2010年高三物理 第12章原子高三物理 第1讲 原子的结构 能级人教版新人教版

用心 爱心 专心 第十二章第十二章 原子物理原子物理 一 考纲要求一 考纲要求 内内 容容要求要求说明说明 1 氢原子光谱 2 氢原子的能级结构 能级公式 3 氢原子核的组成 放射性 原子核 的衰变 半衰期 4 放射性同位素 5 核力 核反应方程 6 结合能 质量亏损 7 裂变反应和聚变反应 裂变反应堆 8 放射性的防护 二 知识网络二 知识网络 原 子 物 理 实 验 基 础 实 验 基 础 原子结构 原子核 基本粒子 电子的发现 粒子散射实 验 光谱 核 式 结 构 波 尔 理 论 天然放射现象 原子核的人工转变 核能 衰变半衰期 质子中子发现 发射性同位素 核 组 成 质 能 方 程 裂变 聚变 第第 1 讲讲 原子的结构原子的结构 能级能级 一 考情直播一 考情直播 1 考纲解读 考纲内容能力要求考向定位 1 氢原子光谱 2 氢原子的能级结 构 能级公式 1 知道汤姆生发现电子同时提 出枣糕模型 2 知道 粒子散射实验及卢 考纲对氢原子光谱 能 级结构和能级公式均是 级 要求 本部分高考的热点是 用心 爱心 专心 瑟福的核式结构模型 3 知道波尔的三条假设及对氢 原子计算的两个公式和氢原子能级 粒子散射实验和波尔理论 高考中以选择题的形式出 现 2 考点整合 考点一考点一 卢瑟福的核式结构模型卢瑟福的核式结构模型 1 汤姆生在研究阴极射线时发现了 提出了原子的枣糕模型 2 粒子散射实验 粒子散射实验是用 粒子轰击金箔 结果是 穿过金箔后仍沿原 来方向前进 发生了较大的偏转 极个别 粒子甚至 3 核式结构 卢瑟福从行星模型得到启发 提出了原子的核式结构 这是一种联想思维 核式结构 在原子的中心有一个很小的 叫原子核 原子的 都 集中在原子核里 带 在核外空间运动 4 由 粒子散射实验数据还可以估算原子核的大小 卢瑟福估算的结果是 原子核的 大小的数量级在 以下 例题例题 1 如图 2 所示 为 粒子散射实验的示意图 A 点为某 粒子运动中离原子核最 近的位置 则该 粒子在 A 点具有 A 最大的速度 B 最大的加速度 C 最大的动能 D 最大的电势能 解析解析 粒子在接近原子核的过程中受到原子核 库仑排斥力的作用 这个力对 粒子做负功 使 粒子的速度减小 动能减小 电势能 增大 显然 正确选项应该为 BD 图 2 粒子 原子核 A 特别提醒特别提醒 粒子穿过金箔时 受到金原子核的库仑力作用 这个力是斥力 必然使 粒子向远 离金原子核方向偏转 如图 1 所示的问题中 粒子穿过金箔中的两个原子时 会受 到这两个原子的原子核的合力的作用 由于 粒子距离原子核 A 较近 受到的 A 的斥 力较大 故其合外力指向 B 原子核方向 其偏转轨迹应该是 N 图 1 M N A B 用心 爱心 专心 答案 答案 BD 规律总结规律总结 本题考查的知识点有两条 一是 粒子与原子核之间的库仑力 二是这个库 仑力做负功 距离原子核越近 库仑力越大 例题例题 2 2008 年上海 1991 年卢瑟福依据 粒子散射实验中 粒子发生了 选填 大 或 小 角度散射现象 提出了原子的核式结构模型 若用动能为 1MeV 的 粒子轰击金箔 则其速度约为 m s 质子和中子的质量均为 1 67 10 27kg 1MeV 1 106eV 解析解析 根据 粒子散射实验现象 粒子发生了大角度散射 同时根据 m E vvmE k k 2 2 1 2 得到 代入数据smsmv 109 6 1067 1 4 106 11012 6 27 196 答案 答案 大 6 9 106 规律总结规律总结 一是电子伏特与焦耳之间的换算 二是 粒子的质量应Jev 19 109 11 该是两个中子和两个质子的质量和 即 kgm 27 1067 14 考点二考点二 波尔模型波尔模型 1 波尔的三条假设 波尔的三条假设 1 能量量子化 原子只能处于一系列 状态中 在这些状态中原子是稳 定的 电子虽然绕核运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫做 对氢原子满足 其中 1 2 1 E n En eVE 6 13 1 2 轨道量子化 原子的 跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动 相对 应 原子的定态是不连续的 因此电子的可能轨道的分布也是不连续的 对氢原子满足 其中 1 2r nrn mr 10 1 1053 0 3 能级跃迁 原子从一种定态 设能量为 E2 跃迁到另一种定态 设能量为 E1 时 它 一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能量差决定 即 12 EEh 2 氢原子能级图 氢原子能级图 如图 3 所示 图 3 3 波尔理论的局限性波尔理论的局限性 波尔理论成功解释了氢原子光谱 但对其它原子光谱的解释则不成功 主要原因是波 尔理论过多的保留了经典物理理论 用心 爱心 专心 特别提醒 特别提醒 1 原子从低能级向高能级的跃迁 原子从低能级向高能级的跃迁 当光子作用使原子发生跃迁时 只有光子的能量满足的跃迁条 12 EEh 件时 原子才能吸收光子的全部能量而发生跃迁 电离除外 比如光子能量为 14eV 的光子照射基态氢原子 会使基态的氢原子电离 电离后电子还具有 14eV 13 6eV 0 6eV 的初动能 当电子等实物粒子作用在原子上 只要入射粒子的动能大于或等于原子某两 定态能量之差 即可使原子受激发而向较高能级跃迁 2 原子从高能级向低能级的跃迁 原子从高能级向低能级的跃迁 当一群氢原子处于某个能级向低能级跃迁时 可能产生的谱线条数为 n n 1 2 当一个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时 最多可产生的谱线条数为 n 1 若氢原子的从高能级向某一确定的低能级跃迁 只能产生一条谱线 例题例题 3 3 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中 原子要吸收光子 电子的动能增大 原子的电势能增大 原子要放出光子 电子的动能减小 原子的电势能减小 原子要吸收光子 电子的动能增大 原子的电势能减小 原子要吸收光子 电子的动能减小 原子的电势能增大 解析解析 根据玻尔理论 氢原子核外电子在离核越远的轨道上运动能量越大 必须吸收一 定能量的光子后 电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道 选项 可先排除 氢 原子核外电子的绕核运动 由原子核对电子的库仑力作向心力 即 电子的 r v m r e k 2 2 2 动能 离核越远 即r越大时 电子的动能越小 由此又可排除选项 r ke mvEk 22 1 2 2 电子在不同轨道之间跃迁时 整个原子系统电势能的变化可从两方面加以判断 根据库仑力做功的正负 库仑力做正功 电子从离核较远的轨道被 吸 到离核较 近的轨道 电势能减小 库仑力做负功 电子从离核较近的轨道克服库仑力运动到离核较 远的轨道 电势能增加 根据各能级能量的关系 电子在离核不同距离的轨道上运动时 整个原子系统的总 能量等于电子绕核运动的动能和系统的电势能之和 即 n kn pn 离核越远时 即 量子数n越大 原子系统的总能量 n越大 而电子的动能 kn越小 可见 系统的电势 能 pn一定越大 所以 本题正确答案是 答案 答案 D D 规律总结规律总结 1 量子化的氢原子能量的不连续的 量子化的氢原子 量子数越大 电子离核越远 原子的总能量越大 量子数越小 电 子离核越近 总能量越小 在规定离核无穷远处的电势能为零时 氢原子的总能量是负 值 2 库仑力做的功等于电势能变化量的相反数 例题例题 4 2008 年海南 质子和中于是由更基本的粒子即所谓 夸克 组成的 两个强 用心 爱心 专心 作用电荷相反 类似于正负电荷 的夸克在距离很近时几乎没有相互作用 称为 渐近自 由 在距离较远时 它们之间就会出现很强的引力 导致所谓 夸克禁闭 作为一个 简单的模型 设这样的两夸克之间的相互作用力 F 与它们之间的距离 r 的关系为 1 012 2 0 0 0 rr FFrrr rr 式中 F0为大于零的常量 负号表示引力 用 U 表示夸克间的势能 令 U0 F0 r2 r1 取 无穷远为势能零点 下列 U r 图 4 示中正确的是 图 4 答案 答案 B 解析解析 当两夸克之间的距离时 两夸克之间不存在相互作用力 引力的功为零 rr 1 必有势能保持不变 由于取无穷远为零势能点 此时的势能应为负值 当时 两 21 rrr 夸克之间存在吸引力 此时夸克间的距离变大 引力做负功 势能增加 即其绝对值应该 减小 考虑到引力为恒力 引力的功随距离均匀增大 必有势能均匀增加 当时 两夸rr 2 克间的相互作用力为零 引力的功必为零 势能不变 一直到两夸克相距无穷远 势能应 该为零 答案应为 B 规律总结 库仑力做正功 电势能减小 库仑力做负功 电势能增加 库仑力做多少功 电势能就变化多少 库仑力不做功 电势能不变 例题例题 5 5 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 到另一半径为rb的圆轨道上 ra rb 在此过程中 原子发出一系列频率的光子 原子要吸收一系列频率的光子 原子要吸收某一频率的光子 原子要发出某一频率的光子 答案 答案 D D 解析解析 氢原子的轨道与其量子数是一一对应关系 电子自一半径为ra的圆轨道自发地直 接跃迁到另一半径为rb的圆轨道上 ra rb 对应着电子从一种定态跃迁到另一种定态 其量子数变小 显然为惟一一组量子数 应该放出一定频率的光子 规律总结 一个氢原子最多可以产生的谱线数是 n 1 条 但当原子的初 末状态确定时 只能产生一条谱线 二 高考热点探究二 高考热点探究 1 关于关于 粒子散射实验及卢瑟福核式结构粒子散射实验及卢瑟福核式结构 真题真题 1 20012001 年上海高考年上海高考 卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有 D U O U0 r r1 r2 A U O U0 r r1 r2 B U O U0 r r1 r2 C U O U0 rr1r2 用心 爱心 专心 A 原子的中心有个核 叫做原子核 B 原子的正电荷均匀分布在整个原子中 C 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 D 带负电的电子在核外绕着核旋转 答案 A C D 名师指引 本题考查了卢瑟福核式结构的主要内容 原子的中心有个核 叫做原子 核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 原子核的直径在 10 15m 以下 原子内大部分是空的 电子在核外绕着核高速旋转 新题导练新题导练 1 2008 广州一模 卢瑟福通过 实验 发现了原子中间有一个 很小的核 并由此提出了原子的核式结构模型 如果用带箭头的四条线 a b c d 来表示 粒子在图 5 所示的平面示意图中运动的可能轨迹 请在图 5 中补充完成 b 和 c 两条 粒 子运动的大致轨迹 2 关于氢原子跃迁时产生谱线的数目 光子能量 光子波关于氢原子跃迁时产生谱线的数目 光子能量 光子波 长的计算长的计算 真题真题 2 2007 年全国 用大量具有一定能量的电子 轰击大量处于基态的氢原子 观测到了一定数目的光谱 线 调高电子的能量再次进行规测 发现光谱线的数目原 来增加了 5 条 用 n表示两次观测中最高激发态的量子 数n之差 E表示调高后电子的能量 根据氢原子的能级 图 5 可以判断 n和E的可能值为 A n 1 13 22cV E 13 32cV B n 2 13 22eV E 13 32eV C n 1 12 75cV E 13 06cV D n 2 12 75cV E 13 06cV 答案 A D 名师指引 当量子数为 n 时 产生的光子频率的个数为 n n 1 2 可以列出下面的表格 N1234567 N n 1 20136101521 由表格中可以发现光谱线的数目比原来增加了 5 条所对应的量子数为 n 2 和 n 4 n 6 和 n 5 经检验 其他的量子数不存在光谱线的数目比原来增加了 5 条这一情况 显然 对于量子数为 n 6 和 n 5 n 1 调高后电子的能量E大于E5 E1 13 22eV 而小于E7 E1 13 32eV 故 A 正确 同理 对于量子数为 n 4 和 n 2 n 2 调高后电子的能量E大于E4 E1 12 75eV 而小于E5 E1 13 06eV 故 D 正确 图 5 图 5 用心 爱心 专心 新题导练新题导练 2 氢原子从能级 跃迁到能级 时 辐射出波长为的光 从能级 跃迁到 1 能级 时 辐射出波长为的光子 若 则氢原子从能级 跃迁到 能级时 将 2 21 填辐射或吸收 光子 光子的波长为 真题真题 3 处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时 只发射波长为 的 1 2 3 三种单色光 且 则照射光的波长为 1 2 3 A 1 B 1 2 3 C 32 32 D 21 21 答案 D 名师指引 处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时 只发射三种波长的光子 说 明是从量子数 n 3 向低能级跃迁的 根据氢原子能级图 两能级差越大 发射的光子能量 越大 其波长越短 所以是由量子数 n 3 到量子数 3 n 1 跃迁产生的 这样就要求处于基态的氢原子吸收了 入射光的能量跃迁到量子数 n 3 能级 所以 照射光 的光子能量应该等于 选项 D 正 21 c h c h c h 确 新题导练新题导练 3 图 6 示为氢原子的能级图 用光子能量 为 13 07eV 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 三 抢分频道三 抢分频道 要求 每一讲配一个限时基础训练卷 活页装订 全部为基础题 题量一般为 10 个题 排成一页 如果是各地的模 拟题 也要注明题的出处 可以是广东各地的 也可以是全国其他地方的 基础提升训练 一般 4 6 道题 能力提高 训练 一般 3 4 道题 总体难度在 2009 年版的基础上要有所降低 突出基础 1 限时基础训练卷 活页装订 2 基础提升训练 1 13 61 2 3 40 3 1 51 4 0 85 5 0 54 0 38 6 0 n E eV 图 6 用心 爱心 专心 3 能力提高训练 限时基础训练 限时基础训练 2020 分钟 分钟 班级班级 姓名姓名 成绩成绩 1 在氢原子中 量子数 n 越大 则 A 电子轨道半径越小 B 核外电子速度越小 C 原子的能量越小 D 原子的电势能越小 2 卢瑟福于 1911 年提出原子核式结构学说 下述观点不正确的是 原子中绝大部分是空的 原子核很小 电子在核外绕原子核旋转 库仑引力提供向心力 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 原子核的半径大约是 10 10米 3 卢瑟福 粒子散射实验的结果 证明了质子的存在 证明了原子核是由质子和中子组成的 说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上 说明原子中的电子只能在某些不连续的轨道上运动 4 设氢原子的基态能量为 E1 某激发态的能量为 E 则当氢原子从这一激发态跃迁到 基态时 所 填 辐射 或 吸收 的光子在真空中的波长为 5 玻尔在他的原子模型中所做的假设有 原子处于定态时 虽然电子做加速运动 但并不向外辐射能量 原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道运动相对应 所以电子的可能轨道分布是不 连续的 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 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核运动的频率 6 原子中的电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时 核外电子受力减小 原子的能量增大 核外电子的动能减小 核外电子的势能减小 7 一群处于 n 4 的激发态的氢原子 向低能级跃迁 可能发射的谱线为 A 3 条 B 4 条 C 5 条 D 6 条 8 对于基态氢原子 下列说法正确的是 A 它能吸收 10 2eV 的光子 B 它能吸收 11eV 的光子 C 它能吸收 14eV 的光子 D 它能吸收具有 11eV 动能的电子的部分动能 9 北京奥运会场馆建设中 大量采用环保新技术 如场馆周围的路灯用太阳能电池供 电 洗浴热水能过太阳能集热器产生等 太阳能产生于太阳内部的核聚变 其反应方程是 用心 爱心 专心 A 411H 42He 201eB 147N 42He 178O 11H C 23592U 10n 13654Xe 9038Sr 1010n D 23892U 23490Th 42He 10 下列叙述中 符合历史事实的是 A 汤姆生通过对阴极射线的研究发现了电子 B 法拉第发现了电磁感应现象 C 贝克勒尔通过对天然放射现象的研究发现了原子的核式结 构 D 牛顿总结出了万有引力定律并测出了万有引力常量 基础提升训练基础提升训练 1 如图所示 为氢原子的能级图 若用能量为 10 5ev 的光 子去照射一群处于基态的氢原子 则氢原子 A 能跃迁到 n 2 的激发态上去 B 能跃迁到 n 3 的激发态上去 C 能跃迁到 n 4 的激发态上去 D 以上三种说法均不对 2 右图是氢原子第 1 2 3 能级的示意图 处于基态的氢原子吸收了一个光子a后 从基态跃迁到第 3 能级 然后该氢原子自发地放出一个光子b后 由第 3 能级跃迁到第 2 能级 接着又自发地放出一个光子c后 由 第 2 能级跃迁到第 1 能级 设a b c三个光子的频率依次为 1 2 3 波长依次为 1 2 3 下列说法中正确的是 A a b c 三个光子都是可见光光子 B 1 2 3 C 1 2 3 D 1 2 3 3 已知氢原子的能级规律为 E1 13 6eV E2 3 4eV E3 1 51eV E 4 0 85eV 现用光子能量介于 11eV 12 5eV 范围内的光去照射一大群处于基态的氢 原子 则下列说法中正确的是 A 照射光中可能被基态氢原子吸收的光子只有 1 种 B 照射光中可能被基态氢原子吸收的光子有无数种 C 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有 3 种 D 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有 2 种 4 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 1的基态跃迁到能量为 E2 2的激发态 电子动能 减小 原子电势能增大 原子能量不变 B 用电磁波照射某原子 使它从能量为 E1 1的基态跃迁到能量为 E2 2的激发态 则该电磁 波的频率等于 E2 2 E1 1 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 5 在氢原子光谱中 电子从较高能级跃迁到 n 2 能级发出的谱线属于巴耳末线系 若 一群氢原于自发跃迁时发出的谱线中只有 2 条属于巴耳末线系 则这群氢原子自发跃迁时 最多可发出 条不同频率的谱线 能力提升训练能力提升训练 1 在卢瑟福的 a 粒子散射实验中 有极少数 a 粒子发生大角度偏转 其原因是 1 2 3 a b c 题 2 n E eV 4 0 85 3 1 51 2 3 40 1 13 60 5 0 54 0 题 1 用心 爱心 专心 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