的光可以被氢原子吸收 解析：根据玻尔理论知，电子绕核做圆周运动的半径是一些分立值，故A 正确；电子绕核做圆周运动时，不发生电磁辐射，故B 错误；从低能级向高能级跃迁时，需吸收光子，故C 错误；当吸收的光子能量等于两能级间的能级差，才能被氢原子吸收，所以不同频率的光照射处于基态的氢原子时，只有某些频率的光可以被氢原子吸收，故D 正确．
答案：AD
主题3 原子能级的跃迁与电离
1．在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，即基态．原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，即激发态．原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程；原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式被吸收或辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级的能量之差．
2．直接跃迁与间接跃迁．
原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁，两种情况辐射(或吸收)光子的频率可能不同．
3．电离与跃迁．
原子跃迁时，不管吸收还是辐射光子，其光子能量都必须等于这两个能级的能量差，若想把某一定态上的原子的电子电离出去，就需要给原子的能量大于等于电离能．
[典例❸] (多选)如图给出氢原子最低的4个能级，大量氢原子在这些能级之间跃迁，
下列说法正确的是( )
A．辐射光子最小频率为第2能级跃迁到第1能级
B．处于第4能级的原子所辐射的光子的频率最多有6种
C．为使基态氢原子电离应用能量至少为13.6 eV的光照射氢原子
D．11 eV的光子能将基态的氢原子激发到第2能级
解析：由题能级图可知，3、4能级的能级差最小，则辐射光子最小频率为第4能级跃迁到第3能级，故A错误；处于第4能级的原子所辐射的光子的频率最多有C24＝6种，故B 正确；为使基态氢原子电离应用能量至少为13.6 eV的光照射氢原子，故C正确；10.2 eV 的光子能将基态的氢原子激发到第2能级，而11 eV的光子不能被氢原子吸收，故D错误．答案：BC
针对训练
3.根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图所示．电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”或“远”)．当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条．
解析：从图上可知n＝3 轨道上的能级比n＝5 轨道上的能级低．根据玻尔原子结构理论：离核越近，能级越低，可知n＝3轨道上的电子离氦核的距离近．处于第4激发态的He ＋的发射光子的种类为：N＝C2
4＝6种．
答案：近 6
统揽考情
核式结构、玻尔理论、能级公式、原子跃迁条件在选做题部分出现的几率将会增加，可能单独命题，也可能与其他知识结合出题，主要以选择题为主．
真题例析
(2015·安徽卷)图示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止不动．图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是( )
A．M点B．N点C．P点D．Q点
解析：由库仑定律，可得两点电荷间的库仑力的方向在两者的连线上，同种电荷相互排斥，由牛顿第二定律，加速度的方向就是合外力的方向，故C正确，A、B、D错误．答案：C
针对训练
(2016·北京卷)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
解析：现有大量的氢原子处于n＝3的激发态，当这些氢原子向低能级跃迁时，辐射光子的频率为n＝C23＝3种．选项C正确，A、B、D错误．
答案：C
1．(多选)关于α粒子散射实验现象的分析，下列说法正确的是( )
A．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明正电荷在原子内均匀分布，是α粒子受力平衡的结果
B．绝大多数α粒子沿原方向运动，说明这些α粒子未受到明显的力的作用，说明原子是“中空”的
C．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内质量和电荷量比α粒子大得多的粒子在原子内分布空间很小
D．极少数α粒子发生大角度偏转，说明原子内的电子对α粒子的吸引力很大
解析：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子沿原方向运动，说明α粒子未受到原子核明显的力的作用，也说明原子核相对原子来讲很小，原子内大部分空间是空的，故A 错，B对；极少数发生大角度偏转，说明受到金原子核明显的力的作用的空间在原子内很小，α粒子偏转，而金原子核未动，说明金原子核的质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，电子的质量远小于α粒子，α粒子打在电子上，α粒子不会有明显偏转，故C对，D 错．
答案：BC
2．氢原子从n ＝4的激发态直接跃迁到n ＝2的能态时，发出蓝色光，则氢原子从n ＝5的激发态直接跃迁到n ＝2的能态时，不可能发出的是( )
A ．红外线
B ．红光
C ．紫光
D ．γ射线
解析：氢原子从n ＝5的激发态直接跃迁到n ＝2的能级时，辐射的光子能量大于从n ＝4的激发态直接跃迁到n ＝2的能级时辐射的光子能量，所以光子能量大于蓝光的光子能量，γ射线是原子核在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放，是高频电磁波，而氢原子从n ＝5的激发态直接跃迁到n ＝2的能态时，所辐射的光子能量小于γ射线的光子能量．故C 正确，A 、B 、D 错误．
答案：C
3．氢原子从能级m 跃迁到能级n 时辐射红光的频率为ν1，从能级n 跃迁到能级k 时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h ，若氢原子从能级k 跃迁到能级m ，则( )
A ．吸收光子的能量为h ν1＋h ν2
B ．辐射光子的能量为h ν1＋h ν2
C ．吸收光子的能量为h ν2－h ν1
D ．辐射光子的能量为h ν2－h ν1
解析：由跃迁假设及题意可知，h ν1＝E m －E n ，h ν2＝E k －E n ，红光频率ν1小于紫光频率ν2，所以能级k 能量大于能级m 能量，所以从能级k 到能级m 需要辐射光子，A 、C 项错；h ν3＝E k －E m ，解三式得：h ν3＝h ν2－h ν1，D 项正确．
答案：D
4．已知氢原子的基态能量为E 1，激发态能量E n ＝E 1n 2，其中n ＝2，3，….h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速. 能使氢原子从第1激发态电离的光子的最大波长为( )
A ．－4hc 2E 1
B ．－2hc E 1
C ．－4hc E 1
D ．－9hc
E 1
解析：第1激发态即第2能级，是能量最低的激发态，则有E 2＝E 14
，电离是氢原子从第1激发态跃迁到最高能级0的过程，需要吸收的光子能量最小为0－E 2＝－E 14，所以有－E 14＝hc λ，解得λ＝－4hc E 1
，故C 正确. 答案：C。