第4章 原子结构综合复习训练（含解析）2023——2024学年高物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

第4章 原子结构 综合复习训练
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、单选题
1．我国第一台空间莱曼阿尔法太阳望远镜可探测波长为121.6nm的氢原子谱线，该谱线对应的光子能量为10.2eV。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
2．结合下列图像，所给选项中的分析和判断正确的是（　　）
A．图甲中，由于光电管加的是反向电压，灵敏电流计所在的支路中不可能存在光电流
B．图乙中，一个处于能级的氢原子向低能级跃迁时能放出6种频率的光子
C．图丙中，光和光是同种频率的光，光的饱和电流大是因为光的光照强度强
D．如果处于能级的氢原子向能级跃迁时，辐射出的光能够使图甲中金属发生光电效应，那么处于能级的氢原子向能级跃迁时，辐射出的光也能够使图甲中金属发生光电效应
3．氢原子的能级图如图甲所示，大量处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时，放出频率不同的光子。其中频率最高的光照射图乙电路中光电管阴极K时，电路中电流随电压变化的图像如图丙所示。电子的电荷量大小为e，质量为m，可见光光子的能量范围为1.62~3.11eV，则下列说法正确的是（　　）
A．这群氢原子跃迁时最多可放出4 种可见光
B．从n=4跃迁到n=3能级放出光子的频率最高
C．用图乙实验电路研究光电效应，要测遏止电压，滑片P应向b端滑动
D．若频率最高的光子能量为E0，可求出光电管阴极 K 的逸出功为（E0-eU1）
4．如图所示为氢原子能级示意图，一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，下列说法正确的是（　　）
A．跃迁过程中最多可辐射出4种频率的光子
B．从n=4能级跃迁到n=2能级的氢原子能量增大
C．从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光子波长最长
D．有三种频率的光子可使逸出功为4.54eV的金属发生光电效应
5．科学家已经成功检测定位了纳米晶体结构中的氢原子。按玻尔氢原子理论，氢原子的能级图如图所示，下列判断正确的是（　　）
A．用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子，可观测到多种不同频率的光子
B．一个处于激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出6条光谱线
C．氢原子从第4激发态跃迁到第2激发态需要吸收光子
D．氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，电势能减小，动能增大
6．如图为氢原子的能级示意图，已知可见光光子的能量范围为1.63eV～3.10eV。现有大量处于n＝6能级的氢原子向低能级跃迁，则下列说法正确的是（ ）
A．能辐射出6种频率的可见光
B．从第6能级向第2能级跃迁辐射的可见光的波长最大
C．从第3能级向第2能级跃迁辐射的可见光的频率最大
D．几种可见光中，最大频率与最小频率之比约为8:5
7．根据玻尔理论，电子在第n轨道运动时氢原子的能量En和电子在第1轨道运动时氢原子的能量E1满足关系式。如图为氢原子的能级图。巴耳末线系的谱线是氢原子的电子从n>2的能级返回n=2能级时释放出的谱线，赖曼线系的谱线是氢原子的电子从n>1的能级跃迁至n=1能级的一系列光谱线。则赖曼线系能量最小的光子与巴耳末线系能量最大的光子的能量差约为（ ）
A．10.2eV B．6.8eV C．3.4eV D．0.54eV
8．如图甲所示氢原子光谱中，给出了可见光区四条谱线对应的波长，波尔的氢原子能级图如图乙所示。已知普朗克常量h=6.63×10-34J·s，可见光光子的能量范围约为1.61eV~3.11eV，则下列说法不正确的是（　　）
A．同一玻璃对谱线所对应的光要比谱线所对应的光的折射率小
B．谱线对应的光子能量约为3.02eV
C．谱线对应的光子是氢原子从n=5跃迁到n=2能级时发出的
D．处在基态的氢原子至少要用光子能量为12.09eV的光照射才能使其发出可见光
二、多选题
9．有关量子力学的下列说法中，正确的是（ ）
A．普朗克为解释图甲的黑体辐射实验数据，提出了能量子的概念
B．图乙在某种单色光照射下，电流表发生了偏转，若仅将图乙中电源的正负极反接，电流表一定不会偏转
C．密立根依据爱因斯坦光电效应方程，测量并计算出的普朗克常量，与普朗克根据黑体辐射得出的值在误差允许的范围内是一致的
D．图丙为氢原子的能级示意图，一群处于的激发态的氢原子向低能级跃迁过程所发出的光中，从跃迁到到所发出的光波长最长
10．“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，原子吸收波长为的光子从基态能级跃迁至激发态能级，然后自发辐射出波长为的光子，跃迁到“钟跃迁”的上能级，并在一定条件下跃迁到“钟跃迁”的下能级，并辐射出波长为的光子，实现受激辐射，发出钟激光，最后辐射出波长为的光子回到基态。则（　　）
A．该钟激光的光子的能量
B．该钟激光的光子的动量
C．该原子钟产生的钟激光的波长
D．该钟激光可以让极限波长为的金属材料发生光电效应
11．如图所示为氢原子的能级示意图，氢原子第能级的能量为，其中是基态能量，而。大量氢原子处于能级，普朗克常量为，下列说法正确的是（　　）
A．可辐射出6种不同频率的光子
B．辐射出的频率最大的光子对应的能量为
C．辐射出的光子最大频率为
D．跃迁到低能级后电子动能减小
12．已知可见光光子能量范围为，氢原子能级图如图所示。下列说法正确的是（　　）
A．氢原子从的能级向的能级跃迁时会辐射出可见光
B．氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出γ射线
C．处于能级的氢原子可以吸收某一频率的红外线而跃迁到高能级
D．大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，可以发出6种不同频率的光
三、实验题
13．美国物理学家密立根通过如图所示的实验装置，最先测出了电子的电荷量，被称为密立根油滴实验。如下图所示，两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相连接，板间产生匀强电场，方向竖直向下，图中油滴由于带负 悬浮在两板间保持静止．
（1）若要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有 ；
A．油滴质量 B．两板间的电压 C．两板间的距离d D．两板的长度
（2）用所选择的物理量表示出该油滴的电荷量 （已知重力加速度为）；
（3）在进行了几百次的测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不同，但都是某个最小电荷量的 倍（填：A奇数倍；B偶数倍；C整数倍），这个最小电荷量被认为是元电荷
14．十九世纪末，汤姆孙发现了电子，揭开了人类认识原子结构的序幕，从而认识到：原子是可以分割的，从而开始了对原子结构的研究和探索。直至今日，人类对微观领域的粒子的研究和探索从未停止。
（1） （填一科学家人名）利用油滴实验测定了元电荷的数值。
（2）反应堆中的“燃料”铀是一种天然放射性元素。将铀燃料放入铅做成的容器中，射线从容器小孔射出。当不同射线经过磁场时会形成图2的轨迹。请你由图判断射线带什么电？
（3）电子的质量约为，北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，可以将电子动能加速到。按照牛顿力学，这个电子的速度是 m/s（保留两位有效数字）；
（4）你认为第（3）问中算出的速度值是否合理？ （请填涂与答案对应的字母选项：A．合理；B．不合理）请说明你的理由 ；
（5）用如图所示的装置可以测定分子速率。在小炉O中，金属银熔化并蒸发。银原子束通过小炉的圆孔逸出，经过狭缝S1和S2进入真空的圆筒C。圆筒C可绕过A点且垂直于纸面的轴以一定的角速度转动。从图中可判断，落点越靠近 处（请填涂与答案对应的字母选项：A．b处；B．e处）的银原子速率越大；
（6）在第（5）问的条件中，现测出圆筒C的直径为1m，转动的角速度为150πrad/s，银原子落在玻璃板G上的位置到b点的弧长为s，s 约为圆筒周长的，可估算银原子速率约为 m/s。
四、解答题
15．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
16．观察氢原子能级图，完成以下探究：
（1）如果有一群处于的能级的氢原子，向低能级跃迁时能辐射出多少种频率不同的光子？
（2）如果用动能为的外来电子去激发处于基态的氢原子，可使氢原子激发到哪一个能级上？如果用能量为的外来光子去激发处于基态的氢原子，结果又如何？
（3）从氢原子能级图上也可以看出，电子的轨道半径是某些分立的值，那么，电子在核外的运动真的有固定轨道吗？为什么？
17．氢原子光谱除了巴耳末系外，还有赖曼系、帕邢系等，其中帕邢系的公式为，，若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域，试求：
（1）当时，对应的波长；
（2）帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多大？时，传播频率为多大。
18．氢原子是自然界中最简单的原子，通过对它的光谱线的研究获得的原子内部结构的信息，对于研究更复杂的原子的结构有指导意义。从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示为氢原子在可见光区的四条谱线，即图中、、、\、、谱线。
（1）从光谱的结果看，氢原子的光谱是什么谱线？
（2）试分析氢原子光谱的分布特点。
19．氢原子处于基态时，原子的能量为，则：
（1）当处于的激发态时，计算能量多少？
（2）当氢原子从的激发态跃迁到的基态时，向外辐射的光子的波长是多少？
（3）若有大量的氢原子处于的激发态，则在跃迁过程中可能释放出几种频率的光子？并在能级图上用箭头标明这些氢原子能发出的光谱线。

第1页 共4页 ◎ 第2页 共4页
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参考答案：
1．C
【详解】根据氢原子能级图可得
可知此谱线来源于太阳中氢原子和能级之间的跃迁。
故选C。
2．C
【详解】A．若光电子逸出的最大初动能足够大时，即
即使加的是反向电压，仍有电子经过灵敏电流计所在的支路，所以可能存在光电流，A错误；
B．单个处于能级的氢原子最多放出的光子种类是3种，从能级跃迁到能级，再从能级跃迁到能级，最后从能级跃迁到基态，B错误；
C．光和光是同种频率的光，入射光越强，单位时间内发射的光电子数越多，饱和光电流越大，C正确；
D．处于能级的氢原子向能级跃迁时辐射出的光频率大于处于能级的氢原子向能级跃迁时辐射出的光频率，故前者能使图甲中金属发生光电效应，但后者不一定能发生光电效应，D错误。
故选C。
3．D
【详解】AB．一群处于n=4 能级的氢原子，向低能级跃迁过程中可发出种频率的光子，其能量分别为
，
，
，
其中只有1.89eV和2.55eV在1.62~3.11eV范围内，所以该过程最多可发出2种可见光，而从n=4跃迁到n=3能级放出光子的能量最低，根据
可知从n=4跃迁到n=3能级放出光子的频率最低，故AB错误；
C．用图乙实验电路研究光电效应，要测量遏止电压，要阴极K的电势比阳极A电势高，因此滑片P应向a 端滑动，故C错误；
D．根据光电效应方程
而
所以光电管阴极 K的逸出功
故D正确。
故选D。
4．D
【详解】A．一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出种频率的光子，A错误；
B．从n=4能级跃迁到n=2能级时向外辐射光子，氢原子能量减小，B错误；
C．从n=4能级跃迁到n=1能级辐射出的光子能量最大，根据
可知，能量越大的光子，波长越短，C错误；
D．根据跃迁规律，有
一群处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能有
要想发生光电效应，应满足
所以有三种频率的光子可使逸出功为4.54eV的金属发生光电效应，D正确。
故选D。
5．A
【详解】A．由图可知，用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子，氢原子可以跃迁到的激发态，再向低能级跃迁时可以辐射出10种频率的光子，故A正确；
B．一个处于激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可以辐射出3种频率的光子，故B错误；
C．氢原子从第4激发态跃迁到第2激发态是从高能级向低能级跃迁，会辐射出光子，故C错误；
D．氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，轨道半径变大，电势能增大，动能减小，故D错误。
故选A。
6．D
【详解】A．大量处于n＝6能级的氢原子向低能级跃迁时可产生15种频率的光子，其中可见光有：6→2（光子能量为3.02eV），5→2（光子能量为2.86eV），4→2（光子能量为2.55eV），3→2（光子能量为1.89eV），能辐射出4种频率的可见光，选项A错误；
B．从第6能级向第2能级跃迁辐射的可见光的能量最大，则波长最小，选项B错误；
C．从第3能级向第2能级跃迁辐射的可见光的能量最小，则频率最小，选项C错误；
D．几种可见光中，根据，可知最大频率与最小频率之比等于光子能量之比，即约为3.02:1.89=8:5，选项D正确。
故选D。
7．B
【详解】赖曼线系的光子中，从n2能级跃迁到n1基态释放的能量最小，则有
巴耳末线系的光子中，从n能级跃迁至n2能级释放的能量最大，则有
所以有
故选B。
8．C
【详解】A．谱线所对应的波长要比谱线所对应波长大，根据
可知谱线所对应的能量要比谱线所对应的能量小，频率小，那么同一玻璃对谱线所对应的光要比谱线所对应的光的折射率小，故A正确；
B．谱线对应的光子能量约为
故B正确；
C．谱线对应的光子能量为
氢原子从n=5跃迁到n=2能级时发出的光子能量为，故C错误；
D．可见光光子的能量范围约为1.61eV~3.11eV，处在基态的氢原子跃迁到n=3时才能发出可见光，因此处在基态的氢原子要用所照射的最小光子能量为
故D正确。
该题选择不正确选项，故选C。
9．AC
【详解】A．普朗克为解释图甲的实验数据，提出了能量子的概念，A正确；
B．仅将图乙中电源的正负极反接，加反向电压时，由于光电管间电压和截止电压大小关系未知，电流指针不一定会偏转，B错误；
C．密立根依据爱因斯坦光电效应方程，测量并计算出的普朗克常量，与普朗克根据黑体辐射得出的值在误差允许范围内是一致的，C正确；
D．氢原子跃迁所发出的光的波长
从跃迁到 所发出的光波长最短，D错误。
故选AC。
10．AB
【详解】A．该钟激光的光子的能量为
A正确；
B．该钟激光的光子的动量为
B正确；
C．原子吸收波长为的光子从基态能级Ⅰ跃迁到激发态能级Ⅱ，则有
且从激发态能级向下跃迁到基态的过程有
联立可得
C错误；
D．由题意可知，该金属材料的极限频率为
该钟激光的频率为
由此可知，即不能让该金属材料发现光电效应，D错误。
故选AB。
11．AB
【详解】A．大量氢原子从能级向基态跃迁时，最多可辐射
种
不同频率的光子，故A正确；
BC．由公式
可知，由跃迁到时辐射的光子频率最大，则辐射出最大能量为
解得辐射出的光子最大频率为
故B正确，C错误；
D．原子跃迁到低能级后，电子的轨道半径减小，电子绕核做匀速圆周运动，库仑力提供向心力，则有
可得
可知，轨道半径减小，则电子动能增大，故D错误。
故选AB。
12．AD
【详解】A．氢原子从能级跃迁到能级辐射光子能量为
在可见光范围之内，故A正确；
B．γ射线是从原子核内部发出的，氢原子跃迁无法辐射γ射线，故B错误；
C．处于能级的氢原子跃迁到高能级时，其中跃迁到能级需要吸收的能量最少，则有
由于红外线光子的能量小于，所以处于能级的氢原子不可以吸收某一频率的红外线而跃迁到高能级，故C错误；
D．大量氢原子从能级向低能级跃迁时，根据
可以发出6种不同频率的光，故D正确。
故选AD。
13． ABC C
【详解】（2）[2]平行板电容器间的电场为匀强电场，液滴处于静止状态，所以电场力与重力平衡即
可得
（1）[1]由（2）中分析可知要测出该油滴的电荷量，需要测出的物理量有油滴质量、两板间的电压、两板间的距离d。
故选ABC；
（3）[3]在进行了几百次的测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷。
故选C。
14． 密立根 正 2.8×1010 B 按照牛顿力学得到的电子速度大于真空中的光速，接近光速时，牛顿力学不再适用 A 450
【详解】（1）[1]密立根利用油滴实验测定了元电荷的数值。
（2）[2]根据左手定则可知射线带正电。
（3）[3]根据动能定理得
按照牛顿力学，这个电子的速度是
（4）[4][5]速度值不合理，按照牛顿力学得到的电子速度大于真空中的光速，接近光速时，牛顿力学已不适用。
故选B。
（5）[6]圆筒C绕A点顺时针转动，银原子落在玻璃板G上时，银原子的位移相同，落点越靠近b点处所用时间越短，银原子速率越大。
故选A。
（6）[7]圆筒C转动的周期为
银原子落在玻璃板G上的位置到b点的弧长为s，则运动时间为
银原子速率约为
15．（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
16．（1）6种；（2）见解析；（3）没有，见解析
【详解】（1）对于处于能级的很多氢原子而言，向低能级跃迁时可能观测到
即6种不同频率的光子，它们分别是。
（2）从氢原子能级图可以推算出：氢原子从的能级激发到的能级时所需吸收的能量
如果氢原子从的能级激发到的能级，那么所需吸收的能量为
因为外来电子的动能
和上述计算结果相比较可知
所以具有动能的外来电子，只能使处于基态的氢原子激发到的能级，这时外来电子剩余的动能为
如果外来光子的能量，由于光子能量是一个不能再分割的最小能量单元，当外来光子能量不等于某两能级差时，不能被氢原子所吸收，故氢原子也不能从基态跃迁到任一激发态。
（3）在原子内部，电子绕核运动并没有固定的轨道，只不过当原子处于不同的定态时，电子出现在
处的概率最大。
17．（1）；（2），
【详解】（1）由帕邢系的公式
当时，得
（2）帕邢系形成的谱线在红外区域，而红外线属于电磁波，在真空中以光速传播，故波速为光速
传播频率
18．（1）从图中可以看出氢原子光谱是一条条的亮线，是线状谱；（2）在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性
【详解】（1）从图中可以看出氢原子光谱是一条条的亮线，是线状谱；
（2）在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。
19．（1）；（2）；（3）6，
【详解】（1）由公式
当能量为
（2）据跃迁理论得
而
联立解得波长为
（3）大量的氢原子处于的激发态在跃迁过程中向低能态跃迁发光时有
共有6种光谱线，光谱线图为

答案第1页，共2页
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