【物理】2020届一轮复习人教版第十二章第2节原子结构学案

【物理】2020届一轮复习人教版第十二章第2节原子结构学案

第 2 节 原子结构 考点 1 ► α粒子散射和核式结构模型 【p212】 夯实基础 1．汤姆孙原子模型(“枣糕模型”) (1)__汤姆孙__研究阴极射线时用测定粒子比荷的方法发现了电子．电子的发现证明了原子是可分的． (2)汤姆孙原子模型：原子里面带__正电荷__的物质均匀分布在整个原子球体中，而__带负电的电子 __则一粒粒镶嵌在球内． 2．卢瑟福的α粒子散射实验 (1)卢瑟福的α粒子散射实验装置(如下图所示) (2)α粒子散射实验现象：__绝大__多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，__少数__α 粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，__极少数__α粒子甚至被反弹回来． 3．卢瑟福的原子核式结构模型 在原子的中心有一个__很小的核__，叫原子核，原子的所有__正电荷__和几乎所有__质量__都集中在 原子核里，带负电的__电子__在核外绕核旋转．由α粒子散射实验的数据估算出原子核半径的数量级为 __10－15__m，而原子半径的数量级为__10－10__ m. 考点突破 例 1 在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数的α粒子发生了大角度的偏转，其原因是( ) A．原子是可再分的 B．正电荷在原子中是均匀分布的 C．原子中有带负电的电子，电子会对粒子有引力作用 D．原子的正电荷和绝大部分的质量都集中在一个很小的核上 【解析】阴极射线的发现，说明原子是可再分的，故 A 错误；α粒子和电子之间有相互作用力，它们 接近时就有库仑引力作用，但由于电子的质量只有α粒子质量的 1 7 300 ，α粒子与电子碰撞就像一颗子弹 与一粒灰尘碰撞一样，α粒子质量大，其运动方向几乎不改变．α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大 角度偏转，说明三点：一是原子内有一质量很大的粒子存在；二是这一粒子带有较多的正电荷；三是这一 粒子的体积很小，故 D 正确，B、C 错误． 【答案】D 针对训练 1．电子的发现是人类对物质结构认识上的一次飞跃，开创了探索物质微观结构的新时代，下列关于 电子的说法正确的是(A) A．J.J.汤姆孙发现不同物质发出的阴极射线的粒子比荷相同，这种粒子即电子 B．β衰变时原子核会释放电子，说明电子也是原子核的组成部分 C．电子穿过晶体时会产生衍射图样，这证明了电子具有粒子性 D．β射线是高速电子流，它的穿透能力比α射线和γ射线都弱 【解析】J.J.汤姆孙发现不同物质发出的阴极射线的粒子比荷相同，这种粒子即电子，故 A 正确；衰 变现象是原子核内部的中子转化为质子同时释放一个电子，故 B 错误；电子穿过晶体时会产生衍射图样， 这证明了电子具有波动性，故 C 错误；β射线是高速电子流，它的穿透能力比γ射线弱，比α射线强，故 D 错误． 2．(多选)卢瑟福在研究α粒子轰击金箔的实验中，根据实验现象提出原子的核式结构．以下说法正 确的是(ACD) A．按照汤姆孙模型，α粒子轰击金箔时不可能发生大角度的偏转，因而卢瑟福否定了汤姆孙的“枣 糕模型”，提出新的原子结构模型 B．绝大多数α粒子穿过金箔运动方向不变，说明原子所带正电是均匀分布的 C．α粒子轰击金箔实验现象说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 D．卢瑟福通过α粒子轰击金箔的实验的数据记录估算出原子核的大小 【解析】卢瑟福根据α粒子散射实验现象，否定了汤姆孙的“枣糕模型”，提出了原子核式结构模型， A 正确；实验中绝大多数α粒子穿过金箔运动方向不变，说明原子内部大部分是空的，所带正电集中在很 小的空间，并且能估计出原子核大小的数量级，B 错误；C、D 正确． 考点 2 ► 氢原子能级 氢原子跃迁 氢原子的光谱 【p212】 夯实基础 1．玻尔原子模型 (1)轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道 是__不连续__的． (2)定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，因而具有不同的能量，即原子的 能量是__不连续__的．这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，原子是__稳定__的，不向 外辐射能量． (3)跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要__吸收__或__放出__一定频率的光子， 光子的能量等于两个状态的__能级差__，即 hν＝__Em－En__(m>n)． 2．几个名词解释 (1)能级：在玻尔理论中，原子各个可能状态的__能量值__叫能级．能级是电子动能与电势能之和， 电子的电势能是个负值，其绝对值是动能的 2 倍． (2)基态和激发态：原子能量__最低__的状态叫基态，其他能量(相对于基态)较高的状态叫激发态． (3)量子数：现代物理学认为原子的可能状态是__不连续__的，各状态可用正整数 1，2，3，…表示， 叫做量子数，一般用 n 表示． 3．氢原子的能级和核外电子的轨道半径 (1) 氢原子的能级公式：En＝__1 n2E1__(n＝1，2，3，…)，其中 E1 为基态能量，E1＝__－13.6__eV__． (2)氢原子核外电子的轨道半径公式：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. (3)氢原子能级图(如图) ①能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态． ②横线左端的数字“1、2、3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能级． ③相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小． ④带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，放出光子的能量：__hν＝Em－En(m>n)__． 4．氢原子的光谱 (1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按__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 光谱 发射光谱 连续 谱 线状 谱 吸收光谱 }——原子的__特征谱线__ (3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在__可见光区域__的谱线，其波长公式 1 λ ＝R(1 22－1 n2)(n ＝3，4，5，……，R 是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)． (4)光谱分析：利用每种原子都有自己的__特征谱线__可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分且灵 敏度很高，在发现和鉴别化学元素上有重大的意义． 考点突破 例 2 氢原子能级如图所示，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．用动能为 10.5 eV 的入射电子碰撞激发，可使氢原子从 n＝1 跃迁到 n＝2 的能级 C．用波长为 656 nm 的光照射，能使处在 n＝2 能级的氢原子电离 D．一个处于 n＝3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生 3 种谱线 【解析】从 n＝3 跃迁到 n＝2 的能级时，辐射光的波长为 656 nm，而当从 n＝2 跃迁到 n＝1 的能级时， 辐射能量更多，则频率更高，由 c＝λν知波长小于 656 nm，故 A 错误；当从 n＝1 跃迁到 n＝2 的能级， 吸收的能量：ΔE12＝E2－E1＝10.2 eV，而用入射电子碰撞转移能量可能会损失或部分转移，则 10.5 eV>10.2 eV，可以使电子跃迁，故 B 正确；波长为 656 nm 的光对应的能量为ΔE32＝E3－E2＝1.89 eV，而 n＝2 能级 的电子电离需要的电离能为ΔE＝E∞－E2＝3.4 eV>1.89 eV，故光的能量不够电离，C 错误；一个氢原子只 有一个电子能跃迁，同一时刻只能出现在一个能级上，则逐级向下跃迁产生的谱线最多为 2 种，D 错误； 故选 B. 【答案】B 【小结】1.对原子跃迁条件的理解 (1)原子从低能级向高能级跃迁，吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足 hν＝E 末－E 初时，才 能被某一个原子吸收，使原子从低能级 E 初向高能级 E 末跃迁，而当光子能量 hν大于或小于 E 末－E 初时都 不能被原子吸收． (2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰好等于发生跃迁 时的两能级间的能量差． (3)原子跃迁条件 hν＝Em－En(m>n)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 光子和处于基态的氢原子作用而使氢原子电离时，只要入射光子的能量 E≥13.6 eV，氢原子就能吸收．对 于实物粒子与原子作用使原子激发时，粒子能量大于能级差即可． 2．量子数为 n 的氢原子跃迁时辐射光子种数的判定方法： 如果是一个氢原子，向低能级跃迁时辐射光子的最多频率种数为(n－1)． 如果是一群氢原子，向低能级跃迁时可能发出的光子种数为 C2 n. 求 解 方 法 → 方法 1：采用画图法，原子在两个不同能级间跃迁能产生一条频率不同的光谱线 方法 2：用数学组合公式 C2 n求解 针对训练 3．氢原子的能级图如图所示，已知可见光的光子能量范围约为 1.62～3.11 eV.下列说法中正确的是(C) A．一个处于 n＝3 能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可能发出 3 种不同频率的光 B．大量氢原子从高能级向 n＝3 能级跃迁时，可能发出可见光 C．用一群处于 n＝3 能级的氢原子向低能级跃迁时，所发出的光照射逸出功为 2.49 eV 的金属钠，则 从金属钠表面所发出的光电子的最大初动能可能为 9.60 eV D．大量处于 n＝4 能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 5 种不同频率的光 【解析】一个处于 n＝3 能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可能发出 2 种不同频率的光，即 n＝3 能 级到 n＝2 能级，n＝2 能级到 n＝1 能级，故 A 错误；氢原子从高能级向 n＝3 能级跃迁时发出的光子能量 小于 1.51 eV，小于可见光的光子能量，故 B 错误；从 n＝3 跃迁到 n＝1 所发出的光能量最大，光照射逸 出功为 2.49 eV 的金属钠，所发出的光电子的初动能最大，根据爱因斯坦光电效应方程得，Ekm＝hν－W0 ＝(E3－E1)－W0＝[－1.51－(－13.6)] eV－2.49 eV＝9.60 eV，故 C 正确；大量处于 n＝4 能级的氢原子向 低能级跃迁时，可能发出 C2 4＝4×（4－1） 2 ＝6 种不同频率的光，故 D 错误． 4．现有 1 500 个氢原子被激发到量子数为 4 的能级上，若这些受激发的氢原子最后都回到基态，则 在此过程中发出的光子总数是(假定处在量子数为 n 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处 在该激发态能级上的原子总数的 1 n－1 )(C) A．2 200 B．2 500 C．2 750 D．2 400 【解析】根据题中所给信息，处在量子数为 4 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在 该激发态能级上的原子总数的1 3 ，即向量子数为 2、3 的激发态和基态各跃迁 1 500×1 3 ＝500 个，发出光子 500×3＝1 500 个；同理，处在量子数为 3 的激发态的 500 个氢原子跃迁到量子数为 2 的激发态和基态的 原子数都是 500×1 2 ＝250 个，发出光子 250×2＝500 个；处在量子数为 2 的激发态的 500＋250＝750 个氢 原子跃迁到基态的原子数是 750×1＝750 个，发出光子 750 个；所以在此过程中发出的光子总数为 n＝1 500 ＋500＋750＝2 750 个，C 正确． 5．氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是(D) A．电子绕核旋转的轨道半径增大 B．电子的动能减少 C．氢原子的电势能增大 D．氢原子的能级减小 【解析】氢原子辐射出光子后，由高能级跃迁到低能级，轨道半径减小，电子动能增大，此过程中库 仑力做正功，电势能减小．D 对． 考 点 集 训 【p347】 A 组 1．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】金的原子核带正电，α粒子也带正电，它们之间应是斥力作用，根据库仑定律，电荷之间的 距离越小，斥力越大．再根据曲线运动的知识，斥力应指向曲线的凹面的一侧，因此只有选项 C 正确． 2．下列叙述中符合物理学史的有(C) A．汤姆孙通过研究阴极射线实验，发现了电子和质子的存在 B．卢瑟福通过对α粒子散射实验现象的分析，证实了原子是可以再分的 C．美国物理学家密立根测出元电荷 e 的电荷量的实验，是著名的“密立根油滴实验”． D．玻尔提出的原子模型，彻底否定了卢瑟福的原子核式结构学说 【解析】汤姆孙通过研究阴极射线实验，发现了电子；卢瑟福发现了质子，选项 A 错误；卢瑟福通过 对α粒子散射实验现象的分析，得到了原子的核式结构理论，选项 B 错误；美国物理学家密立根用著名的 “密立根油滴实验”，测出了元电荷 e 的电荷量，选项 C 正确；玻尔建立了量子理论，成功解释了氢原子 光谱；但其是建立在卢瑟福的原子核式结构学说之上得出的结论，D 错误；故选 C. 3．氢原子从能量为 E 的能级跃迁到能量为 E′的能级时，辐射出波长为λ的光子．已知普朗克常量为 h，光在真空中的速度为 c.则 E′等于(A) A．E－hc λ B．E＋hc λ C．E＋hλ c D．E－hλ c 【解析】由玻尔理论得：E－E′＝hν＝hc λ .所以 E′＝E－h c λ ，A 正确． 4．如图所示，某原子的三个能级的能量分别为 E1、E2 和 E3，a、b、c 为原子跃迁所发出的三种波长的 光，下列判断正确的是(C) A．E1>E3>E2 B．E3－E2＝E2－E1 C．a 光的频率最小 D．c 光的波长最长 【解析】结合题图和电子跃迁时发出的光子的能量为 E＝Em－En 可知 Ec＝Ea＋Eb，能量差 E3－E2 等于光 子 a 的能量，能量差 E2－E1 等于光子 b 的能量，能量差 E3－E1 等于光子 c 的能量，那么 c 对应的能量最大， 而 a 对应的能量最小，即 E1λ2>λ3)．则照射光光子的波长为(A) A．λ1 B．λ3 C．λ1－λ2 D．λ2＋λ3 【解析】处于激发态的氢原子并不稳定，能够自发地向低能级跃迁并发射光子，氢原子只发出三种不 同频率的色光，知氢原子处于 n＝3 能级．所以某种单色光照射容器中大量处于 n＝2 能级的氢原子，氢原 子跃迁到处于 n＝3 能级．氢原子吸收这种光子后，能发出波长分别为λ1、λ2、λ3 的三种光子(λ1＞λ2 ＞λ3)．根据光子频率ν＝ c λ ，得光子波长越小，频率越大．显然从 n＝3 直接跃迁到 n＝2 能级时辐射光 子的能量等于入射光子的能量，故入射光子的能量 E＝hν1，所以照射光光子的波长为λ1.故选 A. 6．已知氢原子的基态能量为 E1，激发态能量 En＝E1 n2，其中 n＝2，3，4，….用 h 表示普朗克常量，c 表示真空中的光速，能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为(C) A．－4hc 3E1 B．－2hc E1 C．－4hc E1 D．－9hc E1 【解析】依题意可知第一激发态的能量为 E2＝E1 22，要将其电离，需要的能量至少为ΔE＝0－E2＝hν， 根据波长、频率与波速的关系 c＝νλ，联立解得最大波长λ＝－4hc E1 ，C 正确． 7．(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(AD) 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λb＝ λaλc λa＋λc 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．用 11 eV 的电子碰撞处于基态的氢原子时，氢原子一定不会发生跃迁 D．用 12.09 eV 的光子照射大量处于基态的氢原子时，可以发出三种频率的光 【解析】因为 Em－En＝hν，知 Eb＝Ea＋Ec，所以 h c λb ＝h c λa ＋h c λc ，得：λb＝ λaλc λa＋λc ，故 A 正确；从 n＝3 能级跃迁到 n＝2 能级时，释放能量，则电子的电势能减小，动能增加，而氢原子的能量减小，故 B 错误；用 11 eV 的电子碰撞处于基态的氢原子时，电子可能将 10.2 eV 的能量转移给氢原子，则原子可以 从 1 能级跃迁到 2 能级，C 错误；12.09 eV 的光子照射大量处于基态的氢原子时，氢原子能从 n＝1 能级 跃迁到 n＝3 能级，在这些氢原子向基态跃迁的过程中，可以发出三种频率的光，故 D 正确． B 组 8．如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q 是轨迹上的四点，在 散射过程中可以认为重金属原子核静止．图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(C) A．M 点 B．N 点 C．P 点 D．Q 点 【解析】α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向 相同．带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧，故只有选项 C 正确． 9．已知氢原子基态能级 E1，激发态能级 En＝E1 n2(n＝2，3，…)，普朗克常量为 h，光速为 c，则氢原子 从 n＝4 向 n＝2 跃迁时发出光的波长为__－16hc 3E1 __；若此光恰好使某金属产生光电效应，一群处于 n＝4 能级的氢原子发出的光中，共有__4__种频率的光能使该金属产生光电效应． 【解析】根据玻尔理论可知，氢原子从 n＝4 向 n＝2 跃迁时发出光的波长：E4－E2＝hc λ ，即E1 42－E1 22＝hc λ ， 解得λ＝－16hc 3E1 ；除从 n＝4 向 n＝2 跃迁时发出光外，还有从 4→1，3→1，2→1 的跃迁放出的光子的能 量都大于从 4→2 的跃迁时放出的光子的能量，故一群处于 n＝4 能级的氢原子发出的光中，共有 4 种频率 的光能使该金属产生光电效应． 10．一个运动的处于基态的氢原子与另一个静止的处于基态的氢原子发生完全非弹性碰撞时，可使这 两个氢原子发生相同的能级跃迁，则运动的氢原子碰撞前的最小动能是多少？已知氢原子的电离能 E＝ 13.6 eV. 【解析】由玻尔理论知两基态氢原子碰撞时损失的动能的最小值必为氢原子从 n＝1 激发到 n＝2 能级 的能量差ΔE＝E2－E1＝3 4 E，设碰前运动的氢原子最小速度为 v0，初动能为 Ek，碰后两氢原子速度为 v，由 动量守恒 mv0＝2mv，由能量守恒得：1 2 mv2 0－1 2 ·2m·v2＝2ΔE，即 1 2 Ek＝2ΔE，得 Ek＝4ΔE＝40.8 eV.