高考物理实验专题系列《原子结构》.docx
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高考物理实验专题系列《原子结构》
※概述
原子结构也是近年高考的必考内容。
题目类型多为选择题。
其中考查较多的是α粒子散射实验、原子核式结构、玻尔理论、氢原子光谱、能级等。
这部分知识有时与光电效应等知识综合考查，有时与原子光谱的实际应用综合考查。
复习时要以记忆、理解为主，可以按人们对原子结构认识的物理学史发展构建知识系统进行复习。
对本章知识要知道α粒子散射实验；知道原子的核式结构模型的主要内容，理解模型提出的主要思想；理解能级的概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系；.知道原子光谱为什么是一些分立的值。
知道原子光谱的一些应用；本章复习的重点：
卢瑟福α粒子散射实验的现象和所说明的问题，玻尔理论；难点：
α粒子散射实验，对原子发光现象解释。
※知识梳理
氢原子光谱
※考纲解读
考纲内容
要求
名师解读
氢原子光谱
Ⅰ
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选做部分出现的几率将会提高，既可能单独出现，也可能与选修中的其他内容联合命题。
2．原子结构、能级是高中物理重要的知识点，是高考考查的重点，高考命题经常与其他知识综合出题，一般为选择题或填空题，难度中等。
氢原子的能级结构、能级公式
Ⅰ
※基础巩固
1．卢瑟福提出了原子的 模型：
在原子的中心有一个很小的核，叫做 ，原子的全部 与几乎全部 都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间 。
2．按照卢瑟福的核式结构模型， 直径的数量级（实际就是电子运动范围的数量级）为10-10m，而 直径的数量级为10-15m．
3．质子和中子统称 。
原子核所带的电荷是质子电荷的整数倍，这个整数叫做做原子核的 ，用z表示；原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，这个整数叫做原子核的 用A表示。
4．同种元素的原子， 相同， 也相同，所以有相同化学性质,但中子数可以不同．这些具有相同质子数而中子数不同的原子，因而互称
5．玻尔提出了他的原子理论，其主要内容为：
（1）原子只能处于 的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是确定的，这些能量值叫做 。
（2）原子可以从一个能级跃迁到另一个能级。
原子在由 能级向 能级跃迁时，放出一个光子；在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由 能级向高能级跃迁。
6．在通常状态下，原子处于最低的能级，这时原子的状态叫做 给物体加热或者有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从 中吸收能量从基态跃迁到较高的能级，这时原子的状态叫做 。
7．由于原子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任意这个能量等于原子跃迁时 我们已经知道，频率为V的光子的能量为 所以如果分别以E2和E1代表原子跃迁前后的能量则hv= 。
8．对于原子中的电子，不能用确定的坐标描述它们的 ，因此也无法用轨迹描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的 是有一定规律的。
如果用圆点表示原子中的电子在某个位置附近出现的概率，概率 的地方点子密一些，概率 的地方点子稀一些，这样的概率分布图称做 。
9．玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱。
当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的状态时，它以 的形式把能量辐射出去，光子的能量等于 。
原子的能级是 的，光子的能量也是的。
※实验探究
1．
2．
3．拓展实验
连续光谱和原子光谱有什么区别？
1．用一束白炽灯光照射三棱镜，用白屏接收经三棱镜散射形成的彩色光带；
2．用氢放电管接上电源放电，通过光谱管观察接收到的氢原子光谱。
比较白炽光谱与氢原子光谱及其产生有什么区别。
练一练：
（1）上图中哪一个是白炽灯光谱，哪一个是氢原子光谱？
（2）什么样的物质发光会形成连续光谱？
什么样的物质发光会形成线状谱？
参考答案：
（1）彩色连续的是白炽灯的光谱，明线光谱是氢原子光谱。
（2）炽热的固体、液体，高温高压的气体发光形成连续光谱，低温稀薄的气体会形成线状谱。
※重点突破
一、直击考点
考点一原子结构及其物理学史
常见类题型：
原子结构的特点及原子结构认识过程的物理学史选择题。
汤姆孙通过对阴极射线的研究发现电子；密立根通过著名的油滴实验测出电子电量，发现电荷是量子化的，即任何带电体的电荷都是e的整数倍；卢瑟福根据α粒子的散射实验结果提出了原子的核式结构模型；根据α粒子的散射实验有关数据可确定原子核的数量级为10-15m。
【例1】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
【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，提出了原子的核式结构模型：
在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A选项正确。
【答案】A
【点评】
（1）关键是利用α粒子散射实验的结果进行分析；
（2）尽管选项B、C、D正确，但实验结果不能说明它们，故不选B、C、D。
考点二α粒子散射实验
常考类型题：
考查α粒子散射特点、原子核式结构模型内容的选择题。
α粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构，从能量转化角度看，当α粒子靠近原子核运动时，α粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，可以估算原子核的大小。
【例2】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是（）
A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中
E3
考点三能级和光谱
常考类型题：
有关能级计算的选择题、填空题、计算题。
玻尔假设：
轨道量子化、定态和能量量子化、电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量降低的定态轨道发射光子，光子能量hν=E初-E末。
根据玻尔的定态假设和能量量子化，可画出能级图，利用发射或吸收光子的能量等于两能级能量值之差可求出发射或吸收光子的频率。
原子从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）.原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。
（如在基态，可以吸收E≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。
原子从高能级（第
级）向低能级跃迁最多可放出
种不同的光子。
【例2】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是处在该激发态能级上的原子总数的
.现在1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是（ ）
A．2200个B．2000个
C．1200个D．2400个
【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别为
n＝4到n＝3 N1＝1200×
＝400
n＝3能级的原子个数为400个。
n＝4到n＝2 N2＝1200×
＝400
n＝3到n＝2 N3＝400×
＝200
n＝2能级的原子个数为600个。
n＝4到n＝1 N4＝1200×
＝400
n＝3到n＝1 N5＝400×
＝200
n＝2到n＝1 N6＝600
所以发出的光子总数为
N＝N1＋N2＋…＋N6＝2200
二、走出误区
误区一误认为氢原子在基态的能量就是电子在基态轨道上的动能
氢原子的能量应是电子的动能与原子电势能的总和。
【例1】氢原子基态的轨道半径为0.528×10－14m，量子数为n的能级的能量为E＝－
eV。
（1）求电子在基态轨道上运动时的动能；
（2）有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线；
（3）计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长。
（其中静电力常量k＝9.0×109N·m2/C2，电子的电荷量e＝1.6×10－19C，普朗克恒量h＝6.63×10－34J·s，真空中光速c＝3.0×108m/s）
错解：
（1）电子在基态轨道中运动时量子数n＝1，其动能为En＝－
＝－
＝
－13.6eV
由于动能不为负值，所以Ek＝|En|＝13.6eV。
（2）作能级图如图，可能发出两条光谱线。
（3）由于能级差最小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以（E3－E2）时所产生的光谱线为所求，其中
E2＝－
eV＝－3.4eV E3＝－
eV＝－1.51eV
由hν＝E3－E2及λ＝
所以λ＝
=
m＝6.62×10－7m。
原因：
（1）动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与n＝1时的能级的能量值等同起来。
电子在轨道上的能量E，它包括电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6eV。
虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的。
误区二误认为只要用光照射处于基态的原子，原子一定会吸收光子向高能级跃迁
要使原子从低能级向高能级跃迁，光子的能量必须严格等于两个能级之差，否则原子不会吸收光子，当光子的能量大于等于原子的电离能时，原子可以吸收光子电离，吸收的光子能量除了用于克服电离能，还有一部分转化为电子的动能。
【例2】如图所示为氢原子的能级图，用光子能量为13．eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射的不同波长有多少种（）
A．15
B．10
C．4
D．1
错解：
A或C或D
原因：
造成本题错解的原因，一是由于对原子吸收光子的特点没掌握，二是没区别“一群”氢原子和“一个”氢原子跃迁的特点。
正解：
B
原因：
光子能量为13．07eV刚好是n=1、n=5两能级差值，原子吸收光子的特点是只有当光子的能量刚好等于某两个能级的差值才吸收，多了少了都不吸收，故本题处于基态的氢原子只能从n=1能级跃迁到n=5能级，不能跃迁到n=4或n=3或n=2能级。
如果光予的能量大于氢原予基态的能量的绝对值，则氢原子被电离成氢离子，这种情况下光子的能量不管比氢原子基态的能量的绝对值大多少，都吸收，这种特殊情况要特别注意。
既然是一群处于n=5能级的氢原子，则它向较低能级跃迁时各种可能性都可以实现，由于氢原子任意两个能级级差值都不相等，故一共发射
种不同波长或频率的光，故选项B正确。
误区三误认为粒子碰撞原子传递能量使原子跃迁，粒子具有的动能必须严格等于原子的两个能级差
用粒子碰撞使原子跃迁时，粒子的动能只要大于等于能级差即可。
【例3】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=-54.4eV，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，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）
错解：
CD
原因：
主要是对实物粒子与原子作用而使原子激发的情况把握不够准确。
正解：
BCD
原因：
由原子的跃迁条件可知，氦离子只能吸收能量刚好等于两能级之差的光子。
42.8eV则不是氦离子基态和任一激发态的能级之差，故选项A错；吸收54.4eV能量的光子刚好能使氦离子电离，故选项D正确；用电子去碰撞氦离子时，入射电子的动能可全部或部分地被吸收，所以只要入射电子的动能大于或等于基态和某个激发态能量之差，也可使氦离子激发，故选项BC正确。
但吸收的能量仍不是任意的，一定等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差。
巩固复习
1．关于原子结构的认识历程，下列说法正确的有（）
A．汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
B．α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据
C．对原子光谱的研究开辟了深入探索原子结构的道路
D．玻尔原子理论无法解释较复杂原子的光谱现象，说明玻尔提出的原子定态概念是错
误的
1．BC提示：
汤姆孙发现了电子后，认为原子是一个带正电的均匀球体，电子一个个镶嵌在其中，选项A错误；由卢瑟福对α粒子散射实验现象的分析所得出的结论，说明选项B正确；根据原子光谱产生的机理进行探究，可知选项C正确；玻尔理论虽然不能解释较为复杂原子光谱的现象，但其理论是正确的，选项D错误。
2．若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对Th的原子来说（）
A．x＝90，y＝90，z＝234
B．x＝90，y＝90，z＝144
C．x＝144，y＝144，z＝90
D．x＝234，y＝234，z＝324
2．B提示：
在Th中，左下标为质子数，左上标为质量数，则y＝90；中性原子的核外电子数等于质子数，所以x＝90；中子数等于质量数减去质子数，z＝234－90＝144，所以B项正确。
3．氢原子从第4能级跃迁到第2能级发出蓝光，那么，氢原子从第5能级跃迁到第2能级应发出（）
A．X射线 B．红光
C．黄光 D．紫光
3．D提示：
由于E5-E2>E4-E2,所以该光子的能量比蓝光的大。
4．氢原子的能级图如图所示，一群氢原子处于n=3的激发态，这群氢原子辐射出的光子的能量可能是（）
A．13.6eV B．12.09eV
C．10.2eV D．1.89eV
4．BCD提示：
从n=3到n=2，－1.51eV－（－3.40）eV=1.89eV，D项正确；从n=3到n=1，－1.51eV－（－13.60）eV=12.09eV，B项正确；从n=2到n=1，－3.40eV－（－13.6）eV=10.2eV，C项正确。
5．已知氢原子基态的电子轨道半径为r1=0.53×10－10m，基态的能级值为E1=－13.6eV。
（1）有一群氢原子处于量子数n=3的激发态，画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出几条光谱线；
（2）计算这几条光谱线中最长的波长。
6．如图所示，氢原子从n＞2的某一能级跃迁到n＝2的能级，辐射出能量为2.55eV的光子，问：
（1）最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量，才能使它辐射上述能量的光子？
（2）请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图。
6．
（1）12.75eV
（2）
提高训练
7．（2011西安联考
）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为E1＝－54.4eV，氦原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）
7．A提示：
由于光子能量不可分，因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收，故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差，均可能被吸收，故B、C两项中电子均能被吸收。
8．下列观点正确的是（ ）
A．用电磁波照射某原子，使它从能量为E1的基态跃迁到能量为E2的激发态，电子动能减小，势能增大，原子能量不变
B．用电磁波照射某原子，使它从能量为E1的基态跃迁到能量为E2的激发态，则该电磁波的频率等于（E2－E1）/h
C．原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向外辐射能量
D．氢原子的核外电子从n＝4能级轨道向低能级轨道跃迁所辐射的光子的频率最多有8种
8．BC提示：
原子的量子数越大，总能量越大，A项错误；由跃迁条件知B项正确；C项是玻尔假设中的一条，正确；D项应为6种，错误。
9．（2011青岛一检）氢原子第n能级的能量为En＝（n＝1,2……）．其中E1是基态能量，若一氢原子发射能量为－E1的光子后，处于比基态能量高出－E1的激发态，则氢原子发射光子前处于第________能级，发射光子后处于第________能级。
9．4 2
提示：
设氢原子发射光子前处于第a能级，发射光子后处于第b能级，则根据题意有：
＝E1＋（－E1），E1＋（－E1）＋（－E1）＝，解得a＝4，b＝2
。
10．如图为氢原子能级示意图，现有动能是E（eV）的某个粒子与处在基态的一个氢原子在同一直线上相向运动，并发生碰撞。
已知碰撞前粒子的动量和氢原子的动量大小相等，碰撞后氢原子受激发跃迁到n=3的能级。
（粒子的质量mx与氢原子的质量mH之比为k）求：
（1）碰前氢原子的动能。
（2）若有一群氢原子处在n=3的能级，会辐射出几种频率的光？
其中频率最高的光，光子能量多大？
章节收尾
物理学应用
1．霓虹灯最早出现在19世纪末、20世纪初，它采用石墨材料做电极，在管径约50mm左右的透明玻璃管内充入氮或二氧化碳气体，充入氮气的霓虹灯发粉红色光，充入二氧化碳气体的发白色光，然后将玻璃做成所需形状，光色十分明亮。
但由于充入的气体性质活泼，很容易和电极起化学反应，因此这种霓虹灯的寿命很短，这个问题直到惰性气体被发现时才得到解决．惰性气体由于其化学性质稳定，一般情况下不与其他元素起化学反应，用它代替化学性质活泼的气体充入灯管，就不会与电极发生化学反应，从而提高了霓虹灯的使用寿命。
到了20世纪30年代中期，发明了荧光粉，荧光粉是一种在不可见射线轰击下发出可见光的物质，如钨酸盐、硼酸盐、硅酸盐等，将其涂敷在灯管壁上，在低压汞蒸汽放电产生的短波紫外线（λ=0.2357μｍ）的激发下能发出数十种不同颜色的可见光。
霓虹灯是城市的美容师。
每当夜幕降临,华灯初上,五颜六色的霓虹灯就把城市装扮得格外美丽。
使人家尽情地享受现代文明的生活。
关于霓虹灯发光形成的光谱，下列说法正确的是（）
A．正常发光的霓虹灯属于稀薄气体发光和炽热固体发光，产生的光谱都是明线光谱
B．霓虹灯玻璃管中装有惰性气体，接通电源时玻璃管中的气体会发光。
这是由于原子的外层电子受激发而产生的
C．白炽灯和霓虹灯的光谱都是连续光谱
D．白炽灯的光谱是由高温炽热的金属丝发出光产生的连续谱，霓虹灯的光谱是由低压气体发的光产生的线状谱
2．世界上第一台激光器诞生于1960年，中国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。
这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
处于激发态的原子，如果在入射光子的作用下，可以引起其从高能态向低能态跃迁，同时在两个能态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射。
原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理。
那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量En、电子的电势能Ep、电子动能EＫ的变化关系是（）
A．En减小、Ep增大、EＫ增大
B．En增大、Ep减小、EＫ减小
C．En减小、Ep增大、EＫ减小
D．En减小、Ep减小、EＫ增大
解析：
由玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道，在此跃迁过程中，电场力对电子做了正功，因而电势能应减小。
另由经典电磁理论知，电子绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力：
ke２/r２=mv２/r，所以Ek=mv2=ke2/2r。
可见，电子运动半径越小，其动能越大．再结合能量转化和守恒定律，氢原子放出光子，辐射出一定的能量，所以原子的总能量减小。
综上讨论，可知该题只有答案D正确。
答案：
D
核心考点真题回放
1．（2011天津）下列能揭示原子具有核式结构的实验是（）
A．光电效应实验B．伦琴射线的发现
C．
粒子散射实验D．氢原子光谱的发现
1．C提示：
光电效应现象证明了光的粒子性本质，与原子结构无关，选项A错误，伦琴射线的发现以及氢原子光谱的发现都与原子的能级结构有关，都是原子能级跃迁的结论，选项B、D错误，卢瑟福的
粒子散射实验证实了原子的核式结构模型，选项C正确。
2．（2010新课标全国）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_______。
（填入正确选项前的字母）
A．ν0<ν1B．ν3=ν2+ν1C．ν0=ν1+ν2+ν3D．
2．B提示：
大量氢原子跃迁时只有三个频率的光谱，这说明氢原子受激跃迁到n=3的激发态，然后从n=3能级向低能级跃迁产生三个频率的光谱，根据能量守恒有：
，解得：
，故选项B正确。
3．（2010山东）大量氢原子处于不同能量激发态，发生跃迁时放出三种不同能量的光子，其能量值分别是：
1．89eV,10．2eV,12．09eV。
跃迁发生前这些原子分布在_______个激发态能级上，其中最高能级的能量值是______eV（基态能量为-13．6eV）。
3．2－1.51
提示：
（1）由于大量氢原子在处于不同能量激发态，发生跃迁时放出三种不同能量的光子，可知氢原子处于最高能级是n=3，跃迁发生前这些原子分布在2个激发态能级上；其中最高能级的能量值是E3=－1.51eV。
4.（2010海南）能量为
的光子照射基态氢原子，刚好可使该原子中的电子成为自由电子。
这一能
称为氢的电离能．现用一频率为
的光子从基态氢原子中击出了一电子，该电子在远离核以后速度的大小为_______________（用光子频率
、电子质量
、氢原子的电离能
和普朗克常量
表示）。
5．（2011江苏）按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量__________（选填“越大”或“越小”）。
已知氢原子的基态能量为E1（E1<0），电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为γ的光子被电离后，电子速度大小为___________（普朗克常量为h）。
5．越大
提示：
根据波尔理论，氢原子中电子离原子核越远，氢原子能量越大，根据能量守恒定律知道：
所以电子速度为：
V=
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