（全國版）2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第13章 近代物理初步 第48課時 原子結(jié)構(gòu)學(xué)案

第48課時原子結(jié)構(gòu)考點(diǎn)1原子的核式結(jié)構(gòu)1電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子，提出了原子的“棗糕模型”。2原子的核式結(jié)構(gòu)(1)19091911年，英籍物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了粒子散射實(shí)驗，提出了核式結(jié)構(gòu)模型。(2)粒子散射實(shí)驗的結(jié)果：絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞了回來”。(3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動。1下列四個示意圖表示的實(shí)驗中能說明原子核式結(jié)構(gòu)的是()答案A解析粒子散射實(shí)驗說明原子的核式結(jié)構(gòu)，故A正確；雙縫干涉實(shí)驗證明光具有波動性，故B錯誤；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，故C錯誤；放射線在磁場中偏轉(zhuǎn)是根據(jù)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)方向確定放射線的電性，故D錯誤。2(多選)關(guān)于原子核式結(jié)構(gòu)理論說法正確的是()A是通過發(fā)現(xiàn)電子現(xiàn)象得出來的B原子的中心有個核，叫做原子核C原子的正電荷均勻分布在整個原子中D原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn)答案BD解析原子的核式結(jié)構(gòu)模型是在粒子的散射實(shí)驗結(jié)果的基礎(chǔ)上提出的，A錯誤。原子中絕大部分是空的，帶正電的部分集中在原子中心一個很小的范圍，稱為原子核，B正確、C錯誤。原子核集中了原子全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量，帶負(fù)電的電子在核外旋轉(zhuǎn)，D正確。3.根據(jù)粒子散射實(shí)驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，如圖所示虛線表示原子核所形成的電場的等勢線，實(shí)線表示一個粒子的運(yùn)動軌跡。在粒子從a運(yùn)動到b、再運(yùn)動到c的過程中，下列說法中正確的是()A動能先增大，后減小B電勢能先減小，后增大C電場力先做負(fù)功，后做正功，總功等于零D加速度先變小，后變大答案C解析粒子從a點(diǎn)經(jīng)b點(diǎn)到達(dá)等勢點(diǎn)c的過程中電場力先做負(fù)功后做正功，粒子的電勢能先增加后減小、動能先減小后增大，加速度先變大，后變小，回到同一等勢線上時，電場力做的總功為零，故C正確。考點(diǎn)2能級躍遷及相關(guān)的能量問題1氫原子光譜(1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類：(3)氫原子光譜的實(shí)驗規(guī)律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式R(n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10×107 m1)。(4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義。2氫原子的能級結(jié)構(gòu)、能級公式(1)玻爾理論 定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動，但并不向外輻射能量。躍遷：當(dāng)電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時，會放出能量為h的光子，這個光子的能量由前后兩個能級的能量差決定，即hEmEn。(h是普朗克常量，h6.63×1034 J·s)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。(2)幾個概念能級：在玻爾理論中，原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值，叫做能級。基態(tài)：原子能量最低的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)：在原子能量狀態(tài)中除基態(tài)之外的其他狀態(tài)。量子數(shù)：原子的狀態(tài)是不連續(xù)的，用于表示原子狀態(tài)的正整數(shù)。(3)氫原子的能級公式：EnE1(n1,2,3)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E113.6 eV。(4)氫原子的半徑公式：rnn2r1(n1,2,3)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r10.53×1010 m。(5)氫原子的能級圖：能級圖如圖所示。例(2017·遼寧沈陽郊聯(lián)體期末)根據(jù)氫原子的能級圖，現(xiàn)讓一束單色光照射到一群處于基態(tài)(量子數(shù)n1)的氫原子上，受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出6種不同頻率的光，則照射氫原子的單色光的光子能量為()A13.6 eV B3.4 eVC12.75 eV D12.09 eV解析受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出6種不同頻率的光，說明氫原子從n1能級躍遷到n4能級上，所以照射氫原子的單色光的光子能量EE4E112.75 eV，C正確。答案C能級躍遷中的幾種情況(1)自發(fā)躍遷：高能級低能級，釋放能量，發(fā)出光子。光子的頻率。(2)受激躍遷：低能級高能級，吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必須恰等于能級差hE，即對光子的吸收具有選擇性。當(dāng)入射光子能量大于該能級的電離能時，原子對光子吸收不再具有選擇性，而是吸收電離。碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，即E外E。(3)一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，可能輻射出的光的種類有C種。一個氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)，向低能級躍遷時，最多可輻射出的光的種類有n1種。1(2017·河南省洛陽月考)用頻率為0的光照射大量處于基態(tài)的氫原子，在所發(fā)射的光譜中僅能觀測到頻率分別為1、2、3的三條譜線，且3>2>1，則()A0<1 B321C0123 D.答案B解析大量氫原子躍遷時只有三個頻率的光譜，這說明是從n3能級向低能級躍遷。由于3>2>1，則：n3能級向n1能級躍遷時，h3E3E1n2能級向n1能級躍遷時，h2E2E1n3能級向n2能級躍遷時，h1E3E2將以上三式變形可得，h3h2h1解得321，故B正確，再根據(jù)氫原子理論可知，入射光頻率03，故A、C、D錯誤。2氫原子輻射出一個光子后()A電子繞核旋轉(zhuǎn)半徑增大B電子的動能增大C氫原子的電勢能增大D原子的能級值增大答案B解析根據(jù)玻爾理論可知，氫原子輻射光子后，應(yīng)從離核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道，在此躍遷過程中，電場力對電子做了正功，因而電勢能應(yīng)減小。另由經(jīng)典電磁理論，電子繞核做勻速圓周運(yùn)動的向心力即為氫核對電子的庫侖力：km，則Ekmv2?？梢?，電子運(yùn)動半徑越小，其動能越大。再結(jié)合能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，氫原子放出光子，輻射出一定的能量，所以原子的總能量減少，只有B正確。3(2018·廣州市執(zhí)信中學(xué)期末)已知?dú)湓拥哪芗壢鐖D所示，現(xiàn)用光子能量介于1012.9 eV范圍內(nèi)的光去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法中正確的是()A在照射光中可能被吸收的光子能量有無數(shù)種B在照射光中可能被吸收的光子能量只有3種C照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有10種D照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有3種答案B解析因為13.6 eV10 eV3.6 eV，13.6 eV12.9 eV0.7 eV，能量介于3.60.7 eV的能級有n2、3、4三種，可知照射光中有三種頻率的光子被吸收，故A錯誤、B正確；氫原子躍遷的最高能級為n4能級，根據(jù)C6知，氫原子發(fā)射出六種不同波長的光，故C、D錯誤，故選B。1在盧瑟福的粒子散射實(shí)驗中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是()A原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上B正電荷在原子中是均勻分布的C原子中存在著帶負(fù)電的電子D原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中答案A解析粒子和電子之間有相互作用力，它們接近時就有庫侖引力作用，但由于電子的質(zhì)量只有粒子質(zhì)量的，粒子與電子碰撞就像一顆子彈與一個灰塵碰撞一樣，粒子質(zhì)量大，其運(yùn)動方向幾乎不改變，粒子散射實(shí)驗中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)說明三點(diǎn)：一是原子內(nèi)有一質(zhì)量很大的粒子存在；二是這一粒子帶有較大的正電荷；三是這一粒子的體積很小，故A正確。2如圖所示為粒子散射實(shí)驗裝置，粒子打到熒光屏上都會引起閃爍，若將帶有熒光屏的顯微鏡分別放在圖中a、b、c、d四個位置。則這四個位置在相等時間內(nèi)統(tǒng)計的閃爍次數(shù)符合實(shí)驗事實(shí)的是()A1305、25、7、1 B202、405、625、825C1202、1010、723、203 D1202、1305、723、203答案A解析由于絕大多數(shù)粒子運(yùn)動方向基本不變，所以a位置閃爍次數(shù)最多，少數(shù)粒子發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)。符合該規(guī)律的數(shù)據(jù)只有A選項。3(2018·長春外國語學(xué)校期末)(多選)氫原子的核外電子由離原子核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離原子核較近的軌道上，下列說法正確的是()A核外電子受力變小B原子的能量減少C氫原子要吸收一定頻率的光子D氫原子要放出一定頻率的光子答案BD解析根據(jù)Fk得，軌道半徑減小，則核外電子受力變大，故A錯誤；由較遠(yuǎn)軌道躍遷到較近軌道，原子能量減小，故B正確；因為原子能量減小，所以氫原子放出一定頻率的光子，故C錯誤、D正確。4(2017·吉林高中三調(diào))下列說法正確的是()A衰變現(xiàn)象說明電子是原子核的組成部分B粒子散射實(shí)驗揭示了原子具有棗糕式結(jié)構(gòu)C氫原子核外電子軌道半徑越大，其能量越低D原子從a能級狀態(tài)躍遷到b能級狀態(tài)時發(fā)射波長為1的光子；原子從b能級狀態(tài)躍遷到c能級狀態(tài)時吸收波長為2的光子，已知1>2，那么原子從a能級躍遷到c能級狀態(tài)時將要吸收波長為的光子答案D解析衰變是原子核中的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子同時產(chǎn)生電子的過程，但電子不是原子核的組成部分，故A錯誤；粒子散射實(shí)驗揭示了原子具有核式結(jié)構(gòu)，B錯誤；氫原子核外電子軌道半徑越大，其能量越高，C錯誤；原子從a能級狀態(tài)躍遷到b能級狀態(tài)時發(fā)射波長為1的光子；原子從b能級狀態(tài)躍遷到c能級狀態(tài)時吸收波長為2的光子，已知1>2。根據(jù)玻爾理論得ab：EaEbh，bc：EcEbh，ac：EcEah，聯(lián)立上三式得，D正確。5(2017·湖北七市聯(lián)考)(多選)如圖所示是氫原子的能級圖，大量處于n5激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時，一共可以輻射出10種不同頻率的光子。其中萊曼系是指氫原子由高能級向n1 能級躍遷時釋放的光子，則()A10種光子中波長最短的是n5激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生的B10種光子中有4種屬于萊曼系C使n5能級的氫原子電離至少要0.85 eV的能量D從n2能級躍遷到基態(tài)釋放光子的能量等于n3能級躍遷到n2能級釋放光子的能量答案AB解析n5激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生的光子的能量最大、頻率最大，所以波長最短，故A正確；由題意知，從n5、4、3、2激發(fā)態(tài)躍遷到n1時發(fā)出的4種光子屬于萊曼系，故B正確；由圖知，n5能級的電離能為0.54 eV，故C錯誤；從n2能級躍遷到基態(tài)釋放光子的能量大于n3能級躍遷到n2能級釋放光子的能量，故D錯誤。6(多選)按照玻爾的理論，氫原子的能級是氫原子處于各個定態(tài)時的能量值，它包括氫原子系統(tǒng)的電勢能和電子在軌道上運(yùn)動的動能。當(dāng)一個氫原子從n4的能級向低能級躍遷時，下列說法正確的是()A氫原子系統(tǒng)的電勢能減小，電子的動能增加B氫原子系統(tǒng)的電勢能減小，電子的動能減小C氫原子可能輻射6種不同波長的光D氫原子可能輻射3種不同波長的光答案AD解析當(dāng)一個氫原子從n4的能級向低能級躍遷時，軌道半徑減小，能量減小，根據(jù)km知，電子動能增大，電勢能減小，故A正確，B錯誤；當(dāng)一個氫原子從n4的能級向低能級躍遷時，可能放出3種不同波長的光子，分別由n4躍遷到n3、n3躍遷到n2、n2躍遷到n1所釋放的光子，故C錯誤、D正確。7按照玻爾原子理論，氫原子中的電子從離原子核較近的軌道躍遷到離原子核較遠(yuǎn)的軌道，要_(填“釋放”或“吸收”)能量。已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1(E1<0)，電子的質(zhì)量為m，則基態(tài)氫原子的電離能為_，基態(tài)氫原子中的電子吸收一頻率為的光子后被電離，電離后電子的速度大小為_(已知普朗克常量為h)。答案吸收E1解析氫原子中的電子從離原子核較近的軌道躍遷到離原子核較遠(yuǎn)的軌道，原子能量增大，則需要吸收能量。氫原子的基態(tài)能量為E1(E1<0)，則發(fā)生電離，基態(tài)氫原子的電離能為E1，根據(jù)能量守恒得：hE1mv2，解得電離后電子的速度大小為：v 。8(2017·江西宜川五校聯(lián)考)如圖為氫原子的能級圖，大量處于n4激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷時，發(fā)出多個能量不同的光子，其中頻率最大的光子能量為_eV，若用此光照射到逸出功為2.75 eV的光電管上，則加在該光電管上的遏止電壓為 _V。答案12.7510解析根據(jù)C6知，大量處于n4的氫原子向低能級躍遷時，可能發(fā)出6種能量不同的光子。能級間躍遷放出或吸收光子的能量滿足hEmEn。所以頻率最大的光子能量為EE4E10.85 eV13.6 eV12.75 eV。根據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程，有EkhW0。根據(jù)動能定理eUEk，解得：U10 V。9(2016·北京高考)處于n3能級的大量氫原子向低能級躍遷時，輻射光的頻率有()A1種 B2種 C3種 D4種答案C解析因為是大量氫原子，所以根據(jù)C可得有3種可能，故C正確。10.(2017·陜西咸陽二模)已知類氫結(jié)構(gòu)氦離子(He)的能級圖如圖所示，根據(jù)能級躍遷理論可知()A氦離子(He)處于n1能級時，能吸收45 eV的能量躍遷到n2能級B大量處在n3能級的氦離子(He)向低能級躍遷時，只能發(fā)出2種不同頻率的光子C氦離子(He)從n4能級躍遷到n3能級比從n3能級躍遷到n2能級輻射出光子的波長大D若氦離子(He)從n2能級躍遷到基態(tài)，輻射出的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，則從n4能級躍遷到n2能級釋放的光子一定也能使該金屬板發(fā)生光電效應(yīng)答案C解析吸收的光子能量等于兩能級間的能量差，才能發(fā)生躍遷，從n1能級躍遷到n2能級，吸收的光子能量為40.8 eV，故A錯誤；大量處在n3能級的氦離子(He)向低能級躍遷，能發(fā)出3種不同頻率的光子，故B錯誤；由圖可知，從n4能級躍遷到n3能級輻射的光子能量小于從n3能級躍遷到n2能級輻射的光子能量，所以從n4能級躍遷到n3能級比從n3能級躍遷到n2能級輻射出光子的頻率低，波長大，故C正確；從n2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能量為13.6 eV(54.4 eV)40.8 eV，若能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，從n4能級躍遷到n2能級釋放的光子能量為3.4 eV(13.6 eV)10.2 eV<40.8 eV，則不一定能使該金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，故D錯誤。11.(2017·天津五校聯(lián)考)氫原子能級的示意圖如圖所示，大量氫原子從n4能級向n2能級躍遷時輻射出可見光a，從n3能級向n2能級躍遷時輻射出可見光b，則()A氫原子從高能級向低能級躍遷時可能會輻射出射線B氫原子從n4能級向n3能級躍遷時會輻射出紫外線C從n3能級躍遷到n2能級時，電子的電勢能減小，氫原子的能量也減小D氫原子在n2能級時可吸收任意頻率的光而發(fā)生電離答案C解析射線的產(chǎn)生機(jī)理是原子核受激發(fā)才產(chǎn)生的，故A錯誤；根據(jù)躍遷規(guī)律可知?dú)湓訌母吣芗壪虻湍芗壾S遷時輻射光子的能量等于這兩個能級的能量差，從n4能級向n3能級躍遷時輻射出的光子能量小于a光子的能量，不可能為紫外線，故B錯誤；根據(jù)庫侖引力提供向心力，結(jié)合牛頓第二定律，可知m，從n3能級躍遷到n2能級時，電子的動能增大，電子的電勢能減小，由于放出光子，氫原子的能量減小，故C正確；欲使在n2能級的氫原子發(fā)生電離，吸收的光子能量一定不能小于3.4 eV，故D錯誤。12(2017·天津五區(qū)縣質(zhì)檢)實(shí)驗室考查氫原子躍遷時的微觀效應(yīng)。已知?dú)湓幽芗増D如圖所示，氫原子質(zhì)量為mH1.67×1027 kg。設(shè)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)的大量激發(fā)態(tài)氫原子處于n5的能級狀態(tài)。(1)求氫原子由高能級向低能級躍遷時，可能發(fā)射出多少種不同頻率的光；(2)若躍遷后光子沿某一方向飛出，且光子的動量可以用p表示(h為普朗克常量，為光子頻率，c為真空中光速)，求發(fā)生電子躍遷后氫原子的最大反沖速率。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)答案(1)10(2)4.17 m/s解析(1)可能發(fā)射出不同頻率的光譜的種數(shù)為：NC10。(2)由動量守恒定律可得：mHvH0解得氫原子的最大反沖速率為：vH m/s4.17 m/s。12