2020学年高中物理 第18章 原子结构 4 玻尔的原子模型课时作业 新人教版选修3-5

2020学年高中物理 第18章 原子结构 4 玻尔的原子模型课时作业 新人教版选修3-5

‎4　玻尔的原子模型 ‎ 一、A组(20分钟)‎ ‎1.玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有(　　)‎ A.原子处在具有一定能量的定态中,虽然电子做加速运动,但不向外辐射能量 B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的 C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子 D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 解析:A、B、C三项都是玻尔提出来的假设,其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出,也就是“量子化”概念,原子的不同能量状态与电子绕核运动的不同圆轨道相对应,是经典理论与量子化概念的结合。‎ 答案:ABC ‎2.下面关于玻尔理论的解释中,不正确的说法是(　　)‎ A.原子只能处于一系列不连续的状态中,每个状态都对应一定的能量 B.原子中,虽然核外电子不断做变速运动,但只要能量状态不改变,就不会向外辐射能量 C.原子从一种定态跃迁到另一种定态时,一定要辐射一定频率的光子 D.原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道,并且这些轨道是不连续的 解析:根据玻尔的原子理论,原子从高能级向低能级跃迁时要辐射一定频率的光子,而从低能级向高能级跃迁时要吸收一定频率的光子,C错误。‎ 答案:C ‎3.导学号97280081已知处于某一能级n上的一群氢原子向低能级跃迁时,能够发出10种不同频率的光,下列能表示辐射光波长最长的那种跃迁的示意图是(　　)‎ 解析:一群氢原子向低能级跃迁能发出10种不同频率的光,则n=5。根据玻尔理论,波长最长的跃迁对应着频率最小的跃迁,根据氢原子能级图,频率最小的跃迁对应的是从5到4的跃迁,选项A正确。‎ 答案:A ‎4.根据玻尔的氢原子理论,当某个氢原子吸收一个光子后(　　)‎ A.氢原子所在的能级下降 B.氢原子的电势能增加 C.电子绕核运动的半径减小 D.电子绕核运动的动能增加 解析:根据玻尔的氢原子理论,当某个氢原子吸收一个光子后,氢原子的能级上升,半径增大,A、C错误;电子与原子核间的距离增大,库仑力做负功,电势能增大,B正确;电子围绕原子核做圆周运动,库仑力提供向心力,有k,可得Ek=mv2=,半径增大,动能减小,故D错误。‎ 答案:B ‎5.氢原子核外电子由一个轨道向另一轨道跃迁时,可能发生的情况是(　　)‎ A.原子吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,原子的能量增大 B.原子放出光子,电子的动能减少,原子的电势能减少,原子的能量减少 C.原子吸收光子,电子的动能减少,原子的电势能增大,原子的能量增大 D.原子放出光子,电子的动能增加,原子的电势能减少,原子的能量减少 解析:氢原子核外电子由一个轨道跃迁到另一个轨道,可能有两种情况:一是由较高能级向较低能级跃迁,即原子的电子由距核较远处跃迁到较近处,要放出光子。原子的能量(电子和原子核共有的电势能与电子动能之和)要减少,原子的电势能要减少(电场力做正功);二是由较低能级向较高能级跃迁,与上述相反。根据玻尔假设,在氢原子中,电子绕核做圆周运动的向心力由原子核对电子的吸引力(静电引力)提供,即k=m,v=。可见,原子由高能级跃迁到低能级时,电子轨道半径减小,动能增加,综上所述,C、D正确。‎ 答案:CD ‎6.若要使处于基态的氢原子电离,可以采用两种方法。一是用能量为13.6 eV的电子撞击氢原子,二是用能量为13.6 eV的光子照射氢原子,则(　　)‎ A.两种方法都可能使氢原子电离 B.两种方法都不可能使氢原子电离 C.前者可使氢原子电离 D.后者可使氢原子电离 解析:电子是有质量的,撞击氢原子时发生弹性碰撞。由于电子和氢原子质量不同,故电子不能把13.6 eV的能量完全传递给氢原子,因此不能使氢原子完全电离,而光子的能量可以完全被氢原子吸收,故D对。‎ 答案:D ‎7.用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子,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(　　)‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.hν1 B.hν3‎ C.hν1+hν2 D.hν1+hν2+hν3‎ 解析:氢原子吸收光子能向外辐射三种不同频率的光子,说明其吸收光子后从基态跃迁到第3能级,在第3能级不稳定,又向较低能级跃迁,发出光子。其中从第3能级跃迁到基态的光子能量最大为hν3,所以氢原子吸收的光子能量应为E=hν3,且关系式hν3=hν1+hν2成立,故正确选项为B、C。‎ 答案:BC ‎8.导学号97280082已知氢原子的基态能量为-13.6 eV,核外电子的第一轨道半径为0.53×10‎-10 m,电子质量me=9.1×10‎-31 kg,电荷量为1.6×10‎-19 C,求电子跃迁到第三轨道时,氢原子的能量、电子的动能各多大?‎ 解析:氢原子的能量可由氢原子能级公式En=E1求出,而动能可由氢原子轨道半径公式以及向心力公式求出。氢原子的能量为电子的动能和电势能之和,则第三个问题不难求出。氢原子的能量为E3=E1≈-1.51 eV 电子在第三轨道时半径为r3=n2r1=32r1=9r1①‎ 电子绕核做圆周运动,向心力由库仑力提供,所以 ‎②‎ 由①②可得电子的动能为Ek3=me ‎= eV≈1.51 eV 答案:-1.51 eV　1.51 eV ‎9.一群氢原子处在n=3的激发态,这些氢原子能发出几条谱线?试计算这几条谱线中波长最长的一条谱线的波长。‎ 解析:‎ 由于氢原子是自发跃迁辐射,所以会得到3条谱线,如图所示。‎ 三条光谱线中波长最长的光子能量最小,发生跃迁的两个能级的能量差最小,根据氢原子的能级分布规律可知,氢原子一定是从n=3的能级跃迁到n=2的能级的时候发出的谱线的波长最长,设波长为λ,则有h=E3-E2,即 λ=m ‎≈6.58×10‎-7 m。‎ 答案:3条　6.58×10‎‎-7 m 二、B组(20分钟)‎ ‎1.氢原子的能级示意图如图所示,不同色光的光子能量如下表所示。‎ 色光 红 橙 黄 绿 蓝—靛 紫 光子能量 ‎1.61~2.00‎ ‎2.00~2.07‎ ‎2.07~2.14‎ ‎2.14~2.53‎ ‎2.53~2.76‎ ‎2.76~3.10‎ 范围/eV 处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条,其颜色分别为(　　)‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.红、蓝—靛 B.黄、绿 C.红、紫 D.蓝—靛、紫 解析:根据玻尔理论,如果激发态的氢原子处于第二能级,只能够发出10.2 eV的光子,不属于可见光范围,如果激发态的氢原子处于第三能级,能够发出12.09 eV、10.2 eV、1.89 eV的三种光子,只有1.89 eV的光子属于可见光;如果激发态的氢原子处于第四能级,能够发出12.75 eV、12.09 eV、10.2 eV、2.55 eV、1.89 eV、0.66 eV的六种光子,1.89 eV和2.55 eV的光子属于可见光,1.89 eV的光子为红光,2.55 eV的光子为蓝—靛,所以选项A正确。‎ 答案:A ‎2.用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子,在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2、ν3的三条谱线,且ν3>ν2>ν1,则(　　)‎ A.ν0<ν1 B.ν3=ν2+ν1‎ C.ν0=ν1+ν2+ν3 D.‎ 解析:在光谱中仅能观测到三条谱线,可知基态的氢原子被激发到n=3,且hν3=hν2+hν1,ν3=ν0,选项B正确。‎ 答案:B ‎3.如图,氢原子能级的示意图,现有大量的氢原子处于n=4的激发态,当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光,下列说法正确的是(　　)‎ A.最容易表现出衍射现象的光是由n=4能级跃迁到n=1能级产生的 B.频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的 C.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光 D.用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应 解析:最容易发生衍射的应是波长最长而频率最小、能量最低的光波,hν=h=En-Em,对应跃迁中能级差最小的应为n=4能级到n=3能级,故A、B错误;n=4能级上的氢原子共可辐射出=6种不同频率的光,故C错误;根据hν=E2-E1及发生光电效应的条件hν≥W0可知D正确。‎ 答案:D ‎4.如图,氢原子能级示意图的一部分,已知普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,则氢原子(　　)‎ 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.一束光子能量为12.09 eV的单色光照射到大量处于基态的氢原子上,受激的氢原子能自发地发出3种不同频率的光,且发光频率的最大值约为2.9×1015 Hz D.一束光子能量为15 eV的单色光照射到大量处于基态的氢原子上,能够使氢原子核外电子电离 解析:光子的能量ε=hν=h,而E4-E3λ3-2,A项正确;由于光波的波速由介质和频率共同决定,且在真空中传播时各种光的波速均相同,B项错误;因为13.6 eV-12.09 eV=1.51 eV,即用能量为12.09 eV的单色光照射处于基态的氢原子,可以使其跃迁到第3能级,在向低能级跃迁时,其可以产生三种不同频率的光,且发光的最大频率为ν= Hz≈2.9×1015 Hz,C项正确;因为15 eV>13.6 eV,故D项正确。‎ 答案:ACD ‎5.氦原子被电离一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E1=-54.4 eV,氦离子能级的示意图如图所示,用一群处于第4能级的氦离子发出的光照射处于基态的氢原子。求:‎ ‎(1)氢离子发出的光子中,有几种能使氢原子发生光电效应?‎ ‎(2)发生光电效应时,光电子的最大初动能是多少?‎ 解析:(1)一群氦离子跃迁时,一共发出N==6种光子 由频率条件hν=Em-En知6种光子的能量分别是 由n=4到n=3,hν1=E4-E3=2.64 eV 由n=4到n=2,hν2=E4-E2=10.2 eV 由n=4到n=1,hν3=E4-E1=51.0 eV 由n=3到n=2,hν4=E3-E2=7.56 eV 由n=3到n=1,hν5=E3-E1=48.36 eV 由n=2到n=1,hν6=E2-E1=40.8 eV 由发生光电效应的条件知,hν3、hν5、hν6三种光子可使处于基态的氢原子发生光电效应。‎ ‎(2)由光电效应方程Ek=hν-W0知,能量为51.0 eV的光子使氢原子逸出的光电子最大初动能最大,将W0=13.6 eV代入Ek=hν-W0得Ek=37.4 eV。‎ 答案:(1)3　(2)37.4 eV ‎6.导学号972800831914年,富兰克林和赫兹在实验中用电子碰撞静止的原子的方法,使原子从基态跃迁到激发态,来证明玻尔提出的原子能级存在的假设,设电子的质量为m,原子质量为m0,基态和激发态的能量差为ΔE,试求入射的电子的最小动能。‎ 解析:电子与原子碰撞满足动量守恒定律,根据动量守恒定律列式,利用数学方法求极值。‎ 设电子与原子碰撞前后的速率分别为v1和v2,原子碰撞后的速率为v,假设碰撞是一维正碰。‎ 由动量守恒定律有mv1=mv2+m0v 由能量守恒定律有m0v2+ΔE。‎ 由上面两式得m0(m0+m)v2‎-2mm0v1v+‎2mΔE=0‎ 上式是关于v的二次方程,要使v有实数解,该方程的判别式Δ≥0,即 Δ=(‎-2mm0v1)2‎-4m0(m0+m)×2mΔE≥0‎ ΔE 可见,入射电子的最小动能为ΔE。‎ 答案:ΔE ‎