（課標人教版）《高考風向標》物理 第12章原子物理 第1講原子的結構 能級

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1、第十二章 原子物理 一、考綱要求 內(nèi)　　容 要求 說明 1．氫原子光譜 Ⅰ 2．氫原子的能級結構、能級公式 Ⅰ 3．氫原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期 Ⅰ 4．放射性同位素 Ⅰ 5．核力、核反應方程 Ⅰ 6．結合能、質量虧損 Ⅰ 7．裂變反應和聚變反應、裂變反應堆 Ⅰ 8．放射性的防護 Ⅰ 二、知識網(wǎng)絡 原 子 物 理 實驗基礎 實驗基礎 原子結構 原子核 基本粒子 電子的發(fā)現(xiàn) α粒子散射實驗 光譜 核式結構 波爾理論 天然放射現(xiàn)象 原子核的人工轉變 核能 衰變 半衰期 質子中子發(fā)現(xiàn)

2、 發(fā)射性同位素 核 組成 質能方程 裂變 聚變 第1講 原子的結構 能級 ★一、考情直播 1．考綱解讀 考綱內(nèi)容 能力要求 考向定位 1.氫原子光譜 2.氫原子的能級結構、能級公式 1.知道湯姆生發(fā)現(xiàn)電子同時提出棗糕模型 2.知道α粒子散射實驗及盧瑟福的核式結構模型 3.知道波爾的三條假設及對氫原子計算的兩個公式和氫原子能級 考綱對氫原子光譜、能級結構和能級公式均是Ⅰ級要求．本部分高考的熱點是α粒子散射實驗和波爾理論，高考中以選擇題的形式出現(xiàn)． 2．考點整合 考點一 盧瑟福的核式結構模型 1.湯姆生在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了 ，提出

3、了原子的棗糕模型． 2．α粒子散射實驗 α粒子散射實驗是用α粒子轟擊金箔，結果是 穿過金箔后仍沿原來方向前進， 發(fā)生了較大的偏轉，極個別α粒子甚至 . 3.核式結構 盧瑟福從行星模型得到啟發(fā)，提出了原子的核式結構，這是一種聯(lián)想思維. 核式結構：在原子的中心有一個很小的 ，叫原子核，原子的 都集中在原子核里，帶 在核外空間運動. 特別提醒： α粒子穿過金箔時，受到金原子核的庫侖力作用，這個力是斥力，必然使α粒子向遠離金原子核方向偏轉，如圖1所

4、示的問題中：α粒子穿過金箔中的兩個原子時，會受到這兩個原子的原子核的合力的作用，由于α粒子距離原子核A較近，受到的A的斥力較大，故其合外力指向B原子核方向，其偏轉軌跡應該是N. 4.由α粒子散射實驗數(shù)據(jù)還可以估算原子核的大小，盧瑟福估算的結果是：原子核的大小的數(shù)量級在 以下. 圖2 α粒子 原子核 A [例題1] 如圖2所示，為α粒子散射實驗的示意圖，A點為某α粒子運動中離原子核最近的位置，則該α粒子在A點具有 A．最大的速度 B．最大的加速度 C．最大的動能 D．最大的電勢能 【解析】α粒子在接近原子核的過程中受到原子核庫侖排斥力的作用，

5、這個力對α粒子做負功，使α粒子的速度減小，動能減小，電勢能增大，顯然，正確選項應該為BD 答案：BD 【規(guī)律總結】本題考查的知識點有兩條，一是α粒子與原子核之間的庫侖力，二是這個庫侖力做負功，距離原子核越近，庫侖力越大. 【例題2】．（2008年上海）1991年盧瑟福依據(jù)α粒子散射實驗中α粒子發(fā)生了＿＿＿＿（選填“大”或“小”）角度散射現(xiàn)象，提出了原子的核式結構模型.若用動能為1MeV的α粒子轟擊金箔，則其速度約為＿＿＿＿＿m/s.（質子和中子的質量均為1.67×10－27kg，1MeV=1×106eV） 【解析】根據(jù)α粒子散射實驗現(xiàn)象，α粒子發(fā)生了大角度散射. 同時根據(jù)： 代入數(shù)

6、據(jù) 答案：大，6.9×106 【規(guī)律總結】一是電子伏特與焦耳之間的換算，；二是α粒子的質量應該是兩個中子和兩個質子的質量和，即：． 考點二 波爾模型 1.波爾的三條假設： 1）、能量量子化：原子只能處于一系列 狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫做 . 對氫原子滿足：，其中 2）、軌道量子化：原子的 跟電子沿不同的圓形軌道繞核運動 相對應.原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道的分布也是不連續(xù)的. 對氫原子滿足：，其中. 3）、能級躍遷：原子從一種定態(tài)（設能

7、量為E2）躍遷到另一種定態(tài)（設能量為E1）時，它 一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即. 2.氫原子能級圖：如圖3所示 圖3 3.波爾理論的局限性 波爾理論成功解釋了氫原子光譜，但對其它原子光譜的解釋則不成功，主要原因是波爾理論過多的保留了經(jīng)典物理理論. 特別提醒： 1.原子從低能級向高能級的躍遷： 當光子作用使原子發(fā)生躍遷時，只有光子的能量滿足的躍遷條件時，原子才能吸收光子的全部能量而發(fā)生躍遷.（電離除外，比如光子能量為14eV的光子照射基態(tài)氫原子，會使基態(tài)的氫原子電離，電離后電子還具有14eV-13.6eV=0.6eV的初動能.） 當電子

8、等實物粒子作用在原子上，只要入射粒子的動能大于或等于原子某兩定態(tài)能量之差，即可使原子受激發(fā)而向較高能級躍遷. 2.原子從高能級向低能級的躍遷： 當一群氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，可能產(chǎn)生的譜線條數(shù)為n(n-1)/2； 當一個氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，最多可產(chǎn)生的譜線條數(shù)為（n-1），若氫原子的從高能級向某一確定的低能級躍遷，只能產(chǎn)生一條譜線 【例題3】氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠的軌道過程中： Ａ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能增大 Ｂ.原子要放出光子，電子的動能減小，原子的電勢能減小 Ｃ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子

9、的電勢能減小 Ｄ.原子要吸收光子，電子的動能減小，原子的電勢能增大 【解析】根據(jù)玻爾理論，氫原子核外電子在離核越遠的軌道上運動能量越大，必須吸收一定能量的光子后，電子才能從離核較近的軌道躍遷到離核較遠的軌道，選項Ｂ可先排除.氫原子核外電子的繞核運動，由原子核對電子的庫侖力作向心力，即，電子的動能，離核越遠，即r越大時，電子的動能越小.由此又可排除選項Ａ、Ｃ.電子在不同軌道之間躍遷時，整個原子系統(tǒng)電勢能的變化可從兩方面加以判斷： ①根據(jù)庫侖力做功的正負，庫侖力做正功（電子從離核較遠的軌道被“吸”到離核較近的軌道），電勢能減??；庫侖力做負功（電子從離核較近的軌道克服庫侖力運動到離核較遠的

10、軌道），電勢能增加. ②根據(jù)各能級能量的關系：電子在離核不同距離的軌道上運動時，整個原子系統(tǒng)的總能量等于電子繞核運動的動能和系統(tǒng)的電勢能之和，即：Ｅn=Ｅkn+Ｅpn, 離核越遠時（即量子數(shù)n越大），原子系統(tǒng)的總能量Ｅn越大，而電子的動能Ｅkn越小，可見，系統(tǒng)的電勢能Ｅpn一定越大.所以，本題正確答案是Ｄ. 答案：D 【規(guī)律總結】 1. 量子化的氫原子能量的不連續(xù)的 量子化的氫原子，量子數(shù)越大，電子離核越遠，原子的總能量越大；量子數(shù)越小，電子離核越近，總能量越??；在規(guī)定離核無窮遠處的電勢能為零時，氫原子的總能量是負值． 2.庫侖力做的功等于電勢能變化量的相反數(shù)． 【例題4】．（

11、2008年海南）質子和中于是由更基本的粒子即所謂“夸克”組成的．兩個強作用電荷相反（類似于正負電荷）的夸克在距離很近時幾乎沒有相互作用（稱為“漸近自由”）；在距離較遠時，它們之間就會出現(xiàn)很強的引力（導致所謂“夸克禁閉”）．作為一個簡單的模型，設這樣的兩夸克之間的相互作用力F與它們之間的距離r的關系為： 式中F0為大于零的常量，負號表示引力．用U表示夸克間的勢能，令U0＝F0(r2—r1)，取無窮遠為勢能零點．下列U－r圖4示中正確的是 D U O －U0 r r1 r2 A U O －U0 r r1 r2 B U O －U0 r r1

12、 r2 C U O U0 r r1 r2 圖4 答案：B 【解析】當兩夸克之間的距離時，兩夸克之間不存在相互作用力，引力的功為零，必有勢能保持不變，由于取無窮遠為零勢能點，此時的勢能應為負值.當時，兩夸克之間存在吸引力，此時夸克間的距離變大，引力做負功，勢能增加，即其絕對值應該減小.考慮到引力為恒力，引力的功隨距離均勻增大，必有勢能均勻增加.當時，兩夸克間的相互作用力為零，引力的功必為零，勢能不變，一直到

13、兩夸克相距無窮遠，勢能應該為零.答案應為B. 【規(guī)律總結】庫侖力做正功，電勢能減??；庫侖力做負功，電勢能增加；庫侖力做多少功，電勢能就變化多少．庫侖力不做功，電勢能不變． 【例題5】 按照玻爾理論，一個氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的圓軌道上（ra＞rb），在此過程中 Ａ.原子發(fā)出一系列頻率的光子 Ｂ.原子要吸收一系列頻率的光子 Ｃ.原子要吸收某一頻率的光子  Ｄ.原子要發(fā)出某一頻率的光子 答案：D 【解析】氫原子的軌道與其量子數(shù)是一一對應關系，電子自一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的圓軌道

14、上（ra＞rb），對應著電子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)，其量子數(shù)變小，顯然為惟一一組量子數(shù)，應該放出一定頻率的光子. 【規(guī)律總結】一個氫原子最多可以產(chǎn)生的譜線數(shù)是n-1條，但當原子的初、末狀態(tài)確定時，只能產(chǎn)生一條譜線． ★二、高考熱點探究 1. 關于α粒子散射實驗及盧瑟福核式結構 【真題1】（2001年上海高考) 盧瑟福原子核式結構理論的主要內(nèi)容有 A．原子的中心有個核，叫做原子核 B．原子的正電荷均勻分布在整個原子中 C．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里 D．帶負電的電子在核外繞著核旋轉 答案：A、C、D 【名師指引】本題考查了盧瑟福核式結構的主要內(nèi)容：原

15、子的中心有個核，叫做原子核．原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，原子核的直徑在10-15m以下，原子內(nèi)大部分是空的，電子在核外繞著核高速旋轉． [新題導練1]（2008廣州一模）盧瑟福通過 實驗，發(fā)現(xiàn)了原子中間有一個很小的核，并由此提出了原子的核式結構模型.如果用帶箭頭的四條線a、b、c、d來表示α粒子在圖5所示的平面示意圖中運動的可能軌跡.請在圖5中補充完成b和c兩條α粒子運動的大致軌跡. 圖5 2.關于氫原子躍遷時產(chǎn)生譜線的數(shù)目、光子能量、光子波長的計算 圖5 【真題2】（2007年全國Ⅰ）用大量具有一定能量的電子轟擊大量處于基態(tài)的

16、氫原子，觀測到了一定數(shù)目的光譜線.調高電子的能量再次進行規(guī)測，發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目原來增加了5條.用△n表示兩次觀測中最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n之差，E表示調高后電子的能量.根據(jù)氫原子的能級圖5可以判斷，△n和E的可能值為 A. △n＝1，13.22cV＜E＜13.32cV B. △n＝2，13.22eV＜E＜13.32eV C. △n＝1，12.75cV＜E＜13.06cV D. △n＝2，12.75cV＜E＜13.06cV 答案：A、D 【名師指引】當量子數(shù)為n時，產(chǎn)生的光子頻率的個數(shù)為n(n-1)/2，可以列出下面的表格： N 1 2 3 4 5 6 7 N(n-1)

17、/2 0 1 3 6 10 15 21 由表格中可以發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目比原來增加了5條所對應的量子數(shù)為n=2和n=4；n=6和n=5，經(jīng)檢驗，其他的量子數(shù)不存在光譜線的數(shù)目比原來增加了5條這一情況. 顯然，對于量子數(shù)為n=6和n=5，△n＝1，調高后電子的能量E大于E5-E1=13.22eV，而小于E7-E1=13.32eV，故A正確. 同理，對于量子數(shù)為n=4和n=2，△n＝2，調高后電子的能量E大于E4-E1=12.75eV，而小于E5-E1=13.06eV，故D正確 【新題導練2】 氫原子從能級Ａ躍遷到能級Ｂ時，輻射出波長為的光，從能級Ａ躍遷到能級Ｃ時，輻射出波長為的

18、光子，若，則氫原子從能級Ｂ躍遷到Ｃ能級時，將 （填輻射或吸收）光子，光子的波長為 . 【真題3】處于基態(tài)的一群氫原子受某種單色光的照射時， 只發(fā)射波長為、、的三種單色光，且 >>，則照射光的波長為 A． B．++ C． D． 答案： D 圖6 【名師指引】處于基態(tài)的一群氫原子受某種單色光的照射時， 只發(fā)射三種波長的光子，說明是從量子數(shù)n=3向低能級躍遷的．根據(jù)氫原子能級圖，兩能級差越大，發(fā)射的光子能量越大，其波長越短．所以是由量子數(shù)n=3到量子數(shù)n=1躍遷產(chǎn)生的．這樣就要求處于基態(tài)的氫原子吸收了入

19、射光的能量躍遷到量子數(shù)n=3能級，所以，照射光的光子能量應該等于，選項D正確． 【新題導練3】圖6示為氫原子的能級圖，用光子能量為13.07eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子，可能觀測到氫原子發(fā)射的不同波長有多少種？ A．15 B．10 C．4 D．1 ★三、搶分頻道 要求：每一講配一個限時基礎訓練卷（活頁裝訂），全部為基礎題，題量一般為10個題，排成一頁；如果是各地的模擬題，也要注明題的出處，可以是廣東各地的，也可以是全國其他地方的．“基礎提升訓練”一般4～6道題，“能力提高訓練”一般3～4道題．總體難度在2009年版的基礎上要有所降低，突出基礎． 1．限時基礎訓練卷（活頁

20、裝訂） 2．基礎提升訓練 3．能力提高訓練 ◇限時基礎訓練（20分鐘） 班級 姓名 成績 1.在氫原子中，量子數(shù)n越大，則 A.電子軌道半徑越小 B.核外電子速度越小 C.原子的能量越小 D.原子的電勢能越小 2.盧瑟福于1911年提出原子核式結構學說，下述觀點不正確的是 Ａ.原子中絕大部分是空的，原子核很小 Ｂ.電子在核外繞原子核旋轉，庫侖引力提供向心力 Ｃ.原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里 Ｄ.原子核的半徑大約是10-10米 3.盧瑟福α粒子散射實驗的結

21、果 Ａ.證明了質子的存在 Ｂ.證明了原子核是由質子和中子組成的 Ｃ.說明了原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在一個很小的核上 Ｄ.說明原子中的電子只能在某些不連續(xù)的軌道上運動 4. 設氫原子的基態(tài)能量為E1。某激發(fā)態(tài)的能量為E，則當氫原子從這一激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，所______________（填“輻射”或“吸收”）的光子在真空中的波長為________。 5.玻爾在他的原子模型中所做的假設有 Ａ.原子處于定態(tài)時，雖然電子做加速運動，但并不向外輻射能量 Ｂ.原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道運動相對應，所以電子的可能軌道分布是不連續(xù)

22、的 Ｃ.電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，輻射（或吸收）一定頻率的光子 Ｄ.電子躍遷時輻射的光子的頻率等于電子繞核運動的頻率 6.原子中的電子由離原子核較遠的軌道躍遷到離核較近的軌道上時 Ａ.核外電子受力減小 Ｂ.原子的能量增大 Ｃ.核外電子的動能減小 Ｄ.核外電子的勢能減小 7.一群處于n=4的激發(fā)態(tài)的氫原子，向低能級躍遷，可能發(fā)射的譜線為 A.3條 B.4條 C.5條 D.6條 8．對于基態(tài)氫原子，下列說法正確的是（ ） A、它能吸收10.2eV的光子 B、它能吸收11eV的光子 C、它能吸收14eV

23、的光子 D、它能吸收具有11eV動能的電子的部分動能 9．北京奧運會場館建設中，大量采用環(huán)保新技術，如場館周圍的路燈用太陽能電池供電、洗浴熱水能過太陽能集熱器產(chǎn)生等.太陽能產(chǎn)生于太陽內(nèi)部的核聚變，其反應方程是 A．411H→42He+201e B．147N+42He→178O+11H C．23592U+10n →13654Xe+ 9038Sr+1010n D．23892U→23490Th+42He 10．下列敘述中，符合歷史事實的是 A ．湯姆生通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子 B ．法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象 n E/eV 4

24、 -0.85 3 -1.51 2 -3.40 1 -13.60 5 -0.54 ∞ 0 題1 C ．貝克勒爾通過對天然放射現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)了原子的核式結構 D ．牛頓總結出了萬有引力定律并測出了萬有引力常量 ◇基礎提升訓練 1.如圖所示，為氫原子的能級圖，若用能量為10.5ev的光子去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則氫原子： A、能躍遷到n=2的激發(fā)態(tài)上去 B、能躍遷到n=3的激發(fā)態(tài)上去 C、能躍遷到n=4的激發(fā)態(tài)上去 D、以上三種說法均不對

25、 2．右圖是氫原子第1、2、3能級的示意圖.處于基態(tài)的氫原子吸收了一個光子a后，從基態(tài)躍遷到第3能級.然后該氫原子自發(fā)地放出一個光 題2 子b后，由第3能級躍遷到第2能級；接著又自發(fā)地放出一個光子c后，由第2能級躍遷到第1能級.設a、b、c三個光子的頻率依次為ν1、ν2、ν3，波長依次為λ1、λ2、λ3，下列說法中正確的是 A.a、b、c三個光子都是可見光光子 B.ν1=ν2+ν3 C.λ1=λ2+λ3 D.ν1>ν2>ν3 3．已知氫原子的能級規(guī)律為E1=－13.6eV E2＝－3.4eV 、E3＝－1.

26、51eV 、 E 4＝－0.85eV ．現(xiàn)用光子能量介于 11eV～12.5eV 范圍內(nèi)的光去照射一大群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法中正確的是 A ．照射光中可能被基態(tài)氫原子吸收的光子只有 1 種 B ．照射光中可能被基態(tài)氫原子吸收的光子有無數(shù)種 C ．激發(fā)后的氫原子發(fā)射的不同能量的光子最多有 3 種 D ．激發(fā)后的氫原子發(fā)射的不同能量的光子最多有 2 種 4．下列觀點正確的是 A．用電磁波照射某原子，使它從能量為E1的基態(tài)躍遷到能量為E2的激發(fā)態(tài)，電子動能減小，原子電勢能增大，原子能量不變 B．用電磁波照射某原子，使它從能量為E1的基態(tài)躍遷到能量為E2的激發(fā)態(tài)，則該

27、電磁波的頻率等于(E2-E1)/h C．原子處于稱為定態(tài)的能量狀態(tài)時,雖然電子做加速運動,但并不向外輻射能量. D．氫原子的核外電子從n=4能級軌道向低能級軌道躍遷所輻射的光子的頻率最多有8種 5. 在氫原子光譜中，電子從較高能級躍遷到n=2能級發(fā)出的譜線屬于巴耳末線系．若一群氫原于自發(fā)躍遷時發(fā)出的譜線中只有2條屬于巴耳末線系，則這群氫原子自發(fā)躍遷時最多可發(fā)出____________條不同頻率的譜線． ◇能力提升訓練 1. 在盧瑟福的a粒子散射實驗中，有極少數(shù)a粒子發(fā)生大角度偏轉，其原因是（ ） A、原子的正電荷和絕大部分質量集中在一個很小的核上 B、正電荷在原

28、子中是均勻分布的 C、原子中存在著帶負電的電子 D、原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中 2.對于基態(tài)氫原子，下列說法正確的是（ ） A、它能吸收10.2eV的光子 B、它能吸收11eV的光子 C、它能吸收14eV的光子 D、它能吸收具有11eV動能的電子的部分動能 3. 設氫原子的基態(tài)能量為E1．某激發(fā)態(tài)的能量為E，則當氫原子從這一激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，所________________-（填“輻射”或“吸收”）的光子在真空中的波長為________． 4、原子的核式結構學說是盧瑟福根據(jù)以下哪個實驗現(xiàn)象提出的？（ ） A、光電效應現(xiàn)象 B

29、、氫光譜實驗 C、a粒子散射實驗 D、陰極射線的有關現(xiàn)象 5、根據(jù)玻爾理論，氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道后（ ） A、原子的能量增加，電子的動能減少 B、原子的能量增加，電子的動能增加 C、原子的能量減少，電子的動能減少 D、原子的能量減少，電子的動能增加 6、圖為氫原子n=1，2，3，4的各個能級示意圖．處于n=4能量狀態(tài)的氫原子，當它向較低能級發(fā)生躍遷時，發(fā)出的光子能量可能為（ ） n E/eV 4 ________________________ -0.85

30、 3 ________________________ -1.51 2 ________________________ -3.4 1 ________________________ -13.6 題6 A、2.55eV B、13.6eV C、12.75eV D、0.85eV 7. 一群處于基態(tài)的氫原子吸收了某種單色光光子后，能夠向外輻射三種頻率的光，這三種頻率的光的光子能量人別為E1、E2、E3，其間關系為E1

31、A、E=E1 B、E=E2 C、E=E3 D、E=E1+E2 8. 欲使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)，下列措施可行的是： A、用10.2ev的光子照射 B、用11ev的光子照射 C、用14ev的光子照射 D、用11ev的電子碰撞 9. 氫原子核外電子在第2條軌道和第3條軌道運動時，電子的動能之比Ek2：Ek3=______, 動量之比為p2:p3=_________，運動周期之比T2：T3=_________． 10. 氫原子的核外電子質量為m，電量為e，在離核最近的軌道上運動，軌道半徑為r1． （1）電子運動的動能Ek是多少？ （2）電子繞核轉動的頻率f是多少？ （3）氫原子核在電子軌道處產(chǎn)生的電場強度E為多大