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(共37张PPT)
第十三章　原子结构　原子核
洞悉目标
知识内容
考试
要求
历次考题
2016年
4月
2016年
10月
2017年
4月
2017年
11月
2018年
4月
2018年
11月
2019年
4月
2020年
1月
原
子
结
构
1.电子的发现
a
2.原子的核式结构模型
b
3.氢原子光谱
b
14
15
4.玻尔的原子模型
c
14
15
15
15
14
14
14
原
子
核
1.原子核的组成
a
14
14
4
2.放射性元素的衰变
c
14
14
15
4,22
3.探测射线的
方法
a
4.放射性的应用与防护
a
5.核力与结合能
c
16
14
14
14
15
15
4,22
6.核裂变
c
16
14
4
7.核聚变
c
14
4
8.粒子和宇宙
a
考纲解读
1.原子的核式结构、玻尔理论、能级公式、原子跃迁条件,这部分内容在加试部分出现的几率将会提高,既可能单独出现,也可能与其他内容综合命题。
2.核反应方程的书写,根据质能方程计算核反应中的核能是高考的热点,题型以选择题为主。
3.裂变、聚变及三种射线,这部分内容可能结合动量守恒、电场、磁场等知识来命题。4.以微观世界原子物理部分的粒子作为命题平台,综合考查核反应方程、动量守恒定律、能量守恒定律等知识。
课时1　原子结构
基础梳理
一、原子结构
1.电子的发现:1897年,英国物理学家
发现了电子。
2.α粒子散射实验
1909～1911年,英国物理学家
和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿
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。　
汤姆孙
卢瑟福
直线
3.原子的核式结构模型
在原子中心有一个很小的核,原子全部的
和几乎全部
都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。
正电荷
二、氢原子光谱与玻尔理论
1.光谱
(1)光谱
用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的
(频率)和强度分布的记录,即光谱。
(2)光谱分类
有些光谱是一条条的
,这样的光谱叫做线状谱。
有的光谱是连在一起的
,这样的光谱叫做连续谱。
质量
波长
亮线
光带
不连续
2.氢原子光谱的实验规律
3.玻尔理论
(1)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
的。
(2)定态:原子只能处于一系列
的能量状态中,在这些能量状态中原子是
的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。
(3)跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它
或
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hν=
。(h是普朗克常量,h=6.626×10-34
J·s)
不连续
稳定
稳定
吸收
Em-En
三、氢原子的能级、能级公式
1.氢原子的能级和轨道半径
(2)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,
r1=0.53×10-10
m。
2.氢原子的能级图
考点一　原子的结构
夯实考点
英国物理学家汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子。美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验”对电子的电荷进行了精确的测定。
1.电子的发现
2.α粒子散射实验
1909～1911年,英籍物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进,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。这一事实说明汤姆孙模型是错误的。
3.原子的核式结构模型
卢瑟福根据α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。
4.原子核的尺度
对于一般的原子,整个原子半径的数量级为10-10
m,原子核半径的数量级为
10-15
m。
[典例1]
(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A,B,C,D四个位置时,关于观察到的现象,下列说法正确的是(　　)
A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时稍微少些
C.放在C,D位置时屏上观察不到闪光
D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少
答案:AD
解析:卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验时,得到以下结论:大部分α粒子都能直接穿过金箔,个别的发生偏转,极少数发生大角度的偏转,故A,D正确,B,C错误。
BD
变式1:(多选)关于卢瑟福的α粒子散射实验,以下判断中正确的是(　
　)
A.如果用铝箔代替原实验中的金箔,则α粒子不会发生散射现象
B.如果用铝箔代替原实验中的金箔,则α粒子仍会发生散射现象,但现象不显著
C.如果用质子代替原实验中的α粒子,则不会发生散射现象
D.如果用阴极射线代替原实验中的α粒子,则不会发生散射现象
解析:用铝箔代替原实验中的金箔,或用质子代替原实验中的α粒子,粒子仍受斥力作用,仍会发生散射现象;只是铝核的核电荷数较金核小,质子的带电荷量较α粒子小,根据库仑定律,斥力相对减小,故散射现象相对不明显。而用阴极射线(电子)代替原实验中的α粒子,电子将受引力作用而不会发生散射现象。
考点二　氢原子光谱
1.各种原子的发射光谱都是线状谱,说明原子只发出几种特定频率的光。
2.卢瑟福的原子核式结构模型很好地解释了α粒子散射实验,但无法解释原子光谱的分立特征。
[典例2]
氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线Hα,Hβ,Hγ和Hδ,都是氢原子中电子从量子数n>2的能级跃迁到n=2的能级时发出的光,它们在真空中的波长由长到短,可以判定(　　)
A.Hα对应的前后能级之差最小
B.同一介质对Hα的折射率最大
C.同一介质中Hδ的传播速度最大
D.用Hγ照射某一金属能发生光电效应,则Hβ也一定能
答案:A
变式2:原子处于基态时最稳定,处于较高能级时会自发地向较低能级跃迁,用n表示氢原子所处能级状态的量子数,N表示由该能级状态发生跃迁时可能发出的不同波长的光谱线的数目,则(　
　)
A.当n=1时,N=1
B.当n=2时,N=2
C.当n=3时,N=3
D.当n=4时,N=4
C
考点三　玻尔理论、氢原子能级
1.氢原子从低能级向高能级跃迁时,必须吸收确定能量的光子,该光子能量必须满足hν=Em-En,大于或小于Em-En都不能被吸收。
2.氢原子可以吸收大于或等于其电离能量的光子,使其成为氢离子。
3.氢原子吸收实物粒子(如电子)的能量时,可以根据需要吸收其中的一部分能量,也即对电子等实物粒子的能量没有限制条件,只要实物粒子的能量足够就可以。
4.氢原子的电子的动能Ekn随r的增大而减小,而总能量En随n的增大而增大,故电势能Epn随n的增大而增大,当r减小时,电场力做正功,电势能减小,电子的动能增加。
[典例3]如图是氢原子的能级图。一个氢原子从n=4的能级向低能级跃迁,则以下判断正确的是(　　)
A.该氢原子最多可辐射出6种不同频率的光子
B.该氢原子跃迁到基态时需要吸收12.75
eV的能量
C.该氢原子只有吸收0.85
eV的光子时才能电离
D.该氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量是特定值
答案:D
解析:本题研究的是单个氢原子,单个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出n-1种不同频率的光子,故该氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出3种不同频率的光子,选项A错误;该氢原子跃迁到基态时需要释放
-0.85
eV-(-13.6
eV)=12.75
eV的能量,选项B错误;只要吸收的光子的能量大于0.85
eV,该氢原子就能电离,选项C错误;氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量等于两能级的能量差,此能量差为特定值,选项D正确。
规律总结
(2)入射光子和入射电子的区别:若是在光子的激发下引起原子跃迁,则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差;若是在电子的碰撞下引起的跃迁,则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差。两种情况有所区别。
变式3:(多选)氢原子能级如图,当氢原子从n=3跃迁到n=2的能级时,辐射光的波长为656
nm。以下判断正确的是(　
　)
A.氢原子从n=2跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长大于656
nm
B.用波长为325
nm的光照射,可使氢原子从n=1跃迁到n=2
的能级
C.一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
D.用波长为633
nm的光照射,不能使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级
CD
课堂训练
C
1.(原子结构)在卢瑟福α粒子散射实验中,金箔中的原子核可以看做静止不动,下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹,其中正确的是(　
　)
(教师备用)
解析:理解α粒子散射实验现象,关键是弄清α粒子遇到金原子核时受到强大的斥力作用,才能发生大角度散射,选项C正确。
AC
2.(氢原子光谱)(多选)用具有一定动能的电子轰击大量处于基态的氢原子,使这些氢原子被激发到量子数为n(n>2)的激发态。此时出现的氢光谱中有N条谱线,其中波长的最大值为λ。现逐渐提高入射电子的动能,当动能达到某一值时,氢光谱中谱线增加到N′条,其中波长的最大值变为λ′。下列各式中可能正确的是(　
　)
A.N′=N+n
B.N′=N+n-1
C.λ′>λ
D.λ′<λ
解析:从n能级辐射的氢光谱线条数N到(n+1)能级辐射的氢光谱线条数N′,故N′=N+n,A正确,B错误;波长越长的氢光谱线的频率越小,对应的能级差值越小,即从(n+1)能级向n能级辐射的氢光谱线的波长为λ′,从n能级向(n-1)能级辐射的氢光谱线的波长为λ,故λ′>λ,C正确,D错误。
3.(玻尔理论、氢原子能级)如图所示是某原子的能级图,a,b,c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中,谱线从左向右的波长依次增大,则正确的是(　
　)
C
真题试做
1.(2018·浙江11月选考,14)(多选)处于较高能级的氢原子向较低能级跃迁时,能辐射出a,b两种可见光,a光照射某金属表面时有光电子逸出,b光照射该金属表面时没有光电子逸出,则(　
　)
BD
2.(2018·浙江4月选考,15)(多选)氢原子的能级图如图所示,关于大量氢原子的能级跃迁,下列说法正确的是(可见光的波长范围为4.0×10-7
m～7.6×10-7
m,普朗克常量h=6.6×10-34
J·s,真空中的光速c=3.0×108
m/s)(　
　)
A.氢原子从高能级跃迁到基态时,会辐射γ射线
B.氢原子处在n=4能级,会辐射可见光
C.氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,辐射的光具有显著的热效应
D.氢原子从高能级向n=2能级跃迁时,辐射的光在同一介质中传播速度最小的光子能量为1.89
eV
BC
解析:γ射线是原子核受激发而产生的,故氢原子的核外电子跃迁是不会辐射γ射线的,A错误;氢原子在n=4能级时会向低能级跃迁,当跃迁到n=2能级时,
ΔE=2.55
eV,产生的波长为λ=4.85×10-7m,属于可见光区域,B正确;从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光在红外线部分,故有显著的热效应,C正确;不同的光在同一介质中传播速度相同,D错误。
3.(2015·浙江10月选考,14)(多选)氢原子从n=6跃迁到n=2能级时辐射出频率为ν1的光子,从n=5跃迁到n=2能级时辐射出频率为ν2的光子。下列说法正确的是(　
　)
A.频率为ν1的光子的能量较大
B.频率为ν1的光子的动量较大
C.做双缝干涉实验时,频率为ν1的光产生的条纹间距较大
D.做光电效应实验时,频率为ν1的光产生的光电子的最大初动能较大
ABD
4.(2016·浙江10月选考,15)(多选)如图为氢原子能级图,氢原子中的电子从n=
5能级跃迁到n=2能级可产生a光;从n=4能级跃迁到n=2能级可产生b光,a光和b光的波长分别为λa和λb,照射到逸出功为2.29
eV的金属钠表面均可产生光电效应,遏止电压分别为Ua和Ub。则(　
　)
A.λa>λb
B.Ua>Ub
C.a光的光子能量为2.86
eV
D.b光产生的光电子最大初动能Ek=0.26
eV
BCD课时1　原子结构
1.在人类认识原子与原子核结构的过程中,符合物理学史的是(　D　)
A.查德威克通过研究阴极射线发现了电子
B.汤姆孙首先提出了原子的核式结构学说
C.居里夫人首先发现了天然放射现象
D.卢瑟福通过原子核的人工转变发现了质子
解析:汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子,查德威克通过实验发现了中子,故选项A错误;卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构学说,贝可勒尔首先发现了天然放射现象,故B,C错误;卢瑟福用α粒子轰击氮核发现了质子,故选项D正确。
2.(多选)关于α粒子散射实验的结果,下列说法正确的是(　AB　)
A.极少数α粒子偏转角超过90°
B.有的α粒子被弹回,偏转角几乎达到180°
C.少数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进
D.绝大多数α粒子发生了较大的偏转
解析:α粒子散射实验的现象是:绝大多数α粒子几乎不发生偏转;少数α粒子发生了较大角度的偏转;极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°,有的甚至几乎达到180°,被反弹回来),故选项A,B正确,C,D错误。
3.(多选)有关原子结构,下列说法正确的是(　AD　)
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α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α粒子散射实验否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜
模型”
4.(多选)根据玻尔理论,下列说法正确的是(　BCD　)
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,其电子绕核运动,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.原子能级跃迁时,辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差
解析:根据玻尔理论,电子绕核运动有加速度,但并不向外辐射能量,也不会向外辐射电磁波,故A错误,B正确;玻尔理论中的第二条假设,就是电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的,不连续的,C正确;原子在发生能级跃迁时,要放出或吸收一定频率的光子,光子的能量取决于两个能级的能量之差,故D正确。
5.按照玻尔理论,一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道直接跃迁到另一半径为rb的圆轨道上,ra>rb,在此过程中(　D　)
A.原子发出一系列频率的光子
B.原子要吸收一系列频率的光子
C.原子要吸收某一频率的光子
D.原子要发出某一频率的光子
解析:因ra>rb,则能级Ea>Eb,故电子向低能级轨道跃迁而发出光子,又因电子是直接跃迁,故只能发出某一频率的光子。
6.氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63
eV～3.10
eV的光为可见光。要使处于基态(n=1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子,最少应给氢原子提供的能量为(　A　)
A.12.09
eV
B.10.20
eV
C.1.89
eV
D.1.51
eV
解析:由题意可知,基态(n=1)氢原子被激发后,至少被激发到n=3能级后,跃迁才可能产生可见光,故ΔE=E3-E1=-1.51
eV-
(-13.60)eV=12.09
eV,故A正确。
7.如图为氢原子能级示意图的一部分,则氢原子(　A　)
A.从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长
B.从n=5能级跃迁到n=1能级比从n=5能级跃迁到n=4能级辐射出电磁波的速度大
C.处于不同能级时,核外电子在各处出现的概率是一样的
D.从高能级向低能级跃迁时,氢原子核一定向外放出能量
解析:因为E4-E3=0.66
eVeV,根据c=λν和hν=Em-En得从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长,选项A正确;电磁波在真空中的传播速度都相等,与光子的频率无关,选项B错误;氢原子的核外电子处于不同能级时在各处出现的概率是不同的,能级越低,在靠近原子核较近的地方出现的频率越大,选项C错误;氢原子从高能级跃迁到低能级时,氢原子核外的电子从高能级跃迁到了低能级向外放出能量,选项D错误。
8.(多选)按照玻尔原子理论,下列表述正确的是(　BC　)
A.核外电子运行轨道半径可取任意值
B.氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量越大
C.电子跃迁时,辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定
D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程,可能辐射能量,也可能吸收
能量
解析:玻尔原子理论继承了卢瑟福原子模型,但对原子能量和电子轨道引入了量子化假设。电子运行轨道半径是不连续的,故A错误;按照玻尔理论,电子在轨道上运动的时候,并不向外辐射能量,但当从高轨道向低轨道跃迁时才会向外辐射能量,所以离原子核越远,氢原子的能量越大,故B正确;电子跃迁时,辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定,即hν=|Em-En|,故C正确;氢原子从激发态向基态跃迁的过程,辐射能量,故D错误。
能力提升
9.(多选)下列四幅图涉及不同的物理知识,其中说法正确的是(　BD　)
A.图甲:原子中的电子绕原子核高速运转时,运行轨道的半径是任意的
B.图乙:玻尔理论指出氢原子能级是分立的,所以原子发射光子的频率也是不连续的
C.图丙:卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,发现了质子和中子
D.图丁:吸收光谱也是原子的特征谱线,由于原子光谱只与原子结构有关,因此可以把某种原子的光谱当作该原子的“指纹”来进行光谱分析
解析:根据玻尔理论知道,电子的轨道不是任意的而是量子化的,A错误;玻尔理论指出氢原子能级是分立的,所以原子发射光子的频率也是不连续的,B正确;卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,提出了原子的核式结构模型,C错误;吸收光谱也是原子的特征谱线,由于原子光谱只与原子结构有关,因此可以把某种原子的光谱当作该原子的“指纹”来进行光谱分析,D正确。
10.红宝石激光器的工作物质红宝石含有铬离子的三氧化二铝晶体,利用其中铬离子产生激光。铬离子的能级图中,E1是基态,E2是亚稳态,E3是激发态,若以脉冲氙灯发出的波长为λ1的绿光照射晶体,处于基态的铬离子受到激发而跃迁到E3而后自发地跃迁到E2,释放出波长为λ2的光子,处于亚稳态E2的离子跃迁到基态时辐射出的光就是激光,这种激光的波长为(　A　)
A.
B.
C.
D.
解析:E3-E1=,E3-E2=,E2-E1=,根据E3-E1=(E3-E2)+(E2-E1),可得-=,则λ=,故A正确。
11.(多选)氢原子从n=3的能级跃迁到n=2的能级辐射出a光,从n=4的能级跃迁到n=2的能级辐射出b光,则(　AD　)
A.用同一双缝干涉装置进行实验,用a光照射时相邻亮纹间的距离比用b光照射时的大
B.若用a光照射某金属不能发生光电效应,则用b光照射该金属也不能发生光电效应
C.在同一种玻璃介质中,a光发生全反射的临界角比b光的小
D.在同一种玻璃介质中,a光传播速度比b光的大
解析:能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差,可知a光的频率小于b光的频率,则a光的波长大于b光的波长,根据双缝干涉条纹的间距公式Δx=λ可知,a光照射产生干涉条纹的间距大,故选项A正确;由于a光频率小于b光频率,则a光照射金属不能发生光电效应,则用b光照射可能发生光电效应,故选项B错误;根据sin
C
=
知,a光的频率小,折射率小,则临界角大,故选项C错误;根据v=知,a光的折射率小,则a光在介质中的传播速度大,故选项D正确。
12.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子,例如在某种条件下,铬原子的n=2
能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,这一现象叫做俄歇效应。以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子。已知铬原子的能级公式可简化表示为En=-,式中n=1,2,3,…表示不同能级,A是正的已知常数。上述俄歇电子的动能是(　C　)
A.A
B.A
C.A
D.A
解析:由题意可知,n=1能级的能量为E1=-A,n=2能级的能量为E2=-,从n=2能级跃迁到n=1能级,释放的能量为ΔE=E2-E1=;n=4能级的能量为E4=-,电离需要能量为E=0-E4=,所以从n=4能级电离后的动能为Ek=ΔE-E=-=,则选项C正确。
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5
-课时1　原子结构
一、原子结构
1.电子的发现:1897年,英国物理学家汤姆孙发现了电子。
2.α粒子散射实验
1909～1911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿直线方向前进,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
在原子中心有一个很小的核,原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。
二、氢原子光谱与玻尔理论
1.光谱
(1)光谱
用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。
(2)光谱分类
有些光谱是一条条的亮线,这样的光谱叫做线状谱。
有的光谱是连在一起的光带,这样的光谱叫做连续谱。
2.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,n为量子数。
3.玻尔理论
(1)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)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。
(3)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hν=Em-En。(h是普朗克常量,h=6.626×10-34
J·s)
三、氢原子的能级、能级公式
1.氢原子的能级和轨道半径
(1)氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中基态能量E1=-13.6
eV。
(2)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,r1=0.53×10-10
m。
2.氢原子的能级图
考点一　原子的结构
1.电子的发现
英国物理学家汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子。美国物理学家密立根通过著名的“油滴实验”对电子的电荷进行了精确的测定。
2.α粒子散射实验
1909～1911年,英籍物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进,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。这一事实说明汤姆孙模型是错误的。
3.原子的核式结构模型
卢瑟福根据α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。
4.原子核的尺度
对于一般的原子,整个原子半径的数量级为10-10
m,原子核半径的数量级为10-15
m。
[典例1]
(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A,B,C,D四个位置时,关于观察到的现象,下列说法正确的是(　　)
A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时稍微少些
C.放在C,D位置时屏上观察不到闪光
D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少
解析:卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验时,得到以下结论:大部分α粒子都能直接穿过金箔,个别的发生偏转,极少数发生大角度的偏转,故A,D正确,B,C错误。
答案:AD
变式1:(多选)关于卢瑟福的α粒子散射实验,以下判断中正确的是(　BD　)
A.如果用铝箔代替原实验中的金箔,则α粒子不会发生散射现象
B.如果用铝箔代替原实验中的金箔,则α粒子仍会发生散射现象,但现象不显著
C.如果用质子代替原实验中的α粒子,则不会发生散射现象
D.如果用阴极射线代替原实验中的α粒子,则不会发生散射现象
解析:用铝箔代替原实验中的金箔,或用质子代替原实验中的α粒子,粒子仍受斥力作用,仍会发生散射现象;只是铝核的核电荷数较金核小,质子的带电荷量较α粒子小,根据库仑定律,斥力相对减小,故散射现象相对不明显。而用阴极射线(电子)代替原实验中的α粒子,电子将受引力作用而不会发生散射现象。
考点二　氢原子光谱
1.各种原子的发射光谱都是线状谱,说明原子只发出几种特定频率的光。
2.卢瑟福的原子核式结构模型很好地解释了α粒子散射实验,但无法解释原子光谱的分立特征。
[典例2]
氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线Hα,Hβ,Hγ和Hδ,都是氢原子中电子从量子数n>2的能级跃迁到n=2的能级时发出的光,它们在真空中的波长由长到短,可以判定(　　)
A.Hα对应的前后能级之差最小
B.同一介质对Hα的折射率最大
C.同一介质中Hδ的传播速度最大
D.用Hγ照射某一金属能发生光电效应,则Hβ也一定能
解析:根据E=hν=h,波长越长,光子的频率越低,由Em-En=hν,知Hα对应的两能级之差最小,A正确;光在同一介质中传播,频率越高,折射率越大,故Hδ的折射率最大,Hα的折射率最小,B错误;根据n=得v=,则折射率越大,传播速度越小,故在同一介质中Hδ的传播速度最小,C错误;光的频率越高,越容易发生光电效应,由于Hβ的频率小于Hγ的频率,Hγ能使某一金属发生光电效应,而Hβ则不一定能,D错误。
答案:A
变式2:原子处于基态时最稳定,处于较高能级时会自发地向较低能级跃迁,用n表示氢原子所处能级状态的量子数,N表示由该能级状态发生跃迁时可能发出的不同波长的光谱线的数目,则(　C　)
A.当n=1时,N=1
B.当n=2时,N=2
C.当n=3时,N=3
D.当n=4时,N=4
解析:根据玻尔理论,处在n能级的氢原子向低能级跃迁时辐射光子的频率种类N=。
考点三　玻尔理论、氢原子能级
1.氢原子从低能级向高能级跃迁时,必须吸收确定能量的光子,该光子能量必须满足hν=Em-En,大于或小于Em-En都不能被吸收。
2.氢原子可以吸收大于或等于其电离能量的光子,使其成为氢离子。
3.氢原子吸收实物粒子(如电子)的能量时,可以根据需要吸收其中的一部分能量,也即对电子等实物粒子的能量没有限制条件,只要实物粒子的能量足够就可以。
4.氢原子的电子的动能Ekn随r的增大而减小,而总能量En随n的增大而增大,故电势能Epn随n的增大而增大,当r减小时,电场力做正功,电势能减小,电子的动能增加。
[典例3]如图是氢原子的能级图。一个氢原子从n=4的能级向低能级跃迁,则以下判断正确的是(　　)
A.该氢原子最多可辐射出6种不同频率的光子
B.该氢原子跃迁到基态时需要吸收12.75
eV的能量
C.该氢原子只有吸收0.85
eV的光子时才能电离
D.该氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量是特定值
解析:本题研究的是单个氢原子,单个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出n-1种不同频率的光子,故该氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出3种不同频率的光子,选项A错误;该氢原子跃迁到基态时需要释放-0.85
eV-(-13.6
eV)=12.75
eV的能量,选项B错误;只要吸收的光子的能量大于0.85
eV,该氢原子就能电离,选项C错误;氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量等于两能级的能量差,此能量差为特定值,选项D正确。
答案:D
(1)一个原子和一群原子的区别:一个氢原子只有一个电子,在某个时刻电子只能在某一个可能的轨道上,当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道上时,可能情况有多种=,但产生的跃迁只有一种。而如果是大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会出现所有的可能情况。
(2)入射光子和入射电子的区别:若是在光子的激发下引起原子跃迁,则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差;若是在电子的碰撞下引起的跃迁,则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差。两种情况有所区别。
变式3:(多选)氢原子能级如图,当氢原子从n=3跃迁到n=2的能级时,辐射光的波长为656
nm。以下判断正确的是(　CD　)
A.氢原子从n=2跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长大于656
nm
B.用波长为325
nm的光照射,可使氢原子从n=1跃迁到n=2
的能级
C.一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
D.用波长为633
nm的光照射,不能使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级
解析:根据氢原子的能级图和能级跃迁规律,当氢原子从n=2
能级跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长一定小于656
nm,反之,使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级,只能吸收波长为656
nm的光子,因此A选项错误,D选项正确;氢原子从n=1跃迁到n=2,需要吸收的光子能量为10.2
eV,根据ε=hν=,入射光波长λ==
m=1.22×10-7
m,可知B选项错误;一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子,所以C选项正确。
1.(原子结构)在卢瑟福α粒子散射实验中,金箔中的原子核可以看做静止不动,下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹,其中正确的是(　C　)
解析:理解α粒子散射实验现象,关键是弄清α粒子遇到金原子核时受到强大的斥力作用,才能发生大角度散射,选项C正确。
2.(氢原子光谱)(多选)用具有一定动能的电子轰击大量处于基态的氢原子,使这些氢原子被激发到量子数为n(n>2)的激发态。此时出现的氢光谱中有N条谱线,其中波长的最大值为λ。现逐渐提高入射电子的动能,当动能达到某一值时,氢光谱中谱线增加到N′条,其中波长的最大值变为λ′。下列各式中可能正确的是(　AC　)
A.N′=N+n
B.N′=N+n-1
C.λ′>λ
D.λ′<λ
解析:从n能级辐射的氢光谱线条数N到(n+1)能级辐射的氢光谱线条数N′,故N′=N+n,A正确,B错误;波长越长的氢光谱线的频率越小,对应的能级差值越小,即从(n+1)能级向n能级辐射的氢光谱线的波长为λ′,从n能级向(n-1)能级辐射的氢光谱线的波长为λ,故λ′>λ,C正确,D错误。
3.(玻尔理论、氢原子能级)如图所示是某原子的能级图,a,b,c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中,谱线从左向右的波长依次增大,则正确的是(　C　)
解析:由能级图及Em-En=hν知,E3-E1>E2-E1>E3-E2,即νa>νc>νb,又λ=,知λa<λc<λb,所以C正确。
1.(2018·浙江11月选考,14)(多选)处于较高能级的氢原子向较低能级跃迁时,能辐射出a,b两种可见光,a光照射某金属表面时有光电子逸出,b光照射该金属表面时没有光电子逸出,则(　BD　)
A.以相同的入射角射向一平行玻璃砖,a光的侧移量小于b光的
B.垂直入射到同一单缝衍射装置,a光的衍射中央亮条纹宽度小于b光的
C.a光和b光的频率之比可能是
D.a光子的动量大于b光子的
解析:根据光电效应可知,a光能发生光电效应,b光不能发生光电效应,E=hν,说明光的频率νa>νb,故C错误;光在同种介质中频率大的折射率大,以相同的入射角射向一平行玻璃砖,a光的侧移量大于b光的,A错误;根据波速和波长、频率的关系,有λa<λb,单缝衍射时a光的中央亮纹小于b光的,B正确;光子的动量为p=,所以a光子的动量大于b光子的动量,D正确。
2.(2018·浙江4月选考,15)(多选)氢原子的能级图如图所示,关于大量氢原子的能级跃迁,下列说法正确的是(可见光的波长范围为4.0×10-7
m～7.6×10-7
m,普朗克常量h=6.6×10-34
J·s,真空中的光速c=3.0×108
m/s)(　BC　)
A.氢原子从高能级跃迁到基态时,会辐射γ射线
B.氢原子处在n=4能级,会辐射可见光
C.氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,辐射的光具有显著的热效应
D.氢原子从高能级向n=2能级跃迁时,辐射的光在同一介质中传播速度最小的光子能量为1.89
eV
解析:γ射线是原子核受激发而产生的,故氢原子的核外电子跃迁是不会辐射γ射线的,A错误;氢原子在n=4能级时会向低能级跃迁,当跃迁到n=2能级时,ΔE=2.55
eV,产生的波长为λ=4.85×10-7m,属于可见光区域,B正确;从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光在红外线部分,故有显著的热效应,C正确;不同的光在同一介质中传播速度相同,D错误。
3.(2015·浙江10月选考,14)(多选)氢原子从n=6跃迁到n=2能级时辐射出频率为ν1的光子,从n=5跃迁到n=2能级时辐射出频率为ν2的光子。下列说法正确的是(　ABD　)
A.频率为ν1的光子的能量较大
B.频率为ν1的光子的动量较大
C.做双缝干涉实验时,频率为ν1的光产生的条纹间距较大
D.做光电效应实验时,频率为ν1的光产生的光电子的最大初动能较大
解析:由Em-En=hν可知,ν1>ν2,波长λ1<λ2,而光子的动量p=,所以频率为ν1的光子的能量及动量较大;由Δx=λ,λ1<λ2,知Δx1<Δx2;由爱因斯坦光电效应方程hν=Ek+W0知,频率越大的光产生光电子的最大初动能越大。
4.(2016·浙江10月选考,15)(多选)如图为氢原子能级图,氢原子中的电子从n=5能级跃迁到n=2能级可产生a光;从n=4能级跃迁到n=2能级可产生b光,a光和b光的波长分别为λa和λb,照射到逸出功为2.29
eV的金属钠表面均可产生光电效应,遏止电压分别为Ua和Ub。则(　BCD　)
A.λa>λb
B.Ua>Ub
C.a光的光子能量为2.86
eV
D.b光产生的光电子最大初动能Ek=0.26
eV
解析:E5-E2=hνa=h,E4-E2=hνb=h,E5-E2=2.86
eV,E4-E2=2.55
eV,故a光的光子能量为2.86
eV,并且λa<λb,选项C正确,A错误;遏止电压与最大初动能的关系eUc=Ek,Ek=hν-W0,由νa>νb,则得Ua>Ub,选项B正确;由Ek=hνb-W0,得Ek=0.26
eV,选项D正确。
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