氢原子光谱模型 专项训练 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

**基本信息** 聚焦氢原子能级跃迁与光谱分析，以能级图为核心载体，系统整合光子能量计算、光电效应及光谱应用，体现科学思维与物理观念的融合。 **专项设计** |模块|题量/典例|方法提炼|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |能级跃迁规律|1-10题|跃迁种类公式、能级差→光子能量（E=hν=hc/λ）|能级概念→跃迁条件→光子频率/波长计算| |光谱与光电效应|11-20题|光电效应方程（Ek=hν-W0）、光谱类型判断|光子能量→光电效应条件→光谱特征分析| |综合应用|21-23题|能级跃迁与科技结合（如“羲和号”）|理论推导→实际应用→科学态度与责任|

氢原子光谱模型专题 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、单选题 1．在某原子发生的跃迁中，辐射如图所示的4种光子，其中只有一种光子可使某金属发生光电效应，是（　　） A．λ1 B．λ2 C．λ3 D．λ4 2．氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示，此四条谱线满足巴耳末公式，n=3、4、5、6用和光进行如下实验研究，则（　　） A．照射同一单缝衍射装置，光的中央明条纹宽度宽 B．以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖，光的侧移量小 C．以相同功率发射的细光束，真空中单位长度上光的平均光子数多 D．相同光强的光分别照射同一光电效应装置，光的饱和光电流小 3．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。图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于，当大量处于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 4．玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示，处于n =3能级的原子向低能级跃迁，会产生三种频率为、、 的光，下标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为h，光速为c。正确的是（　　） A．频率为的光，其动量为 B．频率为和的两种光分别射入同一光电效应装置，均产生光电子，其最大初动能之差为 C．频率为和的两种光分别射入双缝间距为d，双缝到屏的距离为L的干涉装置，产生的干涉条纹间距之差为。 D．若原子n=3 跃迁至 n=4 能级，入射光的频率 5．如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3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2.29eV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10.80eV B．n=3跃迁到n=1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0.85eV的光子照射，氢原子跃迁到n=4激发态 6．“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，最后辐射出频率为的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率为（   ）    A． B． C． D． 7．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 8．2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为的氢原子谱线（对应的光子能量为）。根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子（    ）    A．和能级之间的跃迁 B．和能级之间的跃迁 C．和能级之间的跃迁 D．和能级之间的跃迁 9．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，其中。图是按能量排列的电磁波谱，要使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 10．如图为氢原子的能级示意图。已知蓝光光子的能量范围为2.53 ~ 2.76eV，紫光光子的能量范围为2.76 ~ 3.10eV。若使处于基态的氢原子被激发后，可辐射蓝光，不辐射紫光，则激发氢原子的光子能量为（   ） A．10.20eV B．12.09eV C．12.75eV D．13.06eV 11．氢原子能级图如图甲所示。某基态氢原子受激后可辐射出三种不同频率的光，其中有两种能使乙图中逸出功为2.25eV的K极钾金属发生光电效应，通过乙图实验装置得到这两种光分别实验时的电流和电压读数，绘出图丙①②两根曲线，则下列说法正确的是（　　） A．不能使K极金属产生光电效应的光是从n＝2跃迁到n＝1时产生的 B．丙图中②曲线对应的入射光光子能量为12.09eV C．丙图中①曲线对应的入射光光子能使钾金属产生最大初动能为10.20eV的光电子 D．丙图中 12．北斗二期导航系统的“心脏”是上海天文台自主研发的星载氢原子钟，它是利用氢原子能级跃迁时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟的。如图为氢原子能级图，则下列说法正确的是（    ） A．氢原子从低能级向高能级跃迁时辐射光子 B．大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，形成的线状光谱总共有3条亮线 C．大量处于能级的氢原子辐射出来的光子中，波长最长的光子能量为0.66eV D．用大量能量为3.6eV的光子持续照射处于基态的氢原子，可使其电离 13．如图所示为氢原子能级图，用频率为ν的单色光照射大量处于基态的氢原子，氢原子辐射出频率分别为的ν1、ν2、ν3三种光子，且ν1 < ν2 < ν3。用该单色光照射到某新型材料上，逸出光电子的最大初动能与频率为ν2光子的能量相等。下列说法正确的是（   ） A．ν3 > ν1＋ν2 B．ν = ν1＋ν2＋ν3 C．该单色光光子的能量为12.75eV D．该新型材料的逸出功为1.89eV 14．如图所示为氢原子的能级图，已知可见光的光子能量范围为，锌的逸出功为3.34eV，下列说法正确的是（　　） A．氢原子由激发态跃迁到基态后，核外电子的动能减小，原子的电势能增大 B．处于能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离 C．一个处于能级的氢原子向低能级跃迁时，最多发出6种不同频率的光子 D．一群处于能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射锌板，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为8.75eV 15．关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是（    ） A．太阳光谱是连续谱，分析太阳光谱可以知道太阳内部的化学组成 B．霓虹灯和炼钢炉中炽热铁水产生的光谱，都是线状谱 C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱 D．进行光谱分析时，可以利用连续光谱，也可以用吸收光谱 16．如图为氢原子能级示意图，下列说法正确的是（　　） A．一个处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可以发出6种频率的光 B．当处于基态的氢原子受到动能为13.6eV的粒子轰击时，氢原子一定会电离 C．处于基态的氢原子可以吸收能量为12.1eV的光子并发生跃迁 D．处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量减小 17．如图为氢原子能级图，大量处于激发态的氢原子，当它们自发地跃迁到较低能级时，下列说法正确的是（　　） A．这些氢原子跃迁时最多可产生3种不同频率的光子 B．由能级跃迁到能级时发出光子的波长最长 C．核外电子动能减少，电势能增加 D．该氢原子放出光子，能量减少 18．如图为失去一个电子形成的正一价氦离子（简称氦的类氢结构）的能级示意图。关于氦离子（）的能级及其跃迁，下列说法正确的是（　　） A．能级比能级电势能多40.8eV B．处于基态的氦离子，吸收一个光子后跃迁到更高轨道，电子的动能将变大 C．如果用具有54.4eV动能的电子碰撞处于基态的氦离子，可使其跃迁到能级 D．一群处于能级的氦离子向低能级跃迁时，能产生6种不同频率的可见光 二、多选题 19．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3.4eV D．Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态 20．氢原子能级图如图所示，若大量氢原子处于，2，3，4的能级状态，已知普朗克常量，某锑铯化合物的逸出功为2.0eV，则（　　） A．这些氢原子跃迁过程中最多可发出3种频率的光 B．这些氢原子跃迁过程中产生光子的最小频率为 C．这些氢原子跃迁过程中有4种频率的光照射该锑铯化合物可使其电子逸出 D．一个动能为12.5eV的电子碰撞一个基态氢原子不能使其跃迁到激发态 21．如图所示，图甲为氢原子的能级图，大量处于激发态的氢原子跃迁时，发出频率不同的大量光子，其中巴耳末系中频率最高的光子照射到图乙电路中光电管阴极K上时，电路中电流随电压变化的图像如图丙所示。下列说法正确的是（　　） A．光电管阴极K金属材料的逸出功为1.5eV B．若调节滑动变阻器滑片能使光电流为零，则可判断图乙中电源左侧为正极 C．若用两束强度相同的不同颜色的光照射图乙中的光电管K极，频率高的饱和电流小 D．氢原子从能级跃迁到能级时，氢原子能量减小，核外电子动能也减小 22．如图所示为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干种不同频率的光．关于这些光，下列说法正确的是(    ) A．最容易表现出波动性的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的 B．这些氢原子最多可辐射出6种不同频率的光 C．若用n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光照射某金属恰好发生光电效应，则用n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光照射该金属一定能发生光电效应 D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂产生的光电子的最大初动能为3.86 eV 三、解答题 23．极紫外线广泛应用于芯片制造行业，如图甲所示，用波长的极紫外线照射光电管，恰好能发生光电效应。已知普朗克常量，,，。 （1）求阴极 K 材料的逸出功； （2）图乙是氢原子的能级图，若大量处于激发态的氢原子发出的光照射阴极 K，灵敏电流计G显示有示数，调整电源和滑动变阻器，测得电流计示数I与电压表示数U的关系图像如图丙，则图丙中的大小是多少? 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 《氢原子光谱模型专题》参考答案 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 C C B B B D A A A C 题号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 答案 B C D B C D D C BD BC 题号 21 22 答案 BC BD 1．C 【详解】根据光电方程可知当只有一种光子可使某金属发生光电效应，该光子对应的能量最大，根据图中能级图可知跃迁时对应波长为的光子能量最大。 故选C。 2．C 【详解】A．根据巴耳末公式可知，光的波长较长。波长越长，越容易发生明显的衍射现象，故照射同一单缝衍射装置，光的中央明条纹宽度宽，故A错误； B．光的波长较长，根据 可知光的频率较小，则光的折射率较小，在平行玻璃砖的偏折较小，光的侧移量小，故B错误； C．光的频率较小，光的光子能量较小，以相同功率发射的细光束，光的光子数较多，真空中单位长度上光的平均光子数多，故C正确； D．若、光均能发生光电效应，相同光强的光分别照射同一光电效应装置，光的频率较小，光的光子能量较小，光的光子数较多，则光的饱和光电流大，光的饱和光电流小，故D错误。 故选C。 3．B 【详解】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种类为 辐射出光子的能量分别为 其中 ，， 所以辐射不同频率的紫外光有2种。 故选B。 4．B 【详解】A．根据玻尔理论可知 则频率为的光，其动量为 选项A错误； B．频率为和的两种光分别射入同一光电效应装量，均产生光电子，其最大初动能分别为 最大初动能之差为 选项B正确； C．频率为和的两种光分别射入双缝间距为d，双缝到屏的距离为L的干涉装置，根据条纹间距表达式 产生的干涉条纹间距之差为 选项C错误； D．若原子n=3 跃迁至 n=4 能级，则 可得入射光的频率 选项D错误； 故选B。 5．B 【详解】A．从n=3跃迁到n=1放出的光电子能量最大，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0.85eV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。 6．D 【详解】原子吸收频率为的光子从基态能级I跃迁至激发态能级Ⅱ时有 且从激发态能级Ⅱ向下跃迁到基态I的过程有 联立解得 故选D。 7．A 【详解】A．由图可知①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，选项A正确； B．因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，根据可知②的频率小于④的频率，选项B错误； C．因②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①，②的频率小于①，则若用①照射某金属表面时能发生光电效应，用②照射该金属不一定能发生光电效应，选项C错误； D．因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，即④的频率大于①，因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek，根据 则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，选项D错误。 故选A。 8．A 【详解】由图中可知n=2和n=1的能级差之间的能量差值为 与探测器探测到的谱线能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n=2和n=1能级之间的跃迁。 故选A。 9．A 【详解】要使处于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，则需要吸收光子的能量为 因为 则被吸收的光子是红外线波段的光子。 故选A。 10．C 【详解】由题知使处于基态的氢原子被激发后，可辐射蓝光，不辐射紫光，则由蓝光光子能量范围可知从氢原子从n = 4能级向低能级跃迁可辐射蓝光，不辐射紫光（即从n = 4，跃迁到n = 2辐射蓝光），则需激发氢原子到n = 4能级，则激发氢原子的光子能量为 E = E4－E1= 12.75eV 故选C。 11．B 【详解】A．依题意，基态氢原子受激后可辐射出三种不同频率的光的光子能量分别为 ，， 可知不能使K极金属产生光电效应的光是从n＝3跃迁到n＝2时产生的。故A错误； BD．根据 可知丙图中②曲线对应的入射光光子能量为光子能量较大的光子即12.09eV。丙图中①曲线的遏制电压为 故B正确，D错误； C．丙图中①曲线对应的入射光光子能量为10.20eV，能使钾金属产生光电子最大初动能为 故C错误。 故选B。 12．C 【详解】A．氢原子从低能级向高能级跃迁时需要吸收光子，故A错误； B．大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，形成的线状光谱总共有6条亮线，分别是、、、、、能级之间跃迁产生的。故B错误； C．大量处于能级的氢原子辐射出来的光子中，波长最长的光子能量为能级产生的，能量大小为0.66eV。故C正确； D．若想使处于基态的氢原子电离，光子的能量最小需要，故D错误。 故选C。 13．D 【详解】由题知，频率为ν的单色光照射大量处于基态的氢原子，氢原子辐射出频率分别为的ν1、ν2、ν3三种光子，且ν1 < ν2 < ν3，则说明 hν=hν3 = 12.09eV，hν2 = 10.2eV，hν1 = 1.89eV A．则可知 ν3 = ν1＋ν2 故A错误； BC．根据以上分析可知ν = ν3，且该单色光光子的能量为12.09eV，故BC错误； D．用该单色光照射到某新型材料上，逸出光电子的最大初动能与频率为ν2光子的能量相等，则由 hν－W0 = hν2 解得 W0 = 1.89eV 故D正确。 故选D。 14．B 【详解】A．氢原子由激发态跃迁到基态后，核外电子运动半径变小，动能增大，克服库仑力做功，原子的电势能减小，故A错误； B．紫外线光子的最小能量为3.11eV，处于能级的氢原子的电离能为1.51eV，故处于能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离，故B正确； C．一个处于能级的氢原子向低能级跃迁时，可最多发出3种不同频率的光子，故C错误； D．氢原子从的能级向基态跃迁时发出的光子能量为 因锌的逸出功是3.34eV，锌板表面所发出光电子最大初动能为 故D错误。 故选B。 15．C 【详解】A．太阳光谱是吸收光谱，其中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的，说明太阳大气中存在与这些暗线相对应的元素，故A错误； B．霓虹灯产生的是线状谱，炼钢炉中炽热铁水产生的是连续谱，故B错误； C．强白光通过酒精灯火焰上的钠盐，形成的是吸收光谱，选项C正确； D．进行光谱分析时，必须用线状谱才能进行光谱分析，故D错误。 故选C。 16．D 【详解】A．一个处于n=4激发态的氢原子，向低能级跃迁时最多可发出3种不同频率的光，故A错误； B．当处于基态的氢原子受到动能为13.6eV的粒子当击时，若为光子，则氢原子一定会电离，若为其它实物粒子，氢原子不会电离，故B错误； C．处于基态的氢原子若吸收一个12.1eV的光子后的能量为 由于不存在该能级，所以用12.1eV的光子照射处于基态的氢原子时，电子不可能跃迁，故C错误； D．氢原子中的电子从高能级向低能级跃迁时轨道半径减小，该过程中电场力做正功，电势能减小，动能增大，原子的能量减小，故D正确。 故选D。 17．D 【详解】A．大量氢原子处于的激发态，由 知，最多能放出6种不同频率的光子，A错误； B．从能级跃迁到能级，放出光子，极差最大，由 辐射光子频率最高，波长最小， B错误； CD．当原子从第4能级自发地跃迁到较低能级时，放出光子，原子的能量减小，轨道半径减小，电子的动能增大，电势能减小，C错误，D正确。 故选D。 18．C 【详解】A．能级比能级的能量多 但能级的能量等于电子具有的电势能和动能之和，故A错误； B．氦离子吸收光子，由低能级跃迁到高能级，则电子的轨道半径增大，根据 得 可知减小，则核外电子的动能减小，故B错误； C．如果通过电子碰撞的方式，使离子发生能级跃迁，只要入射电子的动能大于要发生跃迁的两能级的能量差即可，则用具有54.4eV动能的电子碰撞处于基态的氦离子，大于与的能级差，故可使其跃迁到能级，故C正确； D．一群处于能级的氦离子向低能级跃迁时，最多能发出 种不同频率的光子，处于能级的氦离子能够发出6种光子的能量分别为 而可见光的能量在1.63eV～3.10eV，因此只有1种频率的可见光，故D错误。 故选C。 19．BD 【详解】AB．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； C．Hβ对应的光子能量为 E = (－0.85)eV－(－3.40)eV = 2.55eV 故C错误； D．氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量 E = (－3.40)eV－(－13.60)eV = 10.2eV 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。 故选BD。 20．BC 【详解】A．这些氢原子跃迁过程中最多可发出种频率的光，故A错误； B．氢原子从能级跃迁到能级发出的光子的能量最小为 这些氢原子跃迁过程中产生光子的最小频率为 故B正确； C．某锑铯化合物的逸出功为2.0eV，则这些氢原子跃迁过程中有4种频率的光照射该锑铯化合物可使其电子逸出，分别是从能级跃迁到能级发出的光子，从能级跃迁到能级发出的光子，从能级跃迁到能级发出的光子，从能级跃迁到能级发出的光子，故C正确； D．一个基态氢原子跃迁到激发态所需的最小能量为 一个动能为12.5eV的电子（大于10.2eV）碰撞一个基态氢原子能使其跃迁到激发态，故D错误。 故选BC。 21．BC 【详解】A．大量处于激发态的氢原子跃迁到时，发出巴耳末系中频率最高的光子，光子对应的能量为 由丙图可知截止电压为，光电子的最大初动能为 由光电效应方程可得 解得光电管阴极K金属材料的逸出功为，故A错误； B．若调节滑片使光电流为零，需要施加反向电压，即电源左侧应该为正极，故B正确； C．若用两束强度相同的不同颜色的光照射，单位时间内发射光子数是不一样的，频率高的光子对应较大能量，光子数少，饱和电流小，故C正确； D．氢原子从能级跃迁到能级时，氢原子能量减小，库仑力做正功，核外电子动能增加，故D错误。 故选BC。 22．BD 【分析】波长越短的光越不容易产生波动性；大量处于激发态n的氢原子，在向低能级跃迁时可产生的光子种类为个；处于激发态的氢原子的电子从高能级向低能级跃迁过程中，产生的光子能量由前后两个能级的能量差决定，；根据爱因斯坦光电效应方程，电子从金属表面逸出时的最大初动能． 【详解】A、最容易表现出波动性的光是波长较大，即频率较小的光．根据，在所有辐射出的光中，只有从n=4能级到n=3能级跃迁的能量差最小，波长最长，最满足题意，故A错误； B、由于是一群氢原子处于n=4能级，故它们在向低能级跃迁过程中产生的光子种类为种，故B正确； C、根据，从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光子的频率小于从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光子的频率，用频率的光恰好发生光电效应，则频率小于该种金属的极限频率（截止频率），无论光多么强，都不能发生光电效应，C错误； D、用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子的能量为；又根据光电效应方程，最大初动能，D正确． 故选BD． 【点睛】本题考查了能级跃迁和光电效应的综合运用，知道能级间跃迁辐射的光子频率与能级差的关系以及光电效应的条件是解决本题的关键． 23．（1）或；（2） 【详解】（1）设波长为110nm的极紫外线的波长为，逸出功 频率 代入数据解得 或 （2）处于能级的氢原子向低能级跃迁时产生多种不同能量的光子，产生的光电流是多种光子产生的光电子综合表现，要使光电流全部遏止，必须要截住能最大的光电子。能量最大的光子 由光电效应方程可知光电子最大初动能 遏止光压必须满足 解得 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $