5.1 原子的结构 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

DIWUZHANG 第五章 第一节　原子的结构 1.了解α粒子散射实验现象以及卢瑟福原子核式结构模型的主要内容(重点)。 2.了解氢原子的光谱的实验规律，知道氢原子光谱分立的特点。 3.知道玻尔原子理论的主要内容，了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念(重难点)。 学习目标 2 一、原子核式结构的提出 二、氢原子光谱 课时对点练 三、原子的能级结构 内容索引 3 一 原子核式结构的提出 4 1.电子的发现：_________在气体电离和光电效应实验现象中发现了电子。 2.J.J.汤姆孙的原子结构模型：原子是一个球体，正电荷______地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中，被形象称为“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”。 J.J.汤姆孙 均匀 按照J.J.汤姆孙的原子模型，正电荷均匀分布在整个原子球体内。α粒子穿过金箔，受到电荷的作用力后，沿哪些方向前进的可能性较大？最不可能沿哪些方向前进？ 讨论与交流 答案　α粒子受到的各方向正电荷的斥力基本会相互平衡，因此α粒子沿直线运动的可能性最大，最不可能发生大角度偏转。 3.α粒子散射实验 (1)英国物理学家_______指导他的助手进行了α粒子散射实验。 (2)如图所示，α粒子散射实验装置由α粒子源、______、显微镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于______中。 (3)实验现象：________α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有______α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到了180°。 卢瑟福 金箔 真空 绝大多数 极少数 (4)现象分析： ①由于α粒子的质量远大于电子的质量，原子中的电子_______使α粒子发生大角度的偏转。 ②少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子一定是受到原子内部正电荷产生的极强的_________作用，运动方向才会发生如此大的改变。 ③绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在体积很小的核内。 不可能 电场斥力 (5)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结构模型，建立了_________模型。 4.核式结构模型：原子的中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转。 5.原子的大小：原子半径的数量级大约是_______ m，而原子核半径的数量级为10－15～10－14 m，仅相当于原子半径的万分之一。 核式结构 10－10 　(2022·广州市高二期末)如图所示是英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔的实验装置，下列关于该实验的描述正确的是 A.α粒子轰击金箔的实验不需要在真空条件下 完成 B.该实验揭示了原子具有核式结构 C.实验结果表明绝大多数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转 D.该实验证实了汤姆孙原子结构模型的正确性 例1 √ 为了避免其他原子的影响，α粒子轰击金箔 的实验需要在真空条件下完成，故A错误； α粒子的散射实验说明原子中绝大部分是空 的，揭示了原子具有核式结构，故B正确； α粒子的散射实验观测到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误； 通过该试验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子结构模型，故D错误。 　(多选)卢瑟福提出的原子核式结构学说包括下列哪些内容 A.原子的中心有一个很小的核 B.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 C.原子的正电荷均匀分布在它的全部体积上 D.带负电的电子在核外空间绕原子核旋转 例2 卢瑟福提出的原子核式结构模型是：原子的中心有一个很小的原子核，它集中了原子的几乎全部质量和所有的正电荷，带负电的电子在核外空间绕原子核旋转。故选A、B、D。 √ √ √ 二 氢原子光谱 13 如图所示为氢原子的光谱。 仔细观察，氢原子光谱具有什么特点？ 答案　从右至左，相邻谱线间的距离越来越小。 1.原子光谱：某种_____的气体通电后可以发光并产生________的光谱。 2.不同的原子发光产生的光谱不同，每一种原子都有自己的特征谱线。 3.经典理论的困难：经典物理学无法解释原子的________，也无法解释氢原子光谱是______的。 梳理与总结 原子 固定不变 稳定性 分立 　关于原子光谱，下列说法不正确的是 A.原子光谱是不连续的 B.由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的光谱是相同的 C.由于不同原子的结构不同，所以不同原子的光谱也不相同 D.分析物质发光的光谱，可以鉴别物质含有哪些元素 例3 √ 原子光谱为线状谱，是不连续的，A正确； 各种原子都有自己的特征谱线，故B错误，C正确； 根据不同原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成，D正确。 三 原子的能级结构 17 1.轨道量子化 (1)电子绕原子核运动的轨道半径是______的，电子只能在某些______的轨道上运动。 (2)氢原子的电子轨道最小半径为r1＝0.053 nm，其余轨道半径满足rn＝n2r1，式中n称为量子数，对应不同的轨道，只能取正整数。 2.能级：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_______被称为原子的能级。 3.跃迁：原子从一个能级变化到_______能级的过程叫作跃迁。 分立 特定 能量值 另一个 4.基态与激发态： (1)基态：氢原子处于_____的能级E1(n＝1)，这个最低能级对应的状态称为基态。选取电子处于无穷远处时氢原子的能量为零，氢原子在基态时的能量为_______ eV。 (2)激发态：当电子受到外界激发时，可从外界______能量，并从基态跃迁到______的能级E2，E3，…上，这些能级对应的状态称为激发态。氢原子各能级的关系为：En＝ E1[E1＝－13.6 eV，(n＝1,2,3，…)]。 5.光子的能量：处于激发态的原子是不稳定的，它会向较低能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子形式向外辐射，辐射出的光子的能量等于两能级间的能量差，即hν＝________。 最低 －13.6 吸收 较高 Em－En 　根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是 A.若氢原子由能级En向低能级Em跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为hν ＝En－Em B.电子沿某一轨道绕核运动，若圆周运动的频率为ν，则其发光的频率也 是ν C.一个氢原子中的电子从一个半径为ra的轨道直接跃迁到另一半径为rb的 轨道，则此过程原子要辐射某一频率的光子 D.氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁 例4 √ 原子由能级En向低能级跃迁时，辐射的光子能量等于两能级的能量差，故A正确； 电子沿某一轨道绕核运动，处于某一定态，不向外辐射能量，故不发光，故B错误； 电子只有由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道，能级降低，才能辐射某一频率的光子，故C错误； 原子吸收光子后能量增加，能级升高，故D错误。 　若用|E1|表示氢原子处于基态时能量的绝对值，处于n＝3激发态的氢原 子向基态跃迁时______(“辐射”或“吸收”)光子的能量为______(处于 第n能级的能量为En＝ )。 例5 辐射 　(2022·河南信阳市高二月考)氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下述说法中正确的是 A.电子绕核旋转的半径增大 B.氢原子的能量增大 C.氢原子的电势能增大 D.氢原子核外电子的速率增大 例6 √ 原子的能量及变化规律 1.原子的能量：En＝Ekn＋Epn。 总结提升 电子轨道半径越大，电子绕核运动的动能越小。 3.当电子的轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大，反之，电势能减小。 4.电子的轨道半径增大时，说明原子吸收了能量，从能量较低的轨道跃迁到了能量较高的轨道。即电子轨道半径越大，原子的能量越大。 总结提升 四 课时对点练 考点一　原子的核式结构 1.(多选)关于电子的发现，下列叙述正确的是 A.电子的发现，说明原子是由电子和原子核组成的 B.电子的发现，说明原子具有一定的结构 C.电子是第一种被人类发现的基本粒子 D.电子的发现，比较好地解释了物体的带电现象 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 基础对点练 √ √ 在发现电子之前，人们认为原子是不可再分的最小粒子。电子的发现，说明原子具有一定的结构，但并没有证明原子核的存在，也不能说明原子是由电子和原子核组成的，故A错误，B正确； 电子是人类发现的第一种基本粒子，故C正确； 物体带电的过程，就是电子的得失和转移的过程，从而比较好地解释了物体的带电现象，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2.关于原子结构的认识历程，下列说法正确的有 A.汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内 B.汤姆孙通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷量 C.卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释原子中带正电部分的体积、 质量占比都很小 D.α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结 构模型的主要依据 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 汤姆孙发现电子后猜想出原子核内的正电荷是均匀分布的，故A错误； 密立根通过著名的“油滴实验”精确测定了电子电荷量，故B错误； 卢瑟福提出的原子核式结构模型，能够很好地解释原子中带正电部分的体积占比很小，质量占比很大，故C错误； α粒子散射实验中少数α粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子的核式结构模型的主要依据，故D正确。 3.(多选)(2022·陕西榆林市高二月考)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是 A.在实验中，观察到的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来 的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转 B.使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近 核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电 子的吸引力使之发生明显偏转 C.实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分 D.实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 α粒子散射实验的现象是：绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大角度的偏转；极少数α粒子发生了大角度偏转，选项A正确； 当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转，由于α粒子的质量远大于电子的质量，原子中的电子不可能使α粒子发生大角度偏转，选项B错误； 从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，推测使粒子受到排斥力的核体积极小，选项C正确； 实验表明原子中心的核带有原子的全部正电荷和绝大部分质量，选项D错误。 4.(多选)如图为卢瑟福和他的同事们做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.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪 光次数最多 B.相同时间内放在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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验时，在A位置能观察到大部分α粒子，在B位置能观察到少数α粒子，在C、D位置能观察到极少数α粒子。故选项A、D正确。 考点二　原子的能级结构 5.(多选)玻尔在他提出的原子模型中提出的假设有 A.原子处于称为定态的能量状态时，电子在轨道上绕核转动，但并不向 外辐射能量 B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子 的可能轨道的分布是不连续的 C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子 D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ √ 6.(多选)下列说法正确的是 A.原子从基态跃迁到激发态要放出光子，放出光子的能量等于原子在始、 末两个能级的能量差 B.原子不能从低能级向高能级跃迁 C.原子吸收光子后从低能级跃迁到高能级，电子的电势能增加 D.原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量 恒等于始、末两个能级的能量差 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 原子从基态跃迁到激发态要吸收光子，吸收的光子的能量等于原子在始、末两个能级的能量差，故A错误； 原子吸收光子可从低能级跃迁到高能级，该过程电子动能变小，电子的电势能增加，故B错误，C正确； 根据玻尔理论可知，原子无论是吸收光子还是放出光子，吸收的光子或放出的光子的能量恒等于始、末两个能级的能量差，故D正确。 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 8.(2022·福建三明市高二月考)卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子核式结构模型，实验装置如图所示，带电粒子打到光屏上就会产生光斑，为验证α粒子散射实验结论，现在1、2、3、4四处放置带有荧光屏的显微镜，则这四处位置一段时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是 A.1 605、35、11、1 B.1 242、1 305、723、203 C.2、10、655、1 205 D.1 232、1 110、233、203 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 α粒子散射实验现象是绝大多数粒子直接穿过，少数发生大角度偏转，极少数甚至原路返回，故A正确，B、C、D错误。 9.(2022·上海市浦东新区高二期中)如图为卢瑟福的α粒子散射实验，①、②两条线表示实验中α粒子运动的轨迹，则沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为 A.轨迹a B.轨迹b C.轨迹c D.轨迹d √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 卢瑟福通过α粒子散射提出了原子的核式结构模型，正电荷全部集中在原子核内，α粒子带正电，同种电荷相互排斥，因离原子核越近，受到的库仑斥力越强，则偏转程度越强，所以沿③所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹为a。故选A。 10.(多选)氢原子核外电子由一个轨道跃迁到另一个轨道时，可能发生的情况是 A.放出光子，电子动能减少，原子势能增加 B.放出光子，电子动能增加，原子势能减少 C.吸收光子，电子动能减少，原子势能增加 D.吸收光子，电子动能增加，原子势能减少 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 当吸收光子时，总能量增大，轨道半径应该增大，所以电子动能减少，原子势能增加；当放出光子时，总能量减小，轨道半径应该减小，所以电子动能增加，原子势能减少。选项B、C正确。 11.(2022·广州市高二期中)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，图中实线表示α粒子运动轨迹。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 子接近原子核时受到的库仑斥力较小 C.α粒子出现较大角度偏转的过程中电势能先变小后变大 D.α粒子出现较大角度偏转的过程中加速度先变大后变小 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 卢瑟福通过α粒子散射实验提出原子核式结 构，汤姆孙发现了电子，故A错误； α粒子在接近原子核的过程中，斥力越来越 大，加速度越来越大，做负功，电势能变大； 在远离原子核的过程中，斥力越来越小，加速度越来越小，斥力做正功，电势能变小，故D正确，B、C错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.如图甲所示为a、b、c、d四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为 A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 √ 由矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照，b元素的特征谱线在该线状谱中不存在，与几个元素的特征谱线不对应的谱线说明该矿物中还有其他元素。故选B。 尖子生选练 |E1| n＝3时，E3＝，从n＝3的激发态向基态跃迁时要辐射光子，辐射光子的能量ΔE＝|E3－E1|＝|E1|。 电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，放出光子，电子电势能减少，原子总能量减少，根据k＝m，Ek＝mv2，解得Ek＝k，可知半径越小，电子动能越大，原子系统的电势能减少，故A、B、C错误，D正确。 2.电子绕原子核运动时：k＝m， 故Ekn＝mvn2＝ 7.若用E1表示氢原子处于基态时的能量，处于第n能级的能量为En＝(n＝1,2,3，…)，则在下列各能量值中，可能是氢原子从激发态向基态跃迁时辐射出来的能量的是 A. B. C. D. 处于第2能级的能量E2＝，则向基态跃迁时辐射的能量ΔE＝，处于第3能级的能量E3＝，则向基态跃迁时辐射的能量ΔE′＝，处于第4能级的能量为E4＝，向基态跃迁时辐射的能量ΔE″＝，则B正确。 $$