17-18版 第13章 第2节 原子结构

第2节原子结构

考点一| 原子的核式结构模型

1．电子的发现

英国物理学家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．原子的核式结构

(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型．

(2)α粒子散射实验的结果：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粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图13-2-1所示．

图13-2-1

(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，原子半径的数量级是10－10_m，而原子核半径的数量级是10－15_m，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．

(4)实验意义：否定了汤姆孙的原子结构模型，提出了原子的核式结构模型，明确了原子核大小的数量级．

1．由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转．

2．使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分．按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子的散射实验现象相矛盾．

3．实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，α粒子大角度散射是不可能的．

1．(多选)如图13-2-2所示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四个位置时观察到的现象，下列说法中正确的是()

图13-2-2

A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多

B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比A位置时明显偏少C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光

D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

ABD[根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，A、B、D正确．]

2．(多选)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是()

A．α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大得多，电子不可能使α粒子的运动方向发生明显的改变

B．由于绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来方向前进，所以使α粒子发生大角度偏转的原因是在原子中极小的区域内集中着对α粒子产生库仑力的正电荷

C．使α粒子穿过原子时，只有少数粒子发生大角度偏转的原因是原子核很小，α粒子接近原子核的机会很小

D．α粒子发生大角度偏转的原因是α粒子穿过原子时，原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等

ABC[电子的质量很小，当和α粒子作用时，对α粒子运动的影响极其微小，A正确；α粒子发生大角度偏转，说明原子核的正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的区域内，所以B、C正确，D错误．]

3．在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是()

【导学号：81370427】

C[金箔中的原子核与α粒子都带正电，α粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错；由原子核对α粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向受力一方，B错，C对．]

4．(多选)在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪种情况()

A．动能最小

B．电势能最小

C．α粒子与金原子核组成的系统能量最小

D．所受金原子核的斥力最大

A D[α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减少，电势能增大；两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒；根据库仑定律，距离最近时斥力最大．]

5．在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是()

A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上

B．正电荷在原子内是均匀分布的

C．原子中存在着带负电的电子

D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中

A[卢瑟福α粒子散射实验中使卢瑟福惊奇的就是α粒子发生了较大角度的偏转，这是由于α粒子带正电，而原子核极小，且原于核带正电，A正确，B 错误．α粒子能接近原子核的机会很小，大多数α粒子都从核外的空间穿过，而与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样，运动方向不会发生改变．C、D的说法没错，但与题意不符．]

考点二| 氢原子光谱、玻尔的原子模型

1．氢原子光谱

(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱．有的光谱看起来不是一条条分立的谱线，而是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱．

(2)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义．

(3)经典理论的困难

原子核式结构模型正确地指出了原子核的存在，很好地解释了α粒子散射实验．但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征．

2．氢原子的能级结构、能级公式

(1)玻尔理论

①定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．

②跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝E m－

E n.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)

③轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．

(2)几个概念

①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级．

②基态：原子能量最低的状态．

③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态．

④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数．

(3)氢原子的能级公式：E n＝1

n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.

(4)氢原子的半径公式：r n＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m.

3．氢原子的能级图

能级图如图13-2-3所示．

图13-2-3

1．能级图中相关量意义的说明

(1)原子跃迁条件hν＝E m－E n只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．

(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．

(3)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被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝E m－E n)，均可使原子发生能级跃迁．

1．关于光谱，下列说法不正确的是()

A．炽热的液体发射连续谱

B．发射光谱一定是连续谱

C．线状谱和暗线谱都可以对物质成分进行分析

D．霓虹灯发光形成的光谱是线状谱

B[发射光谱可分为连续光谱和明线谱，B符合题意．]

2．一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子()

A．放出光子，能量增加

B．放出光子，能量减少

C．吸收光子，能量增加

D．吸收光子，能量减少

B[氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项B正确，选项A、C、D错误．]

3．(多选)氢原子从n＝6跃迁到n＝2能级时辐射出频率为ν1的光子，从n ＝5跃迁到n＝2能级时辐射出频率为ν2的光子．下列说法正确的是()

【导学号：81370428】A．频率为ν1的光子的能量较大

B．频率为ν1的光子的动量较大

C．做双缝干涉实验时，频率为ν1的光产生的条纹间距较大

D．做光电效应实验时，频率为ν1的光产生的光电子的最大初动能较大

ABD[根据玻尔理论hν＝E m－E n，光子从6到2能级跃迁释放光子的能量大于从5到2能级释放的能量，对应的光子频率ν1＞ν2，所以A选项正确；光子

的动量根据光子的波粒二象性可得p＝hν

c，可以得出ν1光子的动量大于

ν2光子的动量，B正确；双缝干涉实验中的条纹间距公式Δx＝Lλ

d，将E＝

hc

λ

代入可以得出Δx＝Lhc

dE，所以能量大的条纹间距小，ν2光子的能量小，所以其条

纹间距大，C错误；根据光电效应方程E k＝hν－W0，可以知道射入光子能量越高，射出光电子的动能越大，所以D选项正确．]

4. (2016·浙江10月选考)如图13-2-4为氢原子能级图，氢原子中的电子从n ＝5能级跃迁到n＝2能级可产生a光；从n＝4能级跃迁到n＝2能级可产生b 光．a光和b光的波长分别为λa和λb，照射到逸出功为2.29 eV的金属钠表面均可产生光电效应，遏止电压分别为U a和U b.则()

图13-2-4

A．λa＞λb

B．U a＞U b

C．a光的光子能量为2.86 eV

D．b光产生的光电子最大初动能E k＝0.26 eV

BC D[A.由能级跃迁，a光光子能量大于b光光子，故a光频率大于b光，a光波长小于b光，故A错误；B.由光电效应方程hν＝E k＋W，而遏止电压与最大初动能E k成正比，故照射相同的金属，频率越大，遏止电压越大，B正确；

C.由能级跃迁图，可得a光光子能量为[－0.54－(－3.4)] eV＝2.86 eV，故C正确；

D.由能级图，b光光子能量为2.55 eV，根据光电效应方程hν＝E1＋W，b光产生的光电子最大初动能为0.26 eV，故D正确．]