新教材2023_2024学年高中物理第4章原子结构和波粒二象性分层作业19氢原子光谱和玻尔的原子模型新人教版选择性必修第三册

第四章分层作业19　氢原子光谱和玻尔的原子模型

A级 必备知识基础练

1.(2023湖北武汉高二模拟)光谱分析为深入原子世界打开了道路。关于光谱,下列说法正确的是(　　)

A.原子发射连续光谱是因为电子绕原子核运动的变化是连续的

B.玻尔的原子理论能成功地解释各种原子光谱的实验规律

C.原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应

D.进行光谱分析时,可以用连续谱,也可以用线状谱

2.(多选)由玻尔理论可知,下列说法正确的是(　　)

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.原子内电子的轨道可能是连续的

D.原子的轨道半径越大,原子的能量越大

3.一个氢原子中的电子从一半径为ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为rb的轨道,已知ra>rb,则在此过程中(　　)

A.原子发出一系列频率的光子

B.原子要吸收一系列频率的光子

C.原子要吸收某一频率的光子

D.原子要辐射某一频率的光子

4.(2023湖南邵阳高二开学考试)氢原子光谱除了巴耳末系外,还有赖曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为(n=4,5,6,…),=1.10×107 m-1。电磁波谱如图所示,其中可见光的波长范围是400~760 nm,帕邢系中,氢原子可以发出(　　)

A.可见光 B.红外线 C.紫外线 D.X射线

5.氢原子的能级图如图所示,如果大量氢原子处在基态,则下列说法正确的是(　　)

A.由于氢原子只吸收特定能量的光子,所以能量为12.5 eV的光子不会被基态氢原子吸收

B.由于氢原子只吸收特定能量的光子,故动能为12.5 eV的电子的能量不会被基态氢原子吸收

C.能量为14 eV的光子不会被基态氢原子吸收

D.动能为14 eV的电子不会被基态氢原子吸收

6.(2023山东菏泽高二期末)氢原子的能级示意图如图所示,一群处于激发态的氢原子能辐射出能量介于0.66~12.75 eV范围内的光子,则下列说法正确的是(　　)

A.这群氢原子能发射出三种不同波长的光

B.这群氢原子能发射出四种不同波长的光

C.处于基态的氢原子能吸收其中三种频率的光子

D.处于基态的氢原子能吸收其中六种频率的光子

7.(多选)(2023湖北宜昌高二月考)丹麦物理学家玻尔意识到了经典理论在解释原子结构方面的困难。在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子的概念的启发下,他在1913年提出了自己的原子结构假说。氢原子的电子轨道示意图如图所示,下列说法正确的是(　　)

A.电子离原子核越远,原子的总能量越大,氢原子的总能量是负值

B.电子从n=3能级跃迁到n=4能级,电子的电势能增加,动能减少

C.电子从n=5能级跃迁到n=4能级,电子电势能的减少量大于动能的增加量

D.电子从n=5能级跃迁到n=4能级辐射的光子的能量比电子从n=3能级跃迁到n=4能级吸收的光子的能量大

B级 关键能力提升练

8.原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子,例如在某种条件下,铬原子从n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,这一现象叫作俄歇效应,以这种方式脱离原子的电子叫作俄歇电子。已知铬原子的能级公式可简化为En=-,式中n=1,2,3,…表示不同的能级,A是正的已知常数。上述俄歇电子的动能是(　　)

A.A B.A C.A D.A

9.一种利用红外线感应控制的紫外线灯,人在时自动切断紫外线灯电源,人离开时自动开启紫外线灯杀菌消毒。已知红外线的光子最高能量是1.61 eV,紫外线的光子最低能量是3.11 eV,如图所示是氢原子能级示意图,则大量氢原子(　　)

A.从n=2跃迁到低能级过程只可能辐射出红外线

B.从n=3跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线

C.从n=4跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线

D.从n=5跃迁到低能级过程不可能辐射出紫外线

10.2020年6月23日北斗全球组网卫星的收官之星发射成功,其中“北斗三号”采用星载氢原子钟,通过氢原子的能级跃迁而产生的电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图所示,则(　　)

A.氢原子由基态跃迁到激发态后,核外电子动能增大,原子的电势能减小

B.大量处于n=3激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出2种不同频率的光子

C.用11 eV的光子照射,能使处于基态的氢原子跃迁到激发态

D.用4 eV的光子照射处于n=2激发态的氢原子,可以使之电离

11.描述氢光谱巴耳末谱线系的公式为=R∞,式中n=3,4,5,…,R∞=1.10×107 m-1。已知可见光的波长范围是4.0×10-7~7.6×10-7 m,金属钠发生光电效应的极限波长为5.4×10-7 m。下列说法正确的是(　　)

A.从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光属于红外线

B.从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出的光属于紫外线

C.从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光照射钠时能发生光电效应

D.从n=4能级跃迁到n=2能级辐射出的光照射钠时能发生光电效应

12.(2023河北石家庄高二期末)用如图甲所示的装置做氢气放电管实验观测到四种频率的可见光。已知可见光的光子能量在1.6~3.1 eV之间,氢原子能级图如图乙所示。下列说法正确的是(　　)

甲

乙

A.观测到的可见光可能是氢原子由高能级向n=3能级跃迁时放出的

B.n=2能级的氢原子吸收上述某可见光后可能会电离

C.大量氢原子从高能级向基态跃迁时会辐射出紫外线

D.大量n=4能级的氢原子最多能辐射出4种频率的光

分层作业19　氢原子光谱和玻尔的原子模型

1.C　电子绕原子核运动的变化都是不连续的,我们看到的原子光谱都是线状谱,故A错误;玻尔原子理论仅成功地解释氢原子光谱的实验规律,B错误;原子都是由原子核和电子组成的,但不同原子的原子结构不同,各种原子的原子光谱都有各自的特征谱线,原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应,C正确;只有线状谱和吸收光谱与原子的结构有关,可以用来鉴别物质,D错误。

2.BD　按照经典物理学的观点,电子绕核运动有加速度,一定会向外辐射电磁波,很短时间内电子的能量就会消失,与客观事实相矛盾,由玻尔假设可知选项A、C错误,B正确;原子轨道半径越大,原子能量越大,选项D正确。

3.D　一个氢原子的核外只有一个电子,这个电子在某时刻只能处在某一个可能的轨道上,在某段时间,由某一轨道直接跃迁到另一轨道时,可能的情况只有一种,因为ra>rb,所以电子是从高能级向低能级跃迁,跃迁过程中要辐射光子,故D正确。

4.B　由题给公式可知,在帕邢系中,当n=4时,氢原子发出电磁波的波长最长,为λmax=≈1.87×10-6m=1870nm,当n趋于无穷大时,氢原子发出电磁波的波长最短,为λmin=≈8.18×10-7m=818nm,根据电磁波谱可知选项中四种电磁波按波长由小到大排列:X射线、紫外线、可见光、红外线,由于λmin略大于可见光的最大波长,所以帕邢系中,氢原子可以发出红外线,不可能发出可见光、紫外线和X射线,故选B。

5.A　根据玻尔理论,氢原子吸收光子可以从低能级跃迁至高能级,光子的能量恰好等于两能级差,如果不等于,则光子不能被吸收,基态与第3能级的能级差为12.09eV,与第4能级的能级差为12.75eV,所以12.5eV的光子不会被吸收,故A正确;氢原子被外来自由电子撞击俘获能量被激发,电子的能量为12.5eV,氢原子最高可跃迁到第3能级,剩余能量可以以动能形式存在,所以,可以被吸收,故B错误;当光子的能量大于13.6eV时,氢原子吸收光子后发生电离,多余的能量作为脱离氢原子后电子的动能,因此,可以被吸收,故C错误;动能为14eV的电子最高可以使氢原子电离,因此,可以被吸收,故D错误。

6.C　根据玻尔能级理论,由于En=-13.6eV+12.75eV=-0.85eV,En-En-1=0.66eV,可知这群氢原子处于n=4的激发态,根据组合公式=6可知这群氢原子能发出六种不同波长的光,A、B错误;处于基态的氢原子能够吸收其中n=4,n=3和n=2的三个激发态分别直接跃迁到基态时发出的光子,即能吸收其中三种频率的光子,C正确,D错误。

7.BC　电子离原子核越远,原子的总能量越大,当规定离原子核无穷远处的电势能为零时,氢原子的总能量是负值,当没有规定零电势能的位置时,无法判断氢原子总能量的正负,A错误;电子从n=3能级跃迁到n=4能级,库仑力做负功,电子的电势能增加,动能减少,B正确;电子从n=5能级跃迁到n=4能级,库仑力做正功,电子的电势能减少,动能增加,又因为总能量减少,所以电子电势能的减少量大于动能的增加量,C正确;根据玻尔理论可知,跃迁时辐射和吸收光子的能量由前后两个能级的能级差决定,所以电子从n=5能级跃迁到n=4能级辐射的光子的能量小于电子从n=3能级跃迁到n=4能级吸收的光子的能量,D错误。

8.C　铬原子n=2的能级E2=-=-,n=1的能级E1=-A,所以电子从n=2能级跃迁到n=1的能级释放的能量ΔE=E2-E1=A。又铬原子n=4的能级E4=-=-,说明电子从n=4能级跃迁到无穷远能级(E∞=0),即脱离原子需吸收的能量,由能量守恒知,该俄歇电子的能量应为Ek=ΔE-(-E4)=A,选项C正确。

9.B　根据能级跃迁公式ΔE=Em-En可知,由于E21=E2-E1=-3.4eV-(-13.6eV)=10.2eV>3.11eV,所以从n=2跃迁到低能级过程只可能辐射出紫外线,故A错误;从n=3能级跃迁到n=2能级过程中光子能量最小,由于E32=E3-E2=1.89eV>1.61eV,所以从n=3跃迁到低能级过程不可能辐射出红外线,故B正确;由于E43=E4-E3=0.66eV<1.61eV,所以从n=4跃迁到低能级过程中可能辐射红外线,故C错误;由于E51=E5-E1=13.06eV>3.11eV,所以从n=5跃迁到低能级过程中可能辐射出紫外线,故D错误。

10.D　氢原子由基态跃迁到激发态后,运动半径变大,核外电子动能减小,原子的电势能增大,故A错误;大量处于n=3激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出的光子的频率种类为N==3种,故B错误;处于基态的氢原子跃迁到第一激发态需要吸收的能量为E=E2-E1=10.2eV,跃迁到第二激发态需要吸收的能量为E=E3-E1=12.09eV,用11eV的光子照射,并不能使处于基态的氢原子跃迁到激发态,故C错误;处于n=2激发态的氢原子为-3.4eV,其绝对值小于光子能量4eV,用4eV的光子照射处于n=2激发态的氢原子,可以使之电离,故D正确。

11.D　根据巴耳末谱线系的公式=R∞可知从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出的光的波长λ==6.55×10-7m,此波长在可见光的波长范围,不属于红外线,又此波长大于金属钠发生光电效应的极限波长5.4×10-7m,则频率小于金属钠发生光电效应的极限频率,不能发生光电效应,选项A、C错误;从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出的光的波长λ==4.33×10-7m,此波长在可见光的波长范围,选项B错误;从n=4能级跃迁到n=2能级辐射出的光的波长λ==4.85×10-7m,此波长小于金属钠发生光电效应的极限波长5.4×10-7m,则频率大于金属钠发生光电效应的极限频率,能发生光电效应,选项D正确。

12.C　因可见光的光子能量在1.6~3.1eV之间,所以观测到的可见光可能是氢原子由高能级向n=2能级跃迁时放出的,故A错误;n=2能级的氢原子要吸收至少3.4eV的能量才可能电离,而可见光的光子能量在1.6~3.1eV之间,故B错误;当大量氢原子从n=2能级向基态跃迁时辐射出的能量为10.2eV,而从其他高能级向基态跃迁时辐射出的能量都大于10.2eV,且都大于可见光的最大能量3.1eV,所以大量氢原子从高能级向基态跃迁时会辐射出紫外线,故C正确;大量n=4能级的氢原子向基态跃迁时,根据=6,所以大量n=4能级的氢原子最多能辐射出6种频率的光,故D错误。