2020高三物理一轮复习学案： 原子物理

2020高三物理一轮复习学案：原子物理

教学目标

1．使学生加强理解掌握在卢瑟福核式结构学说基础上的玻尔原子结构理论；能够对氢原子根据能级（轨道）定态跃迁知识解决相关问题。

2．通过氢原子的电子绕核旋转和能级跃迁与卫星绕地球旋转的类比和分析讨论，提高学生应用力、电、原子知识的综合分析能力，特别是加强从能量转化守恒观点出发分析解决问题的能力。

3．通过人类认识原子核组成的过程复习，使学生明确认识依赖于实践；科学的认识源于科学家们的科学实验与研究探索。从而培养学生的科学态度与探索精神。

4．掌握衰变及原子核人工转变的规律——质量数守恒、核电荷数守恒。明确核力、结合能、平均结合能、质量亏损及爱因斯坦质能方程意义，并掌握其应用——获得核能的途径（裂变、聚变）。

教学重点、难点分析

1．卢瑟福的核式结构学说与玻尔的原子结构理论，作为重点难点知识。学生在理解掌握上的困难，一是不明确两种原子结构理论的区别与联系；二是对原子的定态和能级跃迁等知识的理解认识不够透彻，以致分析解决相关问题时易混易错。

2．放射性元素衰变时，通常会同时放出α、β和γ三种射线，即α、β衰变核反应同时放出γ射线（释放能量）。 3．爱因斯坦质能方程△E=△mc 2，是释放原子核能的重要理论依据。在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核与粒子的动能，此情况可用动量守恒与能量守恒计算核能。

教学过程设计 一、原子模型

1．汤姆生模型（枣糕模型）

1897年，英国人汤姆生研究阴极射线时发现了电子。电子的发现说明原子是可分的。 2．卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）

α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。

1911年英国人卢瑟福由α粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。

由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m 。 3．玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n 叫量子数。）

1913年丹麦人玻尔提出“玻尔原子理论”，20世纪20年代，海森堡等科学家提出“量子力学的原子理论”。 （1）玻尔的三条假设（量子化） ①轨道量子化r n =n 2r 1r 1=0.53×10-10m ②能量量子化：2

1n E E n

E 1=-13.6e V

③原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量hν=E m -E n

（2）从高能级向低能级跃迁时释放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧；分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6e V 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

（3）玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。

【点拔2】对“一个卫星环绕地球”与“一个电子环绕氢原子核”卢瑟福结构模型进行类比分析。 地球引力场中的卫星所受地球的万有引力作为向心力。r v m r mM G

22

=（h R r +=地）

原子核（正电荷）电场中的电子受核的库仑引力作为向心力。r

v m

r e k 2

2

2= （1）卫星、电子的环绕速度和动能与距离的关系：

)(↓↑⇒=

v r r GM v ，)(↓↑⇒=v r mr

k

e v )(2↓↑⇒=k k E r r

GmM

E ，)(22↓↑⇒=k k

E r r ke E （2）若规定距地球和原子核无穷远时，卫星、电子势能为零：

地球的卫星：重力势能E P =0、动能E k =0；地球系统总能量（机械能）=0 电子：电势能ε=0、动能E K =0；原子系统总能量=0 环行的卫星与电子的动能、势能、系统的总能量： 卫星要克服大气阻力做功，损耗机械能转化为内能； ↓E 总=E p ↓+E k ↑（E P 减少多，E k 增加少，E 总减少）

环绕速度v 增大，高度h （r ）降低，沿螺旋线最终坠入大气层烧毁或溅落于地球上； 据经典电磁理论，速度变化的电子要辐射电磁波能量，使它总能量减少； ↓E 总=ε↓+E k ↑（ε减少多，E k 增加少，E 总减少）

环绕速度v 增大，与核距离减小，辐射电磁波（光）的频率逐渐增大，（波长逐减）为生成连续光谱，沿螺旋线最终落于核上；

（3）根据玻尔理论，氢原子的电子为什么最终不落在核上？为什么原子发光生成原子光谱？

电子在某一定态轨道上虽有加速度，但不辐射电磁波能量，所以电子不会落到核上，原子是稳定的。这是因为宏观的经典电磁理论并不适用于微观电子的运动。

氢原子定态能量的减少，是由于高能级的激发态向低能级定态或基态跃迁，辐射一定能量光子造成。由于各定态有确定能量差，所以能生成有确定光子能量（h v ）或确定光波频率（v ）、波长（v

c

=

λ）的明线光谱或吸收光谱。

【例题1】氢原子基态能量E 1=-13.6eV ，电子绕核运动半径r 1=0.53×10-10m ．求氢原子处于n=4激发态时：（1）原子系统具有的能量？（2）电子在轨道上运动的动能？（3）电子具有的电势能？（4）向低能级跃迁辐射的光子频率最多有多少种？其中最低频率为多少（保留两位有效数字）？

解：（1）eV E E 85.042

14-==

（2）因为1244r r =，422

42

r v m r e k

=，所以eV r ke mv E k 85.032211

22

4===。 （3）因为E 4=E k4+ε4，所以ε4=E 4-E k4=-0.85-0.85=-1.7e V 。 （4）最多有六种：从n=4→3；3→2；2→1；4→2；4→1；3→1。

能级差最小的是n=4→n=3，所辐射的光子能量为：(eV)66.034=-==∆E E h E ν， 最低频率：)Hz (106.114⨯=∆=

h

E

ν 〖思考〗已知氢原子基态能量E 1，氢原子在量子数为n 的激发态时，电子的动能和电势能各为多少？处于量子数为n 激发态的氢原子最多能辐射多少种频率的光谱线？

学生讨论：02

1<=

n E E n ，2

ε

=

=n kn E E ，n n E 2=ε，2

)

1(-=

n n N 。 【例题2】用光子能量为E 的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：①hν1；②hν3；③h （ν1+ν2）；④h （ν1+ν2+ν3）以上表示式中

A ．只有①③正确

B ．只有②正确

C ．只有②③正确

D ．只有④正确

解：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有h ν3=E 3-E 1，h ν1=E 3-E 2，h ν2=E 2-E 1，可见h ν3=h ν1+h ν2=h （ν1+ν2），所以照射光子能量可以表示为②或③，答案选C 。

4．光谱和光谱分析

（1）炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。 （2）稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）。

根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。

根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。只要某种元素在物质中的含量达到10-10g ，就可以从光谱中发现它的特征谱线。

二、天然放射现象 1．天然放射现象

1896年法国人贝克勒尔首先发现了铀的放射性现象。随后居里夫妇发现了有更强放射性的元素钋和镭。天然放射现象的发现，说明原子核是可分的。因为知道了三种射线的本质后，通过思考分析即能断定：α粒子的质量、电性与电量与原子核外电子大不相同；β射线中的电子能量远大于核外电子的能量；γ射线能量也大于核外层电子受激辐射的X 射线能量。所以三种射线是由原子核发出的。

2

放射性元素衰变时，通常会同时放出α、β和γ三种射线，即α、β衰变核反应同时放出γ射线（释放能量）。在某些特殊情况下，某些放射性元素只放出α或只放出β射线。但任何情况下都不会只放出γ射线，γ射线只能伴随α或β射线放出。

三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：