5.1 原子的结构（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年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．] 课时作业(9)原子的结构 [对应学生用书P132] 1．(多选)关于玻尔理论，以下论断正确的是(　　) A．原子的不同定态对应于电子沿不同的圆形轨道绕核运动 B．当原子处于激发态时，原子向外辐射能量 C．只有当原子处于基态时，原子才不向外辐射能量 D．不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量 AD　[由轨道量子化假设知A正确；根据能级假设和频率条件知不论原子处于何种定态，原子都不向外辐射能量，原于只有从一个定态跃迁到另一个定态时，才辐射或吸收能量，所以B、C错误，D正确．] 2．通过如图的实验装置，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.则能观察到粒子数量最多的是位置(　　) A．1　　　　 B．2　　　　 C．3　　　　 D．一样多 C　[卢瑟福通过这个实验，得出了原子核式结构模型．放在3位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较少．放在2位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少．放在1位置时，屏上可以观察到闪光，只不过很少很少．故C正确，A、B、D错误．故选C.] 3．根据玻尔理论，关于氢原子的能量，下列说法中正确的是(　　) A．是一系列不连续的任意值 B．是一系列不连续的特定值 C．可以取任意值 D．可以在某一范围内取任意值 B　[根据玻尔理论，氢原子的能量是一系列不连续的特定值，B选项正确．] 4．卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是(　　) D　[α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确．] 5.在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示．图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域．不考虑其他原子核对该α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是(　　) A．可能在①区域 B．可能在②区域 C．可能在③区域 D．可能在④区域 A　[α粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的α粒子产生斥力，故原子核不会在④区域；如原子核在②、③区域，α粒子会向①区域偏；如原子核在①区域，可能会出现题图所示的轨迹，故应选A.] 6．(多选)氢原子核外电子从A能级跃迁到B能级时，辐射波长是λ1的光子，从A能级跃迁到C能级时，辐射波长是λ2的光子，若λ1＞λ2，则电子从B能级跃迁到C能级时，氢原子(　　) A．吸收光子 B．辐射光子 C．这个光子的波长是λ1－λ2 D．这个光子的波长是 BD　[因为λ1＞λ2，则频率ν1＜ν2.即A到B辐射光子的能量小于A到C辐射光子的能量，所以B能级能量比C能级能量大，原子从B能级跃迁到C能级时辐射光子，B、C间的能级差ΔE＝EB－EC＝(EA－EC)－(EA－EB)＝h－h＝h，解得λ3＝，故选B、D.] 7．氢原子发光时，能级间存在不同的跃迁方式，图中①②③三种跃迁方式对应的光谱线分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，下列A、B、C、D光谱图中，与上述三种跃迁方式对应的光谱图应当是图中的(图中下方的数值和短线是波长的标尺)(　　) A　[由玻尔的氢原子光谱原理可知由第四能级向基态跃迁释放的光子的能量最大，第三能级到基态的能量次之，第二能级到基态的能量最小；由光子的能量公式ε＝hν＝h可知能量越大波长越短，因此①②③的波长依次减小，A符合题意．] 8．处于基态的氢原子被一束单色光照射后，共发出三种频率分别为ν1、ν2、ν3的光子，且ν1＞ν2＞ν3，则入射光子的能量应为(　　) A．hν1 B．hν2 C．hν3 D．h(ν1＋ν2＋ν3) A　[处于基态的氢原子被一束单色光照射后，共发出三种频率分别为ν1、ν2、ν3的光子，说明电子由基态跃迁到了n＝3的定态，由n＝3的定态跃迁到基态，可以发出三种频率的光子，由ν1＞ν2＞ν3可知，频率为ν1的光子是由n＝3的定态直接跃迁到基态的，其能量与入射光子的能量相等，频率为ν2的光是由n＝2的定态跃迁到基态的，频率为ν3的光子是由n＝3的定态跃迁到n＝2的定态的，所以入射光子的能量为hν1或者h(ν2＋ν3)，故A正确，B、C、D错误．故选A.] 9．氢原子从激发态跃迁到基态时，核外电子(　　) A．动能增加，电势能减少，动能的增加量小于电势能的减少量 B．动能增加，电势能减少，动能的增加量等于电势能的减少量 C．动能减少，电势能增加，动能的减少量大于电势能的增加量 D．动能减少，电势能增加，动能的减少量等于电势能的增加量 A　[氢原子从激发态跃迁到基态时，释放能量，总能量变小，电子的轨道半径变小，根据k＝m，可知电子的速度增大，动能增大，而总能量减小，所以电势能减小量大于动能的增加量．故A正确．] 10.如图所示，M、N为原子核外的两个等势面，已知UNM＝100 V．一个α粒子以2.5×105 m/s的速率从等势面M上的A点运动到等势面N上的B点，求α粒子在B点时速度的大小(已知mα＝6.64×10－27 kg). 解析　α粒子从A点运动到B点，库仑力做的功 WAB＝qUMN＝－qUNM， 由动能定理WAB＝mαv－mαv， 故vB＝ ＝m/s ≈2.3×105 m/s 答案　2.3×105 m/s 11．美国科学家密立根通过油滴实验首次精确地测出了电子的电荷量．油滴实验的原理如图所示，两块水平放置的平行金属板与电源相连，上、下板分别带正、负电荷．油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦带负电，经上板中央小孔落到两板间的匀强电场中，通过显微镜可以观察到它运动的情况．两金属板间的距离为d.(忽略油滴之间的相互作用力和空气对油滴的浮力及阻力) (1)调节两金属板间的电压，当U＝U0时，观察到某个质量为m1的油滴恰好匀速竖直下落，求该油滴所带的电荷量； (2)若油滴进入电场时的初速度可以忽略，当两金属板间的电势差U＝U1时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴所带的电荷量． 解析　(1)当U＝U0时，油滴恰好做匀速直线运动，满足m1g－q＝0，解得q＝. (2)当U＝U1时，质量为m2的油滴做匀加速运动，满足d＝at2，m2g－q′＝m2a 联立解得q′＝＝(gt2－2d). 答案　(1)　(2)(gt2－2d) 12．如图是研究光电效应的实验电路和氢原子的能级示意图．现用等离子态的氢气(即电离态，n→∞)向低能级跃迁时所发出的光照射光电管的阴极K，测得电压表的示数是20 V．已知光电管阴极材料的逸出功是3.6 eV，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，结果均保留两位有效数字．求：(e＝1.6×10－19 C，c＝3×108 m/s) (1)氢气发光的最短波长； (2)该光电管阴极材料发生光电效应的极限波长； (3)光电子到达阳极A的最大动能． 解析　(1)从n→∞跃迁至基态，释放光子的能量为 hνmax＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV 根据c＝λν可知最短波长为λmin＝＝＝ m≈9.1×10－8 m (2)极限频率满足hνc＝h＝W0 解得极限波长 λc＝＝ m≈3.5×10－7 m (3)根据光电效应方程可知光电子从K中逸出时最大初动能为Ekm＝hνmax－W0＝13.6 eV－3.6 eV＝10 eV 根据能量守恒定律可知光电子到达阳极A的最大动能为 Ek＝eU＋Ekm＝20 eV＋10 eV＝30 eV 答案　(1)9.1×10－8 m　(2)3.5×10－7 m　(3)30 eV 学科网（北京）股份有限公司 $$