第5章 第1节 原子的结构（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第一节　原子的结构 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道α粒子散射实验及卢瑟福提出的原子核式结构模型． 2．了解氢原子光谱． 3．了解原子的能级结构． 1.物理观念：原子的核式结构模型及原子核、核外电子、光谱、能级、能级跃迁． 2．科学思维：对α粒子散射实验现象进行解释．玻尔理论对氢光谱的解释，应用能级图分析计算能级跃迁问题． 3．科学探究：知道电子的发现过程并对α粒子散射实验的过程和结果进行交流、评估、反思． 4．科学态度与责任：玻尔理论的意义及局限性． [对应学生用书P69] 1．汤姆孙原子模型：汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙模型称为“葡萄干布丁模型”或“枣糕模型”． 2．α粒子散射实验 (1)实验装置 (2)实验现象 ①绝大多数的α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进； ②少数α粒子发生了大角度偏转；偏转的角度甚至大于90°，它们几乎被“撞了回来”． (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型． 3．卢瑟福的核式结构模型 (1)核式结构模型：1911年由卢瑟福提出，原子中带正电的部分体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动． (2)原子核的电荷与尺度 [思考] 由原子的半径和原子核的半径数值可推知，原子核体积只占原子体积的，其空旷程度可想而知．据此，你能否说明产生α粒子散射现象的原因？可得到怎样的启示？ 提示　由于α粒子的质量远大于电子质量，电子不可能使其发生大角度偏转，产生大角度偏转的原因应该是原子核，由于原子核非常小，入射的α粒子绝大多数距原子核很远．只有极少数α粒子靠近原子核，由于其库仑斥力而使α粒子发生大角度偏转．由α粒子散射现象可知，原子核非常小；能够使α粒子发生大角度偏转，说明原子核聚集了原子的绝大部分质量且带正电． 按照经典物理学的观点，氢原子光谱的频率应是连续变化的，而由实验得到的氢原子光谱是分立的． 1．能级 (1)当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量，这些分立的能量值叫作能级． (2)原子中能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态． 2．跃迁 (1)当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En，m＞n)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，该式被称为频率条件，又称辐射条件． (2)反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子的能量同样由频率条件决定． 3．氢原子的能级图 4．玻尔理论的局限性 (1)玻尔理论的成功之处：玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了能级和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律． (2)玻尔理论的局限性：保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动． (3)电子云：原子中电子的坐标没有确定的值，我们只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少，如果用疏密不同的点表示电子在各个位置出现的概率，画出图来就像云雾一样，故称电子云． [对应学生用书P71] 探究点一　α粒子散射实验和原子核式结构模型 如图是α粒子散射实验装置，各部分的作用是什么？ 提示　放射源放出快速运动的α粒子，α粒子通过金箔时被散射，打在荧光屏上发出荧光，可通过带有荧光屏的放大镜进行观察，并可以在水平面内转动，观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量，整个装置封闭在真空内． 原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释 1．当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转． 2．只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转． 3．如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示，极少数粒子的偏转角度大于90°. [易错提醒] (1)α粒子与原子核之间的万有引力远小于二者之间的库仑斥力，因而可以忽略不计． (2)在处理α粒子等微观粒子时一般不计重力． 如图所示是20世纪初伟大的物理学家卢瑟福在研究物质结构时的实验装置，请根据物理学史的知识完成下题： (1)卢瑟福用这个实验装置发现了________________； (2)图中的放射源发出的是________粒子； (3)图中的金箔是________层分子膜(选填“单”或“多”)； (4)如图位置的四个显微镜中，闪光频率最高的是______显微镜； (5)除上述实验成就外，卢瑟福还发现了________的存在；(选填“电子”“质子”或“中子”) (6)最终卢瑟福________诺贝尔奖(填是否获得了). 解析　(1)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验，该实验的结果推翻了原有的原子“枣糕状”模型概念，卢瑟福在其实验现象的基础上提出了“核式结构”的原子模型观点． (2)该图显示的是卢瑟福的α粒子散射实验，因此放射源发出的是α粒子． (3)选择单层分子膜的金箔是为了尽量保证α粒子只与一个金箔原子发生碰撞． (4)放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，大多数α粒子基本不偏折，金箔原子内部很空旷，因此A位置的显微镜闪光频率最高． (5)1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子的存在． (6)卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖． 答案　(1)核式结构模型　(2)α　(3)单　(4)A　(5)质子　(6)获得了 (多选)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景，图中实线表示α粒子运动轨迹．其中一个α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，α粒子在b点时距原子核最近．下列说法正确的是(　　) A．卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子 B．α粒子出现较大角度偏转的原因是α粒子运动到b时受到的库仑斥力较大 C．α粒子从a到c的运动过程中电势能先变小后变大 D．α粒子从a到c的运动过程中加速度先变大后变小 BD　[汤姆孙在对阴极射线的探究中发现了电子，A错误；粒子出现大角度偏转的原因是靠近原子核时(运动到b时)受到较大的库仑斥力作用，B正确；α粒子从a到c受到的库仑斥力先增大后减小，加速度先变大后变小，库仑斥力先做负功后做正功，电势能先变大后变小，C错误，D正确．] [训练1]　(多选)如图所示为卢瑟福和他的学生们做α粒子散射实验的装置示意图．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，关于观察到的现象，下列说法中正确的是(　　) A．相同的时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多 B．相同的时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在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 AD　[由α粒子散射实验的结论：绝大多数α粒子仍沿原方向运动，少数α粒子运动方向发生改变，极少数α粒子运动方向发生大角度的偏转，甚至是180°.由A、B、C、D的位置可知绝大多数α粒子打到A位置的荧光屏上，少数α粒子打到B位置的荧光屏上，而极少数α粒子能打到C、D位置的荧光屏上，故选项A、D正确．] [训练2]　在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是(　　) A．原子是可再分的 B．正电荷在原子内是均匀分布的 C．原子中有带负电的电子，电子会对粒子有引力作用 D．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D　[阴极射线的发现，说明原子是可再分的，α粒子散射实验，并不能说明原子可再分，A错误；在α粒子散射实验中有少数α粒子发生了较大角度的偏转，这是由于α粒子与原子核均带正电，且原子核极小，α粒子能接近原子核的机会很小，大多数α粒子都从核外的空间穿过，α粒子与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样，运动方向基本不发生改变，只有少数α粒子十分接近原子核时，受到很大的库仑斥力的作用，库仑斥力使α粒子发生大角度偏转，故选项D正确，B、C错误．] 探究点二　玻尔理论和能级跃迁 如图是氢原子的能级图． (1)能级图中横线的物理意义是什么？ (2)横线左端的数字“1，2，3…”表示什么意思？ (3)横线右端的数字表示什么意思？ 提示　(1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态，氢原子可以有无穷多个能级值． (2)横线左端的数字“1，2，3…”表示量子数．“1”表示原子处于基态，“2”“3”…表示原子处于不同的激发态． (3)横线右端的数字“－13.6，－3.40，…”表示氢原子各个状态的能量值． 1．能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－13.6 eV.En代表电子在第n个轨道上运动时的能量． 作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n＝1是原子的基态，n→∞是原子电离时对应的状态． 2．能级跃迁：处于激发态的原子是不稳定的，它会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态．所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝＝C. 3．光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定． hν＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m＞n)能级差越大，放出光子的频率就越高． 已知氢原子的基态能量为E，激发态能量En＝，其中n＝2，3，….用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速．能使氢原子从第二激发态电离的光子的最大波长为(　　) A．－　　　　　　　 B．－ C．－ D．－ D　[第二激发态即n＝3的能级；当氢原子被电离时，其能量值为0，所以能使氢原子从第二激发态电离的光子的最小能量值为：＝|E3|＝－，所以能使氢原子从第二激发态电离的光子的最大波长：λ0＝－.故A、B、C错误，D正确．] [训练3]　关于玻尔的原子模型理论，下面说法正确的是(　　) A．原子可以处于连续的能量状态中 B．原子的能量状态是不连续的 C．原子中的核外电子绕核做加速运动一定向外辐射能量 D．原子中的电子绕核运转的轨道半径是连续的 B　[根据玻尔原子理论：电子轨道和原子能量都是量子化的，不连续的，处于定态的原子并不向外辐射能量，可判定B是正确的．] [训练4]　(多选)如图所示给出了氢原子的6种可能的跃迁，则它们发出的光(　　) A．a的波长最长 B．d的波长最长 C．f比d光子能量大 D．a频率最小 ACD　[能级差越大，对应的光子的能量越大，频率越大，波长越小．] [对应学生用书P73] 1．(α粒子散射实验)卢瑟福利用镭源所放出的α粒子，作为炮弹去轰击金箔原子，测量散射α粒子的偏转情况．下列叙述中符合卢瑟福的α粒子散射实验事实的是(　　) A．大多数α粒子在穿过金箔后发生明显的偏转 B．少数α粒子在穿过金箔后几乎没有偏转 C．大多数α粒子在撞到金箔时被弹回 D．极个别α粒子在撞到金箔时被弹回 D　[根据α粒子散射实验规律，易判定只有D符合实验事实．] 2.(原子核式结构模型)(多选)用α粒子轰击金箔，α粒子在接近金原子核时发生偏转的情况如图所示，则α粒子的路径可能是(　　) A．a　　　　　　　　 B．b C．c D．a、b、c都是不可能的 AC　[α粒子偏转的原因是原子核对其有库仑斥力的作用，离核越近，斥力越大，偏转越明显，当正好击中原子核时，由于α粒子质量较小而反弹，结合题图知，A、C正确．] 3．(玻尔理论)按照玻尔理论，一个氢原子的电子从一个半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一个半径为rb的圆轨道上，ra＞rb，此过程中(　　) A．原子要辐射一系列频率的光子 B．原子要吸收一系列频率的光子 C．原子要辐射某一频率的光子 D．原子要吸收某一频率的光子 C　[电子从某一轨道直接跃迁到另一轨道，只能辐射或吸收某一特定频率的光子；再根据ra＞rb，可知电子从较远轨道向较近轨道跃迁，即从高能级向低能级跃迁，要辐射光子，故C选项正确．] 4．(氢原子能级和能级跃迁)一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中(　　) A．可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线 B．可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线 C．只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线 D．只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线 B　[当原子由高能级向低能级跃迁时，原子将发出光子，由于不只是两个特定能级之间的跃迁，所以它可以发出一系列频率的光子，形成光谱中的若干条亮线，B正确，A、C、D错误．] 学科网（北京）股份有限公司 $$