第四章 原子结构 单元过关测试（word版含解析）

2021-2022学年鲁科版（2019）选择性必修第三册
第四章
原子结构
单元过关测试（解析版）
第I卷（选择题）
一、选择题（共48分）
1．瑞士数学家、物理学家巴耳末的主要贡献是建立了氢原子光谱波长的经验公式——巴耳末公式，氢原子从这四个能级跃迁到能级时，得到的是可见光，其中从能级跃迁到能级发出的是红光，从能级跃迁到能级发出的是紫光，氢原子能级图如图所示，则氢原子从能级向低能级跃迁时辐射的电磁波中波长最短的可能是（　　）
A．红外线
B．紫外线
C．射线
D．射线
2．粒子散射实验中，有部分大角度偏转的粒子，说明了（　　）
A．由于原子中的电子碰撞造成的
B．受到金原子核库仑引力
C．原子核由质子和中子组成
D．原子中有带正电的原子核
3．2020年6月23日北斗全球组网卫星的收官之星发射成功，其中“北斗三号”采用星载氢原子钟，通过氢原子的能级跃迁而产生的电磁波校准时钟。氢原子的部分能级结构如图所示，下列说法正确的是（　　）
A．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能增大，原子的电势能减小
B．大量处于n=3激发态的氢原子，向低能级跃迁时可辐射出2种不同频率的光
C．用11eV的光子照射，能使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D．由n=2能级向n=
1能级跃迁时会辐射10.2eV能量的光子，氢原子中电子的动能增加
4．下列说法中正确的是（　　）
A．动能相同的质子和电子，它们的德布罗意波的波长相同
B．一个氢原子处在n=4的能级，当它跃迁到较低能级时，最多能辐射出6种频率的光子
C．用同频率的光在相同的条件下先后照射锌板和银板时均有光电子逸出，逸出的光电子动能可能相同
D．5G的数据传输速率比4G大幅提升，因此5G信号比4G信号在真空中的传播速度更快
5．如图所示是氢原子的能级图，一群氢原子处于量子数的激发态，这些氢原子能够自发地跃迁到较低的能量状态，并向外辐射多种频率的光，用辐射出的光照射图乙光电管的阴极，已知阴极的逸出功为，则（　　）
A．波长最长的光是原子从激发态跃迁到基态时产生的
B．阴极逸出光电子的最大初动能为
C．这些氢原子可以辐射7种不同频率的光
D．某氢原子辐射出一个光子后，核外电子的速率减小
6．如图所示为氢原子能级图，现有大量氢原子从n＝4的能级发生跃迁，并发射光子照射一个钠光管，其逸出功为2.29eV，以下说法正确的是（　　）
A．氢原子可能发出6种不同频率的可见光
B．能够让钠光电管发生光电效应现象的有4种光子
C．光电管发出的光电子与原子核发生β衰变时射出的电子都是来源于原子核内部
D．钠光电管发出的光电子轰击处于基态的氢原子能使氢原子跃迁到n＝3的能级
7．如图所示为氢原子能级图。一个处于激发态的氢原子向低能级跃迁，发出两种不同频率的光子，这两种光子的能量相差为，则该氢原子跃迁时涉及的激发态的量子数为（　　）
A．
B．
C．
D．
8．关于经典电磁理论与原子的核式结构之间的关系，下列说法正确的是（　　）
A．经典电磁理论很容易解释原子的稳定性
B．根据经典电磁理论，电子绕原子核转动时，电子会不断释放能量，最后被吸附到原子核上
C．根据经典电磁理论，原子光谱应该是连续的
D．原子的核式结构模型彻底否定了经典电磁理论
9．氢原子光谱在可见光部分只有四条谱线，它们分别是从n为3、4、5、6的能级直接向能级跃迁时产生的。四条谱线中，一条红色、一条蓝色、两条紫色，则下列说法正确的是（　　）
A．红色光谱是氢原子从能级向能级跃迁时产生的
B．蓝色光谱是氢原子从能级或能级向能级跃迁时产生的
C．若氢原子从能级直接向能级跃迁，则能够产生紫外线
D．若氢原子从能级直接向能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，则氢原子从能级直接向能级跃迁时所产生的辐射将可能使该金属发生光电效应
10．如图所示为氢原子的能级结构示意图，一群氢原子处于n＝4的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外辐射出光子，用这些光子照射逸出功为2.49eV的金属钠，下列说法正确的是(　
　)
A．这群氢原子能辐射出六种不同频率的光，其中从n＝4能级跃迁到n＝3能级所发出的光波长最长
B．这群氢原子在辐射光子的过程中电子绕核运动的动能减小，电势能增大
C．能发生光电效应的光有四种
D．金属钠表面所发出的光电子的最大初动能是10.26eV
11．（多选）根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是（　　）
A．一个氢原子吸收光子后，可能从低能级向高能级跃迁
B．电子沿某一轨道绕核运动，若圆周运动的频率为ν，则其发光的频率也是ν
C．若氢原子由能量为En的激发态向基态跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为hν＝En
D．一群氢原子从第3能级自发地向第1能级跃迁，最多可能辐射出三种频率的光子
12．红外测温具有响应时间快、非接触、安全准确的优点，在新冠疫情防控中发挥了重要作用。红外测温仪捕捉被测物体电磁辐射中的红外线部分，将其转变成电信号。图甲为红外线光谱的三个区域，图乙为氢原子能级示意图。已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s，光在真空中的速度c=3.0×108m/s，下列说法正确的是（　　）
A．红外线光子能量的最大值约为1.64eV
B．氢原子从n=3能级向n=2能级跃迁时释放出的光子能被红外测温仪捕捉
C．大量氢原子从n=4能级向低能级跃迁时，红外测温仪可捕捉到2种频率的红外线
D．大量处于n=2激发态的氢原子吸收能量为2.86eV的光子后，辐射出的光子可能被红外测温仪捕捉
第II卷（非选择题）
二、解答题（共52分）
13．当电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上时，电子受原子核的作用力怎样变化？电子的电势能怎样变化？在玻尔的氢原子能级公式中，为什么原子的能量是负值？请与同学讨论交流。
14．如图所示为我国首颗量子通信卫星“墨子号”。“墨子号”的成功发射使我国在量子通信技术领域走在了世界前列。那么，量子通信的理论基础是什么？该理论的提出背景又是什么？
15．描述氢原子光谱的简洁而又优美的公式称为广义巴耳末公式，即，式中R为里德伯常量.已知氢原子光谱中最短的谱线波长为，求R.
16．如图所示为氢原子能级图，试回答下列问题：
(1)一群处于能级n＝4的氢原子跃迁后可能辐射出几种频率的光子？
(2)通过计算判断：氢原子从能级n＝4跃迁到能级n＝2时辐射出的光子的最大频率有多大？)(
h=6.63×10-34)
(3)设氢原子处于基态时电子的轨道半径为r1，动能为Ek1；处于第n能级时电子的轨道半径为rn，动能为Ekn，已知rn＝n2r1.试用库仑定律和牛顿运动定律证明：Ekn＝.
参考答案
1．B
【详解】
AB．从氢原子能级图中可知氢原子从能级跃迁到能级时辐射的电磁波能量最高，频率最大，波长最短，其波长比紫光波长短，所以A错误，B正确；
CD．射线不是电磁波，是高速电子流，射线虽然是电磁波，但射线是原子核受激发产生的，氢原子核外电子的跃迁不可能产生射线，所以CD错误；
故选B。
2．D
【详解】
粒子散射实验中，有部分大角度偏转的粒子，说明了原子中有带正电的原子核，粒子受到了金原子核库仑斥力作用。
故选D。
3．D
【详解】
A．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大，故A错误；
B．大量处于n=3激发态的氢原子，向低能级跃迁时可辐射出的光子的频率种类为
种
故B错误；
C．处于基态的氢原子跃迁到第一激发态需要吸收的能量为
跃迁到第二激发态需要吸收的能量为
故C错误；
D．由n=2能级向n=
1能级跃迁时会辐射10.2eV能量的光子，电场力做正功，氢原子中电子的动能增加，故D正确。
故选D。
4．C
【详解】
A．因为
根据德布罗意波的波长的公式
所以动能相同的质子和电子，由于质量不同德布罗意波波长不同，A错误；
B．一个氢原子处在n=4的能级，由较高能级跃迁到较低能级时，最多可以发出4→3，3→2，和2→1三种频率的光，B错误；
C．用同频率的光照射不同种金属，金属中的不同位置的电子吸收能量后从金属不同深度逃逸而成为光电子，其具有的初动能可能相同，C正确；
D．5G信号比4G信号均是电磁波，在真空中传播速度相同，D错误。
故选C。
5．B
【详解】
A．由可知，波长越长，频率越小，光子的能量越小，波长最长的光是原子从n=5激发态跃迁到n=4时产生的，A错误；
B．氢原子从n=5到基态跃迁，释放的光子能量最大
阴极K逸出光电子的最大初动能为
B正确；
C．这些氢原子可以辐射种不同频率的光的数目为
C错误；
D．根据波尔理论，某氢原子辐射出一个光子后，某氢原子能级降低，半径减小，速度增大，D错误；
故选B。
6．B
【详解】
A．氢原子可能发出6种不同频率的光，但不是所有的光都是可见光，有一些落到可见光之外，A错误；
B．当放出光子的能量大于2.29eV时，钠光电管发生光电效应，在放出的6种光中，其中从n=4跃迁到n=2；从n=4跃迁到n=1，从
n=3跃迁到n=1；从n=2跃迁到n=1，共有4种能使钠光电管发生光电效应，B正确；
C．光电管发出的光电子是来源于核外电子，而原子核发生β衰变时射出的电子来源于原子核内部，C错误；
D．氢原子放出的光子能量最大值为
根据光电效应方程，钠光电管发出的光电子最大动能
由于
因此用该电子轰击处于基态的氢原子不能使氢原子跃迁到n＝3的能级，D错误。
故选B。
7．B
【详解】
因为是一个处于激发态的氢原子向低能级跃迁，所以只能向低能级跃迁，不能向高能级跃迁，第4能级的氢原子向第3能级跃迁时，光子的能量为
第3能级的氢原子向第1能级跃迁时，光子的能量为
这两种光子的能量差为
所以该氢原子跃迁时涉及的激发态的量子数为3、4，故B正确，ACD错误。
故选B。
8．BC
【详解】
AB．根据经典电磁理论，电子在绕核做加速运动的过程中，要向外辐射电磁波，因此能量要减少，电子的轨道半径要减小，最终会落到原子核上，因而原子是不稳定的，故A错误B正确；
C．根据经典电磁理论，电子在转动过程中，随着转动半径不断减小，转动频率不断增大，辐射电磁波的频率不断变化，因而大量原子发光的光谱应该是连续谱，事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续谱，而是线状谱；故C正确。
D．经典理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用于解释原子世界的现象，原子的核式结构模型彻底并没有否定经典电磁理论，故D错误。
故选BC。
9．AC
【详解】
A．一群氢原子从n为3、4、5、6的能级直接向能级跃迁时产生的四条谱线中，红光的频率最低，即是氢原子从能级向能级跃迁时产生的，选项A正确。
B．蓝色光谱的频率是第二低的，是从能级直接向能级跃迁时产生的，选项B错误。
C．若氢原子从能级直接向能级跃迁，产生光子的能量比6→2跃迁产生的光子能量大，所以能够产生紫外线，选项C正确。
D．若氢原子从能级直接向能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，则氢原子从能级直接向能级跃迁时所产生的辐射一定不能使该金属发生光电效应，选项D错误。
故选AC。
10．ACD
【解析】
根据知，这群氢原子能辐射出三种不同频率的光子，从n=4向n=3跃迁的光子频率最小，波长最长，A正确；氢原子辐射光子的过程中，能量减小，轨道半径减小，根据知，电子动能增大，则电势能减小，B错误；只有从n=4跃迁到n=2，从n=4跃迁到n=1，从n=3跃迁到n=1，以及从n=2跃迁到n=1辐射的光子能量大于逸出功，所以能发生光电效应的光有4种，C正确；从n=4跃迁到n=1辐射的光子能量最大，发生光电效应时，产生的光电子最大初动能最大，光子能量最大值为，根据光电效应方程得，D正确．
11．AD
【详解】
A．按照波尔理论，氢原子吸收光子后，将从低能级向高能级跃迁，A正确；
B．按照波尔理论电子在某一个轨道上运动的时候并不向外辐射能量，即其状态时稳定的，B错误；
C．氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为
C错误；
D．一群氢原子从第3能级自发地向第1能级跃迁，有3→2，2→1，3→1，三种情况，故D正确。
故选AD。
12．AD
【详解】
A．红外线最短波长和最长波长分别为
，
根据光子能量
代入数据可得光子最大和最小能量分别为
，
A正确；
B．氢原子从n=3能级向n=2能级跃迁时释放出的光子能量
因此不会被被红外测温仪捕捉到，B错误；
C．大量氢原子从n=4能级向低能级跃迁时，放出的能量为
……
只有从n=4向n=3轨道跃迁时放出的光子能量在红外区，因此红外测温仪可捕捉到1种频率的红外线，C错误；
D．大量处于n=2激发态的氢原子吸收能量为2.86eV的光子后跃迁到n=5的能级，再从该能级向回跃迁时，放出的能量有
……
因此，辐射出的光子可能被红外测温仪捕捉，D正确。
故选AD。
13．见解析
【详解】
氢原子的核外电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上时，轨道半径增大，电子受原子核的作用力减小，能级升高，则氢原子能量增大，动能减小，电势能增大；假设无限远处电势能为0，电子靠近原子核时电场力做正功，电势能减小，故原子的能量是负值。
14．量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设。该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
【详解】
根据物理学史可知，量子通信的理论基础来源于德国物理学家的能量量子化假设；该假设提出的背景是经典电磁理论解释不了黑体辐射实验的实验规律。
15．
【详解】
由巴耳末公式可知，当最短时，m取1，n取，所以：
，
即
.
16．(1)
6种
(2)
6.15×1014Hz.
(3)电子在轨道上受库仑力作用做匀速圆周运动，由库仑定律和牛顿第二定律得：＝
，电子的动能：Ek＝mv2＝∝
，又已知：rn＝n2r1
，得，即
【解析】
（1）氢原子跃迁后最多可能辐射出=6种频率不同的光子．
（2）由氢原子能级图可知，从能级n=4跃迁到能级n=2，辐射出的光子中，能量最大值为=2.55eV，
所以辐射的光子的最大频率为
（3）电子在轨道上受库仑引力作用做匀速圆周运动，由库仑定律和牛顿第二定律得，
电子的动能：
又已知
得：，即．
【点晴】（1）根据数学组合公式，即可求出跃迁后最多可能辐射出几种频率的光子；
（2）从n=4跃迁到n=2能级辐射的光子能量最大，根据求出光子的最大频率；
（3）通过电子在轨道上受库仑引力作用做匀速圆周运动，由库仑定律和牛顿第二定律推导出电子的动能大小，从而得知电子动能与量子数的关系．