5.1 原子的结构 导学案 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理导学案聚焦“原子的结构”，涵盖原子核式结构（汤姆孙模型、α粒子散射实验、核式结构模型）和氢原子能级结构（原子光谱、能级跃迁、电子云）等核心知识点。通过从经典模型局限性到实验现象分析，再到量子化能级概念的递进，搭建起“实验→模型→理论”的学习支架。 导学案以分考点例题为特色，结合α粒子散射、密立根油滴等实验情境，强化科学探究能力。通过模型对比（汤姆孙模型与核式结构）和能级跃迁计算，培养科学思维与物理观念，分层练习题设计助力学生自主巩固，便于教师评估教学效果。

粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 5.1 原子的结构 一．原子核式结构的提出 1．J.J.汤姆孙的原子结构模型——葡萄干布丁模型． J．J.汤姆孙设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中有人形象地称其为“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”，该模型被卢瑟福的α粒子散射实验所否定． 2．α粒子散射实验． (1)α粒子散射实验的方法： 用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子偏转情况． (2)α粒子散射实验的目的： α粒子通过金箔时，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力作用，一些α粒子会改变原来的运动方向，产生偏转．统计散射到各个方向的α粒子数量，即可推知原子中质量和正电荷的分布情况． (3)α粒子散射实验的现象： 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．原子的核式结构模型． 卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型：在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核旋转． 4．原子和原子核的半径． 原子核的质量几乎集中了原子的全部质量，但它的半径却非常小，实验确定的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. 二、氢原子光谱和原子的能级结构 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． 2．能级结构猜想． (1)由于氢原子光谱是分立的，所以猜想原子内部的能量也是不连续的． (2)能级：把原子内部不连续的能量值被称为能级． (3)跃迁： ①把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁． ②处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时辐射光子；原子吸收特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可以从低能级向高能级跃迁．原子辐射或吸收光子的能量为hν＝Em－En，其中Em、En分别为原子跃迁前后的能级． 3．氢原子的能级． 氢原子的能级公式为，n＝1，2，3，…，其中E1＝－13.6_eV，正常情况下氢原子处于最低能级E1(n＝1)，这个状态称为基态，其他状态称为激发态． 处于激发态的氢原子是不稳定的，它会自发地向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，辐射出来的能量等于两能级间的能量差． 4．电子云． 玻尔理论的局限性为过多地保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动．原子中的电子没有确定的位置，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不 同的点表示时，这种图像就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云． 考点一：电子的发现及其比荷的测定 例1.物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现（　　） A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧 B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D．汤姆孙发现了电子，并精确测量了电子的电荷量 【答案】A 【详解】A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧，说明其带负电，汤姆孙的实验证实了这一点，故A正确； B．阴极射线带负电，在磁场中受力方向与正电荷相反（需用左手定则判断），故B错误； C．汤姆孙发现不同材料产生的阴极射线比荷相同，说明其为同一种粒子（电子），故C错误； D．汤姆孙发现了电子并测定了比荷，但精确测量电子电荷量的是密立根，故D错误。 故选A。 例2.在物理学的探索和发现过程中，物理思维和研究方法比物理知识本身更加重要。以下关于物理学研究方法和物理学史的叙述，正确的是（　　） A．在研究弹力时，通过激光笔、平面镜观察桌面形变，这里应用了实验推理法 B．美国科学家富兰克林命名了正电荷和负电荷，并通过油滴实验测得了元电荷的数值 C．第谷总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因 D．质点、点电荷都是抓住主要因素、忽略次要因素建立的理想化模型 【答案】D 【详解】A.在研究弹力时，通过激光笔、平面镜观察桌面形变，应用了微小量放大法，故A错误； B.富兰克林命名正负电荷，但元电荷数值由密立根油滴实验测得，故B错误； C.开普勒在第谷天文观测数据的基础上，总结出了行星运动的规律，但并未找出行星按照这些规律运动的原因，故C错误； D.质点、点电荷都是抓住主要因素忽略次要因素建立的理想化模型，故D正确。 故选D。 例3.美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先精确测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验．如图所示，两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止． (1)若要测出该油滴的电荷量，则需要测出的物理量有________． A．油滴质量m　　　 B．两板间的电压U C．两板间的距离d D．两板的长度L (2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________．(已知重力加速度为g) (3)若电子的电荷量为e，则该油滴中带的电子数为____________． 答案：(1)ABC　(2)　(3) 解析：(1)由题意及电场力公式可得，油滴静止时有 mg＝qE＝q 所以需要测油滴质量、两板间的电压和两板间的距离． (2)由上述分析可得q＝. (3)设油滴中带的电子数为n，则有ne＝q，n＝＝. 考点二：原子的核式结构 例1.下列对原子的认识，正确的是（　　） A．原子由原子核和核外电子组成 B．原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 C．原子核直径的数量级为10－10m D．中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷 【答案】A 【详解】A．原子由原子核和核外电子组成，这是卢瑟福原子模型的基本结论，故A正确； B．原子核带有原子的全部正电荷（由质子提供），但质量并非全部（电子质量不可忽略），故B错误； C．原子核直径的数量级为，而是原子直径的数量级，故C错误； D．中性原子中，核外电子的负电荷之和等于原子核的正电荷，否则原子会带电，故D错误。 故选A。 例2.在核物理研究的历史中，卢瑟福的α粒子散射实验具有奠基性意义，如图，关于该实验，下列说法正确的是（　　） A．确定了中子半径的数量级为10-10 m B．证明了原子内带正电的物质占据原子非常小的空间 C．观察到绝大多数α粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来 D．卢瑟福根据该实验提出了原子的核式结构模型，且认为原子核由质子和中子组成 【答案】B 【详解】A．α粒子散射实验并未涉及中子（中子直到1932年才由查德威克发现），更无法确定其半径数量级，故A错误； BC．α粒子散射实验现象绝大多数α粒子穿过金箔后基本仍沿原方向前进，少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转角超过甚至被反弹回来，证明了原子内带正电的物质占据原子非常小的空间，故B正确，C错误； D．卢瑟福根据该实验提出了原子的核式结构模型，但未提出原子核由质子和中子组成，故D错误。 故选B。 例3．α粒子散射实验装置如图所示，下列说法正确的是（    ） A．实验现象可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释 B．在c处可观察到绝大多数α粒子 C．在b、d两处，打在荧光屏上的α粒子数几乎相同 D．统计散射到各个方向的α粒子所占比例，卢瑟福提出了原子的核式结构模型 【答案】D 【详解】A．该实验中绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，极个别α粒子甚至被反弹回来，此实验现象不可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释，故A错误； B．在a处可观察到绝大多数α粒子，在c处可观察到少数α粒子，故B错误； C．在d处打在荧光屏上的α粒子数比在b处打在荧光屏上的α粒子数少，故C错误； D．统计散射到各个方向的α粒子所占比例，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，故D正确。 故选D。 考点三：原子核式结构与原子核的组成 例1.1909~1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞”了回来。为了解释这个实验现象，卢瑟福提出了（　　） A．电子轨道量子化理论 B．原子的核式结构模型 C．原子结构“枣糕”模型 D．分子电流假说 【答案】B 【详解】A．电子轨道量子化理论是玻尔提出的，用于解释氢原子光谱规律，与粒子散射实验无关，故A错误； B．卢瑟福根据粒子散射实验的现象，提出原子的核式结构模型，认为原子中心存在体积小、带正电、集中几乎全部原子质量的原子核，电子在核外绕核运动，可完美解释实验中粒子的偏转规律，故B正确； C．原子结构“枣糕”模型是汤姆逊提出的，无法解释粒子大角度偏转的实验现象，故C错误； D．分子电流假说是安培提出的，用于解释物质磁性的本质，与本题实验无关，故D错误。 故选B。 例2. α粒子散射实验装置如图所示。通过该实验，我们可以知道（　　） A．该实验证实了汤姆孙的“葡萄干面包模型”是正确的 B．大多数α粒子穿过金箔后，其运动方向受到较大的影响 C．占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围内 D．原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在其中 【答案】C 【详解】ACD．汤姆孙认为正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中，卢瑟福设计了α粒子散射实验，证明带正电的那部分物质占原子质量的绝大部分，而且集中在很小的空间范围，从而证明汤姆孙的“葡萄干面包模型”是错误的，故AD错误，C正确； B．当α粒子穿过原子时，电子对α粒子影响很小，影响α粒子运动的主要是原子核，离原子核远的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，所以只有极少数α粒子发生大角度的偏转，而绝大多数α粒子基本按直线方向前进，故B错误。 故选C。 考点四：原子的能级结构和玻尔原子理论 例1.如图（a）所示的、、、是氢原子从高能级向能级跃迁时产生的谱线，属于巴尔末系，如图（b）所示为氢原子部分能级图。下列说法正确的是（　　） A．的光子动量大于的光子动量 B．是由能级向能级跃迁产生的 C．对应的光子可以使氢原子从基态跃迁到激发态 D．的光子照射处于状态的氢原子，可以使氢原子电离 【答案】D 【详解】A．由光子动量可知，的光子动量小于的光子动量，故A错误； B．的波长长，频率小，根据光子能量公式可知，的能量最小，是由能级向能级跃迁产生的，故B错误； C．氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量 对应的光子能量 由于小于，不能使氢原子从基态跃迁到激发态，故C错误； D．光子是氢原子由能级向能级跃迁时产生的，其能量，可以使氢原子电离，故D正确。 故选D。 例2.如图所示，关于氢原子能级和谱线图，下列说法正确的是（　　） A．氢原子辐射光子的频率条件是 B．处于基态的氢原子可以吸收能量为11eV的光子而跃迁到高能级 C．所有原子光谱都有多条谱线，所以不能用来鉴别物质和确定物质的组成成分 D．一个氢原子处于激发态，向基态跃迁时，可能辐射出10种不同频率的光子 【答案】A 【详解】A．根据氢原子跃迁的辐射条件，氢原子从高能级n向低能级m（）跃迁辐射光子，光子能量满足，故A正确； B．基态氢原子能量为，吸收光子后总能量为 氢原子不存在该能级，不符合能级差要求，不能跃迁，故B错误； C．每种原子的原子光谱虽然有多条谱线，但不同原子都有其特征谱线，特征谱线可以用于光谱分析，鉴别物质、确定物质组成，故C错误； D．一个处于激发态的氢原子，向基态跃迁时，最多辐射出4种不同频率的光子（逐级跃迁），不可能辐射出10种，10种是大量氢原子跃迁的结果，故D错误。 故选 A。 例3.脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外线区域的吸收光谱不同，利用这一原理可以测量血氧饱和度。关于其中的物理知识，下列说法正确的是（　　） A．吸收光谱的特点是在连续光谱的背景上出现若干条明线 B．吸收红外线光子比吸收红光光子，原子能级提升更高 C．从玻尔原子理论来看，吸收了光子的原子势能增加 D．从玻尔原子理论来看，吸收了光子的原子核外电子动能增加 【答案】C 【详解】A．吸收光谱的特征是连续光谱背景上出现若干暗线，明线是发射光谱的特征，故A错误； B．光子能量满足，红外线频率低于红光，因此红外线光子能量更小，吸收后原子能级提升幅度更小，故B错误； C．原子吸收光子后，核外电子向高能级跃迁，轨道半径增大，库仑力做负功，原子电势能（即原子势能）增加，故C正确； D．由库仑力提供向心力 推导得电子动能 轨道半径增大时电子动能减小，故D错误。 故选C。 考点五：原子的能级跃迁 例1.日光灯管的发光原理与汞原子的能级跃迁有关，如图所示为汞原子的能级结构示意图，已知可见光光子能量范围为1.62eV~3.11eV，下列说法正确的是（　　） A．汞原子从向能级跃迁时，释放的光子属于可见光光子 B．汞原子从向能级跃迁时，释放的光子属于可见光光子 C．汞原子吸收8.0eV的能量后可以实现从基态到能级的跃迁 D．汞原子吸收8.0eV的能量后可以实现从基态到能级的跃迁 【答案】B 【详解】A․ 从向能级跃迁时，不在可见光能量范围1.62eV~3.11eV内，A错误； B․ 从向能级跃迁时，，在可见光能量范围1.62eV~3.11eV内，故B正确； C․ 汞原子从基态到、所需能量分别为4.9eV和7.7eV，均不等于，无法跃迁，C、D错误。 故选B。 例2.我国科研人员成功将锶原子光晶格钟的稳定度和不确定度指标全面突破到量级。原子钟依赖于原子中电子的能级跃迁，通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能级。氢原子的能级图如图所示，大量处于能级的氢原子吸收了大量能量为2.55eV的光子，氢原子辐射出光的频率最多有（　　） A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 【答案】D 【详解】 初始氢原子处于能级， 吸收的光子后，末态能量为 即氢原子吸收光子后跃迁到能级，辐射出光的频率最多有种。 故选D。 例3.2026年2月17日晚，南昌市“赣水欢腾，马跃新春”迎春烟花晚会绚丽绽放。焰火呈现的彩色光芒，与金属原子的能级跃迁密切相关。电子从高能级向低能级跃迁时（　　） A．吸收能量，发出连续光谱 B．释放能量，发出连续光谱 C．吸收能量，发出分立线状光谱 D．释放能量，发出分立线状光谱 【答案】D 【详解】电子从高能级向低能级跃迁时能量降低，会释放能量而非吸收能量，且原子的能级是分立的，跃迁时的能级差为特定值，对应释放的光子能量、频率也为特定值，因此发出的是分立线状光谱。 故选D。 一、单选题 1．下列说法错误的是（　　） A．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，指出原子还可以再分 B．卢瑟福通过α粒子散射实验建构了原子的行星模型（核式结构模型），还通过α粒子轰击氮核，发现了质子 C．玻尔基于原子的行星模型（核式结构模型）和氢原子光谱的实验规律构建了氢原子模型 D．光电效应实验说明光具有波动性 【答案】D 【详解】A．汤姆孙通过研究阴极射线发现了电子，说明原子并非不可再分的最小微粒，故A正确，不符合题意； B．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构（行星）模型，后续通过α粒子轰击氮核的人工核反应发现了质子，故B正确，不符合题意； C．玻尔以卢瑟福的核式结构模型为基础，结合氢原子光谱的分立实验规律，引入量子化假设建构了氢原子模型，故C正确，不符合题意； D．光电效应实验说明光的能量是量子化的，体现了光的粒子性，而非波动性，故D错误，符合题意。 故选D。 2．如图为观察电子在电场中偏转的实验，高压感应线圈接在阴极射线管A、B的两端，使阴极A发射的电子加速。感应发电机接在平行板电容器C、D两端，使电子偏转。某次实验时，在阴极射线管内的荧光屏上观察到的轨迹如图中虚线所示，轨迹恰好经过荧光屏的Q点，N、P、Q为荧光屏边缘上的三点。下列说法正确的是（     ） A．平行板电容器C端接感应发电机的正极 B．阴极射线管A端接高压感应线圈的正极 C．仅增大高压感应线圈电压，电子从NQ边射出 D．仅减小感应发电机电压，电子从PQ边射出 【答案】C 【详解】A．平行板电容器C若接感应发电机的正极，D接负极，则电容器间电场方向竖直向下，电子带负电，所受电场力方向竖直向上，电子向上偏转。但根据轨迹经过荧光屏Q点可知，电子落点偏向下侧，故C端应接负极，故A错误； B．阴极射线管中，阴极A发射电子需接高压感应线圈的负极，阳极B接正极，才能使电子加速飞向阳极，故A端接高压感应线圈的正极错误，故B错误； C．电子经加速电压加速后获得速度，进入偏转电场后侧向偏转量。仅增大时，偏转量减小，电子落点向荧光屏中心靠近，从边射出，故C正确； D．仅减小偏转电压时，偏转量减小，电子落点向中心靠近，不会从下面的边射出，故D错误。 故选C。 3．在近代物理诞生的400多年间，涌现出如繁星般璀璨的物理学家，他们的科学研究推动了人类文明的进程，下列说法正确的是（　　） A．牛顿在伽利略和笛卡尔等人的基础上，更加完整的阐释出惯性定律的内容 B．笛卡尔的理想斜面实验说明力不是维持运动的原因 C．卡文迪什用扭秤实验测出了静电力常量的值 D．富兰克林最早通过油滴实验比较准确地测出电子的电荷量 【答案】A 【详解】A．牛顿在伽利略和笛卡尔等人的基础上，更加完整的阐释出惯性定律的内容，故A正确； B．伽利略的理想斜面实验说明力不是维持运动的原因，故B错误； C．卡文迪什用扭秤实验测出了万有引力常量G的数值，故C错误； D．密立根最早通过油滴实验比较准确地测出电子的电荷量，故D错误。 故选 A。 4．如图所示，为粒子散射实验装置的示意图。则单位时间内进入计数器的粒子个数随散射角变化的关系图可能符合事实的是（　　） A． B． C． D． 【答案】A 【详解】根据卢瑟福粒子散射实验的结果，绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，即散射角时，单位时间内进入计数器的粒子个数最多；少数粒子发生了较大的偏转，极少数粒子偏转角度超过，甚至被弹回，说明随着散射角的增大，粒子个数急剧减少。图A反映了时最大，且随增大迅速减小的特点。 故选A。 5．α粒子散射实验现象揭示了（　　） A．电子的存在 B．原子的核式结构 C．质子的存在 D．原子核可以再分 【答案】B 【详解】卢瑟福根据α粒子散射实验中极少数粒子发生大角度偏转的现象，提出了原子的核式结构模型，该实验揭示了原子的核式结构。 故选B。 6．在物理学的发展过程中，许多物理学家都做出了重大贡献，他们也创造出了许多物理学研究方法，下列关于物理学史和物理学方法的叙述中正确的是（　　） A．牛顿发现了万有引力定律并通过实验测量得出了引力常量G B．法拉第首先提出了电场的概念，并引入了电场线来形象地描述电场 C．某些情况下，忽略物体的大小和形状，把它简化成一个有质量的点，这里体现了极限思想 D．汤姆孙研究阴极射线时发现电子，说明原子核具有复杂结构 【答案】B 【详解】A．牛顿于1687年发现万有引力定律，但引力常量是由卡文迪许在1798年通过扭秤实验首次测量得出，牛顿未测量，故A错误； B．法拉第在19世纪30年代首次提出电场概念，并引入电场线形象描述电场分布，这是电磁学的重要贡献，故B正确； C．忽略物体大小和形状简化为质点（如质点模型），体现的是理想化模型思想（一种近似方法），而非极限思想（极限思想用于处理趋近过程，如瞬时速度定义），故C错误； D．汤姆孙于1897年研究阴极射线发现电子，证明原子具有复杂结构（可分），但原子核的复杂结构（如质子、中子组成）由卢瑟福及后续实验揭示，故D错误。 故选B。 7．如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为的金属钠。下列说法正确的是（   ） A．逸出光电子的最大初动能为 B．从跃迁到放出的光子动量最大 C．有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应 D．用的光子照射这些氢原子，氢原子可以跃迁到激发态 【答案】B 【详解】A．从n=3跃迁到n=1放出的光子能量最大为 根据 可得此时最大初动能为，故A错误； B．根据， 又因为从n=3跃迁到n=1放出的光子能量最大，故可知动量最大，故B正确； C．大量氢原子从n=3的激发态跃迁到基态能放出种频率的光子，其中从n=3跃迁到n=2放出的光子能量为 不能使金属钠产生光电效应，其他两种均可以，故C错误； D．由于从n=3跃迁到n=4能级需要吸收的光子能量为 所以用12.76eV的光子照射，不能使氢原子跃迁到n=4激发态，故D错误。 故选B。 8．玻尔的氢原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，成功地阐释了原子的稳定性、氢原子光谱的产生和不连续性，依此发明的氢原子钟实现了极高精度的时间测量．氢原子的能级示意图如图所示，已知红外线光子的能量在0.008eV至1.70eV之间，紫外线光子的能量在3.11eV至124eV之间，当大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，下列说法正确的是（    ） A．能辐射出6种不同频率的光子 B．能辐射出5种不同频率的紫外线光子 C．能辐射出4种不同频率的红外线光子 D．能辐射出3种不同频率的可见光光子 【答案】D 【详解】A．大量处于能级的氢原子向低能级跃迁，可能发生的跃迁种类数为 种，因此能辐射出10种不同频率的光子，A错误； B．紫外线光子（能量≥3.11eV）对应的跃迁为 5→1、4→1、3→1、2→1，共 4 种，B错误； C．红外线光子（能量 0.008eV~1.70eV）对应的跃迁为 5→4、5→3、4→3，共 3 种，C错误； D．可见光光子（能量 1.70eV~3.11eV）对应的跃迁为 5→2、4→2、3→2，共 3 种，D正确。 故选D。 9．氢原子的发射光谱如图所示，、、、是其中的四条光谱线，可见光的波长大致在380nm~780nm之间，下列说法错误的是（　　） A．该光谱是由氢原子核衰变产生的 B．谱线对应光子的频率最小 C．谱线对应不是可见光中的紫光 D．谱线对应光子的能量比谱线对应光子的能量小 【答案】A 【详解】A．氢原子的发射光谱是氢原子核外电子从高能级向低能级跃迁辐射光子产生的，原子核衰变是原子核内部变化产生的射线，与原子发射光谱的成因完全不同，该说法错误，故A符合题意； B．根据光速、波长、频率的关系可得频率 波长越大频率越小。由图可知的波长最大，因此对应光子的频率最小，该说法正确，故B不符合题意； C．可见光中紫光属于短波长可见光，波长约400nm左右，波长为656.3nm，属于红光波段，因此它不是紫光，该说法正确，故C不符合题意； D．光子能量 能量与波长成反比。 波长（486.1nm）大于 波长（410.2nm），因此 对应光子能量比 小，该说法正确，故D不符合题意。 故选A。 10．北斗卫星导航系统用到了我国自主研发的氢原子钟，氢原子钟是利用氢原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备。氢原子能级如图所示，下列说法正确的是（　　） A．处于基态的氢原子可以吸收任何能量的光子，从基态跃迁到激发态 B．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时最多发出3种不同频率的光 C．氢原子由能级跃迁到能级时发出光子的频率等于由能级跃迁至能级时发出光子的频率 D．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时发出的光子中能量最大的为1.51 eV 【答案】B 【详解】A．根据玻尔理论，氢原子吸收光子发生跃迁时，光子的能量必须等于两能级间的能量差，即，不能吸收任何能量的光子，故A错误； B．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时，可能发生的跃迁有、、，最多发出3种不同频率的光，故B正确； C．氢原子由能级跃迁到能级时发出光子的能量为 由能级跃迁至能级时发出光子的能量为 根据可知，两光子能量不同，频率不相等，故C错误； D．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时，能级差最大的是从 跃迁到，发出的光子能量最大，最大能量为，故D错误。 故选B。 11．如图所示为氢原子的能级图。大量处于能级的氢原子（　　） A．可能辐射两种频率的光 B．辐射出波长最长的光是由能级跃迁到时发出的 C．辐射出频率最小的光是由能级跃迁到时发出的 D．用光子能量大于的单色光照射可使其跃迁到能级 【答案】B 【详解】A．大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射出不同频率的光子种类为种，故A错误； BC．由图可知，从能级跃迁到时发出的光能量最小，根据 可知光的波长最大，频率最小，故B正确，C错误； D．由图可知，用光子能量大于的单色光照射，氢原子会发生电离，不能跃迁到能级，故D错误。 故选B。 12．原子钟依赖于原子中电子的能级跃迁，通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能级。氢原子的能级图如图所示，大量处于n=2能级的氢原子吸收了大量能量为2.55eV的光子，氢原子辐射出光的频率最多有（　　） A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 【答案】D 【详解】大量处于n=2能级的氢原子吸收了大量能量为2.55eV的光子后，电子的能量为 即电子跃迁到能级，辐射出光的频率最多有种。 故选D。 13．2025年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，表彰他们在电路中发现宏观量子隧穿与能量量子化，量子化观念是解释氢原子能级与跃迁规律的基础。下列说法正确的是（　　） A．氢原子在高能级不会自发向低能级跃迁 B．氢原子从低能级向高能级跃迁时，放出光子 C．氢原子跃迁时吸收或释放的能量可以是任意值 D．氢原子跃迁时吸收或释放的能量只能是特定值 【答案】D 【详解】A．处于高能级的氢原子状态不稳定，会自发向低能级跃迁并释放光子，故A错误； B．氢原子从低能级向高能级跃迁时需要吸收能量，因此会吸收光子，故B错误； CD．氢原子的能级是量子化的，不同能级的差值为固定的特定值，跃迁时吸收或释放的能量必须等于能级差，为特定值，不能为任意值，故C错误，D正确。 故选D。 14．关于原子结构，下列说法中正确的是（　　） A．枣糕模型能解释卢瑟福散射实验 B．核式结构模型能解释氢原子光谱 C．玻尔模型能解释所有原子的光谱 D．电子云模型中电子没有确定的轨迹 【答案】D 【详解】A．汤姆孙枣糕模型认为正电荷均匀分布在原子内部，α粒子穿过原子时受到的库仑斥力很小，不会发生大角度偏转，无法解释卢瑟福α散射实验的实验现象，故A错误； B．卢瑟福核式结构模型中，绕核做圆周运动的电子会因向外辐射能量不断减速，最终坠入原子核，且原子光谱应为连续谱，和氢原子线状光谱的事实矛盾，无法解释氢原子光谱，故B错误； C．玻尔模型引入了轨道量子化、能量量子化假设，仅能解释氢原子等单电子原子的光谱，无法解释多电子原子的光谱，故C错误； D．电子云模型是量子力学框架下的原子结构模型，电子的空间位置仅能用概率分布描述，没有确定的运动轨迹，故D正确。 故选D。 15．（多选）下图表示了科学家对原子认识的演变史，下列说法正确的是（　　） A．汤姆孙通过研究阴极射线，建构了原子的枣糕模型 B．卢瑟福不仅通过α粒子散射实验建构了行星模型（核式结构模型），而且还通过α粒子轰击氮核，发现了质子 C．玻尔基于行星模型（核式结构模型）和氢原子光谱的实验规律建构了氢原子模型 D．基于量子理论建构的电子云模型完全否定了玻尔模型的正确性及其科学研究价值 【答案】ABC 【详解】A．汤姆孙通过研究阴极射线，建构了原子的枣糕模型，A正确； B．卢瑟福不仅通过α粒子散射实验建构了行星模型（核式结构模型），而且还通过α粒子轰击氮核，发现了质子，B正确； C．玻尔基于行星模型（核式结构模型）和氢原子光谱的实验规律建构了氢原子模型，C正确； D．基于量子理论建构的电子云模型没有完全否定玻尔模型的正确性及其科学研究价值，D错误。 故选ABC。 14 学科网（北京）股份有限公司 $ 粤教版（2019）选择性必修第三册导学案 5.1 原子的结构 一．原子核式结构的提出 1．J.J.汤姆孙的原子结构模型——葡萄干布丁模型． J．J.汤姆孙设想原子是一个球体，正电荷均匀地分布在其中，质量很小的电子镶嵌其中有人形象地称其为“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”，该模型被卢瑟福的α粒子散射实验所否定． 2．α粒子散射实验． (1)α粒子散射实验的方法： 用由放射源发射的α粒子束轰击金箔，利用荧光屏接收，探测通过金箔后的α粒子偏转情况． (2)α粒子散射实验的目的： α粒子通过金箔时，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力作用，一些α粒子会改变原来的运动方向，产生偏转．统计散射到各个方向的α粒子数量，即可推知原子中质量和正电荷的分布情况． (3)α粒子散射实验的现象： 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．原子的核式结构模型． 卢瑟福依据α粒子散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型：在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核旋转． 4．原子和原子核的半径． 原子核的质量几乎集中了原子的全部质量，但它的半径却非常小，实验确定的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. 二、氢原子光谱和原子的能级结构 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． 2．能级结构猜想． (1)由于氢原子光谱是分立的，所以猜想原子内部的能量也是不连续的． (2)能级：把原子内部不连续的能量值被称为能级． (3)跃迁： ①把原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁． ②处于高能级的原子，自发地向低能级跃迁时辐射光子；原子吸收特定频率的光子或通过其他途径获得能量时，可以从低能级向高能级跃迁．原子辐射或吸收光子的能量为hν＝Em－En，其中Em、En分别为原子跃迁前后的能级． 3．氢原子的能级． 氢原子的能级公式为，n＝1，2，3，…，其中E1＝－13.6_eV，正常情况下氢原子处于最低能级E1(n＝1)，这个状态称为基态，其他状态称为激发态． 处于激发态的氢原子是不稳定的，它会自发地向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，辐射出来的能量等于两能级间的能量差． 4．电子云． 玻尔理论的局限性为过多地保留了经典理论，即保留经典粒子的观念，把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动．原子中的电子没有确定的位置，我们只能描述电子在某个位置出现概率的多少，把电子这种概率分布用疏密不 同的点表示时，这种图像就像云雾一样分布在原子核周围，故称电子云． 考点一：电子的发现及其比荷的测定 例1.物理学家汤姆孙通过对阴极射线的实验研究发现（　　） A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧 B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同 C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同 D．汤姆孙发现了电子，并精确测量了电子的电荷量 例2.在物理学的探索和发现过程中，物理思维和研究方法比物理知识本身更加重要。以下关于物理学研究方法和物理学史的叙述，正确的是（　　） A．在研究弹力时，通过激光笔、平面镜观察桌面形变，这里应用了实验推理法 B．美国科学家富兰克林命名了正电荷和负电荷，并通过油滴实验测得了元电荷的数值 C．第谷总结出了行星运动的规律，找出了行星按照这些规律运动的原因 D．质点、点电荷都是抓住主要因素、忽略次要因素建立的理想化模型 例3.美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先精确测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验．如图所示，两块水平放置的金属板A、B分别与电源的正、负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负电悬浮在两板间保持静止． (1)若要测出该油滴的电荷量，则需要测出的物理量有________． A．油滴质量m　　　 B．两板间的电压U C．两板间的距离d D．两板的长度L (2)用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量q＝________．(已知重力加速度为g) (3)若电子的电荷量为e，则该油滴中带的电子数为____________． 考点二：原子的核式结构 例1.下列对原子的认识，正确的是（　　） A．原子由原子核和核外电子组成 B．原子核带有原子的全部正电荷和全部原子的质量 C．原子核直径的数量级为10－10m D．中性原子核外电子带的负电荷之和小于原子核所带的正电荷 例2.在核物理研究的历史中，卢瑟福的α粒子散射实验具有奠基性意义，如图，关于该实验，下列说法正确的是（　　） A．确定了中子半径的数量级为10-10 m B．证明了原子内带正电的物质占据原子非常小的空间 C．观察到绝大多数α粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来 D．卢瑟福根据该实验提出了原子的核式结构模型，且认为原子核由质子和中子组成 例3．α粒子散射实验装置如图所示，下列说法正确的是（    ） A．实验现象可用汤姆孙提出的“枣糕模型”来解释 B．在c处可观察到绝大多数α粒子 C．在b、d两处，打在荧光屏上的α粒子数几乎相同 D．统计散射到各个方向的α粒子所占比例，卢瑟福提出了原子的核式结构模型 考点三：原子核式结构与原子核的组成 例1.1909~1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞”了回来。为了解释这个实验现象，卢瑟福提出了（　　） A．电子轨道量子化理论 B．原子的核式结构模型 C．原子结构“枣糕”模型 D．分子电流假说 例2. α粒子散射实验装置如图所示。通过该实验，我们可以知道（　　） A．该实验证实了汤姆孙的“葡萄干面包模型”是正确的 B．大多数α粒子穿过金箔后，其运动方向受到较大的影响 C．占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质集中在很小的空间范围内 D．原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌在其中 考点四：原子的能级结构和玻尔原子理论 例1.如图（a）所示的、、、是氢原子从高能级向能级跃迁时产生的谱线，属于巴尔末系，如图（b）所示为氢原子部分能级图。下列说法正确的是（　　） A．的光子动量大于的光子动量 B．是由能级向能级跃迁产生的 C．对应的光子可以使氢原子从基态跃迁到激发态 D．的光子照射处于状态的氢原子，可以使氢原子电离 例2.如图所示，关于氢原子能级和谱线图，下列说法正确的是（　　） A．氢原子辐射光子的频率条件是 B．处于基态的氢原子可以吸收能量为11eV的光子而跃迁到高能级 C．所有原子光谱都有多条谱线，所以不能用来鉴别物质和确定物质的组成成分 D．一个氢原子处于激发态，向基态跃迁时，可能辐射出10种不同频率的光子 例3.脱氧血红蛋白和氧合血红蛋白在红光和红外线区域的吸收光谱不同，利用这一原理可以测量血氧饱和度。关于其中的物理知识，下列说法正确的是（　　） A．吸收光谱的特点是在连续光谱的背景上出现若干条明线 B．吸收红外线光子比吸收红光光子，原子能级提升更高 C．从玻尔原子理论来看，吸收了光子的原子势能增加 D．从玻尔原子理论来看，吸收了光子的原子核外电子动能增加 考点五：原子的能级跃迁 例1.日光灯管的发光原理与汞原子的能级跃迁有关，如图所示为汞原子的能级结构示意图，已知可见光光子能量范围为1.62eV~3.11eV，下列说法正确的是（　　） A．汞原子从向能级跃迁时，释放的光子属于可见光光子 B．汞原子从向能级跃迁时，释放的光子属于可见光光子 C．汞原子吸收8.0eV的能量后可以实现从基态到能级的跃迁 D．汞原子吸收8.0eV的能量后可以实现从基态到能级的跃迁 例2.我国科研人员成功将锶原子光晶格钟的稳定度和不确定度指标全面突破到量级。原子钟依赖于原子中电子的能级跃迁，通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能级。氢原子的能级图如图所示，大量处于能级的氢原子吸收了大量能量为2.55eV的光子，氢原子辐射出光的频率最多有（　　） A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 例3.2026年2月17日晚，南昌市“赣水欢腾，马跃新春”迎春烟花晚会绚丽绽放。焰火呈现的彩色光芒，与金属原子的能级跃迁密切相关。电子从高能级向低能级跃迁时（　　） A．吸收能量，发出连续光谱 B．释放能量，发出连续光谱 C．吸收能量，发出分立线状光谱 D．释放能量，发出分立线状光谱 一、单选题 1．下列说法错误的是（　　） A．汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，指出原子还可以再分 B．卢瑟福通过α粒子散射实验建构了原子的行星模型（核式结构模型），还通过α粒子轰击氮核，发现了质子 C．玻尔基于原子的行星模型（核式结构模型）和氢原子光谱的实验规律构建了氢原子模型 D．光电效应实验说明光具有波动性 2．如图为观察电子在电场中偏转的实验，高压感应线圈接在阴极射线管A、B的两端，使阴极A发射的电子加速。感应发电机接在平行板电容器C、D两端，使电子偏转。某次实验时，在阴极射线管内的荧光屏上观察到的轨迹如图中虚线所示，轨迹恰好经过荧光屏的Q点，N、P、Q为荧光屏边缘上的三点。下列说法正确的是（     ） A．平行板电容器C端接感应发电机的正极 B．阴极射线管A端接高压感应线圈的正极 C．仅增大高压感应线圈电压，电子从NQ边射出 D．仅减小感应发电机电压，电子从PQ边射出 3．在近代物理诞生的400多年间，涌现出如繁星般璀璨的物理学家，他们的科学研究推动了人类文明的进程，下列说法正确的是（　　） A．牛顿在伽利略和笛卡尔等人的基础上，更加完整的阐释出惯性定律的内容 B．笛卡尔的理想斜面实验说明力不是维持运动的原因 C．卡文迪什用扭秤实验测出了静电力常量的值 D．富兰克林最早通过油滴实验比较准确地测出电子的电荷量 4．如图所示，为粒子散射实验装置的示意图。则单位时间内进入计数器的粒子个数随散射角变化的关系图可能符合事实的是（　　） A． B． C． D． 5．α粒子散射实验现象揭示了（　　） A．电子的存在 B．原子的核式结构 C．质子的存在 D．原子核可以再分 6．在物理学的发展过程中，许多物理学家都做出了重大贡献，他们也创造出了许多物理学研究方法，下列关于物理学史和物理学方法的叙述中正确的是（　　） A．牛顿发现了万有引力定律并通过实验测量得出了引力常量G B．法拉第首先提出了电场的概念，并引入了电场线来形象地描述电场 C．某些情况下，忽略物体的大小和形状，把它简化成一个有质量的点，这里体现了极限思想 D．汤姆孙研究阴极射线时发现电子，说明原子核具有复杂结构 7．如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为的金属钠。下列说法正确的是（   ） A．逸出光电子的最大初动能为 B．从跃迁到放出的光子动量最大 C．有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应 D．用的光子照射这些氢原子，氢原子可以跃迁到激发态 8．玻尔的氢原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，成功地阐释了原子的稳定性、氢原子光谱的产生和不连续性，依此发明的氢原子钟实现了极高精度的时间测量．氢原子的能级示意图如图所示，已知红外线光子的能量在0.008eV至1.70eV之间，紫外线光子的能量在3.11eV至124eV之间，当大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，下列说法正确的是（    ） A．能辐射出6种不同频率的光子 B．能辐射出5种不同频率的紫外线光子 C．能辐射出4种不同频率的红外线光子 D．能辐射出3种不同频率的可见光光子 9．氢原子的发射光谱如图所示，、、、是其中的四条光谱线，可见光的波长大致在380nm~780nm之间，下列说法错误的是（　　） A．该光谱是由氢原子核衰变产生的 B．谱线对应光子的频率最小 C．谱线对应不是可见光中的紫光 D．谱线对应光子的能量比谱线对应光子的能量小 10．北斗卫星导航系统用到了我国自主研发的氢原子钟，氢原子钟是利用氢原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备。氢原子能级如图所示，下列说法正确的是（　　） A．处于基态的氢原子可以吸收任何能量的光子，从基态跃迁到激发态 B．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时最多发出3种不同频率的光 C．氢原子由能级跃迁到能级时发出光子的频率等于由能级跃迁至能级时发出光子的频率 D．对于大量处于能级的氢原子，向低能级跃迁时发出的光子中能量最大的为1.51 eV 11．如图所示为氢原子的能级图。大量处于能级的氢原子（　　） A．可能辐射两种频率的光 B．辐射出波长最长的光是由能级跃迁到时发出的 C．辐射出频率最小的光是由能级跃迁到时发出的 D．用光子能量大于的单色光照射可使其跃迁到能级 12．原子钟依赖于原子中电子的能级跃迁，通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能级。氢原子的能级图如图所示，大量处于n=2能级的氢原子吸收了大量能量为2.55eV的光子，氢原子辐射出光的频率最多有（　　） A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 13．2025年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，表彰他们在电路中发现宏观量子隧穿与能量量子化，量子化观念是解释氢原子能级与跃迁规律的基础。下列说法正确的是（　　） A．氢原子在高能级不会自发向低能级跃迁 B．氢原子从低能级向高能级跃迁时，放出光子 C．氢原子跃迁时吸收或释放的能量可以是任意值 D．氢原子跃迁时吸收或释放的能量只能是特定值 14．关于原子结构，下列说法中正确的是（　　） A．枣糕模型能解释卢瑟福散射实验 B．核式结构模型能解释氢原子光谱 C．玻尔模型能解释所有原子的光谱 D．电子云模型中电子没有确定的轨迹 15．（多选）下图表示了科学家对原子认识的演变史，下列说法正确的是（　　） A．汤姆孙通过研究阴极射线，建构了原子的枣糕模型 B．卢瑟福不仅通过α粒子散射实验建构了行星模型（核式结构模型），而且还通过α粒子轰击氮核，发现了质子 C．玻尔基于行星模型（核式结构模型）和氢原子光谱的实验规律建构了氢原子模型 D．基于量子理论建构的电子云模型完全否定了玻尔模型的正确性及其科学研究价值 14 学科网（北京）股份有限公司 $