专题120原子结构和能级（原卷版+解析版）-2023届高考物理一轮复习知识点精讲与最新高考题模拟题同步训练

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第二十章  原子物理

专题120  原子结构和能级

第一部分  知识点精讲

1、电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。

2．原子的核式结构

（1）. α粒子散射实验：

（i）实验装置：如下图所示。

（ii）实验条件：金属箔是由重金属原子组成，很薄，厚度接近单原子的直径，全部设备装在真空环境中，因为粒子很容易使气体电离，在空气中只能前进几厘米。显微镜可在底盘上旋转，可在的范围内进行观察。

（iii）实验结果：粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于，甚至被弹回。

粒子的大角度散射现象无法用汤姆孙的原子模型解释，粒子散射实验的结果揭示了：原子内部绝大部分是空的，原子内部有一个很小的“核”。

（2）.原子的核式结构模型

（i）核式结构学说：在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核内，电子绕核运转。

（ii）核式结构模型对粒子散射实验的解释

①因为原子核很小，原子的大部分空间是空的，大部分粒子穿过金箔时离核很远，受到的库仑力很小，运动几乎不受影响，因而大部分粒子穿过金箔后，运动方向几乎不改变。

②只有少数粒子从原子核附近飞过，受到原子核的库仑力较大，才发生较大角度的偏转。

（3）粒子散射实验中能量的变化

当粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加；当粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小；只有库仑斥力做功，只是电势能和动能之间相互转化，粒子的总能量保持不变。

3、.三个原子模型的对比

4．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。

【温馨提示】线状谱和吸收光谱都对应某种元素，都可以用来进行光谱分析。

5．玻尔理论的三条假设

(1)定态假设：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)跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)

(3)轨道假设：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。

6．氢原子的能级、能级公式

(1)氢原子的能级

能级图如图所示

（i）能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态。

（ii）横线左端的数字“1，2，3，…”表示量子数，右端的数字“，，…”表示氢原子的能级。

（iii）相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小。

（iv）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：。

 (2)氢原子的能级和轨道半径

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

②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＝0.53×10－10 m。

第二部分 最新高考题精选

1．（2022·高考广东物理）目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为，其中。图4是按能量排列的电磁波谱，要使的氢原子吸收一个光子后，恰好失去一个电子变成氢离子，被吸收的光子是（    ）

A．红外线波段的光子    B．可见光波段的光子   

C．紫外线波段的光子    D．X射线波段的光子

2．（2022年6月浙江选考）图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29eV的金属钠。下列说法正确的是

A．逸出光电子的最大初动能为10.80eV

B．n=3跃迁到n=1放出的光电子动量最大

C．有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应

D．用0.85eV的光子照射，氢原子跃迁到n=4激发态

3．（2021新高考北京卷）北京高能光源是我国首个第四代同步辐射光源，计划于2025年建成。同步辐射光具有光谱范围宽（从远红外到X光波段，波长范围约为10-5 m～10-11 m，对应能量范围约为10-1 eV～105 eV）、光源亮度高、偏振性好等诸多特点，在基础科学研究、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。

速度接近光速的电子在磁场中偏转时，会沿圆弧轨道切线发出电磁辐射，这个现象最初是在同步加速器上观察到的，称为“同步辐射”。以接近光速运动的单个电子能量约为109 eV，回旋一圈辐射的总能量约为104 eV。下列说法正确的是

A．同步辐射的机理与氢原子发光的机理一样

B．用同步辐射光照射氢原子，不能使氢原子电离

C．蛋白质分子的线度约为10-8 m，不能用同步辐射光得到其衍射图样

D．尽管向外辐射能量，但电子回旋一圈后能量不会明显减小

 4. （2021年1月浙江选考）下列说法正确的是

A.光的波动性是光子之间相互作用的结果  

B.玻尔第一次将“量子”入原子领域，提出了定态和跃迁的概念

C.光电效应揭示了光的粒子性，证明了光子除了能量之外还具有动量

D.α射线经过置于空气中带正电验电器金属小球的上方，验电器金属箔的张角会变大

5.（2020高考江苏物理）大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为和，则该激发态与基态的能量差为_______，波长为的光子的动量为_______.（已知普朗克常量为h，光速为c）

6. （2020高考北京卷）氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于能级上，下列说法正确的是

A.这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子

B.从能级跃迁到能级比跃迁到能级辐射的光子频率低

C.从能级跃迁到能级需吸收的能量

D. 能级的氢原子电离至少需要吸收的能量

7．（2019全国理综I卷14）氢原子能级示意图如图所示。光子能景在1.63 eV~3.10 eV的光为可见光。要使处于基态（n=1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为（   ）

A．12.09 eV B．10.20 eV C．1.89 eV  D．1.5l eV

第三部分 最新模拟题精选

1. （2022湖北黄冈联考）如图是世界物理学史上两个著名实验的装置图，下列有关实验的叙述正确的是（　　）
 

A. 图甲是α粒子散射实验装置，卢瑟福指导他的学生们进行α粒子散射实验研究时，发现了质子和中子

B. 图甲是α粒子散射实验装置，汤姆孙根据α粒子散射实验，提出了原子“枣糕模型”结构

C. 图乙是研究光电效应的实验装置，根据光电效应规律，超过极限频率的入射光频率越大，则光电子的最大初动能越大

D. 图乙是研究光电效应的实验装置，根据光电效应规律，超过极限频率的入射光光照强度一定，则光的频率越大，所产生的饱和光电流就越大

2. （2022山东四县区质检）如图所示是氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出6种不同频率的光子，其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n＝2能级跃迁时释放的光子，则（　　）

A. 6种光子中波长最长的是n＝4激发态跃迁到基态时产生的

B. 6种光子中有3种属于巴耳末系

C. 使n＝4能级的氢原子电离至少要0.85eV的能量

D. 在6种光子中，从n＝4能级跃迁到n＝1能级释放的光子康普顿效应最明显

 3. （2022江西南昌三模）图中画出了氢原子的4个能级，并注明了相应的能量E。处在的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出若干种不同频率的光子。其中光子能量的最大值和最小值分别是（　　）

A. 13.6eV和0.85eV

B. 10.2eV和1.89eV

C. 12.75eV和0.66eV

D. 12.75eV和2.55eV

4. （2022山东济南5月模拟）根据玻尔理论，氢原子的能级图如图甲所示，大量处于某激发态的氢原子向低能级跃迁时，发出的复色光通过玻璃三棱镜后能分成如图乙所示的a、b、c、d 四条可见光束。已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间，则b光为（　　）

A. 第6能级向第 2 能级跃迁产生的 

B. 第 4能级向第2 能级跃迁产生的

C. 第6能级向第1能级跃迁产生的 

D. 第4能级向第1能级跃迁产生的

5. （2022·河北石家庄三模）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之间，氢原子能级图如图乙所示。下列说法正确的是（　　）

A. 观测到的可见光可能是氢原子由高能级向的能级跃迁时放出的

B. 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. 大量能级的氢原子最多能辐射出4种频率的光

6. （2022山东青岛二模）如图为氢原子能级示意图，大量处于基态的氢原子在某种单色光照射下跃迁到的激发态。处于的激发态的氢原子会向低能级跃迁，下列说法正确是（　　）

A. 基态氢原子吸收的光子能量可能为

B. 基态氢原子吸收的光子能量一定等于

C. 这些氢原子最多能辐射出3种不同频率的光

D. 由能级跃迁到能级辐射出的光频率最小

 7. .(2022山东聊城一模)  一群处于能级的氢原子，向低能级跃迁过程中发出6种不同频率的光，将这些光分别照射到图甲所示电路中的阴极K上，只能测得3条电流随电压变化的图像，如图乙所示．氢原子的能级图如图丙所示，可见光光子的能量范围为1.62~3.11eV，则下列推断正确的是（    ）

A. 这群氢原子跃迁时最多可发出4种可见光

B. 图乙中的光光子能量为12.09eV

C. 图乙中的c光光子是氢原子由能级向基态跃迁发出的

D. 阴极金属的逸出功可能为

8. （2022江苏第二次百校大联考）已知氢原子基态能量为-13.6eV,下列说法中正确的是

A.使n=2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4eV的能量

B.氢原子由n=3能级跃迁到n=2能级,放出光子,能量增加

C.处于基态的氢原子吸收能量为10.2eV的光子跃迁到n=4激发态

D.大量处于n=3激发态的氢原子会辐射出2种不同频率的光

9. （2022河南许昌一模） 如图为氢原子能级示意图的一部分，当氢原子由第4能级跃迁到第2能级时，发出光子的频率为1；当氢原子由第2能级跃迁到基态时，发出光子的频率为2，则等于（　　）

A.  B.  C.  D.

10.(2021北京东城一模)如图所示放电管两端加上高电压，管内的稀薄气体会发光，从其中的氢气放电管观察氢原子的光谱，发现它只有一些分立的不连续的亮线，下列说法正确的是

A．亮线分立是因为氢原子有时发光，有时不发光

B．有几条谱线，就对应着氢原子有几个能级

C．核式结构决定了氢原子有这种分立的光谱

D．光谱不连续对应着氢原子辐射光子能量的不连续

11. （2022山西临汾模拟）氢原子能级示意图如图所示。氢原子吸收光子后能从基态跃迁到的激发态；氢原子从的能级跃迁到的能级时辐射出光子，则下列说法正确的是（　　）

A. 光子的能量小于光子的能量

B. 光子的频率小于光子的领率

C. 光子的波长小于光子的波长

D. 在真空中的速度大于的速度

12.（2021山西太原二模）如图所示为某原子的能级及核外电子在两能级之间跃迁时辐射光子波长的示意图，设原子处于n=1,2,3,4，的能级时，对应原子的能量为E1、E2、E3、E4，则下列判断中正确的是

A．该原子吸收波长为97nm的光子后可以从E2跃迁到E4

B．E3-E2=（E2-E1）

C．用动能等于122nm光子能量的电子撞击原子，原子可能从E2跃迁到E1

D．原子从n=3跃迁到n=1时，释放的光子的波长为nm

13．（福建漳州市2021届高三毕业班适应性测试1）如图是某原子的部分能级示意图，a、b、c为原子发生的三种跃迁，发出三种不同波长的光、、，E1、E2、E3分别表示三个对应能级，且，E1<0，则

A．＞＞

B．

E1＜E2＜E3

D．

14．[2021山东德州质检](多选)氢原子能级图如图所示．从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射出四条光谱线．已知从n＝3跃迁到n＝2的能级时辐射光的波长为656 nm，下列叙述正确的有(　　)

A．四条谱线中频率最大的是Hδ

B．用633 nm的光照射能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3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．如果Hδ可以使某种金属发生光电效应，只要照射时间足够长，光的强度足够大，Hβ也可以使该金属发生光电效应