第42讲 原子结构 讲义 -2027届高三物理一轮复习

该高中物理讲义聚焦原子结构高考核心考点，涵盖原子的核式结构、氢原子光谱、玻尔理论及能级跃迁，按实验基础到理论模型再到应用的逻辑架构知识，通过知识梳理、考点剖析、典例精讲帮助学生突破难点，体现复习的系统性和针对性。 资料以α粒子散射实验培养科学探究能力，通过能级跃迁规律总结提升科学思维，典例融入2025浙江选考等真题，设置基础理解到综合应用的分层训练，确保高效复习，助力学生提升应考能力，为教师把控复习节奏提供清晰指导。

第42讲 原子结构 讲义 知识梳理： 一．原子的核式结构 (1)电子的发现：英国物理学家J．J．汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”。 (2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°。 (3)原子的核式结构模型：卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。 二．氢原子光谱 (1)光谱：用棱镜或光栅可以把各种颜色的光按波长(频率)展开，获得波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。 (2)光谱分类：有些光谱是一条条的亮线，叫作谱线，这样的光谱叫作线状谱。有的光谱是连在一起的光带，叫作连续谱。 (3)光谱分析：每种原子都有自己的特征谱线，可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。这种方法称为光谱分析。它的优点是灵敏度高。 (4)氢原子光谱的实验规律：1885年，巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线作了分析，发现这些谱线的波长满足公式＝R∞(n＝3，4，5，…)，R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1．10×107 m－1。这个公式称为巴耳末公式，它确定的这一组谱线称为巴耳末系。 三．玻尔原子理论的基本假设 (1)轨道量子化与定态 ①轨道量子化：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，服从经典力学的规律，但只有当电子运行轨道半径的大小符合一定条件，这样的轨道才是可能的。也就是说，电子的轨道是量子化的。电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。 ②能级与定态：电子只能在特定轨道上运动，因此，原子的能量也只能取一系列特定的值。这些量子化的能量值叫作能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。 (2)频率条件 ①跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程。“跃”字，包含着“不连续”的意思。 ②频率条件：当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m<n)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝En－Em。当电子吸收光子时会从能量较低的定态轨道跃迁到能量较高的定态轨道，吸收的光子的能量同样由频率条件决定。 四.氢原子能级和能级公式 (1)氢原子的能级公式和轨道半径公式 ①能级公式:En ＝E1(n＝1，2，3，…)，其中基态的能量E1最低， 其数值为E1＝－13.6 eV。 ②半径公式:rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1为基态半径， 数值为r1 ＝0.53×10－10 m。 (2)氢原子的能级图(如图所示) 考点一　原子的核式结构 典例１：卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示，开有小孔的铅盒里面包裹着少量的放射性元素钋，铅能够很好地吸收α粒子使得α粒子只能从小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　) A．α粒子碰撞到了电子会反向弹回 B．绝大多数α粒子发生了大角度偏转 C．该实验为J．J．汤姆孙的“枣糕模型”奠定了基础 D．该实验说明原子具有核式结构，正电荷集中在原子核上 [答案]　D[解析]　电子质量比α粒子小得多，α粒子与电子碰撞，运动方向几乎不改变，故A错误；绝大多数α粒子方向几乎不发生改变，少数发生了大角度偏转，故B错误；该实验说明原子具有核式结构，占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围(构成原子核)，为卢瑟福的原子的核式结构理论奠定了基础，从而否定了J．J．汤姆孙的“枣糕模型”，故C错误，D正确。 典例2： (2025·浙江6月选考)一束α粒子撞击一静止的金原子核,它们的运动轨迹如图所示。图中虚线是以金原子核为圆心的圆。已知静电力常量k=9.0×109 N·m2/C2,元电荷e=1.6×10-19 C,金原子序数为79,不考虑α粒子间的相互作用,则(　　) A.沿轨迹1运动的α粒子受到的库仑力先做正功,后做负功 B.沿轨迹2运动的α粒子到达P时动能为零、电势能最大 C.位于图中虚线圆周上的3个α粒子的电势能不相等 D.若α粒子与金原子核距离为10-14 m,则库仑力数量级为102 N [答案]　D[解析]　沿轨迹1运动的α粒子受到的库仑力先做负功,后做正功,A错误;沿轨迹2运动的α粒子做曲线运动,到达P时动能不为零,因距离金原子核最近,则电势能最大,B错误;题图中虚线圆周上各点的电势都相等,可知位于虚线圆周上的3个α粒子的电势能相等,C错误;若α粒子与金原子核距离为10-14 m,根据库仑定律可知库仑力F=k=9×109× N=364 N,即数量级为102 N,D正确。 典例3：氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的波长为λ1，波长次之为λ2，则为(　　) A． B． C． D． [答案]　D[解析]　氢原子光谱的巴耳末系中的波长满足 公式＝R∞(n＝3，4，5，…)， 当n＝3时，波长最长，即＝R∞＝， 当n＝4时，波长次之，即＝R∞＝， 所以＝×＝，故选D。 考点二　玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱 1.两类能级跃迁 (1)自发跃迁:高能级(n)低能级(m)→放出能量，辐射光子，hν＝En－Em。 (2)受激跃迁:低能级(m)高能级(n)→吸收能量。 ①光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝En－Em。 ②碰撞、加热等:只要入射粒子的能量大于或等于能级差即可，E外≥En－Em。 ③大于电离能的光子被吸收，原子将电离。 2.电离 电离态:n＝∞，E＝0 基态→电离态:E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。 激发态→电离态:E吸>0－En＝|En|。 若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。 3.原子辐射光谱线数量的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)条。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为N＝。 典例4：(2025·甘肃卷，1)利用电子与离子的碰撞可以研究离子的能级结构和辐射特性。He＋离子相对基态的能级图(设基态能量为0)如图所示。用电子碰撞He＋离子使其从基态激发到可能的激发态，若所用电子的能量为50 eV，则He＋离子辐射的光谱中，波长最长的谱线对应的跃迁为(　　) A．n＝4→n＝3能级 B．n＝4→n＝2能级 C．n＝3→n＝2能级 D．n＝3→n＝1能级 [答案]　C[解析]　根据题意可知，用能量为50 eV的电子碰撞处于基态的He＋离子，可使He＋离子跃迁到n＝3能级和n＝2能级，He＋离子向低能级跃迁时将辐射光子，由Em－En＝hν＝h可知，波长最长的谱线对应的跃迁为n＝3→n＝2能级，故选C。 典例5：(2026·山东省高三上开学考试)如图所示，钠原子在几个能级间跃迁时辐射的光的波长分别为λ1、λ2、λ3和λ4。其中只有一种波长的光能使某种逸出功为W0的金属发生光电效应，普朗克常量为h，真空中光速为c，则产生光电子的最大初动能Ek为(　　) A．h－W0 B．h－W0 C．h－W0 D．h－W0 [答案]　C[解析]　只有一种光能让金属发生光电效应，则这一种光的光子能量最大，由题图可知，最大光子能量的光波长为λ3，根据爱因斯坦光电效应方程可得Ek＝h－W0，故选C。 典例6：(2026·福建福州模拟)氢原子的能级图如图甲所示,大量处在n=3能级的氢原子在向低能级跃迁的过程中会释放出多种能量的光子,用其中所释放出的光照射如图乙所示的光电管阴极K,合上开关,当电压表的示数为10.30 V时,电流表的示数恰好为零。下列说法正确的是(　　) A.氢原子能产生6种不同的光子 B.光电子的最大初动能为8.5 eV C.光电管阴极K的逸出功为4.25 eV D.氢原子释放的所有光子都能使阴极K发生光电效应 [答案] D[解析]　大量处于n=3能级的氢原子能产生种不同的光子,故A错误;光电子的最大初动能为Ek=eUc=10.30 eV,故B错误;根据Ek=hν-W,又hν=E3-E1,联立解得光电管阴极K的逸出功W=1.79 eV,故C错误;氢原子释放的3种光子能量分别为E3-E1=12.09 eV,E3-E2=1.89 eV,E2-E1=10.2 eV,均大于逸出功1.79 eV,所以氢原子释放的所有光子都能使阴极K发生光电效应,故D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $