2021版物理全能大一轮复习人教版讲义：12.2　原子结构

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第2讲　原 子 结 构　　　　　　　　　

必备知识

一、原子的核式结构

1.电子的发现:英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子,提出了原子的“枣糕模型”。

2.原子的核式结构模型:

在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的几乎全部质量和全部正电荷都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间运动。

1909-1911年,英国物理学家卢瑟福和他的学生做了用α粒子轰击金箔的实验,发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有极少数α粒子发生了大角度偏转。

二、氢原子光谱

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:

3.氢原子光谱的实验规律:巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式=R(-)(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着重大的意义。

三、玻尔理论

1.玻尔理论:

(1)定态:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量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。

(2)跃迁:电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时,会放出能量为hν的光子,这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即hν=Em-En。(h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s)

(3)轨道:原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周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也是不连续的。

2.玻尔理论中的几个概念:

(1)能级:在玻尔理论中,原子的能量是量子化的,这些量子化的能量值,叫作能级。

(2)基态:原子能量最低的状态。

(3)激发态:在原子能量状态中除基态之外的其他的状态。

(4)量子数:原子的状态是不连续的,用于表示原子状态的正整数。

3.氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6 eV。 

4.氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m。

5.氢原子的能级图:

基础小题

1.判断下列题目的正误。

(1)α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。              (　　)

(2)原子的核式结构学说是英国的物理学家卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。              (　　)

(3)氢原子光谱是由不连续的亮线组成的。 (　　)

(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,核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上。 (　　)

(6)氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁。 (　　)

提示:(1)√。α粒子散射实验说明了原子的中心有一个很小的,但质量很大的核,并且原子核带正电。

(2)√。英国的物理学家卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构学说。

(3)√。氢原子光谱是线状谱,是由一些不连续的亮线组成的。

(4)×。玻尔理论成功地解释了氢原子光谱,但不能解释氦原子光谱。

 (5)×。按照玻尔理论,核外电子只能分布在一系列不连续的轨道上,核外电子在不同轨道上做圆周运动但不向外辐射能量,只有在不同能量的轨道间跃迁时才会向外辐射能量,核外电子并非均匀地分布在各个轨道上。

(6)×。氢原子吸收光子后,将从低能级向高能级跃迁。

2.(多选)如图所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时观察到的现象,下述说法中正确的是              (　　)

A.放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多

B.放在B位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些

C.放在C、D位置时,屏上观察不到闪光

D.放在D位置时,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少

【解析】选A、B、D。根据α粒子散射现象,绝大多数α粒子沿原方向前进,少数α粒子发生较大偏转,A、B、D正确。

3.(教材改编题)下列有关氢原子光谱的说法正确的是 (　　)

A.氢原子的发射光谱是连续谱

B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光

C.氢原子光谱说明氢原子能量是连续的

D.氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关

【解析】选B。由于氢原子发射的光子的能量E=En-Em=E1-E1=E1,所以发射的光子的能量值E是不连续的,只能是一些特定频率的谱线,故选项A错误,B正确;由于氢原子的轨道是不连续的,根据玻尔原子理论知氢原子的能级也是不连续的,即是分立的,故选项C错误;当氢原子从较高轨道第n能级跃迁到较低轨道第m能级时,发射的光子的能量为E=En-Em=hν,显然n、m的取值不同,发射光子的频率就不同,故氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差有关,选项D错误。

4.(多选)已知氢原子的基态能量为E1,激发态能量为En=,其中n=2,3,4…。已知普朗克常量为h,则下列说法中正确的是              (　　)

A.氢原子跃迁到激发态后,核外电子动能增大,原子的电势能减小

B.基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后,电子速度大小为

C.大量处于n=3的激发态的氢原子,向低能级跃迁时可辐射出3种不同频率的光

D.若原子从n=6能级向n=1能级跃迁时所产生的电磁波能使某金属发生光电效应,则原子从n=6能级向n=2能级跃迁时所产生的电磁波也一定能使该金属发生光电效应

【解析】选B、C。氢原子由基态跃迁到激发态时,氢原子吸收光子,则能量增大,轨道半径增大,根据k=m知,电子动能减小,而其电势能增大,故A错误;基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后,则电子电离后的最大初动能为Ekm=hν-E1,因此电子最大速度大小为,故B错误;根据=3知,这些氢原子可能辐射出三种不同频率的光子,故C正确;若原子从n=6能级向n=1能级跃迁时所产生的电磁波能使某金属发生光电效应,依据能级间跃迁时辐射或吸收的光子能量等于两能级间的能级差,则原子从n=6能级向n=2能级跃迁时所产生的电磁波能量小于之前辐射的能量,不一定能使该金属发生光电效应,故D错误。故选B、C。

5.如图所示是氢原子的能级图,a、b、c为原子跃迁所发出的三种频率的光。用这三种频率的光分别照射同种金属,都发生了光电效应,则关于这种金属发生光电效应时光电子的最大初动能Ek随入射光频率ν变化的图象,以及这三种频率的光产生的光电子最大初动能的大小关系,下列四个图象中描绘正确的是(　　)

【解析】选A。这群氢原子能发出三种频率不同的光,根据玻尔理论ΔE=Em-En(m>n)得知,从n=3跃迁到n=1所发出的光能量最大,由E=hν得知,频率最高;而从n=3跃迁到n=2所发出的光能量最小,频率最小。所以:νb>νc>νa。根据光电效应方程,电子的最大初动能:Ekm=hν-hν0,其中ν0为该金属的截止频率,所以:Ekb>Ekc>Eka。比较四个图象可知,A正确,B、C、D错误。

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