第1节 原子的结构-【金版新学案】2025-2026学年高中物理选择性必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（粤教版）

本高中物理讲义聚焦原子结构，系统梳理α粒子散射实验现象、卢瑟福核式结构模型，以及玻尔原子理论的轨道量子化、能级跃迁等核心知识点，构建从经典模型到量子理论的认知脉络。 资料通过情境导入、师生互动及例题解析，强化科学思维与科学探究。如α粒子散射实验分析培养模型建构能力，能级跃迁问题提升科学论证素养，课中辅助教学，课后助力学生巩固知识、查漏补缺。

第一节　原子的结构 【素养目标】　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。　2.知道玻尔原子理论的基本假设和主要内容；了解能级跃迁、轨道和能量量子化以及基态、激发态等概念。 知识点一　α粒子散射实验与原子的核式结构 【情境导入】　如图为1909～1911年英国物理学家卢瑟福指导他的助手进行α粒子散射实验的实验示意图，回答以下问题： (1)什么是α粒子？ (2)实验装置中各部件的作用是什么？ (3)实验现象如何？ (4)少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？ 提示：(1)α粒子是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核。 (2)①放射源：把放射性元素放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子。 ②带荧光屏的显微镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光。 (3)α粒子散射实验的实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。 (4)α粒子带正电，α粒子受原子中带正电部分的排斥力作用发生了大角度散射。 【教材梳理】(阅读教材P102－P103完成下列填空) 1．电子的发现：J.J.汤姆孙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，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中，被形象地称为“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”。 3．α粒子散射实验 (1)英国物理学家卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验，如图所示。 (2)实验结果：绝大多数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，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。 (3)实验意义：卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了J.J.汤姆孙的原子模型，提出了原子的核式结构模型。 4．原子的核式结构模型：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。 【师生互动】　在探究原子内部结构的过程中，卢瑟福说：“我知道了，原子到底是什么样的……可以将它想象成一个小的太阳系。”你是怎么样理解这段话的？ 提示：在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动，这就像行星绕太阳运转一样，原子内部就像一个小型的太阳系。 学生用书↓第79页 　对α粒子散射实验的理解 人类对原子结构的认识，涉及许多实验的探究及众多科学家的创造性思想。 (1)1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况(图甲)，断定阴极射线是________(选填“电磁波”或“电子”)，进而认为原子是一个球体，提出了原子的“葡萄干布丁模型”或“________模型”； (2)1909年，卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验(图乙)，提出了原子的核式结构模型。下列对此实验与模型的说法，正确的是________。 A．α粒子散射实验证明了原子核是由质子和中子组成的 B．绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，主要是因为电子的质量太小 C．极少数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转，是因为其受到金原子核的强库仑斥力 D．α粒子散射实验说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上 (3)实验中大量的粒子穿过金箔前后的运动模型如图丙所示，下列关于“α粒子穿过金箔后”的描述中，正确的是________。 A．当α粒子靠近原子核时，加速度增大 B．当α粒子靠近原子核时，电势能增大 C．通过α粒子散射实验，确定了原子核半径的数量级为10－15～10－14 m D．通过α粒子散射实验，确定了原子半径的数量级为10－15～10－14 m 答案：(1)电子　枣糕　(2)CD　(3)ABC 解析：(1)汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况，断定其本质是带负电的粒子流，并断定阴极射线是电子。汤姆孙认为正电荷均匀地分布在整个球体内，电子镶嵌其中，提出了原子的“葡萄干布丁模型”或“枣糕模型”。 (2)α粒子散射实验不能证明原子核内部存在质子，也不能证明原子核由质子和中子组成，故A错误；绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，主要是因为原子内部绝大部分空间是空的，故B错误； 极少数α粒子穿过金箔后发生大角度偏转，是因为其受到金原子核的强库仑斥力，故C正确；α粒子散射实验说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上，故D正确。故选CD。 (3)当α粒子靠近原子核时，库仑力增大，加速度增大，库仑力做负功，电势能增大，A、B正确；通过α粒子散射实验，确定了原子核半径的数量级为10－15～10－14 m，原子半径的数量级为10－10 m，不是通过α粒子散射实验确定的，C正确，D错误。 　对原子的核式结构模型的理解 (多选)卢瑟福提出的原子的核式结构模型包括下列哪些内容(　　) 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 答案：ABD 解析：卢瑟福提出的原子的核式结构模型是：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ABD。 针对练．在α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子碰撞的影响，这是因为(　　) A．α粒子和电子根本无相互作用 B．电子是均匀分布的，α粒子受电子作用的合力为零 C．α粒子在和电子碰撞中动量的改变量极小，可忽略不计 D．电子体积很小，α粒子碰撞不到电子 答案：C 解析：α粒子与电子之间存在着相互作用力，这个作用力是库仑引力，但由于电子质量很小，只有α粒子质量的1/7 300，碰撞时对α粒子的运动影响极小，几乎不改变运动方向，就像一颗子弹撞上一颗尘埃一样，故C正确，A、B、D错误。 知识点二　氢原子光谱和玻尔原子理论 【情境导入】　如图为氢原子的光谱。 仔细观察，氢原子光谱的谱线是连续的吗？从左向右，相邻谱线间的距离怎样变化？ 提示：谱线是分立的。从左向右，相邻谱线间的距离越来越大。 【教材梳理】(阅读教材P103－P106完成下列填空) 1．氢原子光谱 (1)原子光谱：某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱，这种光谱被称为原子光谱。 学生用书↓第80页 (2)实验得到的氢原子光谱是分立的。 2．原子的能级结构 (1)轨道量子化 ①电子绕原子核运动的轨道半径是分立的，电子只能在某些特定的轨道上运动。 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。这些分立的能量值被称为原子的能级。 (3)跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁。 (4)基态与激发态 ①基态：在正常状态下，氢原子处于最低的能级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－13.6 eV。 ②激发态：当电子受到外界激发时，可从外界吸收能量，并从基态跃迁到较高的能级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)能级跃迁：处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并且在这个过程中辐射光子。假定原子在跃迁前后分别处于能级Em和En，则辐射出光子的能量为hν＝Em－En(m>n)。反之，原子吸收了特定频率的光子，或者通过其他途径获得能量时，便可以从低能级向高能级跃迁，同样也遵循上述的规律。 (6)玻尔理论的局限性：保留了经典粒子的观念，把电子的运动仍看作经典理论下的轨道运动。 (7)电子云：当原子处于不同的状态时，电子在原子核周围各处出现的概率不同。若用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，这样画出的概率分布图称为电子云。 【师生互动】　根据经典电磁理论，电子围绕原子核转动时，不断辐射电磁波，损失动能，半径不断减小，最终将落到原子核上。为了解释稳定原子与该理论的矛盾，玻尔原子模型中哪些方面用到了量子假设？电子由高能级状态跃迁到低能级状态时，释放出的光子的频率可以是任意值吗？ 提示：轨道量子化和能量量子化。不可以，释放出的光子的频率只能是一系列分立值。 (多选)根据玻尔理论，以下说法正确的是(　　) A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波 B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量 C．原子内电子的可能轨道是不连续的 D．原子能级跃迁时，辐射或吸收光子的能量取决于两个轨道的能量差 答案：BCD 解析：根据玻尔理论，处于定态的原子，电子绕核运动有加速度，但并不向外辐射能量，也不向外辐射电磁波，故A错误，B正确；电子绕核运动可能的轨道半径是量子化的，不连续的，故C正确；原子在发生能级跃迁时，要辐射或吸收一定频率的光子，光子能量取决于两个轨道的能量差，故D正确。 (多选)如图为氢原子的能级图。一群氢原子处于n＝3的激发态上，下列说法正确的是(　　) 学生用书↓第81页 A．原子向n＝2能级跃迁需要吸收能量 B．原子向低能级跃迁能发出3种不同频率的光子 C．原子向n＝4能级跃迁需要吸收的能量为0.66 eV D．原子至少需要吸收1.51 eV的能量才能发生电离 答案：BCD 解析：原子从n＝3向n＝2能级跃迁时，要释放能量，A错误；一群氢原子从n＝3向低能级跃迁时，能发出C＝3种不同频率的光子，B正确；由ΔE＝Em－En可得ΔE＝0.66 eV，C正确；由题图可知，n＝3的能级为－1.51 eV，所以至少需要吸收1.51 eV的能量才能发生电离，D正确。 原子的能级跃迁问题 跃迁是指电子从某一轨道跃迁到另一轨道，对应着原子从一个能量状态(定态)跃迁到另一个能量状态(定态)。处于低能量状态的原子吸收光子后跃迁到高能量状态，吸收的光子能量等于两定态的能量差。 (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。 (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全部或部分地被原子吸收，所以当入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差时，也可使原子发生能级跃迁。 (3)氢原子能级跃迁的可能情况 ①大量处于n能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出C＝种不同频率的光子。 ②一个处于n能级的氢原子向低能级跃迁时，最多能辐射出(n－1)种不同频率的光子。 针对练1.根据玻尔理论，某原子从能量为E的轨道跃迁到能量为E′的轨道，辐射出波长为λ的光子。以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，E′等于(　　) A．E－h B．E＋h C．E－h D．E＋h 答案：C 解析：释放的光子能量为hν＝h，所以E′＝E－hν＝E－h。故选C。 针对练2.(多选)若规定氢原子处于基态时的能量为E1＝0，则其他各激发态的能量依次为E2＝10.2 eV、E3＝12.09 eV、E4＝12.75 eV、E5＝13.06 eV…在气体放电管中，大量处于基态的氢原子受到能量为12.8 eV的高速电子轰击而跃迁到激发态，在这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中(　　) A．总共能辐射出6种不同频率的光子 B．总共能辐射出10种不同频率的光子 C．辐射出波长最长的光子是从n＝4能级跃迁到n＝3能级时放出的 D．辐射出波长最长的光子是从n＝5能级跃迁到n＝4能级时放出的 答案：AC 解析：由题意可知，处于基态的氢原子跃迁后的激发态的最高能量为E4＝12.75 eV，所以共有4→1、4→2、4→3、3→1、3→2、2→1等6种不同频率的光子辐射出来，其中从n＝4能级跃迁到n＝3能级时辐射出的光子能量最小，频率最低，波长最长，故A、C正确。 1.如图为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图，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，观察到屏上的闪光次数最多的是(　　) A．A位置 B．B位置 C．C位置 D．D位置 答案：A 解析：由α粒子散射实验的结果可知，放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多；放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较少；放在C位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数很少；放在D位置时，屏上可以观察到闪光，只不过次数极少。故选A。 2.如图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 学生用书↓第82页 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 答案：B 解析：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；通过该实验，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。 3．一群处在量子数n＝4激发态的氢原子，在发光的过程中，下列说法正确的是(　　) A．频率最高的光是从n＝4向n＝3跃迁时产生的 B．波长最短的光是从n＝4向n＝3跃迁时产生的 C．氢原子的能量减小，电子的动能减小 D．氢原子的能量减小，电子的动能增大 答案：D 解析：由玻尔原子理论可知，从n＝4向n＝3跃迁时产生的光子的能量最小，由E＝hν＝可知，光的频 率最低，波长最长，A、B错误；氢原子向低能级跃迁，即在发光的过程中，氢原子的能量减小，轨道半径减小，由库仑定律和牛顿第二定律可得＝m，解得v＝，可知核外电子的速度增大，动能增大，C错误，D正确。故选D。 4.(多选)如图所示，一群处于n＝5能级的氢原子在向n＝1能级跃迁的过程中(　　) A．放出10种频率不同的光子 B．若只有一个处于n＝5能级的氢原子向n＝1能级跃迁，能放出4种频率不同的光子 C．放出的光子的最大能量为13.06 eV，最小能量为0.66 eV D．放出的光子有的能使逸出功为13 eV的金属发生光电效应现象 答案：ABD 解析：一个处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，能放出n－1＝4种频率不同的光子，一群处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，放出C＝10种频率不同的光子，故A、B正确；根据玻尔原子理论可知，能级差越大，跃迁时放出的光子能量越大，则ΔEmax＝E5－E1＝－0.54 eV－(－13.6 eV)＝13.06 eV，ΔEmin＝E5－E4＝－0.54 eV－(－0.85 eV)＝0.31 eV，故C错误；因ΔEmax＝13.06 eV>13 eV，故有的光子的能量大于逸出功13 eV，可以使逸出功为13 eV的金属发生光电效应现象，故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $