【物理】2018届一轮复习人教版第10章第4讲原子结构学案

【物理】2018届一轮复习人教版第10章第4讲原子结构学案

第4讲　原子结构 知识点一　电子的发现 英国物理学家　　　　利用气体放电管对阴极射线进行了一系列实验研究.‎ ‎(1)让阴极射线分别通过电场或磁场，根据　　　　现象，证明它是　　　　的粒子流并求出了其比荷.‎ ‎(2)换用不同材料的阴极和不同的　　　　，所得粒子的　　　　相同.‎ ‎(3)粒子带负电荷，比荷是氢离子的近两千倍，说明阴极射线粒子质量远小于氢离子质量.‎ ‎(4)组成阴极射线的粒子称为　　　　.‎ 答案：汤姆孙　(1)偏转　带电　(2)场　比荷的数值　(4)电子 知识点二　α粒子散射实验 ‎1.实验装置 ‎(1)放射源：‎ ‎①钋放在带小孔的铅盒中，能放射　　　　.‎ ‎②α粒子：带正电，q＝　　　　，质量约为氢原子的4倍，射出速度可达107 m/s.‎ ‎(2)金箔：厚度极小，可至　　　　(虽然很薄但仍有几千层原子).‎ ‎(3)显微镜：能够围绕金箔的　　　　内转动观察.‎ ‎(4)荧光屏：玻璃片上涂有　　　　物质硫化锌，装在显微镜上.‎ ‎2.实验结论 ‎(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后　　　　的方向前进.‎ ‎(2)少数α粒子发生了　　　　的偏转.‎ ‎(3)极少数α粒子的偏转角θ超过　　　　，甚至有极个别α粒子被反弹回来.‎ ‎3.实验意义 ‎(1)否定了　　　　的原子结构模型.‎ ‎(2)提出了　　　　模型，明确了　　　　的数量级.‎ 答案：1.(1)①α粒子　②＋2e　(2)微米　(3)水平面　(4)荧光 ‎2.(1)仍沿原来　(2)较大　(3)90°　3.(1)汤姆孙　(2)原子核式结构　原子核大小 知识点三　卢瑟福的核式结构模型 ‎1.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　　　　.它集中了原子全部的　　　　和几乎全部的　　　　，　　　　在核外空间运动.‎ ‎2.原子核的电荷与尺度 原子核 答案：1.原子核　正电荷　质量　电子　2.电子数　质子和中子　质子数　10－10 m　10－15 m 知识点四　光谱和光谱分析 ‎1.定义：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按　　　　展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱.‎ ‎2.分类 ‎(1)线状谱：由　　　　　　组成的光谱.‎ ‎(2)连续谱：由　　　　　　的光带组成的光谱.‎ ‎3.特征谱线：各种原子的发射光谱都是　　　　，且不同原子的亮线位置　　　　，故这些亮线称为原子的　　　　谱线.‎ ‎4.光谱分析：由于每种原子都有自己的　　　　，可以利用它来鉴别物质和确定物质的　　　　，这种方法称为光谱分析，它的优点是　　　　高，样本中一种元素的含量达到　　　　时就可以被检测到.‎ 答案：1.波长　2.(1)一条条的亮线　(2)连在一起　3.线状谱　不同　特征　4.特征谱线　组成成分　灵敏度　10－10 g 知识点五　玻尔原子理论的基本假设 ‎1.轨道量子化：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律.但不同的是，电子运行轨道的半径　　　　，只有当　　　　符合一定条件时，这样的轨道才是可能的.也就是说，电子的轨道是　　　　.电子在这些轨道上绕核的转动是　　　　，不产生　　　　.‎ ‎2.定态：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态.原子在不同的状态中具有不同的能量，因此，原子的能量是　　　　的.这些　　　　的能量值叫做能级.原子中这些具有确定能量的　　　　，称为定态.能量　　　　的状态叫做基态，其他的状态叫做　　　　.‎ ‎3.跃迁：当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En，m>n)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即　　　　　　　　，这个式子称为　　　　，又称　　　　.‎ 答案：1.不是任意的　半径的大小　量子化的　稳定的　电磁辐射 ‎2.量子化　量子化　稳定状态　最低　激发态　3.hν＝Em－En　频率条件　辐射条件 ‎(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小.(　　)‎ ‎(2)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的.(　　)‎ ‎(3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的.(　　)‎ ‎(4)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱.(　　)‎ ‎(5)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上.(　　)‎ ‎(6)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的.(　　)‎ 答案：(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√‎ 考点　α粒子散射实验 ‎1.实验过程：α粒子从铅盒射出，形成细射线打在金箔上，被散射的α粒子打在荧光屏上产生闪光，用可转动的显微镜从不同角度进行观察.‎ ‎2.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粒子发生较大的偏转.‎ ‎(3)极少数α粒子偏转角度超过90°，有的几乎被“撞了回来”，如图所示.‎ ‎3.实验意义：否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了原子的核式结构模型，明确了原子核大小的数量级.‎ 考向1　α粒子散射现象 ‎[典例1]　(2017·上海理工大附中期中)如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况.下列说法中正确的是(　　)‎ A.在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多 B.在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光 C.卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似 D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子后产生的反弹 ‎[解析]　放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数应最多，说明大多数射线基本不偏折，可知金箔原子内部很空旷，故A错误；放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较少，说明较少射线发生偏折，可知原子内部带正电的体积小，故B错误；选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似，故C正确；α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子后，因库仑力作用，且质量较大，从而出现的反弹，故D错误.‎ ‎[答案]　C 考向2　α粒子散射的原因 ‎[典例2]　关于α粒子散射实验，下列说法不正确的是(　　)‎ A.α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中有正电荷 B.α粒子发生大角度散射的主要原因是原子中原子核的作用 C.只有少数α粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核上 D.相同条件下，换用原子序数越小的物质做实验，沿同一偏转角散射的α粒子越少 ‎[解析]　原子显电中性，而电子带负电，所以原子中一定存在带正电的物质，但是汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的散射现象，所以α粒子大角度散射的主要原因不能直接说是原子中正电荷的作用，而是正电荷集中在原子核上的原因，选项A错误，选项B正确；只有少数α粒子发生大角度散射的结果证明原子中存在一个集中所有正电荷和几乎所有质量的很小的原子核，选项C正确；使α粒子发生大角度散射的原因是受到原子核的库仑斥力，所以为使散射实验现象更明显，应采用原子序数大的金箔，若改用原子序数小的物质做实验，α粒子受到原子核的库仑斥力小，发生大角度散射的α粒子少，选项D正确.‎ ‎[答案]　A α粒子大角度地散射，不可能是因为金箔的原子内的电子造成的，因为电子质量很小，只有当α粒子受到原子内正电荷很强的排斥力时，它的运动方向才会有这样大的改变.原子中的正电荷与原子的很大一部分质量一定集中在一个很小的核上.‎ 考点　原子结构模型 ‎1.汤姆孙的原子模型 汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在球中.‎ 汤姆孙的原子模型如图所示，小圆点代表正电荷，大圆点代表电子.‎ 汤姆孙的原子模型被称为西瓜模型或枣糕模型.该模型能解释一些实验现象，但后来被α粒子散射实验否定了.‎ ‎2.卢瑟福的核式结构模型 ‎(1)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，电子在原子核的外面运动.‎ ‎3.原子核的电荷与尺度 ‎(1)电荷：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的质子数.‎ ‎(2)尺度：对于一般的原子核，实验确定的核半径R的数量级为10－‎15 m，而整个原子半径的数量级是10－‎10 m.两者相差十万倍之多，可见原子内部是十分“空旷”的.‎ 考向1　对核式结构模型的认识 ‎[典例3]　(多选)下列对原子结构的认识中，正确的是(　　)‎ A.原子中绝大部分是空的，原子核很小 B.电子在核外旋转，库仑力提供向心力 C.原子的全部正电荷都集中在原子核里 D.原子核的直径大约是10－‎‎10 m ‎[解析]　原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确.根据α粒子散射实验知，原子核半径数量级为10－‎15 m，而原子半径的数量级为10－‎10 m，故A正确，D错误.‎ ‎[答案]　ABC 考向2　核式结构模型的应用 ‎[典例4]　根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，图中虚线表示原子核所形成的电场等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹.在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法中正确的是(　　)‎ A.动能先增加，后减少 B.电势能先减少，后增加 C.电场力先做负功，后做正功，总功等于零 D.加速度先变小，后变大 ‎[解析]　α粒子与原子核之间的作用力为库仑斥力，从a→b库仑力做负功，动能减少，电势能增加，从b→c库仑力做正功，动能增加，电势能减少，且a→b与b→c库仑力所做的总功为0，则a、c两点动能相等，故A、B错误，C正确；α粒子与原子核相距越近，库仑力越大，加速度越大，故从a→b→c加速度先增大后减小，D错误.‎ ‎[答案]　C 解答原子结构问题的三大规律 ‎(1)库仑定律：F＝k，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力.‎ ‎(2)牛顿运动定律和圆周运动规律，可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题.‎ ‎(3)功能关系：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题.‎ 考点　对玻尔理论的理解 ‎1.原子只能处于一系列能量不连续的状态中，具有确定能量的稳定状态叫做定态，原子处于最低能级的状态叫基态，其他的状态叫激发态.‎ ‎2.频率条件 当电子从能量较高的定态轨道(Em)跃迁到能量较低的定态轨道(En)时会放出能量为hν的光子，则hν＝Em－En.反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子能量同样由频率条件决定.‎ ‎3.原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道.‎ ‎4.成功与局限 玻尔的原子模型成功解释了氢原子光谱及原子的稳定性，但不能解释较复杂的原子的光谱现象.‎ ‎[典例5]　(2017·福建三明模拟)按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知ra>rb，则在此过程中(　　)‎ A.原子要发出某一频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量也减小 B.原子要吸收某一频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小 C.原子要发出一系列频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小 D.原子要吸收一系列频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量也增大 ‎[解析]　由玻尔氢原子理论可知，电子轨道半径越大，原子的能量越大，当电子从ra跃迁到rb时，原子的能量减小，放出光子；在电子跃迁过程中，库仑力做正功，原子的电势能减小；由库仑力提供电子做圆周运动的向心力，即＝，r减小，电子速度增大，动能增大，综上所述可知A正确.‎ ‎[答案]　A ‎[变式1]　(2017·山东枣庄第十八中学模拟)(多选)根据玻尔假设，若规定无穷远处的能量为0，则量子数为n的氢原子的能量En＝，E1为基态的能量，经计算为－13.6 eV，现规定氢原子处于基态时的能量为0，则(　　)‎ A.量子数n＝2时能级的能量为0‎ B.量子数n＝3时能级的能量为－ C.若要使氢原子从基态跃迁到第4能级，则需要吸收的光子能量为－ D.若采用能量为－的高速电子轰击而跃迁到激发态，这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出10种不同频率的光子 答案：BC　解析：若规定无穷远处的能量为0，则量子数为n＝2时的能量为E2＝ eV＝－3.4 eV，若氢原子处于基态时的能量为0，则量子数n＝2时能级的能量为10.2 eV，选项A错误；量子数n＝3时能级的能量为－E1＝－，选项B正确；若要使氢原子从基态跃迁到第4能级，则需要吸收的光子能量为－E1＝－，选项C正确；采用能量为－的高速电子轰击而跃迁到激发态，根据Em－En＝hν，氢原子获得能量跃迁到n＝3激发态，则这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出3种不同频率的光子，故D错误.‎ ‎1.原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不能被吸收；不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n 能级的问题.‎ ‎2.原子还可以吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝Em－En)，就可使原子发生能级跃迁.‎ 考点　氢原子能级和跃迁 ‎1.对氢原子能级图的理解 ‎(1)能级图如图所示.‎ ‎(2)能级图中相关量意义的说明 相关量 意义 能级图中的横线 表示氢原子可能的能量状态——定态 横线左端的数字“1,2,3，…”‎ 表示量子数 横线右端的数字“－13.6，－3.4，…”‎ 表示氢原子的能量 相邻横线间的距离 表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小 带箭头的竖线 表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为hν＝Em－En ‎2.谱线条数的确定方法 ‎(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＝C＝；‎ ‎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.‎ ‎[典例6]　(多选)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，因此A选项错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；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.‎ ‎[答案]　CD ‎[变式2]　 (2017·福建龙岩二模)图甲所示为氢原子的能级，图乙为氢原子的光谱.已知谱线a是氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时的辐射光，则谱线b可能是氢原子　　　　时的辐射光.(　　)‎ 甲 乙 A.从n＝5的能级跃迁到n＝3的能级 B.从n＝4的能级跃迁到n＝3的能级 C.从n＝5的能级跃迁到n＝2的能级 D.从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级 答案：C　解析：谱线a是氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝2的能级时的辐射光，波长大于谱线b的，所以a光的光子频率小于b光的光子频率，所以b光的光子能量大于n＝4和n＝2的能级差.n＝3和n＝2的能级差、n＝4和n＝3的能级差、n＝5和n＝3的能级差都小于n＝4和n＝2的能级差.n＝5和n＝2的能级差大于n＝4和n ‎＝2的能级差.故A、B、D错误，C正确.‎ 解决氢原子能级跃迁问题的四点技巧 ‎(1)原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差.‎ ‎(2)原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值.‎ ‎(3)一群原子和一个原子不同，它们的核外电子向基态跃迁时发射光子的种类N＝C＝.‎ ‎(4)计算能级能量时应注意：因一般取无穷远处为零电势参考面，故各能级的能量值均为负值.能量单位1 eV＝1.6×10－19 J.‎ ‎1.[原子结构模型](多选)下列说法正确的是(　　)‎ A.阴极射线的本质是高速电子流 B.光电效应现象揭示了光具有粒子性 C.汤姆孙发现了电子，揭示了原子核内部有复杂结构 D.玻尔提出的原子模型，否定了卢瑟福的原子核式结构学说 答案：AB　解析：汤姆孙发现了电子，揭示了原子内部有复杂结构，C错误；玻尔的原子模型仍保留了经典粒子的观点，并未否定原子核式结构学说，D错误.‎ ‎2.[对α粒子散射实验的理解]卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出(　　)‎ A.原子的核式结构模型 B.原子核内有中子存在 C.电子是原子的组成部分 D.原子核是由质子和中子组成的 答案：A　解析：卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，但并未指出原子核的组成，故A正确，B、D错误；汤姆孙通过对阴极射线的研究提出了电子是原子的组成部分，C错误.‎ ‎3.[对玻尔理论的理解]根据玻尔理论，氢原子的电子由n＝1轨道跃迁到n＝2轨道，下列说法正确的是(　　)‎ A.原子要吸收某一频率的光子 B.原子要放出一系列频率不同的光子 C.原子的能量增加，电子的动能增大 D.原子的能量减少，电子的动能减小 答案：A　解析：氢原子的电子由n＝1轨道跃迁到n ‎＝2轨道时，原子的能量要增加，电子的运动半径增大，电子的运动速度变小，电子的动能减小，原子要吸收一定频率的光子才能实现跃迁，故A正确，B、C、D错误.‎ ‎4.[氢原子能级和跃迁]根据玻尔理论，氢原子由基态向激发态跃迁时(　　)‎ A.辐射能量，能级升高 B.辐射能量，能级降低 C.吸收能量，能级升高 D.吸收能量，能级降低 答案：C　解析：氢原子从基态向激发态跃迁时，将吸收能量，能量增加，能级升高，故C正确，A、B、D错误.‎ ‎5.[氢原子能级和跃迁]如图所示为氢原子的能级示意图.现用能量介于10～12.9 eV范围内的光子去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法正确的是(　　)‎ A.照射光中只有一种频率的光子被吸收 B.照射光中有三种频率的光子被吸收 C.氢原子发射出一种波长的光 D.氢原子发射出三种不同波长的光 答案：B　解析：氢原子发生跃迁时只会吸收两个能级之差的能量，经计算10～12.9 eV的光子可使氢原子从基态跃迁到2、3、4三个激发态，A错误，B正确；氢原子吸收能量后，从这三个能级跃迁，能生出C＝6种不同波长的光，C、D错误.‎