【物理】2020届一轮复习人教版原子结构氢原子光谱学案

【物理】2020届一轮复习人教版原子结构氢原子光谱学案

第2讲　原子结构　氢原子光谱 ‎1‎ 原子的核式结构模型 ‎　　(1)α粒子散射实验 实验装置:α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。‎ 实验现象:①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进。‎ ‎②少数α粒子发生了大角度偏转。‎ ‎③极少数α粒子的偏转角度大于90°,甚至有极个别α粒子几乎被“撞了回来”。‎ 实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。‎ ‎(2)核式结构模型 ‎1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,叫原子核。它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动。‎ ‎(3)原子核的电荷与尺度 ‎1.1(2019辽宁沈阳模拟)(多选)如图所示为卢瑟福和他的助手做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三个位置时,关于观察到的现象,下列说法中正确的是(　　)。‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.放在A位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B.放在B位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最少 C.放在C位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最少 D.放在C位置时观察不到屏上有闪光 ‎【答案】AC ‎1.2(2018南昌期末)不能用卢瑟福原子核式结构模型得出的结论是(　　)。‎ A.原子中心有一个很小的原子核 B.原子核是由质子和中子组成的 C.原子的质量几乎全部集中在原子核内 D.原子的正电荷全部集中在原子核内 ‎【答案】B ‎2‎ 氢原子光谱　玻尔的原子模型 ‎　　(1)玻尔理论 ‎①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。‎ ‎②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=6.63×10-34J·s)‎ ‎③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)氢原子的能级 能级图如图所示 ‎2.1(2019陕西师大附中模拟)(多选)根据玻尔理论可知,以下说法正确的是(　　)。‎ 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,其电子做变速运动,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 ‎【答案】BCD ‎2.2‎ ‎(2019山西临汾一中质检)某光电管的阴极为金属钾制成的,它的逸出功为2.21eV,如图所示是氢原子的能级图,一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,‎ 辐射的光照射到该光电管的阴极上,这束光中能使金属钾发生光电效应的光谱线条数是(　　)。‎ A.2条 B.4条 C.5条 D.6条 ‎【答案】B 题型 能级的分析与计算 ‎　　1.氢原子跃迁条件 原子跃迁条件hν=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和原子作用而使氢原子电离时,只要入射光的能量E≥13.6eV,氢原子就能吸收光子的能量,对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时,实物粒子的能量大于或等于能级差即可。‎ ‎2.氢原子跃迁时能量的变化 ‎(1)原子能量:En=Ekn+Epn=,随n增大而增大,其中E1=-13.6eV。‎ ‎(2)电子动能:电子绕氢原子核运动时由静电力提供向心力,即k=m,所以Ek=,即动能随r增大而减小。‎ ‎(3)电势能:通过库仑力做功判断电势能的增减。当轨道半径减小时,库仑力做正功,电势能减小;当轨道半径增大时,电势能增加。‎ ‎3.光谱线条数 ‎(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。‎ ‎(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法:‎ ‎①用数学中的组合知识求解:N==。‎ ‎②利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。‎ ‎4.区别原子的跃迁与电离 若入射光子的能量低于原子的电离能,‎ 则只有光子的能量恰好等于原子的两个能级之差时才能被吸收,并使原子发生跃迁,若入射光子的能量大于原子的电离能,则可以被吸收,并使原子电离。‎ ‎【例题】(多选)如图为氢原子的能级示意图,关于氢原子跃迁,下列说法中正确的是(　　)。 ‎ A.一个处于能级n=5的激发态的氢原子,它向低能级跃迁时,可发出10种不同频率的光子 B.处于n=3激发态的氢原子子吸收具有1.87eV能量的光子后被电离 C.用12eV的光子照射处于基态的氢原子时,电子仍处于基态 D.电子从高能级跃迁到低能级时,动能增大,电势能增大 ‎【解析】一个处于能级n=5的激发态的氢原子,它向低能级跃迁时,最多可发出4种不同频率的光子,所以A项错误;当n=3时,氢原子的能量E3=-1.51eV,所以处于n=3激发态的氢原子的电离能是1.51eV,当该原子吸收具有1.87eV能量的光子后被电离,B项正确;根据玻尔理论可知,处于基态的原子不可能吸收12eV的光子,所以电子仍处于基态,C项正确;电子从高能级跃迁到低能级时,动能增大,电势能减小,所以D项错误。‎ ‎【答案】BC ‎　　分析原子跃迁问题的注意事项 ‎(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。‎ ‎(2)当光子能量大于或等于13.6eV时,也可以被处于基态的氢原子吸收,使氢原子电离。当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。‎ ‎(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能而被激发。因为实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差,就可以发生跃迁。‎ ‎(4)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν=Em-En求得,波长可由公式c=λν求得。‎ ‎【变式训练】(2019河北衡水中学模拟)(多选)如图所示,氢原子在不同能级间发生a、b、c三种跃迁时,释放光子的波长分别是λa、λb、λc,则下列说法正确的是(　　)。‎ A.从n=3能级跃迁到n=1能级时,释放光子的波长可表示为 B.从n=3能级跃迁到n=2能级时,电子的电势能减小,氢原子的能量增加 C.若用波长为λc的光照射某金属时恰好能发生光电效应,则用波长为λa的光照射该金属时也一定能发生光电效应 D.用12.09eV的光子照射大量处于基态的氢原子时,可以发出3种频率的光 ‎【解析】从n=3能级跃迁到n=1能级时,释放出的光子能量为(E3-E1),由E=hν得释放光子的波长为,A项正确;从n=3能级跃迁到n=2能级时释放光子,因此电子的电势能减小,氢原子的能量减小,B项错误;由能级图可知波长为λc的光对应的光子频率大于波长为λa的光所对应的光子频率,因此用波长为λc的光照射某金属时恰好能发生光电效应,用波长为λa的光照射该金属时一定不能发生光电效应,C项错误;用12.09eV的光子照射大量处于基态的氢原子时,氢原子可以从n=1能级跃迁到n=3能级,大量氢原子再由n=3能级跃迁到n=1能级时将发出3种不同频率的光,D项正确。‎ ‎【答案】AD ‎1.(2018山西平遥中学模拟)关于原子结构,下列说法正确的是(　　)。‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ 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粒子散射实验肯定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”‎ ‎【解析】玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律;卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性;卢瑟福的α粒子散射实验表明原子具有核式结构,否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”,故A项正确,B、C、D三项错误。‎ ‎【答案】A ‎2.(2019海南华侨中学1月考试)卢瑟福通过α粒子散射实验,判断出原子中心有一个很小的核,并由此提出了原子的核式结构模型。如图所示的平面示意图中①③两条线表示α粒子运动的轨迹,则沿②所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹是(　　)。‎ A.轨迹a ‎ B.轨迹b ‎ C.轨迹c ‎ D.轨迹d ‎【解析】α粒子带正电,因此α粒子靠近核时,与核间有斥力,沿方向②射向原子核的α粒子比沿方向①的α粒子离核近,与核的作用强,因此α粒子沿方向②进入后与核作用向外侧散射的偏转角应该比沿①的大,故A项正确。‎ ‎【答案】A ‎3.(2018安庆市第二中学月考)氢光谱在可见光的区域内有4条谱线,按照在真空中波长由长到短的顺序,这4条谱线分别是Hα、Hβ、Hγ和Hδ,它们都是氢原子的电子从能级数大于2的可能轨道上跃迁到能级数为2的轨道时所发出的光,下列判断错误的是(　　)。‎ A.电子处于激发态时,Hα所对应的轨道量子数最大 B.Hγ的光子能量大于Hβ的光子能量 C.对于同一种玻璃,4种光的折射率以Hα为最小 D.对同一种金属,若Hα能使它发生光电效应,则Hβ、Hγ、Hδ都可以使它发生光电效应 ‎【解析】由E=h,知波长长,光子能量小,故Hα光子能量最小,Hδ光子能量最大,再由h=En-E2,得Hα对应的轨道量子数最小,A项错误。‎ ‎【答案】A ‎4.(2019辽宁沈阳市第二中学模拟)中国“北斗三号”全球组卫星计划在2018年底前完成18颗“北斗三号”卫星发射任务。“北斗三号”采用星载氢原子钟,其精度将比“北斗二号”的星载铷原子钟提高一个数量级。如图所示为氢原子的部分能级图,以下判断正确的是(　　)。‎ A.处于n=3能级的氢原子可以辐射任意频率的光子 B.欲使处于基态的氢原子被激发,可用12.09eV的光子照射 C.当氢原子从n=5的状态跃迁到n=3的状态时,要吸收光子 D.用n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34eV)时不能发生光电效应 ‎【解析】根据=3知,这些n=3能级的氢原子可以辐射出三种不同频率的光子,A项错误;3能级和1能级的能量之差为12.09eV,所以12.09eV的光子能被基态吸收,跃迁到n=3能级,B项正确;氢原子从高能级跃迁到低能级时放出光子,C项错误;从n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光子的能量E=E2-E1=-3.4eV-(-13.6)eV=10.2eV>6.34eV,而使金属发生光电效应的条件是光子的能量大于电子的逸出功,故可以发生光电效应,D项错误。‎ ‎【答案】B ‎5.(2019衡水检测)氦原子被电离出一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量E1=-54.4eV,氦离子的能级示意图如图所示,在具有下列能量的光子或者电子中,不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是(　　)。‎ A.42.8eV(光子) B.43.2eV(电子)‎ C.41.0eV(电子) D.54.4eV(光子)‎ ‎【解析】由于光子能量不可分,因此只有能量恰好等于两能级能量差的光子才能被氦离子吸收,A项中光子不能被吸收,D项中光子能被吸收;而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级能量差,均可被吸收,B、C两项中的电子均能被吸收。‎ ‎【答案】A ‎6.(2019吉林一中月考)(多选)氢原子能级图的一部分如图所示,a、b、c分别表示氢原子在不同能级间的三种跃迁途径,设在a、b、c三种跃迁过程中,放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和λa、λb、λc,则(　　)。‎ A.λb=λa+λc B.=+‎ C.λb=λaλc D.Eb=Ea+Ec ‎【解析】Ea=E3-E2,Eb=E3-E1,Ec=E2-E1,所以Eb=Ea+Ec,D项正确;由ν=得λa=,λb=,λc=,取倒数后得到=+,B项正确。‎ ‎【答案】BD ‎1.(2014全国卷Ⅱ,35)(多选)在人类对微观世界进行探索的过程中,科学实验起到了非常重要的作用。下列说法符合历史事实的是(　　)。‎ A.密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值 B.贝克勒尔通过对天然放射现象的研究,发现了原子中存在原子核 C.居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素 D.卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子 E.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验,发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的,并测出了该粒子的比荷 ‎【解析】密立根通过油滴实验测出了基本电荷的电荷量,A项正确;卢瑟福通过α粒子散射实验建立了原子核式结构模型,并发现了原子中心有一个核,B、D两项错误;居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素,并因此获得了诺贝尔奖,C项正确;汤姆孙通过研究阴极射线,发现了电子,并测出了电子的比荷,E项正确。‎ ‎【答案】ACE ‎2.(2016海南卷,17)(多选)下列说法正确的是(　　)。‎ A.爱因斯坦在光的粒子性的基础上,建立了光电效应方程 B.康普顿效应表明光子只具有能量,不具有动量 C.玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律 D.卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型 E.德布罗意指出微观粒子的动量越大,其对应的波长就越长 ‎【解析】爱因斯坦提出了光子假说,建立了光电效应方程,故A项正确;康普顿效应表明光不仅具有能量,还具有动量,故B项错误;玻尔的原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律,故C项正确;卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子核式结构模型,故D项正确;微观粒子的德布罗意波长λ=,其中p为微观粒子的动量,故动量越大,对应的波长就越短,E项错误。‎ ‎【答案】ACD ‎3.(2015浙江卷自选,14)以下说法正确的是(　　)。‎ A.所有原子核中的质子数和中子数都相等 B.在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒 C.氢原子从高能级向低能级跃迁时能辐射出γ射线 D.只要光照射金属电极的时间足够长,就能发生光电效应 ‎【解析】原子核中的质子数和中子数不一定相等,例如一种元素可能有多种同位素,即质子数相同,但中子数不同,A项错误。在核反应中,虽然有质量亏损,但质量数、电荷数仍然守恒,B项正确。γ射线是原子核反应中伴随着α或β射线产生的,C项错误。光电效应能否发生只与照射光的频率有关,与照射时间无关,D项错误。‎ ‎【答案】B