第5章 第一节 原子的结构（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（粤教版2019）

第五章 原子与原子核 第一节　原子的结构 核心素养导学 物理观念 (1)知道电子的发现和原子的核式结构模型。 (2)了解原子光谱的概念，知道氢原子光谱的实验规律。 (3)知道经典理论的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱的分立特性。 (4)了解玻尔原子理论的基本假设的主要内容。 (5)认识玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间的继承和发展关系，了解玻尔模型的不足之处及其原因。 科学思维 用经典理论解释原子光谱困难时，利用玻尔的原子模型解释氢原子光谱。 科学探究 探究氢原子光谱的实验规律。 一、原子核式结构的提出 1．J.J.汤姆孙的原子结构模型 J．J.汤姆孙提出一种原子结构模型，他设想原子是一个___体，______均匀分布在整个球体内，质量很小的_____镶嵌其中，有人形象地称其为“_____模型”或“葡萄干布丁模型”。 球 正电荷 电子 枣糕 2 2．α粒子散射实验 (1)α粒子：从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍。 (2)实验装置如图所示。 (3)实验结果：_________α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，但有______α粒子发生了较大的偏转，极少数偏转的角度超过90°，有的甚至达到180°。 3．原子的核式结构模型 1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个带正电的很小的________，它几乎集中了原子的全部的_____，_____在核外空间绕原子核旋转。 绝大多数 少数 原子核 质量 电子 二、氢原子光谱　原子的能级结构 1．原子光谱：某种原子的气体通电后可以_____并产生固定不变的_____。 2．经典理论的困难 (1)无法解释原子的稳定性。 (2)无法解释原子光谱分立的线状谱特征。 发光 光谱 3．原子的能级结构 (1)能级：电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有____的能量，这些分立的________叫作原子的能级。 (2)跃迁：原子从_________变化到___________的过程。跃迁时辐射出光子的能量为hν＝_________。 (3)基态：_____能级对应的状态。 (4)激发态：除基态之外的其他状态。 不同 能量值 一个能级 另一个能级 Em－En 最低 1.在探究原子结构的散射实验中，入射粒子用的是α粒子，试说明其中的原因。 提示：原子的结构非常紧密，用一般的方法无法探测它内部的结构。要认识原子的结构，需要用高速粒子对它进行轰击。由于α粒子具有足够的能量，可以接近原子的中心，它还可以使荧光物质发光，如果α粒子与其他粒子发生相互作用，改变了运动方向，荧光屏便能够显示出它的方向变化。 2．由α粒子散射实验的结果为何可以说明原子核尺度很小，但几乎占有全部质量？ 提示：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明带正电荷部分很小，少数α粒子被“撞了回来”说明遇到了质量很大的部分。 × √ √ × √ 新知学习(一)|α粒子散射实验及现象分析 [任务驱动] 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。 [重点释解] 1．实验背景：α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。 2．否定汤姆孙的原子结构模型 (1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转。 (2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。 (3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。 3．卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析 (1)分布情况：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。 (2)受力情况 ①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大； ②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。 (3)偏转情况 ①绝大多数α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于α粒子很小)； ②少数α粒子发生大角度偏转，甚至被弹回； ③如果α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。 [典例体验] [典例]　如图所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法中正确的是 (　 ) A．动能先增大后减小 B．电势能先减小后增大 C．电场力先做负功后做正功，总功等于零 D．加速度先减小后增大 2．库仑力对α粒子的做功情况 (1)当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。 (2)当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。 3．α粒子的能量转化 仅有库仑力做功时，能量只在电势能和动能之间发生相互转化，且总能量保持不变。 [针对训练] 1．通过如图所示的实验，卢瑟福建立了原子核式结构模型。实验时，若将荧光屏和显微镜分别放在位置1、2、3，则相同时间内能观察到粒子数量最多的是位置 (　 ) A．1　　　　　　　　　 B．2 C．3 D．一样多 解析：在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度大于90°，故C正确。 答案：C 2．在用α粒子轰击金箔的实验中，卢瑟福观察到的α粒子的运动情况是 (　 ) A．全部α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 B．绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回 C．少数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，绝大多数发生较大偏转，甚至被弹回 D．全部α粒子都发生很大偏转 解析：α粒子穿过金原子时，电子对α粒子速度的影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离核远则α粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小。只有当α粒子与原子核十分接近时，才会受到很大的库仑斥力，而原子核很小，α粒子接近它的机会就很少，所以绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数发生较大偏转，极少数甚至被弹回，故B正确，A、C、D错误。 答案：B　 新知学习(二)|氢原子能级跃迁规律 [重点释解] 1．能级图的理解 (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。 (2)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。 4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子 (1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1能级时能量不足，则可激发到n能级的问题。 (2)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值，就可使原子发生能级跃迁。 /易错警示/ 原子跃迁时需注意的三个问题 (1)注意一群原子和一个原子： 氢原子核外只有一个电子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，只能出现所有可能情况中的一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。 (2)注意直接跃迁与间接跃迁： 原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况辐射或吸收光子的频率不同。 (3)注意跃迁与电离： hν＝Em－En只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。 [针对训练] 1．(2024·安徽高考)大连相干光源是我国第一台高增益自由电子 激光用户装置，其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢 原子的光谱特征。如图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子 能量大于3.11 eV，当大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时， 辐射不同频率的紫外光有(　　) A．1种　　　　　　　　 B．2种 C．3种 D．4种 2． “梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空，对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图所示为某原子钟工作的四能级体系，原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ，然后自发辐射出频率为ν1的光子，跃迁到钟跃迁的上能级2，并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1，实现受激辐射，发出钟激光，最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率ν2为(　 ) A．ν0＋ν1＋ν3　　　　　　 B．ν0＋ν1－ν3 C．ν0－ν1＋ν3 D．ν0－ν1－ν3 解析：设各能级的能量值如图所示，则hν0＝EⅡ－EⅠ， hν1＝EⅡ－E2，hν2＝E2－E1，hν3＝E1－EⅠ，综上所 述得：ν0＝ν1＋ν2＋ν3，则ν2＝ν0－ν1－ν3，故D正确。 答案：D　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——对大角度散射影响因素分析 1．(选自鲁科版新教材课后练习)已知α粒子的质量约为电子质量的7 300倍。如果α粒子以速度v与电子发生弹性正碰(假定电子原来是静止的)，求碰撞前后α粒子的速度变化，并由此说明为什么原子中的电子不能使α粒子发生明显偏转。 科学思维——玻尔原子理论的应用 2．(选自鲁科版新教材课后练习)已知氢原子基态的能量E1＝－13.6 eV。大量氢原子处于某一激发态，这些氢原子可能发出的所有的光子中，频率最高的光子能量为－0.96E1。 (1)求频率最低的光子的能量(结果保留2位有效数字)。 (2)这些光子可具有多少种不同的频率？ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1.(2024·重庆高考)(多选)我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n＝3和n＝4能级向n＝2能级跃迁产生的谱线(如图)，则(　　) A．Hα的波长比Hβ的小 B．Hα的频率比Hβ的小 C．Hβ对应的光子能量为3.4 eV D．Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态 解析：氢原子n＝3与n＝2的能级差小于n＝4与n＝2的能级差，则Hα与Hβ相比，Hα的波长大、频率小，故A错误，B正确；Hβ对应的光子能量为E＝(－0.85)eV－(－3.40)eV＝2.55 eV，故C错误；氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量E′＝(－3.40)eV－(－13.6)eV＝10.2 eV，Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态，故D正确。 答案：BD　 2. 原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则 (　 ) A．①和③的能量相等 B．②的频率大于④的频率 C．用②照射该金属一定能发生光电效应 D．用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek 解析：由题图可知，①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，A正确；因为②对应的能级差小于④对应的能级差，可知②的能量小于④的能量，根据E＝hν可知，②的频率小于④的频率，B错误；因为②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①的能量，②的频率小于①的频率，则用②照射该金属不一定能发生光电效应，C错误；因为④对应的能级差大于①对应的能级差，可知④的能量大于①的能量，即④的频率大于①的频率，因用①照射某金属表面时逸出光电子的最大初动能为Ek，根据Ek＝hν－W逸出功，则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，D错误。 答案：A　 “课时跟踪检测”见“课时跟踪检测” （十四） (单击进入电子文档) 42 3．氢原子的能级图如图所示。 请对以下说法作出判断： (1)玻尔原子模型彻底否定了卢瑟福的核式结构学说。( ) (2)按照玻尔原子模型，氢原子处在n＝1能级状态最稳定。 ( ) (3)由En＝可知，氢原子的能级是不连续的。 ( ) (4)氢原子核外电子的轨道半径是可以连续变化的。 ( ) (5)氢原子吸收光子后将向离核较远的轨道跃迁。 ( ) [解析]　α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小，a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为零，则α粒子从a到c的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝，b点离原子核最近，所以α粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误。 [答案]　C /方法技巧/ 应用核式结构模型分析求解问题时，要注意从力的角度及功能关系角度入手。 1．α粒子的受力特点 α粒子与原子核间的作用力是库仑斥力：F＝k。 (1)式中Q为原子核的电荷量，q为α粒子所带电荷量，r为α粒子与原子核间的距离。 (2)α粒子离原子核越近，库仑力越大，运动加速度越大，反之，则越小。 (3)α粒子的受力方向沿原子核与α粒子的连线，由原子核指向α粒子。 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。 [典例体验] [典例]　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En＝，其中E1＝－13.6 eV。如图是按能量排列的电磁波谱，要使n＝20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 [解析]　由题意知氢原子第20能级的能量为E20＝＝ eV＝－3.4×10－2eV，则处于第20能级的氢原子恰好失去一个电子变成氢离子(即电离)，需要吸收的光子能量应为3.4×10－2eV，结合电磁波谱可知被吸收的光子为红外线波段的光子，A正确。 [答案]　A 解析：大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时，能够辐射出不同频率的光有C＝3种，辐射出光子的能量分别为ΔE1＝E3－E1＝－1.51 eV－(－13.6 eV)＝12.09 eV，ΔE2＝E3－E2＝－1.51 eV－(－3.4 eV)＝1.89 eV，ΔE3＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，其中ΔE1＞3.11 eV，ΔE2＜3.11 eV，ΔE3＞3.11 eV，所以辐射不同频率的紫外光有2种。故选B。 答案：B　 解析：设α粒子质量为M，电子质量为m，碰撞后α粒子和电子的速度分别为v1、v2，因碰撞为弹性碰撞，可得： Mv＝Mv1＋mv2 Mv2＝Mv12＋mv22 可解得：v1＝ v＝v≈0.999 7v。 可见α粒子的速度变化只有初速度的万分之三，说明原子中的电子不能使α粒子发生明显偏转。 答案：见解析 答案：(1)0.31 eV　(2)10种 解析：(1)氢原子基态的能量为E1＝－13.6 eV，在发出的所有光子中，频率最高的光子是从最高能级向基态跃迁产生的，由En－E1＝－0.96 E1 可得En＝0.04E1＝， 故氢原子所处的激发态为n＝5能级， 频率最小的光子的能量ΔE′＝－ ≈0.31 eV。 (2)由N＝C＝10可得，这些光子可具有10种不同频率的光子。 3．处在激发态的氢原子向能量较低的状态跃迁时会发出一系列不同频率的光，称为氢光谱。氢光谱线的波长可以用下面的巴耳末—里德伯公式来表示＝R∞，n、k分别表示氢原子跃迁前后所处状态的量子数，k＝1、2、3、…，对于每一个k，有n＝k＋1，k＋2，k＋3，…，R∞称为里德伯常量，是一个已知量。对于k＝1的一系列谱线其波长处在紫外线区，称为赖曼系；k＝2的一系列谱线其波长处在可见光区，称为巴耳末系。用氢原子发出的光照射某种金属进行光电效应实验，当用赖曼系波长最长的光照射时，遏止电压的大小为U1；当用巴耳末系波长最短的光照射时，遏止电压的大小为U2。已知电子电荷量的大小为e。则该种金属的逸出功等于多少？ 答案：(U1－3U2) 解析：赖曼系中波长最长的光是氢原子由n＝2向k＝1跃迁发出的，设波长为λ1，则有＝R∞＝，其光子能量为E1＝h＝；巴耳末系中波长最短的光是氢原子由n→∞向k＝2跃迁发出的，设波长为λ2，则有＝R∞＝，其光子能量为E2＝h＝。设金属的逸出功为W0，两种光子照射金属发出的两种光电子的最大初动能分别为eU1、eU2，由光电效应方程得：－W0＝eU1，－W0＝eU2，联立解得W0＝(U1－3U2)。 $$