18.1电子的发现
1.(2014·泉州高二检测)关于阴极射线的本质,下列说法正确的是 ( )
A.阴极射线本质是氢原子
B.阴极射线本质是电磁波
C.阴极射线本质是电子流
D.阴极射线本质是X射线
【解析】选C。阴极射线是原子受激发射出的电子,关于阴极射线是电磁波、X射线都是在研究阴极射线过程中的一些假设,是错误的。故C项是正确的。
2.(2013·泰州高二检测)如图所示,在阴极射线管正上方平行放一根通有强电流的长直导线,则阴极射线将 ( )
A.向纸内偏转 B.向纸外偏转
C.向下偏转 D.向上偏转
【解析】选D。由安培定则可以判断阴极射线所在处的磁场方向垂直纸面向外,电子从负极射出向右运动,由左手定则可判定阴极射线(电子)向上偏转。
3.(多选)某大功率用电器在开关切断瞬间,开关处有电火花,其正确解释是
( )
A.因为空气是良导体,电火花是空气放电形成的
B.开关两端产生的高电压,使空气电离放电
C.为避免产生电火花,可把开关浸在绝缘油中
D.以上说法均不对
【解析】选B、C。开关处产生的电火花,是因为用电器切断电源瞬间由于自感而产生高电压,高电压形成的强电场使空气电离导电,出现电火花,B正确,A错误;避免电火花产生的方法是使聚集在开关两端的正、负电荷慢慢放电,C项的叙述是较好的解决方法。
4.(多选)1897年英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的探究,最终发现了电子,由此被称为“电子之父”,下列关于电子的说法中正确的是 ( )
A.任何物质中均有电子
B.不同物质中具有不同的电子
C.电子质量是质子质量的1836倍
D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元
【解析】选A、D。汤姆孙用不同的材料做阴极,都能发出阴极射线,且阴极射线均为同一种物质——电子,这说明任何物质中均含有电子,A对,B错;根据对电子比荷的测定可知,电子电量和氢离子的电量相同,电子的质量远小于质子质量,是质子质量的,说明电子有质量和电量,是一种粒子,并且电子是比原子更基本的物质单元,C错,D对。
5.如果阴极射线像X射线一样,则下列说法正确的是 ( )
A.阴极射线管内的高电压能够对其加速而增加能量
B.阴极射线通过偏转电场不会发生偏转
C.阴极射线通过偏转电场能够改变方向
D.阴极射线通过磁场时方向可能发生改变
【解析】选B。X射线是电磁波,不带电,通过电场、磁场时不受力的作用,不会发生偏转、加速,B正确。
6.向荧光屏上看去,电子向我们飞来,在偏转线圈中通以如图所示的电流(从右侧看),电子的偏转方向为 ( )
A.向上 B.向下 C.向左 D.向右
【解析】选A。根据安培定则,环形磁铁右侧为N极、左侧为S极,在环内产生水平向左的匀强磁场,利用左手定则可知,电子向上偏转,选项A正确。
7.如图所示,电子由静止从O点经电场U加速后垂直射入匀强磁场B中,经偏转后打在MN板的P点,射入点到P点的距离为d,求电子的比荷的表达式。(不考虑电子的重力)
【解析】电子在加速电场U中加速的过程,根据动能定理,有eU=mv2,解得v=
垂直进入磁场后,电子受到的洛伦兹力提供向心力,电子做匀速圆周运动,故有Bev=m,由题意知:R=
由以上各式整理可得电子的比荷为=
答案:=
【总结提升】求解电子比荷的关键点
(1)电子运动速度的确定:一是根据电子在相互垂直的电磁场中做匀速直线运动,由平衡条件求出;二是可根据电场力做功等于电子动能的增量由动能定理解出。
(2)电子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力。
1.(多选)如图所示,从正离子源发射的正离子经加速电压U加速后进入相互垂直的匀强电场E和匀强磁场B中,发现离子向上偏转,要使此离子沿直线穿过复合场,则下列说法正确的是 ( )
A.增大电场强度E,减小磁感应强度B
B.减小加速电压U,增大电场强度E
C.适当地加大加速电压U
D.适当地减小电场强度E
【解题指南】解答本题把握以下两点:
(1)加速电场中电场力做的功等于离子动能的增加量。
(2)偏转电磁场中电场力和磁场力平衡时离子做匀速直线运动。
【解析】选C、D。正离子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域中,受到的电场力F=qE,方向向上,受到的洛伦兹力F洛=qvB,方向向下,离子向上偏,说明电场力大于洛伦兹力,要使离子沿直线运动,即qE=qvB,则可以使洛伦兹力增大或使电场力减小,增大洛伦兹力的途径是增大加速电压U或增大磁感应强度B,减小电场力的途径是减小电场强度E。选项C、D正确。
2.如图所示,让一束均匀的阴极射线垂直穿过正交的电磁场,选择合适的磁感应强度B和电场强度E,带电粒子将不发生偏转,然后撤去电场,粒子将做匀速圆周运动,测得其半径为R,求阴极射线中带电粒子的比荷。
【解析】因为带电粒子不偏转,所以受到的电场力与洛伦兹力平衡,即qE=qBv,所以v=。撤去电场后,粒子进入磁场做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,qvB=m,所以其半径为R=,所以=。
答案:
3.带电粒子的比荷是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示。
(1)他们的主要实验步骤如下:
A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,射出的电子从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点。
B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加上极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?
C.保持步骤B中的电压U不变,对M1M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心重现亮点,试问外加磁场的方向如何?
(2)根据上述实验步骤,同学们正确推算出电子的比荷与外加电场、磁场及其他相关量的关系为=。一位同学说,这表明电子的比荷将由外加电压决定,外加电压越大则电子的比荷越大。你认为他的说法正确吗?为什么?
【解析】依据运动的带电粒子在电场中受电场力和在磁场中受洛伦兹力,两者平衡列方程求比荷。
(1)B中荧光屏上恰好看不到亮点说明电子刚好落在正极板的近荧光屏的边缘,目的是利用极板间的距离d表示比荷;C中由于要求洛伦兹力方向向上,根据左手定则可知,外加磁场方向垂直电场方向向外(垂直于纸面向外)。
(2)不正确。电子的比荷是电子的固有参数,与测量所加U、B以及极板间距离d无关。
答案:见解析
4.(2013·扬州高二检测)把两个边长相等的金属板如图放置(金属板的边长为d,两极板间距为h),加如图所示的匀强电场E,使阴极射线从两板中间位置射入,测出当阴极射线达到最大偏向时的电场强度E的大小;保持E不变,再加以垂直电场向外的匀强磁场,从小到大不断增加磁感应强度,当阴极射线可以水平射出时读出磁感应强度为B。证明电子的比荷=。
【解析】只存在匀强电场时,电子在电场中做类平抛运动,根据相关知识列出方程垂直于电场方向:t=
沿电场方向:h=t2
加上磁场后,电子做匀速直线运动:eE=ev0B
联立上述方程得:=。
答案:见解析
5.电子所带电量的精确数值最早是由美国物理学家密立根通过油滴实验测得的。他测定了数千个带电油滴的电量,发现这些电量都等于某个最小电量的整数倍。这个最小电量就是电子所带的电量。密立根实验的原理如图所示,A、B是两块平行放置的水平金属板,A板带正电,B板带负电。从喷雾器喷出的小油滴落到A、B两板之间的电场中,小油滴由于摩擦而带负电,当调节A、B两板间的电压为U时,可使油滴匀速下降。已知油滴可看成球体,密度为ρ,下降的速度大小为v,受到空气的阻力f=kπr2v,k为比例系数,r为油滴的大圆半径,两极板间距离为d,重力加速度为g,则带电油滴的带电量是多大?
【解析】油滴受三个力作用:重力、库仑力和空气阻力,因油滴匀速下降,三力平衡,有mg=q+f,将m=ρ·πr3,f=kπr2v代入,得q=。
答案:
18.1电子的发现
【小题达标练】
一、选择题
1.(多选)(2015·南昌高二检测)如图所示是汤姆孙的气体放电管的示意图,下列说法中正确的是 ( )
A.若在D1、D2之间不加电场和磁场,则阴极射线应打到最右端的P1点
B.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向下偏转
C.若在D1、D2之间加上竖直向下的电场,则阴极射线应向上偏转
D.若在D1、D2之间加上垂直纸面向里的磁场,则阴极射线不偏转
【解析】选A、C。实验证明,阴极射线是电子,它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧,可知选项C正确,选项B的说法错误。加上磁场时,电子在磁场中受洛伦兹力作用,要发生偏转,因而选项D错误。当不加电场和磁场时,电子所受的重力可以忽略不计,因而不发生偏转,选项A的说法正确。
2.(2015·西昌高二检测)下列关于阴极射线的说法正确的是( )
A.阴极射线是高速运动的质子流
B.阴极射线是可用人眼直接观察的
C.阴极射线是电磁波
D.阴极射线是高速运动的电子流
【解析】选D。阴极射线是高速运动的电子流,A、C错误,D正确;阴极射线无法用人眼直接观察,B错误。
3.历史上第一个发现电子的科学家是 ( )
A.贝可勒尔 B.道尔顿 C.伦琴 D.汤姆孙
【解析】选D。贝可勒尔发现了天然放射现象,道尔顿提出了原子论,伦琴发现了X射线,汤姆孙发现了电子。
4.(多选)下列是某实验小组测得的一组电荷量,哪些是符合事实的 ( )
A.+3×10-19C B.+4.8×10-19C
C.-3.2×10-26C D.-4.8×10-19C
【解析】选B、D。电荷是量子化的,任何带电体所带电荷量只能是元电荷的整数倍。1.6×10-19C是自然界中最小的电荷量,故B、D正确。
【补偿训练】(多选)汤姆孙对阴极射线的探究,最终发现了电子,由此被称为“电子之父”,关于电子的说法正确的是 ( )
A.任何物质中均有电子
B.不同的物质中具有不同的电子
C.电子质量是质子质量的1 836倍
D.电子是一种粒子,是构成物质的基本单元
【解析】选A、D。汤姆孙对不同材料的阴极发出的射线进行研究,发现它们均为同一种粒子即电子,电子是构成物质的基本单元,它的质量远小于质子质量。由此可知A、D正确,B、C错误。
5.(多选)如图所示是阴极射线显像管及其偏转线圈的示意图。显像管中有一个阴极,工作时它能发射阴极射线,荧光屏被阴极射线轰击就能发光。安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场,可以使阴极射线发生偏转。下列说法中正确的
是 ( )
A.如果偏转线圈中没有电流,则阴极射线应该打在荧光屏正中的O点
B.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上A点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
C.如果要使阴极射线在竖直方向偏离中心,打在荧光屏上B点,则偏转磁场的方向应该垂直纸面向里
D.如果要使阴极射线在荧光屏上的位置由B点向A点移动,则偏转磁场磁感应强度应该先由小到大,再由大到小
【解题指南】解答本题时应理解以下两点:
(1)电子经过磁场时,若电子运动方向与磁场方向垂直,则电子受到洛伦兹力的作用而发生偏转。
(2)判断洛伦兹力的方向时,要用左手定则,同时注意电子是带负电的。
【解析】选A、C。偏转线圈中没有电流,阴极射线沿直线运动,打在O点,A正确。由阴极射线的电性及左手定则可知B错误,C正确。由R=可知,B越小,R越大,故磁感应强度应先由大变小,再由小变大,故D错误。
6.阴极射线从阴极射线管中的阴极发出,在其间的高电压下加速飞向阳极,如图所示。若要使射线向上偏转,所加磁场的方向应为 ( )
A.平行于纸面向下 B.平行于纸面向上
C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里
【解析】选C。由于阴极射线的本质是电子流,阴极射线运动方向向右,说明电子的运动方向向右,相当于存在向左的电流,利用左手定则,使电子所受洛伦兹力方向平行于纸面向上,由此可知磁场方向应为垂直于纸面向外,故选项C正确。
【互动探究】若要使射线向上偏转,所加电场的方向应为 ( )
A.平行于纸面向下 B.平行于纸面向上
C.垂直于纸面向外 D.垂直于纸面向里
【解析】选A。由于阴极射线的本质是电子流带负电,使电子所受电场力平行于纸面向上,则电场方向应为平行于纸面向下,故选项A正确。
7.(多选)下列关于电子的说法正确的是 ( )
A.发现电子是从研究阴极射线开始的
B.发现物质中发出的电子比荷是不同的
C.电子发现的意义是让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也具有复杂的结构
D.电子是带正电的,可以在电场和磁场中偏转
【解析】选A、C。发现电子是从研究阴极射线开始的,A项正确;发现物质中发出的电子比荷是相同的,B项错误;电子的发现让人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也具有复杂的结构,C项正确;电子是带负电的,选项D错误。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)知道阴极射线的本质是高速运动的电子流,但不知道发现电子是从研究阴极射线开始的,从而出现漏选。
(2)容易忽略所有物质中发出的电子都是相同的,从而错选B。
二、非选择题
8.如图是密立根油滴实验装置。在A板上方用喷雾器将油滴喷出,若干油滴从板上的一个小孔中落下,喷出的油滴因摩擦而带负电。已知A、B板间的电压为U、间距为d时,油滴恰好静止。撤去电场后油滴徐徐下落,最后测出油滴以速度v匀速运动,已知空气阻力正比于速度:f=kv,则油滴所带的电荷量q= 。
某次实验得到q的测量值见下表(单位:×10-19C)
6.41
8.01
9.65
11.23
12.83
分析这些数据可知:_________________________________________________
_________________________________________________________________。
【解析】由mg-Eq=0,mg-kv=0,E=,解得q=。油滴的带电荷量是1.6×10-19C的整数倍,故电荷的最小电荷量为1.6×10-19C。
答案: 油滴的带电荷量是1.6×10-19C的整数倍,故电荷的最小电荷量为1.6×10-19C
【总结提升】物理信息题处理技巧
(1)提取物理信息;
(2)构建物理模型;
(3)转化为数学问题;
(4)还原为物理结论。
【大题提升练】
1.(1)如图所示是电子射线管示意图,接通电源后,电子射线由阴极沿x轴方向射出,在荧光屏上会看到一条亮线。要使荧光屏上的亮线向下(z轴负方向)偏转,在下列措施中可采用的是 ( )
A.加一磁场,磁场方向沿z轴负方向
B.加一磁场,磁场方向沿y轴正方向
C.加一电场,电场方向沿z轴负方向
D.加一电场,电场方向沿y轴正方向
(2)如图所示为美国物理学家密立根测量油滴所带电荷量装置的截面图,两块水平放置的金属板间距为d,油滴从喷雾器的喷嘴喷出时,由于与喷嘴摩擦而带负电,油滴散布在油滴室中,在重力作用下,少数油滴通过上面金属板的小孔进入平行金属板间,当平行金属板间不加电压时,由于受到气体阻力的作用,油滴最终以速度v1竖直向下匀速运动;当上板带正电,下板带负电,两板间的电压为U时,带电油滴恰好能以速度v2竖直向上匀速运动。已知油滴在极板间运动时所受气体阻力的大小与其速率成正比,油滴密度为ρ,已测量出油滴的直径为D(油滴可看作球体,球体体积公式V=πD3),重力加速度为g。
①设油滴受到气体的阻力f=kv,其中k为阻力系数,求k的大小;
②求油滴所带电荷量。
【解析】(1)选B。由于电子沿x轴正方向射出,要使荧光屏上的亮线向下偏转,则需使电子所受洛伦兹力方向向下,由左手定则可知磁场方向应沿y轴正方向,A错,B对;若加电场,需使电子所受电场力方向向下,则所加电场方向应沿z轴正方向,C、D错误。
(2)①油滴速度为v1时所受阻力f1=kv1,油滴向下匀速运动时,重力与阻力平衡,有f1=mg
m=ρV=πρD3,则k=πρD3g。
②设油滴所带电荷量为q,油滴受到的电场力为
F电=qE=q
油滴向上匀速运动时,阻力向下,油滴受力平衡,则
kv2+mg=q
油滴所带电荷量为q=。
答案:(1)B (2)①πρD3g ②
2.(1)(多选)对于如图所示的实验装置,下列说法正确的是( )
A.这是阴极射线是否带电的实验装置
B.密立根首次观察到阴极射线
C.汤姆孙确定了组成阴极射线的粒子是电子
D.赫兹认为阴极射线是一种电磁波
E.普吕克尔命名了阴极射线
(2)汤姆孙用来测定电子的比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空管内的阴极K发出的电子(不计初速度、重力和电子间的相互作用)经加速电压加速后,穿过A′中心的小孔沿中心轴O1O的方向进入到两块水平正对放置的平行极板P和P′间的区域。当极板间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成了一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O′点(O′点与O点的竖直间距为d,水平间距可忽略不计)。此时,在P和P′间的区域,再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场。调节磁场的强弱,当磁感应强度的大小为B时,亮点重新回到O点。已知极板水平方向的长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2(如图所示)。
①求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
②推导出电子的比荷的表达式。
【解析】(1)选A、C、D。1897年汤姆孙利用题图的实验装置,确定了组成阴极射线的粒子是电子,A、C正确;1858年普吕克尔首次观察到阴极射线,B错误;1876年,戈德斯坦命名了阴极射线,认为管壁上的荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的,并把这种射线命名为阴极射线,E错误;赫兹认为阴极射线是一种电磁波,D正确。
(2)①当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时,电子做匀速直线运动,亮点重新回到中心O点,设电子的速度为v,P和P′间电场强度为E,则evB=eE,得v=,即v=。
②当极板间仅有偏转电场时,电子以速度v进入后,竖直方向做匀加速运动,加速度a=。
电子在水平方向做匀速运动,在电场内的运动时间t1=,
这样,电子在电场中竖直方向上偏转的距离
d1=a=。
离开电场时竖直向上的分速度v⊥=at1=。
电子离开电场后做匀速直线运动,经t2时间到达荧光屏,则
t2=。
t2时间内向上运动的距离d2=v⊥t2=。
这样,电子向上的总偏转距离
d=d1+d2=L1(L2+)。
可解得=。
答案:(1)A、C、D (2)见解析
【补偿训练】(多选)下列说法中正确的是 ( )
A.汤姆孙精确地测出了电子电荷量e=1.602 177 33(49)×10-19C
B.电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的
C.汤姆孙油滴实验更重要的发现是电荷量是量子化的,即任何电荷量只能是e的整数倍
D.通过实验测得电子的比荷及电子电荷量e的值,就可以确定电子的质量
【解析】选B、D。电子的电荷量是密立根通过“油滴实验”测出的,A、C错误,B正确。测出比荷的值和电子电荷量e的值,可以确定电子的质量,故D正确。
课件32张PPT。第十八章 原子结构
1 电子的发现1.知道阴极射线是由电子组成的,电子是原子的组成部分,是比原子更基本的物质单元。
2.体会电子的发现过程中蕴含的科学方法。
3.知道电荷是量子化的,即任何电荷只能是e的整数倍。
4.领会电子的发现对揭示原子结构的重大意义。一、阴极射线
1.演示实验:如图所示,真空玻璃管中K是金属板制成的_____,
接感应圈的负极,A是金属环制成的_____,接感应圈的正极,管
中十字状物体是一个金属片。接电源后,感应圈会产生_______的高电压加在两个电极之间。可观察到玻璃壁上淡淡的荧光及
管中物体在玻璃壁上的___。阴极阳极近万伏影2.阴极射线:荧光的实质是由于玻璃受到_____发出的某种射线
的撞击而引起的,这种射线被命名为_________。
3.19世纪,对阴极射线的本质的认识有两种观点。一种观点认
为阴极射线是一种_________,另一种观点认为阴极射线是_____
_____。阴极阴极射线电磁辐射带电微粒二、电子的发现
1.阴极射线的实质:1897年,汤姆孙根据_________在电场和磁
场中的_____情况断定,其本质是带_____的粒子流,并求出了这
种粒子的_____。
2.电子的电量:电子电荷量的精确测定是_______利用“油滴实
验”做出的,电子电荷的现代值为___________,与氢离子带电
量相同。
3.电荷量的量子化:电荷是量子化的,即任何带电体的电荷只能
是e的_____倍。阴极射线偏转负电比荷密立根1.6×10-19C整数4.电子质量:电子质量的数量级为_____kg。
5.质子质量与电子质量的比值: =______。
6.电子的发现的意义:电子的发现使人们认识到_____是可以分
割的,电子是_____的组成部分,是比_____更基本的物质单元。10-311 836原子原子原子1.判一判:
(1)通过玻璃管壁上的荧光能证明阴极射线的存在。 ( )
(2)电子的质量远小于氢离子的质量。 ( )
(3)电荷是不连续的。 ( )
(4)原子是最小的粒子,是不可分的。 ( )提示:(1)√。玻璃管壁上发出的荧光证明了射线的存在,又只能从阴极发出,所以叫阴极射线。
(2)√。氢离子的质量是电子质量的1 800多倍。
(3)√。密立根的“油滴实验”证明了任何带电体的电荷只能是e的整数倍,故电荷是量子化的、不连续的。
(4)×。电子的发现证明原子不是最小的粒子,是可分的。2.想一想:
(1)气体放电管中的气体为什么会导电?
提示:气体分子内部有电荷,正电荷和负电荷的数量相等,对外呈电中性,当分子处于电场中时,正电荷和负电荷受电场力的方向相反,电场很强时正、负电荷被“撕”开,于是出现了等量的正、负电荷,在电场力作用下做定向运动,气体就导电了。(2)只有磁场时,电子在磁场中的运动轨迹是什么形状?
提示:只有磁场时,电子垂直磁场运动,其运动轨迹是圆弧。主题一 阴极射线管与阴极射线
【问题探究】
1.如图是阴极射线管的构造图,你能说出各部分的名称吗?
提示:K是金属板制成的阴极;A是金属环制成的阳极;它们分别连接在感应圈的负极和正极上。管中十字状物体是一个金属片。2.阳极为什么制成环状或网状?
提示:阳极制成环状或网状,既能在它和阴极之间产生电场,从阴极金属中拉出电子,又能使电子被加速。
3.装置中产生的射线为什么称为阴极射线?
提示:在两极间加有高压时,阴极会发出一种射线,故称为阴极射线。4.阴极射线的特点是什么?
提示:阴极射线能够使荧光物质发光。
5.对阴极射线的本质的认识主要有哪两种观点?
提示:19世纪后期的两种观点:(1)认为是电磁辐射,类似X射线;(2)是带电粒子。【探究总结】
阴极射线的产生机理
阴极射线的产生就是让电子从金属中逃逸出来,也就是想办法让电子动能变大,原子核束缚不住电子,这样电子就飞出去了。方法有加热、用光子照射阴极表面(光电效应)、用别的阴极产
生的电子轰击阴极等。本节中的阴极射线管是利用外加电场把电子“拉”出来,称为场发射阴极。【即时训练】
1.(多选)关于阴极射线的性质,下列判断正确的是 ( )
A.阴极射线带负电
B.阴极射线带正电
C.阴极射线的比荷比氢离子比荷大
D.阴极射线的比荷比氢离子比荷小【解题探究】(1)阴极射线的本质是电子流,电子带_____。
(2)电子电荷量与氢离子电荷量相同,但电子的质量_______氢离
子的质量(选填“大于”“小于”或“等于”)。负电小于【解析】选A、C。通过对阴极射线在电场、磁场中的偏转的研究,发现阴极射线带负电,而且阴极射线的比荷比氢离子的比荷大得多,故A、C正确。2.下面对阴极射线的认识正确的是 ( )
A.阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光而产生的
B.只要阴阳两极间加有电压,就会有阴极射线产生
C.阴极射线可以穿透薄铝片,这说明它是电磁波
D.阴阳两极间加有高压时,电场很强,阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极【解析】选D。阴极射线是由阴极直接发出的,A错误;只有当两极间加有高压且阴极接电源负极时,阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线,B错误,D正确;阴极射线可以穿透薄铝片,可能是电磁波,也可能是更小的粒子,C错误。主题二 电子的发现
【问题探究】
1.用什么方法判断阴极射线是带电微粒还是电磁波?
提示:若阴极射线是带电微粒,则加上合适的电场或磁场后会发生偏转;若阴极射线是电磁波,则在任何情况下加上电场或磁场都不会发生偏转。2.如何判断阴极射线的带电性质?
提示:方法一:在阴极射线所经区域加上电场,通过打在荧光屏上的亮点的位置变化和电场的情况确定带电的性质。
方法二:在阴极射线所经区域加一磁场,根据荧光屏上亮点位置的变化和左手定则确定带电的性质。3.汤姆孙是通过怎样的实验和推理过程发现电子的?
提示:汤姆孙通过测定阴极射线的电性实验,测得阴极射线中含有带负电的粒子,然后通过带电粒子在磁场或电场中的运动实验测得阴极射线中带负电粒子的比荷的大小,从而推理得到阴极射线中的粒子是电子。
4.电子电荷的精确测定是密立根通过“油滴实验”测定的,密立根实验的重要意义是什么?
提示:发现电荷量是量子化的,即任何电荷只能是e的整数倍。【探究总结】
1.证明阴极射线是电子的思路:
(1)通过阴极射线在电场中的偏转证明它是带电的粒子流。
(2)通过阴极射线在电场和磁场中受力平衡求出它的速度。
(3)通过它在磁场中的偏转进一步求出阴极射线粒子的比荷。
(4)根据阴极射线粒子的比荷与氢离子比荷的关系求出它的质量。
(5)证明阴极射线是质量远小于氢离子的粒子——电子。2.电子发现的意义:电子发现以前人们认为物质由分子组成,分子由原子组成,原子是不可再分的最小微粒。现在人们发现了各种物质里都有电子,而且电子是原子的组成部分。电子带负电,而原子是电中性的,说明原子是可再分的。【即时训练】
1.如图为示波管中电子枪的原理示意图。
示波管内被抽成真空,A为发射热电子的阴
极,K为接在高电势点的加速阳极,A、K间
电压为U。电子离开阴极时的速度可以忽
略,电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v。下面的说法中正确的是 ( )A.如果A、K间距离减半而电压仍为U不变,则电子离开K时的速
度变为2v
B.如果A、K间距离减半而电压仍为U不变,则电子离开K时的速
度变为
C.如果A、K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度
变为
D.如果A、K间距离保持不变而电压减半,则电子离开K时的速度
变为 v【解析】选D。由qU= mv2得v= ,由公式可知,电子经加速
电场加速后的速度与加速电极之间的距离无关,对于确定的加
速粒子——电子,其速度只与电压有关,由此不难判定D正确。2.在汤姆孙测阴极射线比荷的实验中,采用了如图所示的阴极射线管,从C出来的阴极射线经过A、B间的电场加速后,水平射入长度为L的D、G平行板间,接着在荧光屏F中心出现荧光斑。若在D、G间加上方向向下、场强为E的匀强电场,阴极射线将向上偏转;如果再利用通电线圈在D、G电场区加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画),荧光斑恰好回到荧光屏中心,接着再去掉电场,阴极射线向下偏转,偏转角为θ,试解决下列问题:(1)说明阴极射线的电性;
(2)说明图中磁场的方向;
(3)根据L、E、B和θ,求出阴极射线的比荷。【解题探究】(1)如何确定阴极射线的电性?
提示:根据电场的方向和阴极射线偏转的方向可确定其电性。
(2)如何确定磁场的方向?
提示:根据电场力和阴极射线的运动方向及洛伦兹力的方向,
由左手定则确定磁场的方向。
(3)阴极射线在磁场中做_____________,_________提供向心
力。匀速圆周运动洛伦兹力【解析】(1)由于阴极射线向上偏转,因此受电场力方向向上,又由于匀强电场方向向下,则电场力的方向与电场方向相反,所以阴极射线带负电。
(2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力,而与电场力平衡,由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里。(3)设此射线带电量为q,质量为m,当射线
在D、G间做匀速直线运动时,有qE=Bqv。
当射线在D、G间的磁场中偏转时,
有Bqv=
同时又有L=r·sinθ,如图所示。
解得
答案:见解析课件46张PPT。第十八章 原子结构
1 电子的发现一、阴极射线
1.实验装置:如图所示真空玻璃管中K是金属板制成的_____,A是金
属环制成的_____;把它们分别连在感应圈的负极和正极上。阴极阳极2.实验现象:玻璃壁上出现淡淡的_____及管中物体在玻璃壁上的影。
3.阴极射线:荧光是由于玻璃受到_____发出的某种射线的撞击而引
起的,这种射线被命名为_________。荧光阴极阴极射线【判一判】
(1)玻璃壁上出现的淡淡荧光就是阴极射线。 ( )
(2)玻璃壁上出现的影是玻璃受到阴极射线的撞击而产生的。( )
(3)阴极射线在真空中沿直线传播。 ( )提示:(1)×。荧光是由于玻璃受到阴极射线的撞击而引起的,不是阴极射线。
(2)×。玻璃壁上出现的影是玻璃没有受到阴极射线的撞击,没能产生荧光造成的。
(3)√。管中十字状物体挡住了射线,说明阴极射线在真空中沿直线传播。二、电子的发现
1.汤姆孙的探究:
(1)让阴极射线分别通过电场和磁场,根据_____情况,证明它是__
(A.带正电 B.带负电)的粒子流并求出了它的比荷。
(2)换用_________的阴极做实验,所得_____的数值都相同。证明这种粒子是构成各种物质的共有成分。偏转B不同材料比荷(3)进一步研究新现象,不论是由于正离子的轰击,紫外光的照射,
金属受热还是放射性物质的自发辐射,都能发射同样的_________
——电子。由此可见,电子是原子的_________,是比原子更_____
的物质单元。带电粒子组成部分基本2.密立根“油滴实验”:
(1)精确测定_________。(2)电荷是_______的。电子电荷量子化3.电子的有关常量:负电1.602×10-19C氢离子9.1×10-31kg【判一判】
(1)英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种电磁辐射。( )
(2)组成阴极射线的粒子是电子。 ( )
(3)电子是原子的组成部分,电子电荷量可以取任意数值。( )
提示:(1)×。英国物理学家汤姆孙认为阴极射线是一种带电粒子流。
(2)√。组成阴极射线的粒子被称为电子。
(3)×。电子电荷量是量子化的,只能是e的整数倍。一、对阴极射线的认识
思考探究:
如图所示为发现阴极射线的实验装置。(1)阴极射线是从哪个地方发出的,感应圈的作用是什么?
(2)管中十字状金属片的作用是什么?提示:(1)阴极射线是从阴极K发出的,感应圈的作用是利用万伏的高压,对阴极射线进行加速。
(2)管中十字状金属片的作用是挡住阴极射线,从而形成十字形的影,首先说明荧光是由于阴极射线撞击玻璃而形成,其次说明阴极射线沿直线运动。【归纳总结】
1.现象:真空玻璃管两极加上高电压,玻璃管壁上发出荧光及管中物体在玻璃壁上的影。
2.命名:德国物理学家戈德斯坦将阴极发出的射线命名为阴极射线。
3.猜想:
(1)阴极射线是一种电磁辐射。
(2)阴极射线是带电微粒。4.验证:英国物理学家汤姆孙让阴极射线在电场和磁场中偏转,发现阴极射线带负电并测出了粒子的比荷发现电子。
5.实验:密立根通过“油滴实验”精确测定了电子的电荷量和电子的质量。【典例示范】(多选)如图所示,一只阴极射线管,
左侧不断有电子射出,若在管的正下方放一通电
直导线AB时,发现射线径迹向下偏转,则( )
A.导线中的电流由A流向B
B.导线中的电流由B流向A
C.若要使电子束的径迹往上偏转,可以通过改变AB中的电流方向来实现
D.电子束的径迹与AB中的电流方向无关【解题探究】
(1)射线的轨迹向下偏说明了什么?
提示:粒子受到了磁场对它向下的作用力。
(2)如何确定射线所在处磁场的方向?
提示:应根据左手定则判断。【正确解答】选B、C。阴极射线是高速电子流,由左手定则判断可知,磁场垂直纸面向里,由安培定则可知,导线AB中的电流由B流向A,且改变AB中的电流方向时可以使电子束的轨迹往上偏。故选项B、C正确。【过关训练】
1.(多选)关于阴极射线,下列说法正确的是 ( )
A.阴极射线就是稀薄气体导电的辉光放电现象
B.阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流
C.阴极射线是组成物体的原子
D.阴极射线沿直线传播,但可被电场和磁场偏转【解析】选B、D。阴极射线是在真空管内由阴极发出的电子流,选项B正确,A错误;电子是原子的组成部分,选项C错误;阴极射线是带电粒子,可被电场和磁场偏转,选项D正确。2.发射阴极射线的真空玻璃管中高电压的作用是 ( )
A.使玻璃壁产生压电效应从而产生辉光
B.使管内产生阴极射线
C.使管内障碍物的电势升高
D.使电子加速
【解析】选D。在阴极射线管中,炽热的阴极发射电子流,再通过高电压的加速而获得能量,与玻璃壁碰撞而产生辉光,故选项A、B、C错误,选项D正确。【补偿训练】
1.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.阴极射线带负电
B.阴极射线带正电
C.汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中的运动得出了阴极射线是带负电的粒子的结论,并求出了阴极射线的比荷
D.汤姆孙通过对光电效应的研究,发现了电子【解析】选A、C。阴极射线是高速飞行的电子流,电子带负电,A正确,B错误。汤姆孙研究阴极射线发现了电子,并求出了比荷,C正确,D错误。2.(2015·宁波高二检测)下面对阴极射线的认识正确的是( )
A.阴极射线是由阴极发出的粒子撞击玻璃管壁上的荧光而产生的
B.只要阴阳两极间加有电压,就会有阴极射线产生
C.阴极射线可以穿透薄铝片,这说明它是电磁波
D.阴阳两极间加有高压时,电场很强,阴极中的电子受到很强的库仑力作用而脱离阴极【解析】选D。阴极射线是由阴极直接发出的,A错误;只有当两极间加有高压且阴极接电源负极时,阴极中的电子才会受到足够大的库仑力作用而脱离阴极成为阴极射线,B错误,D正确;阴极射线可以穿透薄铝片,可能是电磁波,也可能是更小的粒子,C错误。【误区警示】应用复合场求带电粒子偏转时的两个误区
(1)误认为带电粒子在两个场中的偏转规律相同。
带电粒子在电场中是按照类平抛的规律偏转,带电粒子在磁场中是按照圆周运动的规律偏转。
(2)误认为带电粒子在复合场中做直线运动时,只要电场和磁场垂直即可。
带电粒子在复合场中做直线运动时,电场和磁场不仅要垂直,而且垂直关系是固定的,还要大小关系成定值。二、电子比荷的测定方法
思考探究:
如图所示为汤姆孙的气体放电管。(1)在金属板D1、D2之间加上如图所示的电场时,发现阴极射线向下偏转,说明它带什么性质的电荷?
(2)在金属板D1、D2之间单独加哪个方向的磁场,可以让阴极射线向上偏转?提示:(1)阴极射线向下偏转,与电场线方向相反,说明阴极射线带负电。
(2)由左手定则可得,在金属板D1、D2之间单独加垂直纸面向外的磁场,可以让阴极射线向上偏转。【归纳总结】
1.让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图),让其做匀速直线
运动,根据二力平衡,即F洛=F电(Bqv=qE),得到粒子的运动速度v= 2.撤去电场(如图),保留磁场,让粒子单纯地在磁场中运动,由洛伦
兹力提供向心力,即Bqv= 根据轨迹偏转情况,由几何知识求出其半径r。
3.由以上两式确定粒子的比荷表达式:【典例示范】带电粒子的比荷 是一个重要的物理量。某中学物理兴趣小组设计了一个实验,探究电场和磁场对电子运动轨迹的影响,以求得电子的比荷,实验装置如图所示。其中两正对极板M1、M2之间的距离为d,极板长度为L。他们的主要实验步骤如下:
A.首先在两极板M1、M2之间不加任何电场、磁场,开启阴极射线管电源,发射的电子束从两极板中央通过,在荧光屏的正中心处观察到一个亮点;
B.在M1、M2两极板间加合适的电场:加极性如图所示的电压,并逐步调节增大,使荧光屏上的亮点逐渐向荧光屏下方偏移,直到荧光屏上恰好看不见亮点为止,记下此时外加电压为U。请问本步骤的目的是什么?
C.保持步骤B中的电压U不变,对M1、M2区域加一个大小、方向合适的磁场B,使荧光屏正中心处重现亮点。试问外加磁场的方向如何?【解题探究】
(1)当两板间加上合适的电场时,恰好看不见亮点,则电子在电场中的竖直位移为多少?
提示:电子在电场中的竖直位移为 。
(2)试分析使荧光屏的正中心处重现亮点时磁场方向的判断方法及满足的关系式。
提示:①磁场方向的判断方法:用左手定则判断。
②满足的关系式:qE=qvB。【正确解答】步骤B中电子在M1、M2两极板间做类平抛运动,当增大
两极板间电压时,电子在两极板间的偏转位移增大。
当在荧光屏上看不到亮点时,电子刚好打在下极板M2靠近荧光屏端
的边缘,则 由此可以看出这一步的目的是使粒子在电场中的偏转位移成为已知量,就可以表示出比荷。
步骤C加上磁场后电子不偏转,电场力等于洛伦兹力,且洛伦兹力方向向上,由左手定则可知磁场方向垂直于纸面向外。
答案:见正确解答【过关训练】如图所示,电子以初速度v0从O点进入长为l、板间距离为d、电势差为U的平行板电容器中,出电场时打在屏上P点,经测量O′P距离为Y0,求电子的比荷。【解析】由于电子在电场中做类平抛运动,沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动,满足
答案:【补偿训练】
1.汤姆孙在测定阴极射线比荷时采用的方法是利用电场、磁场偏转
法,即测出阴极射线在匀强电场或匀强磁场中穿过一定距离时的偏
角。设竖直向下的匀强电场的电场强度为E,阴极射线垂直电场射入,
穿过水平距离L后的运动偏角为θ(θ较小,θ≈tanθ)(如图甲);以
磁感应强度为B的匀强磁场代替电场,测出经过一段弧长L的运动偏
角为φ(如图乙)。已知阴极射线入射的初速度相同,试以E、B、L、
θ、φ表示阴极射线粒子的比荷 的关系式。(重力不计)【解析】电子在电场中偏转做类平抛运动,设电子入射的初速度
为v0,则有L=v0t ①
vy=at ②
a= ③
tanθ= ④
所以tanθ= ⑤
由于tanθ≈θ ⑥所以θ= ⑦
电子在磁场中偏转,设电子在磁场中做匀速圆周运动的半径为
R,qv0B= ⑧
L=R·φ ⑨
⑦⑧⑨联立消去v0整理得
答案: 2.在研究性学习中,某同学设计了一个测定带电粒子比荷的实验,其实
验装置如图所示。abcd是个长方形盒子,在ad边和cd边上各开有小孔
f和e,e是cd边上的中点,荧光屏M贴着cd放置,能显示从e孔射出的粒
子落点位置。盒子内有一方向垂直于abcd平面的匀强磁场,磁感应强
度大小为B。粒子源不断地发射相同的带电粒子,粒子的初速度可以忽
略。粒子经过电压为U的电场加速后,从f孔垂直于ad边射入盒内。粒
子经磁场偏转后恰好从e孔射出。若已知 =L,不计粒子的重力
和粒子之间的相互作用。请你根据上述条件求出带电粒子的比荷 。【解析】带电粒子进入电场,经电场加速。根据动能
定理得qU= mv2,得v= 粒子进入磁场后做匀
速圆周运动,轨迹如图所示。设圆周半径为R,在三
角形Ode中,有(L-R)2+( )2=R2,整理得:R= L,洛
伦兹力充当向心力:qvB= ,联立上述方程,解得
答案:【规律方法】运用电磁场测定电子比荷的解题技巧
(1)当电子在复合场中做匀速直线运动时,qE=qvB,可以测出电子速度大小。
(2)当电子在磁场中偏转时,qvB= 测出圆周运动半径,即可确定比荷。
(3)当电子在匀强电场中偏转时,y= 测出电场中的偏转量也可以确定比荷。【拓展例题】考查内容:阴极射线管问题研究
【典例示范】阴极射线是从阴极射线管的阴极发出的粒子流,这些粒子是 。若要使粒子到达阳极时速度为7.5×107m/s,则加在阴极射线管两个电极之间的电压U= V。 【正确解答】电子由阴极到阳极,由动能定理得
eU= mv2,
解得
答案:电子 1.6×10418.2原子的核式结构模型
1.下列关于卢瑟福α粒子散射实验结果的叙述正确的是 ( )
A.全部α粒子都穿过金箔未发生偏转
B.绝大多数α粒子穿过金箔未发生偏转,少数发生较大偏转,极少数被弹回
C.绝大多数α粒子发生很大偏转,只有少数穿过金箔
D.所有α粒子都发生较大偏转
【解析】选B。α粒子散射实验结果:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了大角度的偏转,偏转角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”,故只有B说法是与实验现象相吻合的。
2.(2014·莱芜高二检测)α粒子散射实验中,不考虑电子和α粒子的碰撞影响,是因为 ( )
A.α粒子与电子根本无相互作用
B.α粒子受电子作用的合力为零,是因为电子是均匀分布的
C.α粒子和电子碰撞损失能量极少,可忽略不计
D.电子很小,α粒子碰撞不到电子
【解析】选C。α粒子与电子之间存在着相互作用力,这个作用力是库仑引力,但由于电子质量很小,只有α粒子质量的,碰撞时对α粒子的运动影响极小,几乎不改变运动方向,就像一颗子弹撞上一粒尘埃一样,故正确答案为C。
3.(2013·潍坊高二检测)下列能揭示原子具有核式结构的实验是 ( )
A.光电效应实验 B.伦琴射线的发现
C.α粒子散射实验 D.电子的发现
【解析】选C。光电效应现象证明了光的粒子性本质,与原子结构无关,选项A错误;伦琴射线的发现开拓了新的物理学研究领域,与原子结构无关,选项B错误;电子的发现证实了原子是可以分割的,选项D错误;卢瑟福的α粒子散射实验证实了原子的核式结构模型,选项C正确。
4.(多选)(2013·连云港高二检测)关于α粒子散射实验的装置,下列说法正确的是 ( )
A.全部设备都放在真空中
B.荧光屏和显微镜能围绕金箔在一个圆周上转动
C.若将金箔改为银箔,就不能发生散射现象
D.金箔的厚度不会影响实验结果
【解析】选A、B。实验必须在真空中进行,故A对;荧光屏和显微镜应该能围绕金箔在一个圆周上转动,B正确;金箔改为银箔能发生散射现象,但不明显,C错误;α粒子穿透能力弱,金箔必须很薄,故D错。
5.(多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释是 ( )
A.使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对α粒子的作用力
B.使α粒子产生偏转的力是库仑力
C.原子核很小,α粒子接近它的机会很小,所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D.能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
【解析】选B、C、D。原子核带正电与α粒子间存在库仑力,当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转,故B对,A错;由于原子核非常小,绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变,只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大,方向改变较多,故C、D对。
6.(多选)在α粒子散射实验中,当在α粒子最接近原子核时,描述α粒子的有关物理量符合下列哪种情况 ( )
A.动能最小
B.势能最小
C.α粒子与金原子核组成的系统能量最小
D.α粒子所受金原子核的斥力最大
【解析】选A、D。α粒子和金原子核都带正电,库仑力表现为斥力,两者距离减小时,库仑力做负功,故α粒子动能减小,电势能增加;系统的能量守恒,由库仑定律可知,随着距离的减小,库仑斥力逐渐增大。
7.(2013·扬州高二检测)当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中,下列说法正确的是 ( )
A.α粒子先受到原子核的斥力作用,后受到原子核的引力作用
B.α粒子一直受到原子核的斥力作用
C.α粒子先受到原子核的引力作用,后受到原子核的斥力作用
D.α粒子一直受到库仑斥力,速度一直减小
【解析】选B。α粒子与金原子核带同种电荷,两者相互排斥,故A、C错误,B正确;α粒子在靠近金原子核时斥力做负功,速度减小,远离时斥力做正功,速度增大,故D错误。
8.速度为107m/s的α粒子从很远的地方飞来,与铝原子核发生对心碰撞,若α粒子的质量为4m0,铝核的质量为27m0,它们相距最近时,铝核获得的动能是原α粒子动能的多少?
【解析】在α粒子和铝原子核发生对心碰撞后,当二者速度相同时相距最近,在α粒子靠近过程中,由动量守恒得
mαv0=(mα+m铝)v共,所以v共=
==
===
答案:
1.(2013·汕头高二检测)如图所示,X表示金原子核,α粒子射向金原子核时被散射,若入射时的动能相同,其偏转轨道可能是图中的 ( )
【解析】选D。α粒子离金原子核越远,其所受斥力越小,轨道弯曲越不明显,故选项D正确。
2.下列叙述不属于卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有 ( )
A.原子的中心有个核,叫原子核
B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
C.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里
D.带负电的电子在核外绕着核旋转
【解析】选B。卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是:在原子的中心有一个很小的核,叫作原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转,由此可见B选项错。
3.(多选)根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场等势面,实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b、再运动到c的过程中,下列说法中正确的是 ( )
A.电场力在a→b过程中做负功,b→c过程中做正功,但总功等于零
B.加速度先变大,后变小
C.a、c两点的动能不相等
D.其动能与电势能的和不变
【解题指南】解答本题应把握以下三点:
(1)库仑力与点电荷之间的距离的平方成反比。
(2)α粒子和原子核间电场力的方向。
(3)在α粒子的整个运动过程中只有电场力做功,所以只有动能和电势能间的转化。
【解析】选A、B、D。α粒子与原子核之间的力为库仑斥力,从a→b库仑力做负功,动能减少,电势能增加,从b→c库仑力做正功,动能增加,且a→b与b→c库仑力所做的总功为0,则a、c两点的动能相等,因此A正确,C错。因为只有电场力做功,故动能与电势能之和不变,故D正确。α粒子与原子核相距越近,库仑力越大,加速度越大,故从a→c加速度先增大后减小,B正确。
4.在α粒子散射实验中,根据α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离可以估算原子核的大小。现有一个α粒子以2.0×107m/s的速度去轰击金箔,若金原子的核电荷数为79。求该α粒子与金原子核间的最近距离。(已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为E=k,α粒子质量为6.64×10-27kg)
【解析】当α粒子靠近原子核运动时,α粒子的动能转化为电势能,达到最近距离时,动能全部转化为电势能,设α粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d,则
mv2=k。
d=
=m=2.7×10-14m。
答案:2.7×10-14m
【总结提升】物理估算题的求解方法
物理估算题,对学生的思维能力、计算能力有较高的要求,不仅是直觉思维能力的集中表现,而且对培养学生综合分析能力和灵活运用物理知识解决实际问题的能力,也具有不可低估的作用。做好估算题,要注意以下几点:
(1)根据物理规律,建立合理的模型。
(2)熟悉常用的近似计算公式和物理常数。
(3)突出主要矛盾,忽略次要因素,建立估算关系;估算结果数量级必须正确,有效数字取1～2位即可。
只要确定准确模型,挖掘隐含条件,在推敲题意的基础上,充分发挥想象力,根据基本概念、基本规律,把条件与结论联系起来,进行层次分明的分析推理,确定估算方法,这类问题会迎刃而解。
18.2原子的核式结构模型
【小题达标练】
一、选择题
1.(2015·通州高二检测)有一位科学家,他通过α粒子散射实验,提出了原子的核式结构模型,这位提出原子核式结构模型的科学家被誉为原子物理学之父,他是 ( )
A.汤姆孙 B.卢瑟福
C.盖革 D.马斯顿
【解析】选B。汤姆孙提出了原子的枣糕式模型,A项错误;卢瑟福指导他的两个学生盖革和马斯顿进行了α粒子散射实验的研究,但提出核式结构模型的科学家是卢瑟福,故B项正确,C、D项错误。
2.(多选)关于α粒子散射实验及核式结构模型,下列说法正确的是 ( )
A.带有荧光屏的显微镜可以在水平面内的不同方向上移动
B.荧光屏上的闪光是散射的α粒子打在荧光屏上形成的
C.荧光屏只有正对α粒子源发出的射线方向上才有闪光
D.使α粒子散射的原因是α粒子与原子核发生接触碰撞
【解析】选A、B。为观察α粒子穿过金箔后在各个方向上的散射情况,显微镜必须能在水平面内各个方向上移动,故A正确;荧光屏上的闪光是α粒子打在荧光屏上引起的,并且在各个方向上都能观察到闪光,故B正确,C错;α粒子散射的原因是α粒子受到原子核的库仑斥力,D错。
3.(2015·宣城高二检测)卢瑟福和他的助手做α粒子轰击金箔实验,获得了重要发现,关于α粒子散射实验的结果,下列说法正确的是 ( )
A.说明了质子的存在
B.说明了原子核是由质子和中子组成的
C.说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里
D.说明了正电荷均匀分布
【解析】选C。α粒子散射实验否定了汤姆孙的枣糕式模型,即否定了正电荷均匀分布,D项错误;α粒子的大角度散射,说明了原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在中间很小的原子核上。
【互动探究】α粒子散射实验结果表明,原子中带负电的电子是如何分布的?
答案:电子在原子核外运动。
4.(多选)在α粒子散射实验中,关于选用金箔的原因下列说法正确的
是 ( )
A.金具有很好的延展性,可以做成很薄的箔
B.金原子核不带电
C.金原子核质量大,被α粒子轰击后不易移动
D.金这种材料比较昂贵
【解析】选A、C。α粒子散射实验中,选用金箔是因为金具有很好的延展性,可以做成很薄的箔,α粒子很容易穿过,A正确。金原子核质量大,被α粒子轰击后不易移动,C正确。金核带正电,B错误。选用金箔做实验与金这种材料比较昂贵没有任何关系,D项错误。
5.α粒子散射实验中,使α粒子散射的原因是 ( )
A.α粒子与原子核外电子碰撞
B.α粒子与原子核发生接触碰撞
C.α粒子发生明显衍射
D.α粒子与原子核的库仑斥力作用
【解析】选D。α粒子与原子核外的电子的作用是很微弱的,A错误。由于原子核的质量和电荷量很大,α粒子与原子核很近时,库仑斥力很强,足以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回,使α粒子散射的原因是库仑斥力,B、C错误,D正确。
【补偿训练】(多选)在α粒子散射实验中,某个α粒子跟金箔中的电子相撞,
则 ( )
A.α粒子的动能几乎没有损失
B.α粒子将损失大部分动能
C.α粒子不会发生显著的偏转
D.α粒子将发生较大角度的偏转
【解析】选A、C。由于电子的质量只有α粒子质量的,α粒子与电子碰撞就像一颗子弹与一粒灰尘碰撞一样,动能几乎没有损失,A正确,B错误。α粒子不会发生显著的偏转,C正确,D错误。
6.(多选)(2015·佛山高二检测)用α粒子撞击金原子核发生散射,图中关于α粒子的运动轨迹正确的是 ( )
A.a B.b C.c D.d
【解题指南】解答本题时应理解以下两点:
(1)α粒子与金原子核之间存在相互作用的库仑斥力,而不是库仑引力。
(2)距离越近库仑斥力越大,距离越远库仑斥力越小。
【解析】选C、D。α粒子受金原子核的排斥力,方向沿两者的连线方向,运动轨迹弯向受力方向的一侧,A、B均错误;离原子核越近,α粒子受到的斥力越大,偏转越大,C、D正确。
7.高速α粒子在重原子核电场作用下的散射现象如图所示,实线表示α粒子运动的轨迹,虚线表示重核形成电场的等势面。设α粒子经过a、b、c三点时的速度为va、vb、vc,则其关系为( )
A.vaC.vb【解析】选C。α粒子和重原子核都带正电,相互排斥,当α粒子靠近重原子核时,电场力做负功,α粒子动能减小,va>vb。当α粒子远离重原子核时电场力做正功,动能增加,vc>vb。又因为从a到c的整个过程中电场力对α粒子做正功,故vava>vb,选项C正确。
【总结提升】解答原子结构能量问题应弄清的三个要点
(1)α粒子和重原子核都带正电,它们之间的库仑力为斥力。
(2)α粒子靠近原子核时,电场力做负功,电势能增加,粒子动能减小;α粒子远离原子核时,电场力做正功,电势能减小,粒子动能增加。
(3)以原子核为球心的同心球面为等势面,同一等势面上α粒子的电势能、动能都相等。
二、非选择题
8.若氢原子的核外电子绕核做半径为r的匀速圆周运动,则其角速度ω是多少?电子绕核的运动可等效为环形电流,则电子运动的等效电流I是多少?(已知电子的质量为m,电荷量为e,静电力常量用k表示)
【解题指南】解答本题时可按以下思路分析:
(1)电子绕核做匀速圆周运动时,库仑力提供向心力,由此可确定角速度和周期。
(2)在电子轨道上取一个截面,则在一个周期的时间内通过这个截面的电量是e,由此可以计算出等效电流。
【解析】电子绕核运动的向心力是库仑力,因为=mω2r,所以ω=;其运动周期为T==,其等效电流I==。
答案:
【补偿训练】如果α粒子以速度v与电子发生弹性正碰(假定电子原来是静止的),求碰撞后α粒子的速度变化了多少?并由此说明:为什么原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转?(α粒子质量是电子质量的7300倍)
【解析】设α粒子初速度为v,质量为M,与电子碰后速度为v1,电子质量为m,与α粒子碰后速度为v2,
由动量守恒定律得Mv=Mv1+mv2 ①
由能量关系得Mv2=M+m ②
由①②得碰后α粒子速度v1=v ③
α粒子速度变化量Δv1=v1-v=-v ④
把M=7300m代入④得Δv1=v=-0.0003v
可见α粒子的速度变化只有万分之三,说明原子中的电子不能使α粒子发生明显的偏转。
答案:见解析
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)疏忽了设α粒子和电子的质量分别为M和m,从而无法列出表达式而出现错误。
(2)最后求出的是α粒子的末速度而不是速度变化,导致出现错误。
【大题提升练】
(1)(多选)能用卢瑟福原子核式结构模型得出的结论是 ( )
A.原子中心有一个很小的原子核
B.原子核是由质子和中子组成的
C.原子质量几乎全部集中在原子核内
D.原子的正电荷全部集中在原子核内
E.原子核的电荷数就是核中的质子数
(2)α粒子散射实验中,绝大多数的α粒子仍沿原来方向运动,只有少数α粒子发生了大角度的偏转,请用核式结构模型分析实验现象。
【解析】(1)选A、C、D。能用卢瑟福的原子核式结构得出的结论:在原子中心有一个很小的原子核,原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核内,带负电的电子在核外空间绕核旋转,A、C、D正确。而原子核是由质子和中子组成的以及原子核的电荷数就是核中的质子数的结论并不能用卢瑟福的原子核式结构模型得出,B、E错误。
(2)原子核很小,α粒子进入原子后,绝大多数的α粒子离原子核很远,受到的库仑力很小,几乎沿原来方向运动,只有少数α粒子穿过时,离原子核很近,受到很强的库仑斥力,发生了大角度的偏转。
答案:(1)A、C、D (2)见解析
【补偿训练】(2015·广州高二检测)在卢瑟福的α粒子散射实验中,某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示。图中P、Q为轨迹上的点,虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线,两虚线和轨迹将平面分为四个区域。不考虑其他原子核对该α粒子的作用,那么关于该原子核的位置,下列说法中正确的是 ( )
A.可能在①区域 B.可能在②区域
C.可能在③区域 D.可能在④区域
【解析】选A。α粒子带正电,原子核也带正电,对靠近它的α粒子产生斥力,故原子核不会在④区域;如原子核在②、③区域,α粒子会向①区域偏;如原子核在①区域,可能会出现题图所示的轨迹,故应选A。
课件34张PPT。2
原子的核式结构模型1.了解α粒子散射实验原理和实验现象。
2.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容。
3.知道原子和原子核大小的数量级,原子核的电荷数。
4.领会卢瑟福提出原子核式结构模型的实验和思维过程,培养抽象思维能力和想象力。一、汤姆孙的原子模型
1.建立“枣糕模型”的依据:电子的发现和原子呈_______。
2.原子的“枣糕模型”:原子是一个球体,_______弥漫性地均
匀分布在整个球体内,电子_____其中。电中性正电荷镶嵌二、原子核式结构的建立
1.α粒子散射实验:
(1)α粒子:从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子,带有
_____单位的正电荷,质量为_______质量的4倍、电子质量的
7300倍。
(2)实验结果:_________α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原方向
前进。_____α粒子发生大角度偏转,偏转角度甚至大于90°,
几乎被“撞了回来”。两个氢原子绝大多数少数(3)卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建
立了_________模型。
2.卢瑟福的核式结构模型:原子中___________的体积很小,但
几乎占有全部_____,电子在正电体的外面运动。核式结构带正电部分质量三、原子核的电荷与尺度
1.原子核的组成:原子核是由带正电的_____和不带电的_____
组成的。
2.原子核和原子的大小:质子中子10-1010-153.原子内的电荷关系:各元素的原子核的电荷数就是核中的
_______,与原子的核外 _______相等,非常接近它们的_____
_____。质子数电子数原子序数1.判一判:
(1)原子核式结构模型能够说明原子内部电荷和质量的分布情
况。 ( )
(2)卢瑟福的原子核式结构模型是由电子的发现引入的。( )
(3)α粒子散射实验否定了汤姆孙的“枣糕模型”,为卢瑟福的
原子的核式结构模型提供了依据。 ( )
(4)原子中大部分空间是空旷的,原子核的体积很小。 ( )提示:(1)√。电子的发现说明原子是可分的,原子又呈电中性。所以,原子核式结构模型能够说明原子内部电荷和质量的分布情况。
(2)×。卢瑟福的原子核式结构模型是建立在α粒子散射实验基础上的。(3)√。α粒子散射实验说明了原子内部大部分空间是空旷的,原子中带正电部分的体积很小,从而否定了汤姆孙的“枣糕模型”,为卢瑟福的核式结构模型奠定了实验基础。
(4)√。α粒子散射实验说明了原子内部大部分空间是空旷的,原子中带正电的部分即原子核的体积很小。2.想一想:
由原子的半径和原子核的半径数值可推知,原子核体积只占原
子体积的 其空旷程度可想而知。据此,你能否说明产生α
粒子散射现象的原因?可得到怎样的启示?提示:由于α粒子的质量远大于电子质量,电子不可能使其发生大角度偏转,产生大角度偏转的原因应该是原子核,由于原子核非常小,入射的α粒子绝大多数距原子核很远。只有极少数α粒子靠近原子核,由于其库仑斥力而使α粒子发生大角度偏转。由α粒子散射现象可知,原子核非常小;能够使α粒子发生大角度偏转,说明原子核聚集了原子的绝大部分质量且带正电。主题一 探究α粒子散射实验
【问题探究】
1.如图是α粒子散射实验的装置:(1)该实验装置是由什么构成的?
提示:由α粒子放射源、金箔、荧光屏(放大镜)等构成。
(2)实验装置各部分的作用是什么?
提示:放射源放出快速运动的α粒子,α粒子通过金箔时被散射,打在荧光屏上发出荧光,可通过带有荧光屏的放大镜进行观察,并可以在水平面内转动,观察不同方向和不同位置的通过金箔散射的α粒子数量,并且整个装置封闭在真空内。2.在α粒子散射实验中通过放大镜观察到什么现象?
提示:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转,偏转角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”,如图所示。3.原子的核式结构模型的内容有哪些?
提示:(1)在原子中心有一个很小的核叫原子核,原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。
(2)带负电的电子在核外空间绕核旋转。4.卢瑟福认为α粒子散射的原因是什么?
提示:α粒子偏转的原因是库仑斥力影响的结果。
5.核式结构模型如何解释α粒子散射实验的结果?
提示:(1)由于原子核很小,大多数α粒子穿过金箔时都离核很远,受到的斥力很小,它们的运动几乎不受影响,几乎沿原来方向继续前进,不发生偏转。
(2)只有极少数α粒子有机会与原子核接近,受到原子核较大的斥力而发生明显的偏转。【探究总结】
α粒子散射轨迹的两个特点
(1)在α粒子散射实验中α粒子的受力特点:α粒子受到原子核的万有引力和原子核的库仑斥力作用,由于库仑斥力远大于万有引力,在计算中只考虑受到的库仑斥力作用。(2)在α粒子散射实验中α粒子的运动特点:在离原子核较远处,α粒子近似做匀速直线运动。在α粒子靠近原子核的运动过程中,库仑斥力随运动距离和运动方向的变化而变化,是变力。所以,α粒子做变加速运动,当运动方向与α粒子和原子核的连线不在同一方向上时,α粒子做变加速曲线运动,受库仑斥力作用,曲线向原子核外侧弯曲且库仑斥力方向与速度方向分布于轨迹两侧。【即时训练】
1.(多选)如图为卢瑟福和他的助手做α粒子散射实验的装置示意图,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,所观察到的现象,下列描述正确的是 ( )
A.在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
B.在B位置时,相同时间内观察到屏上的
闪光次数只比在A位置时稍少些
C.在C、D位置时,屏上观察不到闪光
D.在D位置时,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少【解题探究】(1)“大角度偏转”只是_____粒子的行为。
(2)_________α粒子运动方向不会明显变化。少数绝大多数【解析】选A、D。α粒子通过金箔时,绝大多数不发生偏转,仍沿原来的方向前进,在A位置处观察到屏上的闪光次数最多,A正确;少数发生较大的偏转,在B位置观察到屏上的闪光次数比A位置应少很多,而不是稍少一些,B错误;极少数偏转角超过90°,有的偏转角几乎达到180°,在C、D位置时,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少,C错误,D正确。2.(多选)用α粒子撞击金原子核发生散射,图中关于α粒子的运动轨迹正确的是 ( )
A.a B.b C.c D.d【解析】选C、D。α粒子受金原子核的排斥力,方向沿两者的连线方向,运动轨迹弯向受力方向的一侧,A、B均错误;离原子核越近,α粒子受到的斥力越大,偏转越大,C、D正确。主题二 原子核
【问题探究】
1.原子核的电荷数如何推算?它与原子核的质子数、核外电子数、原子序数是什么关系?
提示:根据α粒子散射实验的数据,可以算出靶元素原子核的电荷数,由原子的电中性,从而可推知核外的电子数。原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成,原子核的电荷数等于核中的质子数。即核电荷数=核外电子数=质子数=原子序数。2.原子核半径的数量级是多少?为什么说原子内部十分“空旷”?
提示:原子核半径的数量级为10-15m,原子半径的数量级为10-10m,两者相差十万倍之多,因此原子内部是十分“空旷”的。3.试分析α粒子靠近原子核和远离原子核过程中动能和电势能的变化情况?
提示:α粒子被金原子核散射的过程一直受到原子核对α粒子的库仑斥力作用,靠近过程库仑斥力做负功,α粒子动能减小,电势能增大;远离过程库仑斥力做正功,α粒子动能增大,电势能减小。【探究总结】
理解建立核式结构模型的要点
(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。
(2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射。
(3)少数α粒子发生了大角度偏转,甚至反弹回来,表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电量均比它本身大得多的物体的作用。(4)绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化,说明原子中绝大部分是空的。原子的质量、电量都集中在体积很小的核上。【即时训练】
1.卢瑟福的α粒子散射实验结果表明了 ( )
A.原子核是可分的
B.原子核是由质子和中子组成的
C.原子是由均匀带正电的物质和带负电的电子构成的
D.原子内部有一个很小区域,集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量【解题探究】(1)α粒子散射实验结果表明原子是由_______和
_____组成的。
(2)_______集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量。原子核电子原子核【解析】选D。由α粒子散射实验的结果可知,原子是可分的,它由原子核和电子组成;另外原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量,故A、B错误,D正确;C项是汤姆孙提出的原子模型,故C错误。2.(2014·上海高考)不能用卢瑟福原子核式结构模型得出的结论是 ( )
A.原子中心有一个很小的原子核
B.原子核是由质子和中子组成的
C.原子质量几乎全部集中在原子核内
D.原子的正电荷全部集中在原子核内【解析】选B。能用卢瑟福原子的核式结构得出的结论:在原子中心有一个很小的原子核,原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核内,带负电的电子在核外空间绕核旋转。而“原子核是由质子和中子组成的”结论并不能用卢瑟福原子的核式结构得出。课件41张PPT。2
原子的核式结构模型一、汤姆孙的原子模型
1.汤姆孙原子模型:汤姆孙于1898年提出了原子模型,他认为原子是一
个_____,_______弥漫性地_________在整个球体内,电子_____其中,
有人形象地把汤姆孙模型称为“西瓜模型”或“_____模型”,如图。球体正电荷均匀分布镶嵌枣糕2.α粒子散射实验:
(1)实验装置。粒子源金箔荧光屏放大镜(2)实验现象。
①_________的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿_____的方向前进;
②_____α粒子发生了_______偏转;偏转的角度甚至_________,
它们几乎被“_________”。
(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子
模型,建立了_________模型。绝大多数原来少数大角度大于90°撞了回来核式结构【判一判】
(1)汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内。 ( )
(2)α粒子带有一个单位的正电荷,质量为氢原子质量的2倍。( )
(3)α粒子实验证实了汤姆孙的枣糕式原子模型。 ( )提示:(1)√。汤姆孙的枣糕式模型认为原子是一个球体,正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内,电子镶嵌其中。
(2)×。α粒子带有两个单位的正电荷,质量为氢原子质量的4倍。
(3)×。α粒子实验中个别粒子的大角度散射,推翻了汤姆孙的枣糕式原子模型。二、卢瑟福的核式结构模型
1.核式结构模型:1911年由卢瑟福提出,原子中带正电的部分体积
很小,但几乎占有全部_____,电子在正电体的外面_____。质量运动2.原子核的电荷与尺度:原子序数质子中子A10-10 m10-15 m【判一判】
(1)卢瑟福的核式结构模型认为原子中带正电的部分体积很小,电子在正电体外面运动。 ( )
(2)原子核的电荷数等于核中的中子数。 ( )
(3)对于一般的原子,由于原子核很小,所以内部十分空旷。( )提示:(1)√。卢瑟福的核式结构模型认为原子中绝大部分的质量和全部正电荷集中在很小的原子核上,电子在原子核外面运动。
(2)×。原子核的电荷数等于核中的质子数。
(3)√。对于一般的原子,原子半径是原子核半径的十万倍之多,所以内部十分空旷。 一、α粒子散射实验探究分析
思考探究:
如图所示为α粒子散射的实验装置。(1)实验过程中,α粒子为什么会发生大角度散射?
(2)从α粒子的大角度散射情况,可以推知原子是什么样的结构?
提示:(1)α粒子受到了很大的库仑力作用,并且这种库仑力对α粒子又不平衡,从而导致α粒子发生大角度散射。
(2)原子中间有一个很小的核,电子在核外运动。【归纳总结】
1.实验背景:α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验,实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性,实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上,卢瑟福提出了原子核式结构模型。2.否定汤姆孙的原子结构模型:
(1)质量远小于原子的电子,对α粒子的运动影响完全可以忽略,不应该发生大角度偏转。
(2)α粒子在穿过原子时,受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡,对α粒子运动方向的影响不会很大,也不应该发生大角度偏转。
(3)α粒子的大角度偏转,否定汤姆孙的原子结构模型。3.大角度偏转的实验现象分析:
(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粒子散射实验相矛盾。(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。4.原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释:
(1)当α粒子穿过原子时,如果离核较远,受到原子核的斥力很小,α粒子就像穿过“一片空地”一样,无遮无挡,运动方向改变很小。因为原子核很小,所以绝大多数α粒子不发生偏转。
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转,而这种机会很少,所以有少数粒子发生了大角度偏转。(3)如果α粒子正对着原子核射来,偏转角几乎达到180°,这种机会极少,如图所示,所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°。【典例示范】(多选)如图为卢瑟福所做的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,下列说法中正确的是 ( )
A.相同时间内在A时观察到屏上的闪光次数最多
B.相同时间内在B时观察到屏上的闪光次数比放在A时稍少些
C.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少
D.放在C、D位置时屏上观察不到闪光【解题探究】
(1)实验装置中荧光屏的作用是什么?
提示:α粒子打到荧光屏上会有微弱的闪光产生,故荧光屏通过显示闪光说明有α粒子打在了荧光屏上。
(2)显微镜在A处和在D处探测到的α粒子,它们的运动情况有什么不同?
提示:显微镜在A处探测到的α粒子,运动情况是基本沿原来方向运动;显微镜在D处探测到的α粒子,运动情况是发生了大角度的偏转。【正确解答】选A、C。在卢瑟福α粒子散射实验中,α粒子穿过金箔后,绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进,故A正确。少数α粒子发生大角度偏转,极少数α粒子偏转角度大于90°,极个别α粒子反弹回来,所以在B位置只能观察到少数的闪光,在C、D两位置能观察到的闪光次数极少,故B、D错,C对。【过关训练】
1.(2015·福建师大附中高二检测)如图所示是
α粒子被重核散射时的运动轨迹,其中不可能
存在的轨迹是 ( )
A.a B.b C.c D.d
【解析】选C。根据α粒子散射实验现象的解释,离核越近偏转越明显,C轨迹离核较远,应该偏转很少,故正确答案为C项。2.在α粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中,下列说法中正确的
是 ( )
A.α粒子受到金原子核的斥力作用
B.α粒子的动能不断减小
C.α粒子的电势能不断增大
D.α粒子发生散射,是与电子碰撞的结果【解析】选A。少数α粒子靠近金原子核而受到库仑斥力作用,让少数α粒子发生了大角度的偏转,A项正确,D项错误;由动能定理和能量守恒定律可得,α粒子的动能先减小再增大,而电势能先增大再减小,故B、C错。【补偿训练】
1.(多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释是 ( )
A.使α粒子产生偏转的力主要是原子中电子对α粒子的作用力
B.使α粒子产生偏转的力是电子对它的吸引力
C.原子核很小,α粒子接近它的机会很小,所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D.能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子【解析】选C、D。原子核带正电,与α粒子间存在库仑力,当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转,故A、B错;由于原子核非常小,绝大多数粒子经过时离核较远,因而运动方向几乎不变,只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大,方向改变较多,故C、D对。2.下列对α粒子散射实验装置的描述,你认为正确的有 ( )
A.实验器材有放射源、金箔、带有荧光屏的放大镜
B.金箔的厚度对实验无影响
C.如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象
D.实验装置放在空气中和真空中都可以【解析】选A。由对α粒子散射实验装置的描述可知A项正确。实验所用的金箔的厚度极小,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,B项错。如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大于α粒子的质量,散射现象仍然发生,C项错。空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,D项错。二、原子的核式结构模型与原子核的组成
思考探究:
如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景。
(1)为什么绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来运动方向前进?
(2)为什么少数的α粒子穿过金箔后,发生了大角度的偏转?提示:(1)因为原子核很小,所以绝大多数α粒子穿过原子时,离核较远,受到原子核的斥力很小,基本上仍沿原来运动方向前进。
(2)少数α粒子十分接近原子核穿过时,才受到很大的库仑力作用,发生大角度偏转。【归纳总结】
1.原子的核式结构与原子的枣糕模型的对比:2.原子内的电荷关系:原子核的电荷数与核外的电子数相等,非常接近原子序数。
3.原子核的组成:原子核由质子和中子组成,原子核的电荷数等于原子核的质子数。
4.原子核的大小:原子的半径数量级为10-10m,原子核半径的数量级为10-15m,原子核的半径只相当于原子半径的十万分之一,体积只相当于原子体积的10-15。【典例示范】(多选)(2015·梅州高二检测)关于原子核式结构理论说法正确的是 ( )
A.是通过发现电子现象得出来的
B.原子的中心有个核,叫作原子核
C.原子的正电荷均匀分布在整个原子中
D.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外旋转【解题探究】
(1)卢瑟福的原子结构模型带正电部分如何分布?
提示:原子中带正电部分,体积很小,但几乎占有全部质量。
(2)卢瑟福的原子结构模型带负电部分如何分布?
提示:带负电的电子绕原子核旋转。【正确解答】选B、D。原子的核式结构模型是在α粒子的散射实验结果的基础上提出的,A错误。原子中绝大部分是空的,带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围,称为原子核,B正确,C错误。原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量,带负电的电子在核外旋转,D正确。【过关训练】
(多选)(2015·汕头高二检测)关于原子的核式结构模型,下列说法正确的是 ( )
A.原子中绝大部分是“空”的,原子核很小
B.电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C.原子的全部电荷和质量都集中在原子核里
D.原子核的直径的数量级是10-10m【解析】选A、B。因为原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内,而原子核又很小,所以原子内绝大部分区域是“空”的,A正确,C错误;电子绕原子核的圆周运动是原子核与电子间的库仑引力提供向心力,B正确;原子核直径的数量级是10-15m,原子直径的数量级是10-10m,D错误。【补偿训练】(多选)(2015·泰安高二检测)在α粒子散射实验中,如果两个具有相同能量的α粒子,从不同大小的角度散射出来,则散射角度大的α粒子 ( )
A.更接近原子核
B.更远离原子核
C.受到一个以上的原子核作用
D.受到原子核较大的冲量作用【解析】选A、D。由于原子的体积远远大于原子核的体积,当α粒子穿越某一个原子的空间时,其他原子核距α粒子相对较远,而且其他原子核对α粒子的作用力也可以近似相互抵消,所以散射角度大的这个α粒子并非由于受到多个原子核作用,C错;由库仑定律可知,α粒子受到的斥力与距离的平方成反比,α粒子距原子核越近,斥力越大,运动状态改变越大,即散射角度越大,A对,B错;当α粒子受到原子核较大的冲量作用时,动量的变化量就大,即速度的变化量就大,则散射角度就大,D对。【拓展例题】考查内容:α粒子散射实验中的功能问题
【典例示范】如图所示,M、N为原子核外的两个等势面,已知UNM=100V。一个α粒子以2.5×105m/s的速率从等势面M上的A点运动到等势面N上的B点,求α粒子在B点时速度的大小。(已知mα=6.64×10-27kg)【正确解答】α粒子从A点运动到B点,库仑力做的功
WAB=qUMN=-qUNM,
由动能定理WAB=
故vB=
≈2.3×105m/s
答案:2.3×105m/s18.3氢原子光谱
1.关于线状谱,下列说法中正确的是 ( )
A.每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B.每种原子处在不同的物质中的线状谱不同
C.每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同
【解析】选C。每种原子都有自己的结构,只能发出由内部结构决定的自己的特征谱线,不会因温度、物质不同而改变,C正确。
2.对于光谱,下面的说法中正确的是 ( )
A.大量原子发出的光谱是连续谱,少量原子发出的光谱是线状谱
B.线状谱是由不连续的若干波长的光组成
C.太阳光谱是连续谱
D.太阳光谱是线状谱
【解析】选B。原子光谱体现原子的特征,是线状谱,同一种原子无论多少发光特征都相同,即形成的线状谱都一样,故A错;B项是线状谱的特征,B对;太阳周围的元素吸收了相应频率的光,故太阳光谱是吸收光谱,故C、D错。
3.(多选)(2013·阜阳高二检测)下列光谱中哪些是线状谱 ( )
A.霓虹灯发光形成的光谱
B.白炽灯产生的光谱
C.酒精灯中燃烧的钠蒸汽所产生的光谱
D.蜡烛火焰产生的光谱
【解析】选A、C。霓虹灯发光形成的光谱为线状谱,A正确;白炽灯和蜡烛火焰产生的光谱为连续谱,B、D错误;燃烧的钠蒸汽所产生的光谱为线状谱,C正确。
4.下列关于光谱的说法正确的是 ( )
A.炽热固体、液体和高压气体发出的光谱是连续谱
B.各种原子的线状谱中的明线和它的吸收光谱中的暗线必定一一对应
C.气体发出的光只能产生线状谱
D.甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸汽可得到甲物质的吸收光谱
【解析】选A。炽热的固体、液体和高压气体发出的光谱是连续谱,A正确;由于通常看到的吸收光谱中的暗线比线状谱中的明线要少一些,所以B错误;气体发光时,若是高压气体发光形成连续谱,若是稀薄气体发光形成线状谱,故C错误;甲物质发出的白光通过低温的乙物质蒸汽后,得到的是乙物质的吸收光谱,所以D错误。
5.(多选)关于光谱和光谱分析,下列说法中正确的是 ( )
A.发射光谱包括连续谱和线状谱
B.太阳光谱是连续谱,氢光谱是线状谱
C.线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析
D.光谱分析帮助人们发现了许多新元素
【解析】选A、C、D。由光谱的概念和产生知A选项正确;太阳光谱是吸收光谱,则B选项错误;吸收光谱和线状谱的产生方法尽管不同,但同种物质吸收光谱中的暗线跟它的线状谱中的明线是相对应的,线状谱与吸收光谱都是原子的特征谱线,故都可以用于光谱分析,以鉴别物质和确定化学组成,故C、D项正确。
6.(2013·蚌埠高二检测)太阳光的光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征谱线,产生这些暗线是由于 ( )
A.太阳表面大气层中缺少相应的元素
B.太阳内部缺少相应的元素
C.太阳表面大气层中存在着相应的元素
D.地球大气层中存在着相应的元素
【解析】选C。吸收光谱的暗线是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的。太阳光的吸收光谱,是当太阳内部发出的强光经较低温度的太阳大气层时,某些波长的光被太阳大气层含有的元素吸收而产生的,因此正确选项为C。
【总结提升】求解光谱和光谱分析问题的技巧
解决有关光谱和光谱分析的问题,应从深入理解光谱的成因入手,正确理解不同谱线的特点。
(1)发射光谱——物体直接发出的光通过分光镜后产生的光谱。它可分为连续谱和线状谱。
①连续谱——由连续分布的一切波长的光(一切单色光)组成的光谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续谱,如灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光等都形成连续谱。
②线状谱——只含有一些不连续的亮线的光谱。它是由游离状态的原子发射的,因此也叫原子光谱,稀薄气体或金属的蒸汽的发射光谱是线状谱。
(2)吸收光谱——高温物体发出的白光通过温度较低的物质时,某些波长的光被该物质吸收后产生的光谱。这种光谱的特点是在连续光谱的背景上有若干条暗线。例如,太阳光谱就是太阳内部发出的强光经温度较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。
7.(多选)关于巴耳末公式=R(-)的理解,正确的是( )
A.此公式是巴耳末在研究氢光谱特征时发现的
B.公式中n可取任意值,故氢光谱是连续谱
C.公式中n只能取整数值,故氢光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢光谱的分析,也适用于其他原子的光谱
【解析】选A、C。此公式是巴耳末在研究氢光谱在可见光区的4条谱线中得到的,只适用于氢光谱的分析,且n只能取大于等于3的整数,则λ不能取连续值,故氢原子光谱是线状谱。
1.(2013·海口高二检测)以下说法中正确的是 ( )
A.进行光谱分析,可以用连续光谱,也可以用吸收光谱
B.光谱分析的优点是非常灵敏而且迅速
C.分析某种物质的化学组成,可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气取得吸收光谱进行分析
D.摄下月球的光谱,可以分析出月球上有哪些元素
【解析】选B。进行光谱分析不能用连续光谱,只能用明线光谱或吸收光谱,A错误;光谱分析的优点是灵敏而且迅速,B正确;分析某种物质的化学组成,可用白光照射其低温蒸气产生的吸收光谱进行分析,通过另一种物质的低温蒸气只能取得另一种物质的吸收光谱,C错误;月球不能发光,它只能反射太阳光,故其反射的光谱是太阳光谱,而不是月球的光谱,不能用来分析月球上的元素,D错误。
2.如图甲所示的a、b、c、d四种元素的特征谱线,图乙是某矿物的线状谱,通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为 ( )
A.a元素 B.b元素
C.c元素 D.d元素
【解题指南】解答本题应把握以下三点:
(1)明确原子光谱的特征。
(2)清楚谱线和元素的对应关系。
(3)理解光谱分析的意义。
【解析】选B。把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照,b元素的谱线在该线状谱中不存在,故B正确。与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素。
3.(2013·石家庄高二检测)氢原子光谱在可见光的范围内波长最长的两条谱线,其波长分别为654.55×10-9m和484.85×10-9m,根据巴耳末公式求所对应的n。
【解析】根据巴耳末公式=R(-)得
=1.10×107×(-)
所以n1=3,
=1.10×107×(-)
所以n2=4
答案:3 4
4.(2013·苏州高二检测)氢原子光谱除了巴耳末系外,还有莱曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为=R(-),n=4,5,6,…,R=1.10×107m-1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外光区,试求:
(1)n=6时,对应的波长?
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少?n=6时,传播频率为多大?
【解析】(1)由帕邢系公式=R(-),
当n=6时,得λ=1.09×10-6m。
(2)帕邢系形成的谱线在红外光区,而红外线属于电磁波,在真空中以光速传播,故波速为光速c=3×108m/s,由
c==λν,得ν==Hz=2.75×1014Hz。
答案:(1)1.09×10-6m (2)3×108m/s 2.75×1014Hz
18.3氢原子光谱
【小题达标练】
一、选择题
1.(2015·南通高二检测)白炽灯发光产生的光谱是 ( )
A.连续光谱 B.明线光谱 C.原子光谱 D.吸收光谱
【解析】选A。白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出光,是连续光谱。A正确,B、C、D错误。
【互动探究】能否用白炽灯产生的光谱,分析灯丝的物质组成?
提示:不能,白炽灯产生的是连续光谱,只能用特征光谱进行光谱分析。
2.(多选)(2015·佛山高二检测)关于光谱和光谱分析,下列说法中正确的
是 ( )
A.光谱包括连续谱和线状谱
B.太阳光谱是连续谱,氢光谱是线状谱
C.线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析
D.光谱分析帮助人们发现了许多新元素
【解析】选A、C、D。光谱包括连续谱和线状谱,线状谱可用作光谱分析,太阳光谱是吸收光谱,光谱分析可以发现新元素和鉴定物质成分。故正确答案为A、C、D。
3.(2015·湛江高二检测)如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线,图乙是某矿物的线状谱,通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为 ( )
A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素
【解析】选B。把矿物的线状谱与几种元素的特征谱线进行对照,b元素的谱线在该线状谱中不存在,故选项B正确,与几个元素的特征谱线不对应的线说明该矿物中还有其他元素。
【补偿训练】(多选)如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱,图乙是某矿物的线状谱,通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是 ( )
A.a元素 B.b元素 C.c元素 D.d元素
【解析】选B、D。将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图中对照,可知矿物中缺少b、d元素,故选B、D。
4.(多选)要得到钠元素的特征谱线,下列做法正确的是 ( )
A.使固体钠在空气中燃烧
B.将固体钠高温加热成稀薄钠蒸汽
C.使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸汽
D.使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸汽
【解析】选B、C。炽热固体发出的是连续谱,燃烧固体钠不能得到特征谱线,A错误;稀薄气体发光产生线状谱,B正确;强烈的白光通过低温钠蒸汽时,某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱,C正确,D错误。
5.(2015·梅州高二检测)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.
【解析】选B。由=R(-)得:当n=3时,波长最长,=R(-),当n=4时,波长次之,=R(-),解得:=。
6.(多选)(2015·哈尔滨高二检测)关于经典电磁理论与氢原子光谱之间的关系,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.氢原子光谱彻底否定了经典电磁理论
【解析】选B、C。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,原子不应该是稳定的,并且发射的光谱应该是连续的。氢原子光谱并没有完全否定经典电磁理论,是要引入新的观念了。故正确答案为B、C。
二、非选择题
7.氢原子光谱除了巴耳末系外,还有莱曼系、帕邢系等,其中帕邢系的公式为=R(-),n=4,5,6,…,R=1.10×107m-1。若已知帕邢系的氢原子光谱在红外线区域,试求:
(1)n=6时,对应的波长;
(2)帕邢系形成的谱线在真空中的波速为多少?n=6时,传播频率为多大?
【解题指南】解答此题应注意以下三点:
(1)帕邢系公式和巴耳末系公式应用方法相同。
(2)由原子发出的可见光和红外线等都属于电磁波,在真空中都以光速进行传播。
(3)波长、波速和频率的关系式为v=λν。
【解析】(1)由帕邢系公式=R(-),
当n=6时,λ=1.09×10-6m。
(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c=3×108m/s,由v==λν,得ν===Hz=2.75×1014Hz。
答案:(1)1.09×10-6m
(2)3×108m/s 2.75×1014Hz
【补偿训练】氢原子光谱的巴耳末系中波长最短的光子能量是多少?
【解析】当n=∞时,波长最短,=R(-)=R×,
λ==m=3.64×10-7m。
光子能量为ε=hν=h=J=5.46×10-19J。
答案:5.46×10-19J
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)看到题目给出的信息少,不能读出隐含条件是n取最大整数,也就是n=∞。
(2)没有把巴耳末公式与光子能量很好地结合。
【大题提升练】
1.(1)(2015·南京高二检测)关于物质的吸收光谱和明线光谱之间的关系,下列说法中正确的是 ( )
A.吸收光谱和明线光谱的产生方法不同,它们的谱线互不相关
B.吸收光谱和明线光谱的产生方法相同,它们的谱线重合
C.明线光谱与吸收光谱都是原子光谱,它们的特征谱线相对应
D.明线光谱与吸收光谱都可以用于光谱分析,以鉴别物质和确定化学组成
(2)根据巴耳末公式=R(-)讨论,随着n的增大,氢原子所发出的光的波长如何变化?光子的能量如何变化?
【解析】(1)选D。吸收光谱和明线光谱的产生方法不同,同种物质吸收光谱中的暗线与它明线光谱中的明线相对应,A、B错误。明线光谱与吸收光谱都是原子的特征谱线,但是明线光谱是原子光谱,吸收光谱不是原子光谱,C错误。明线光谱和吸收光谱都可以进行光谱分析,D正确。
(2)随着n的增大,由巴耳末公式可得波长越小,再由波长与频率的关系,频率与光子能量的关系,可得随着n的增大,光子的能量越大。
答案:(1)D (2)见解析
2.(1)(多选)下列关于特征谱线的几种说法,正确的有 ( )
A.明线光谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线
B.明线光谱中的明线是特征谱线,吸收光谱中的暗线不是特征谱线
C.明线光谱中的明线不是特征谱线,吸收光谱中的暗线是特征谱线
D.同一元素的明线光谱的明线与吸收光谱的暗线是相对应的
E.每种原子都有自己的特征谱线,可以用其来鉴别物质
(2)可见光的波长范围为400～700 nm,根据巴耳末公式=R(-),
当n取何值时氢原子所发出的光用肉眼能直接观察到?(R=1.10×107m-1)
【解析】(1)选A、D、E。明线光谱中的明线与吸收光谱中的暗线均为特征谱线,并且实验表明各种元素吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的明线光谱中的一条明线相对应,A、D正确,每种原子都有自己的特征谱线,可以用其来鉴别物质,E正确。
(2)把波长等于400 nm,代入巴耳末公式可得,n=6.7,把波长等于700 nm,代入巴耳末公式可得,n=2.9,而n只能取整数,所以n=3、4、5、6时氢原子发出的光用肉眼能直接观察到。
答案:(1)A、D、E (2)3、4、5、6
【补偿训练】太阳光的光谱中有许多暗线,它们对应着某些元素的特征谱线,产生这些暗线是由于 ( )
A.太阳表面大气层中缺少相应的元素
B.太阳内部缺少相应的元素
C.太阳表面大气层中存在着相应的元素
D.地球大气层中存在着相应的元素
【解析】选C。吸收光谱的暗线是连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的。太阳光的吸收光谱,是当太阳内部发出的强光经较低温度的太阳大气层时,某些波长的光被太阳大气层含有的元素吸收而产生的,故C正确,A、B、D错。
课件44张PPT。3
氢原子光谱1.了解光谱、连续谱和线状谱等概念。
2.知道氢原子光谱的实验规律。
3.知道经典物理学的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱分立特性。
4.让学生进一步体会物理规律是在接受实践检验的过程中不断地发展和完善的。一、光谱及应用
1.光谱:用___________可以把各种颜色的光按_____展开,获得
光的___________和_____分布的记录。
2.分类:
(1)线状谱:光谱是一条条的_____。
(2)连续谱:光谱是_________的光带。光栅或棱镜波长波长(频率)强度亮线连在一起3.线状谱与原子:各种原子的发射光谱都是_______,不同原子
的亮线位置_____,说明原子只发出几种_________的光,不同原
子的发光频率_______,光谱中的亮线称为原子的_________。
4.应用:由于每种原子都有自己的_________,可以利用它来鉴
别物质和确定物质的_________。这种方法称为光谱分析,它的
优点是_______高,样本中一种元素的含量达到______时就可以
被检测到。线状谱不同特定频率不一样特征谱线特征谱线组成成分灵敏度10-10g二、氢原子光谱的实验规律与经典理论的困难
1.氢原子光谱的实验规律:
(1)许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的,因此光谱研
究是探索_________的一条重要途径。原子结构(2)氢原子光谱的实验规律满足。
巴耳末公式: (n=3,4,5…)
式中R为_______常量,R=1.10×107m-1,n取整数。
(3)巴耳末公式的意义:以简洁的形式反映了氢原子的_____光
谱,即辐射波长的_____特征。里德伯线状分立2.经典理论的困难:
(1)经典电磁理论无法解释原子核外的电子高速绕核转动而又
_______电磁波而处于稳定状态。
(2)经典电磁理论无法解释原子光谱的_____特征。不辐射分立1.判一判:
(1)连续光谱是由各种不同频率的光组成的各种颜色的光
带。 ( )
(2)我们能用连续光谱来鉴定物质的组成成分。 ( )
(3)研究线状谱是探究原子结构的一条重要途径。 ( )
(4)氢原子光谱是一些分立的不连续的线状谱,但没有什么规律。 ( )提示:(1)√。连续光谱中的频率是连续的,所以是含有各种颜色的连续的彩色光带。
(2)×。因为每种原子都有自己的特征谱线,我们能用原子的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分。而连续光谱含有各种频率的光,不具有原子的特征谱线,故不能用来鉴定物质的组成成分。(3)√。因为许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的,因此线状谱研究是探究原子结构的一条重要途径。
(4)×。任何原子的特征谱线都遵从一定的规律,氢原子在可见光区的四条谱线遵从巴耳末公式。2.想一想:
(1)利用白炽灯的光谱,能否检测出灯丝的成分?
提示:不能,白炽灯的光谱是连续谱,不是原子的特征谱线,因而无法检测出灯丝的成分。(2)根据经典的电磁理论,原子的光谱是怎样的?而实际看到的原子的光谱是怎样的?
提示:根据经典理论,原子可以辐射各种频率的光,即原子的光谱应该总是连续的。实际看到的原子的光谱是分立的线状谱。主题一 光谱
【问题探究】
1.不同物质具有不同的光谱形式,那么光谱有哪些种类?
提示:物质的光谱按其产生方式不同可分为两大类:
(1)发射光谱。
①连续谱;②线状谱(原子光谱)。
(2)吸收光谱。2.上题中不同种类的光谱是如何产生的?
提示:(1)发射光谱:物体发光直接产生的光谱。它又分为连续谱和线状谱。
①连续谱:这种光谱看起来不是一条条分立的谱线,而是连在一起的光带,我们把它叫作连续谱。炽热的固体、液体和高压气体所产生的光谱都是连续谱。
②线状谱:是由一条条亮线构成,我们把它们叫作谱线,这样的光谱叫线状谱。它是由游离状态的原子发射的,因此也称为原子光谱。稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱就是线状谱。(2)吸收光谱:高温的固体或液体发出的光(其中含可见光的一切波长的光)通过低温物质时,某些波长的光被该物质吸收后所形成的光谱称为吸收光谱。
例如,太阳光谱就是太阳内部发出的强光经过温度比较低的太阳大气层时产生的吸收光谱。低温气体原子吸收的光恰好是这种原子在高温时发出的光。因此,吸收光谱中的谱线(暗线),也是原子的特征谱线,只是通常情况在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中少。3.什么是光谱分析?用哪种光谱可以进行光谱分析?
提示:由于每种原子都有自己的特征谱线,因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成,这种方法叫作光谱分析。做光谱分析时,可以利用线状谱,也可利用吸收光谱。4.光谱分析有何优点和意义?
提示:(1)优点:灵敏度高,分析物质的最低量达10-10g。
(2)意义:①应用光谱分析发现新元素。
②光谱分析对鉴别化学元素有着重大的意义,许多化学元素,如铯、铷、铊、铟、镓等,都是在实验室里通过光谱分析发现的。③天文学家将光谱分析应用于恒星,证明了宇宙中物质构成的统一性。
④光谱分析还为深入研究原子世界奠定了基础,近代原子物理学正是从原子光谱的研究中开始的。【探究总结】
光谱分析的应用
(1)线状谱是由稀薄气体或金属蒸汽产生的。线状谱中每条光谱线对应着一种频率,不同元素的原子产生的线状谱不同,因而可以用线状谱来确定物质的成分。
(2)吸收光谱是由高温物体发出的白光通过低温物质,某些波长的光被吸收后产生的光谱,是在连续谱的背景下有若干暗线,而这些暗线与线状谱的亮线一一对应,因而吸收光谱中的暗线也是该元素原子的特征谱线,因而吸收光谱也可用来确定物质的成分。【即时训练】
1.(多选)关于光谱,下列说法中正确的是 ( )
A.太阳光谱是连续光谱
B.稀薄的氢气发光产生的光谱是线状谱
C.煤气灯上燃烧的钠盐汽化后的钠蒸汽产生的光谱是线状谱
D.白光通过钠蒸汽产生的光谱是线状谱【解题探究】(1)由炽热的固体、液体和高压气体直接发光形
成的光谱是_______。
(2)稀薄气体或金属的蒸汽发射的光谱是_______。连续谱线状谱【解析】选B、C。太阳光谱是太阳光产生的白光通过太阳周围温度较低的大气时,某些波长的光被太阳大气层中的某些元素吸收从而产生的吸收光谱,故A错;稀薄的氢气发光产生的光谱是原子光谱又叫明线光谱,故B正确;钠蒸汽产生的光谱是原子光谱,故C正确;白光通过钠蒸汽产生的光谱是吸收光谱,故D错。2.关于光谱分析,下列说法中不正确的是 ( )
A.进行光谱分析,既可以利用连续谱,也可以利用线状谱
B.进行光谱分析,必须利用线状谱或吸收光谱
C.利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分
D.利用光谱分析可以深入了解原子的内部结构【解析】选A。进行光谱分析,必须利用线状谱或吸收光谱,它们能够反映原子的特征,A错误,B正确;利用光谱分析可以确定物质中含有哪些元素,C正确;光是由原子内部电子的运动产生的,利用光谱分析可以确定电子的运动情况,即原子的内部结构,D正确。主题二 氢原子光谱的实验规律
【问题探究】
1.氢原子光谱是怎样的光谱?它是如何获取的?
提示:氢原子光谱是线状谱,用氢气放电管和光谱仪可以获得氢原子光谱,如图所示2.从氢原子光谱图中可以看出氢原子光谱有什么特点?它符合
什么规律?能否用公式表示出这个规律?
提示: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。巴耳末对氢气放电管
中的氢原子光谱的谱线进行研究得到了巴耳末公式:
(n=3,4,5…)
式中n只能取整数,在可见光区内,n的最大值为6,最小值为3,R
称为里德伯常量,R=1.10×107m-1。3.所有氢原子光谱的波长都与巴耳末公式相对应吗?为什么?
提示:不是。巴耳末公式只确定了氢原子发光中一个线系波长,不能描述氢原子发出的各种波长,也不能描述其他原子的发光。
4.巴耳末公式只确定了氢原子发光的可见光部分的光的波长吗?
提示:不是。巴耳末公式是由当时已知的可见光中的部分谱线总结出来的,但它适用于整个巴耳末线系,该线系包括可见光和紫外光。【探究总结】
巴耳末公式的应用方法及注意问题
(1)巴耳末公式反映氢原子发光的规律特征,不能描述其他原子。
(2)公式中n只能取整数,不能连续取值,因此波长也只是分立的值。
(3)公式是在对可见光区的四条谱线分析时总结出来的,在紫外光区的谱线也适用。
(4)应用时熟记公式,当n取不同值时求出一一对应的波长λ。【即时训练】
1.巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式 (n=3,4,5,…),对此,下列说法正确的是 ( )
A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式
B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性
C.巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的分立性,其波长的分立值并不是人为规定的【解题探究】(1)巴耳末依据对_______的分析总结出巴耳末
公式。
(2)巴耳末公式反映氢原子发光的_______。氢光谱分立性【解析】选C。巴耳末公式是依据对氢光谱的分析得出的,而不是依据核式结构总结出的,A错、C对;巴耳末公式只确定了氢原子发光中的一个线系波长,不能描述氢原子发出的各种光的波长,此公式反映出氢原子发光是不连续的,B、D错。2.(多选)关于巴耳末公式 (n=3,4,5…)的理解,
正确的是 ( )
A.此公式只适用于氢原子发光
B.公式中的n可以是任意数,故氢原子发光的波长是任意的
C.公式中的n是大于等于3的正整数,所以氢原子光谱不是连续
的
D.该公式包含了氢原子的所有光谱线【解析】选A、C。巴耳末公式是分析氢原子的谱线得到的一个公式,它只反映氢原子谱线的一个线系,故A对、D错;公式中的n只能取不小于3的正整数,B错、C对。主题三 经典电磁理论的困难
【问题探究】
1.卢瑟福的原子结构很好地解释了α粒子散射实验,核外的电子绕核高速旋转,这个结构和经典的电磁理论有什么矛盾?提示:核外电子被库仑力吸引→电子以很大速度绕核运动(绕核运动的加速度不为零)→电磁场周期性变化→向外辐射电磁波(绕核转动的能量以电磁波的形式辐射出去)→能量减少→电子绕核运行轨道半径减小→电子做螺旋线运动,最后落入原子核中,但是原子是稳定的,并没有原子核外的电子落入原子核内。所以,经典的电磁理论不能解释原子核外的电子的运动情况和原子的稳定性。2.通过对氢原子光谱特点的分析,氢原子光谱是分立的线状谱,并符合巴耳末公式,这和经典的电磁理论又有什么对立之处?经典的电磁理论不能解释哪些地方?提示:电子绕核运动时辐射电磁波的频率应等于电子绕核转动的频率→电子越转能量越小→轨道半径不断减小→运行频率不断改变→这个变化有连续性→原子辐射电磁波的频率也要不断变化→大量原子发光的光谱应该是连续谱。据经典理论,以上推理都是正确的,但推出的结果与现实不相符,说明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。【探究总结】
经典电磁理论的局限
按照经典的电磁理论,电子绕原子核做圆周运动。库仑力提供向心力,原子向外辐射电磁波,可得出以下结论:
(1)原子不稳定。(2)原子光谱应该是连续的。
实际上原子是稳定的,并且原子光谱是不连续的,经典电磁理论与事实不符,说明了经典电磁理论还不完善,不适用于我们研究的原子世界,原子世界需要一个不同于经典电磁理论的新理论。【即时训练】
1.(多选)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【解题探究】(1)经典理论_____(选填“能”或“不能”)解释
原子的稳定性。
(2)经典理论能(选填“能”或“不能”)应用于宏观物体,_____
(选填“能”或“不能”)用于解释微观世界的现象。不能不能【解析】选B、C。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。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A错,B、C正确。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,故D错。2.(多选)卢瑟福的原子核式结构学说初步建立了原子结构的正确图景,解决的问题有 ( )
A.解释α粒子散射现象
B.用α粒子散射数据估算原子核的大小
C.结合经典电磁理论解释原子的稳定性
D.结合经典电磁理论解释氢光谱【解析】选A、B。通过α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型,据此可估算原子核的大小。而经典电磁理论并不能解释原子的稳定性和氢原子光谱,A、B正确,C、D错误。课件39张PPT。3
氢原子光谱一、光谱
1.定义:用_____或棱镜可以把各种颜色的光按_____展开,获得光
的波长(频率)和_________的记录。
2.分类:(1)线状谱:光谱是一条条的_____。
(2)连续谱:光谱是_________的光带。光栅波长强度分布亮线连在一起3.特征谱线:各种原子的发射光谱都是_______,说明原子只发出几
种_________的光,不同原子的亮线位置_____,说明不同原子的
_________不一样,光谱中的亮线称为原子的_________。
4.应用:利用原子的_________,可以鉴别物质和确定物质的_________,
这种方法称为_________,它的优点是灵敏度高,样本中一种元素的含
量达到10-10g时就可以被检测到。线状谱特定频率不同发光频率特征谱线特征谱线组成成分光谱分析【判一判】
(1)各种原子的发射光谱都是线状谱,并且只能发出几个特定的频
率。 ( )
(2)可以利用光谱分析来鉴别物质和确定物质的组成成分。( )
提示:(1)√。各种原子的发射光谱都是线状谱,并且只能发出几个特定的频率,因此这些亮线称为原子的特征谱线。
(2)√。因为每种原子都有自己的特征谱线,所以可以利用它来鉴别物质和确定物质的组成成分。二、氢原子光谱的实验规律
1.许多情况下光是由原子内部电子的运动产生的,因此光谱研究是
探索_________的一条重要途径。
2.气体放电管:玻璃管中稀薄气体的分子在强电场的作用下会_____,
成为自由移动的正负电荷,于是气体变成_____,导电时会_____。这
样的装置叫作___________。原子结构电离导体发光气体放电管3.巴耳末公式: __________ (n=3,4,5…)
其中R叫里德伯常量,其值为R=1.10×107m-1。
4.巴耳末公式的意义:以简洁的形式反映了氢原子的线状光谱,
即辐射波长的_____特征。分立【判一判】
(1)光是由原子核内部的电子运动产生的,光谱研究是探索原子核内部结构的一条重要途径。 ( )
(2)稀薄气体的分子在强电场的作用下会变成导体并发光。( )
(3)巴耳末公式中的n既可以取整数也可以取小数。 ( )提示:(1)×。光是由原子内部的电子运动产生的,光谱研究是探索原子内部结构的一条重要途径。
(2)√。稀薄气体的分子在强电场的作用下会电离,成为自由移动的正负电荷,于是气体变成导体,导电时会发光。
(3)×。巴耳末公式中的n只取整数,不能连续取值。三、经典理论的困难
1.核式结构模型的成就:正确地指出了_______的存在,很好地解释
了_______散射实验。
2.经典理论的困难:经典物理学既无法解释原子的_______,又无法
解释原子光谱的_________。原子核α粒子稳定性分立特征【判一判】
(1)经典物理学很好地解释原子的稳定性。 ( )
(2)经典物理学无法解释原子光谱的分立特征。 ( )
(3)经典物理学可以很好地应用于宏观世界,也能解释原子世界的现象。 ( )提示:(1)×。经典物理学不能解释原子的稳定性。
(2)√。按照经典物理学原子光谱应该是连续的,无法解释原子光谱的分立特征。
(3)×。经典物理学可以很好地应用于宏观世界,但不能解释原子世界的现象,必须引入新的概念。一、对光谱和光谱分析的理解
思考探究:
如图所示为不同物体发出的不同光谱。
(1)钨丝白炽灯的光谱与其他三种光谱有什么区别?
(2)铁电极弧光灯的光谱、氢光谱、钡光谱的特征相同吗?提示:(1)钨丝白炽灯的光谱是连在一起的光带,叫连续光谱;其他三种光谱是一条条的亮线,叫线状谱。
(2)铁电极弧光灯的光谱、氢光谱、钡光谱的特征不同。【归纳总结】
1.光谱的分类:
(1)发射光谱:物质发光直接获得的光谱,分为连续光谱和线状光谱(或原子光谱)。
(2)吸收光谱:连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱。2.几种光谱的比较:3.太阳光谱:
(1)太阳光谱的特点:在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线,是一种吸收光谱。
(2)对太阳光谱的解释:阳光中含有各种颜色的光,但当阳光透过太阳的高层大气射向地球时,太阳高层大气中含有的元素会吸收它自己特征谱线的光,然后再向四面八方发射出去,到达地球的这些谱线看起来就暗了,这就形成了连续谱背景下的暗线。4.光谱分析:
(1)优点:灵敏度高,分析物质的最低量达10-10g。
(2)应用。
①应用光谱分析发现新元素;
②鉴别物体的物质成分:研究太阳光谱时发现了太阳中存在钠、镁、铜、锌、镍等金属元素;
③应用光谱分析鉴定食品优劣。【典例示范】(多选)下列关于光谱和光谱分析的说法中,正确的
是 ( )
A.太阳光谱和白炽灯光谱都是线状谱
B.煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱
C.进行光谱分析时,可以用线状谱,不能用连续光谱
D.我们能通过光谱分析鉴别月球的物质成分【解题探究】
(1)光谱分析应当使用什么光谱线?
提示:光谱分析应当使用原子的特征谱线,而不能使用连续光谱。
(2)能否利用反射光分析反射物的物质组成?
提示:不能,反射光反映的是发光物体的特征。【正确解答】选B、C。太阳光谱中的暗线是太阳发出的连续谱经过太阳大气层时产生的吸收光谱,正是太阳发出的光谱被太阳大气层中存在的对应元素吸收所致,白炽灯发出的是连续谱,选项A错误;月球本身不会发光,靠反射太阳光才能使我们看到它,所以不能通过光谱分析鉴别月球的物质成分,选项D错误;光谱分析只能是线状谱和吸收光谱,连续谱是不能用来进行光谱分析的,所以选项C正确;煤气灯火焰中燃烧的钠蒸气或霓虹灯产生的光谱都是线状谱,选项B正确。【过关训练】
1.(多选)下列光谱中属于原子光谱的是 ( )
A.太阳光谱
B.放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱
C.白炽灯的光谱
D.酒精灯中燃烧的钠蒸气所产生的光谱
【解析】选B、D。放电管中稀薄汞蒸气产生的光谱,燃烧的钠蒸气产生的光谱分别是由汞蒸气、钠蒸气发光产生的,均是原子光谱,故选项B、D对。2.关于线状谱,下列说法中正确的是 ( )
A.每种原子处在不同温度下发光的线状谱不同
B.每种原子处在不同的物质中的线状谱不同
C.每种原子在任何条件下发光的线状谱都相同
D.两种不同的原子发光的线状谱可能相同
【解析】选C。每种原子都有自己的结构,只能发出由内部结构决定的特征谱线,不会因温度、物质不同而改变,C正确。【补偿训练】
1.(多选)通过光栅或棱镜获得物质发光的光谱,光谱 ( )
A.按光的波长顺序排列 B.按光的频率顺序排列
C.按光子质量的大小排列 D.按光子能量的大小排列
【解析】选A、B、D。由于光谱是将光按波长展开,而波长与频率相对应,故A、B正确;光子没有质量,故C错误;由爱因斯坦的光子说可知,光子的能量与光子频率相对应,D正确。2.(2015·沈阳高二检测)不同元素都有自已独特的光谱线,这是因为各元素的 ( )
A.原子序数不同 B.原子质量数不同
C.激发源能量不同 D.原子能级不同
【解析】选D。由于不同元素的能级差不同,当原子从高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后两个能级之差。由于原子的能级是分立的,所以放出光子的能量也是分立的,故每种元素都有自己独特的光谱线,故A、B、C错误,D正确。二、氢原子光谱的规律和应用
思考探究:
如图所示为氢原子的光谱。
(1)仔细观察,氢原子光谱具有什么特点?
(2)氢原子光谱的谱线波长具有什么规律?提示:(1)氢原子光谱从左向右谱线间的距离越来越大。
(2)氢原子光谱的谱线波长符合巴耳末公式。【归纳总结】
1.氢原子光谱的特点: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。2.巴耳末公式:
(1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式:
(n=3,4,5…),该公式称为巴耳末公式。
(2)公式中只能取n≥3的整数,不能连续取值,波长是分立的值。
3.其他谱线:除了巴耳末系,氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线,也都满足与巴耳末公式类似的关系式。【典例示范】根据巴耳末公式,指出氢原子光谱巴耳末线系的最长波长和最短波长所对应的n,并计算其波长。
【解题探究】
(1)试写出巴耳末公式的表达式。
提示: (n=3,4,5…)。
(2)波长大小与n的取值大小有何关系?
提示:巴耳末公式中n的取值越小,对应的波长越长;n的取值越大,对应的波长越短。【正确解答】对应的n越小,波长越长,故当n=3时,氢原子发光所对应的波长最长。
当n=3时, =1.10×107×( )m-1
解得λ1=6.55×10-7m。
当n=∞时,波长最短,
λ= =3.64×10-7m。
答案:当n=3时,波长最长为6.55×10-7m
当n=∞时,波长最短为3.64×10-7m【过关训练】
1.(拓展延伸)【典例示范】中根据巴耳末公式计算当n=5时氢原子光谱线的波长。
【解析】当n=5时,由巴耳末公式有
则λ= =4.33×10-7m。
答案:4.33×10-7m2.【典例示范】中若氢原子光谱的谱线波长为397.12nm,则n等于什么?
【解析】由巴耳末公式有
解得n=7。
答案:7【补偿训练】
1.(多选)巴耳末通过对氢光谱的研究总结出巴耳末公式
(n=3,4,5…),对此,下列说法正确的是 ( )
A.巴耳末依据核式结构理论总结出巴耳末公式
B.巴耳末公式反映了氢原子发光的连续性
C.巴耳末依据氢光谱的分析总结出巴耳末公式
D.巴耳末公式准确反映了氢原子发光的分立性,其波长的分立值并不是人为规定的【解析】选C、D。由于巴耳末是利用当时已知的、在可见光区的4条谱线做了分析总结出的巴耳末公式,并不是依据核式结构理论总结出来的,巴耳末公式反映了氢原子发光的分立性,也就是氢原子实际只有若干特定频率的光,由此可知,C、D正确。2.(多选)下列关于巴耳末公式 的理解,正确的是( )
A.此公式是巴耳末在研究氢原子光谱特征时发现的
B.公式中n可取任意值,故氢原子光谱是连续谱
C.公式中n只能取不小于3的整数值,故氢原子光谱是线状谱
D.公式不但适用于氢原子光谱的分析,也适用于其他原子的光谱【解析】选A、C。此公式是巴耳末在研究氢原子光谱在可见光区的四条谱线中得到的,只适用于氢原子光谱的分析,A对,D错;公式中n只能取大于等于3的整数,λ不能连续取值,故氢原子光谱是线状谱,B错,C对。【拓展例题】考查内容:氢原子光谱的计算
【典例示范】在可见光范围内氢原子发光的波长最长的2条谱线所对应的n。
(1)它们的波长各是多少?
(2)其中波长最长的光对应的光子能量是多少?
(3)氢原子光谱有什么特点?【正确解答】(1)设当n=3,4时,氢原子发光所对应的波长分别为
λ1、λ2,由巴耳末公式 (n=3,4,5…)知
当n=3时, =1.10×107×( )m-1,
解得λ1=6.5×10-7m
当n=4时, =1.10×107×( )m-1,
解得λ2=4.8×10-7m。(2)当n=3时,对应着氢原子巴耳末系中的波长最长,即为λ1,因此
ε1= =3.06×10-19J。
(3)除巴耳末系外,在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末
公式类似的关系式,即 ,其中a分别为1,3,4…对应不同
的线系,由此可知氢原子光谱是由一系列线系组成的不连续的线状谱。
答案:(1)6.5×10-7m 4.8×10-7m
(2)3.06×10-19J
(3)由一系列线系组成的不连续的线状谱18.4玻尔的原子模型
1.(多选)关于玻尔的原子模型,下列说法中正确的有 ( )
A.玻尔的原子模型彻底否定了卢瑟福的核式结构学说
B.玻尔的原子模型发展了卢瑟福的核式结构学说
C.玻尔的原子模型完全抛弃了经典的电磁理论
D.玻尔的原子模型引入了普朗克的量子理论
【解析】选B、D。玻尔的原子模型在核式结构模型的前提下提出轨道量子化、能量量子化及能级跃迁,故A错误,B正确,它的成功就在于引入了量子化理论,缺点是被过多引入的经典力学所困,故C错误,D正确。
2.(2014·清远高二检测)氢原子的核外电子,在由离核较远的可能轨道跃迁到离核较近的可能轨道的过程中 ( )
A.辐射光子,获得能量
B.辐射光子,放出能量
C.吸收光子,放出能量
D.吸收光子,获得能量
【解析】选B。核外电子离核较远,氢原子的能级越高;故从高能级向低能级跃迁,所以应辐射光子,放出能量,B正确。
3.(2013·焦作高二检测)如图所示,1、2、3、4为玻尔理论中氢原子最低的四个能级。处在n=4能级的一群氢原子向低能级跃迁时,能发出若干种频率不同的光子,在这些光子中,波长最长的是 ( )
A.n=4跃迁到n=1时辐射的光子
B.n=4跃迁到n=3时辐射的光子
C.n=2跃迁到n=1时辐射的光子
D.n=3跃迁到n=2时辐射的光子
【解析】选B。波长最长时,频率最低,光子的能量最小,所以,应当是n=4跃迁到n=3时辐射的光子,B对。
4.对于基态氢原子,下列说法正确的是 ( )
A.它能吸收10.2eV的光子
B.它能吸收11eV的光子
C.它能吸收动能为10eV的电子的能量
D.它能吸收具有11eV动能的电子的全部动能
【解析】选A。注意光子的能量只能全部被吸收,而电子的能量则可以部分被吸收。10.2eV刚好是n=1、n=2的能级差,而11eV不是,由玻尔理论知A正确,B错误;基态氢原子只可吸收动能为11eV的电子的部分能量(10.2eV),剩余0.8eV仍为原来电子所有,C、D错误。
5.(多选)根据玻尔理论,氢原子中量子数n越大 ( )
A.电子的轨道半径越大 B.核外电子的速率越大
C.氢原子能级的能量越大 D.核外电子的电势能越大
【解析】选A、C、D。根据玻尔理论,氢原子中量子数n越大,电子的轨道半径就越大,A正确;核外电子绕核做匀速圆周运动,库仑力提供向心力k=m,则半径越大,速率越小,B错误;量子数n越大,氢原子所处的能级能量就越大,C正确;电子远离原子核的过程中,电场力做负功,电势能增大,D正确。
6.(2013·徐州高二检测)用能量为12.30eV的光子去照射一群处于基态的氢原子,则受到光的照射后下列关于氢原子跃迁说法正确的是 ( )
A.电子能跃迁到n=2的能级上去
B.电子能跃迁到n=3的能级上去
C.电子能跃迁到n=4的能级上去
D.电子不能跃迁到其他能级上去
【解析】选D。根据玻尔理论,原子的能量是不连续的,即能量是量子化的。因此只有那些能量刚好等于两能级间的能量差的光子才能被氢原子吸收,使氢原子发生跃迁。当氢原子由基态向n=2、3、4轨道跃迁时吸收的光子能量分别为
ΔE21=-=-3.4eV-(-13.6)eV=10.20eV,
ΔE31=-=-1.51eV-(-13.6)eV=12.09eV,
ΔE41=-=-0.85eV-(-13.6)eV=12.75eV。
而外来光子的能量12.3eV不等于某两能级间的能量差,故不能被氢原子吸收而产生能级跃迁。故D项正确。
7.(多选)(2013·南京高二检测)氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时,可能发出三种不同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为λ1和λ2,且λ1>λ2,则另一个波长可能是 ( )
A.λ1+λ2 B.λ1-λ2 C. D.
【解析】选C、D。由题设条件可知,hν3=hν1+hν2或hν3=hν2-hν1,即=+或=-,由此可知C、D选项正确。
8.(2014·太原高二检测)如图所示,画出了氢原子的4个能级,并注明了相应的能量E。处在n=4的能级的一群氢原子向低能级跃迁时,能够发出若干种不同频率的光波。已知金属钾的逸出功为2.22eV。在这些光波中,能够从金属钾的表面打出光电子的总共有 ( )
A.二种 B.三种 C.四种 D.五种
【解析】选C。一群氢原子从n=4的能级向低能级跃迁时,能够发出六种不同频率的光。六种情况发出光子能量依次为:
n=4到n=3时:
-0.85eV-(-1.51eV)=0.66eV<2.22eV,
n=3到n=2时:
-1.51eV-(-3.40eV)=1.89eV<2.22eV
n=2到n=1时:
-3.40eV-(-13.60eV)=10.2eV>2.22eV
n=4到n=1时:
……
前两种不能从金属钾表面打出光电子,故有四种,C对。
1.(多选)(2014·山东高考)氢原子能级如图,当氢原子从n=3跃迁到n=2的能级时,辐射光的波长为656nm。以下判断正确的是 ( )
A.氢原子从n=2跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长大于656nm
B.用波长为325nm的光照射,可使氢原子从n=1跃迁到n=2的能级
C.一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
D.用波长为633nm的光照射,不能使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级
【解析】选C、D。能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差,能级差越大,辐射的光子频率越大,波长越小,A错误;由Em-En=h可知,B错误,D正确;根据=3可知,辐射的光子频率最多3种,C正确。
2.(2014·龙岩高二检测)氦原子被电离一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E1=-54.4eV,氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中,不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是 ( )
A.40.8eV B.43.2eV C.51.0eV D.54.4eV
【解析】选B。要吸收光子产生跃迁需要满足一定的条件,即吸收的光子的能量必须是任两个能级的差值。40.8eV是第一能级和第二能级的差值,51.0eV是第一能级和第四能级的差值,54.4eV是电子电离需要吸收的能量,均满足条件,选项A、C、D均可以,而B选项不满足条件,所以选B。
3.(1)(多选)欲使处于基态的氢原子激发,下列措施可行的是 ( )
A.用12.09eV的光子照射 B.用13eV的光子照射
C.用14eV的光子照射 D.用13eV的电子碰撞
(2)(多选)欲使处于基态的氢原子电离,下列措施可行的是 ( )
A.用13.6eV的光子照射 B.用15eV的光子照射
C.用13.6eV的电子碰撞 D.用15eV的电子碰撞
【解题指南】
【解析】(1)选A、C、D。由跃迁条件知氢原子受激发跃迁时,只能吸收能量值刚好等于某两能级之差的光子。根据氢原子能级图不难算出12.09eV刚好为氢原子n=1和n=3的两能级差,而13eV则不是氢原子基态和任一激发态的能量之差,因此氢原子只能吸收前者,而不能吸收后者,对于14eV的光子则足以使氢原子电离,电离后的自由电子还具有0.4eV的动能。至于13eV的电子,它的能量通过碰撞可以全部或部分地被氢原子吸收。综上所述,选项A、C、D正确。
(2)选A、B、D。基态氢原子的电离能为13.6eV,则13.6eV的光子被氢原子吸收刚好电离,同理,15eV的光子和15eV的电子均可供氢原子电离。至于13.6eV的电子,如果该电子把全部动能传递给氢原子,氢原子核外的电子恰好挣脱原子核的束缚,但由于入射电子的动能变为零,不能挣脱原子核的束缚,而处在氢原子附近,不能算是真正的电离,因此用13.6eV的电子碰撞氢原子时,氢原子不能电离。通过以上分析可知选项A、B、D正确。
4.(2014·焦作高二检测)可见光光子的能量在1.61～3.10eV范围内。若氢原子从高能级跃迁到低能级,根据氢原子能级图(如图所示)可判断 ( )
A.从n=4能级跃迁到n=3能级时发出可见光
B.从n=3能级跃迁到n=2能级时发出可见光
C.从n=2能级跃迁到n=1能级时发出可见光
D.从n=4能级跃迁到n=1能级时发出可见光
【解析】选B。发出的可见光的能量hν=|En-Em|,故四个选项中,只有B选项的能级差在1.61～3.10eV范围内,故B选项正确。
5.有一群氢原子处于n=4的能级上,已知氢原子的基态能量E1=-13.6eV,普朗克常量h=6.63×10-34J·s,求:
(1)这群氢原子的光谱共有几条谱线?
(2)这群氢原子发出的光子的最大频率是多少?
(3)这群氢原子发出的光子的最长波长是多少?
【解析】(1)这群氢原子的能级如图所示,由图可以判断,这群氢原子可能发生的跃迁共有6种,所以它们的谱线共有6条。
(2)频率最大的光子能量最大,对应的跃迁能级差也最大,即从n=4跃迁到n=1能级时发出的光子能量最大,根据玻尔理论,发出光子的能量:
hν=E4-E1
代入数据,解得:ν=3.1×1015Hz。
(3)波长最长的光子能量最小,对应的跃迁的能级差也最小。即从n=4跃迁到n=3能级。
所以h=E4-E3
λ==m
=1.884×10-6m。
答案:(1)6条 (2)3.1×1015Hz (3)1.884×10-6m
【总结提升】处理氢原子能级跃迁需要特别注意的五个问题
(1)一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时,可能的情况只有一种,但是大量氢原子就会出现多种可能的情况。
(2)氢原子从高能级向低能级跃迁过程中,辐射光子能量最大的频率最大,是由处于最高能级的氢原子直接向基态跃迁时发出的。
(3)辐射的光子波长最长的是能量最小的,是氢原子在能级差最小的两轨道间跃迁时发出的。
(4)发生能级跃迁时,从高能级可以直接跃迁到基态,也可能是先跃迁到其他低能级,再向基态跃迁,可能的情况有种,即种。
(5)能使氢原子发生能级跃迁的有光子,也有实物粒子,比如电子。氢原子吸收光子时,若光子的能量大于其电离能,则可以吸收13.60eV完成电离,剩余的以电子动能的形式存在;若光子能量小于其电离能,则只能选择性吸收能量等于能级差的光子;若是电子,氢原子可以从电子部分吸收等于能级差的能量以完成其跃迁需要,剩余的仍以电子动能的形式存在。
18.4玻尔的原子模型
【小题达标练】
一、选择题
1.(多选)(2015·邯郸高二检测)关于玻尔的原子模型,下列说法中正确的
有 ( )
A.它彻底地否定了卢瑟福的核式结构学说
B.它发展了卢瑟福的核式结构学说
C.它完全抛弃了经典的电磁理论
D.它引入了普朗克的量子理论
【解析】选B、D。玻尔的原子模型在核式结构的前提下提出轨道量子化、能量量子化及能级跃迁,故选项A错误,B正确;它的成功在于引入了量子化理论,缺点是过多地引入经典力学,故选项C错,D正确。
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
【解析】选B。根据玻尔理论,氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较高能级向较低能级跃迁时放出光子,能量减少,B对,A、C、D错。
【互动探究】如果这个氢原子是由n=2能级跃迁到n=3能级,上面四个选项选哪一个?
【解析】选C。根据玻尔理论,氢原子能级越高对应的能量越大,当氢原子从较低能级向较高能级跃迁时吸收光子,能量增加,C对,A、B、D错。
3.(2015·无锡高二检测)已知处于某一能级n上的一群氢原子向低能级跃迁时,能够发出10种不同频率的光,下列能表示辐射光波长最长的那种跃迁的示意图是 ( )
【解析】选A。根据玻尔理论,波长最长的跃迁对应着频率最小的跃迁,根据氢原子能级图,频率最小的跃迁对应的是从5到4的跃迁,选项A正确。
4.(2015·湖北名校联考)如图所示为氢原子的能级图。用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子,可能观测到氢原子发射不同波长的光有 ( )
A.15种 B.10种
C.4种 D.1种
【解析】选B。吸收13.06eV能量后氢原子处于量子数n=5的激发态,故可产生10种不同波长的光,故B正确。
【补偿训练】汞原子的能级图如图所示,现让一束光子能量为8.8eV的单色光照射到大量处于基态(能级数n=1)的汞原子上,能发出6种不同频率的色光。下列说法中正确的是( )
A.最长波长光子的能量为1.1eV
B.最长波长光子的能量为2.8eV
C.最大频率光子的能量为2.8eV
D.最大频率光子的能量为4.9eV
【解析】选A。由题意知,吸收光子后汞原子处于n=4的能级,向低能级跃迁时,最大频率的光子能量为(-1.6+10.4)eV=8.8eV,最大波长(即最小频率)的光子能量为(-1.6+2.7)eV=1.1eV,故A正确。
5.(多选)已知氢原子的能级图如图所示,现用光子能量介于10～12.9 eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子,则下列说法中正确的是 ( )
A.在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种
B.在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种
C.照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有6种
D.照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种
【解析】选B、C。根据跃迁规律hν=Em-En和能级图,可知A错,B对;氢原子吸收光子后能跃迁到最高为n=4的能级,能发射的光子的波长有=6种,故C对,D错。
【总结提升】氢原子跃迁的两个关键点
(1)氢原子只能吸收和能级差相同的能量的光子而发生跃迁,即光子的能量大于能级差和小于能级差都不能被氢原子吸收而跃迁。
(2)氢原子从较高能级向低能级跃迁时有多种可能,故可以发出多种不同波长的光,发光的种数可以用计算。
6.(多选)(2015·佛山高二检测)设氢原子由n=3的状态向n=2的状态跃迁时放出能量为E、频率为ν的光子。则氢原子( )
A.跃迁时可以放出或吸收能量为任意值的光子
B.由n=2的状态向n=1的状态跃迁时放出光子的能量大于E
C.由n=2的状态向n=3的状态跃迁时吸收光子的能量等于E
D.由n=4的状态向n=3的状态跃迁时放出光子的频率大于ν
【解析】选B、C。原子跃迁时可以放出或吸收能量为特定值的光子,A错;由n=2的状态向n=1的状态跃迁时,能量比由n=3的状态向n=2的状态跃时要大,所以放出光子的能量大于E,B项正确;由n=2的状态向n=3的状态跃迁时吸收光子的能量等于由n=3的状态向n=2的状态跃迁时放出的能量E,C项正确;由n=4的状态向n=3的状态跃迁时放出光子的能量较小,所以频率小于ν,D项错。
7.(多选)(2015·济宁高二检测)用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子,发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子,它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3,由此可知,开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为 ( )
A.hν1 B.hν3 C.hν1+hν2 D.hν1+hν2+hν3
【解析】选B、C。氢原子吸收光子能向外辐射三种不同频率的光子,说明其吸收光子后从基态跃迁到第三能级,在第三能级不稳定,又向较低能级跃迁,发出光子。其中从第三能级跃迁到基态的光子能量最大为hν3,所以氢原子吸收的光子能量应为E=hν3,且关系式hν3=hν1+hν2成立,故正确选项为B、C。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)没有从题目信息“放出三种不同频率的光子”得出是从第三能级跃迁,从而忽略了hν3=hν1+hν2,导致漏选C。
(2)对跃迁规律的误解,认为既然能放出三种不同频率的光子,能量应该是三者之和,误选D。
二、非选择题
8.氦原子被电离一个核外电子,形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E1=-54.4eV,氦离子能级的示意图如图所示,用一群处于第4能级的氦离子发出的光照射处于基态的氢气。求:
(1)氦离子发出的光子中,有几种能使氢原子发生光电效应?
(2)发生光电效应时,光电子的最大初动能是多少?
【解析】(1)一群氦离子跃迁时,一共发出N==6种光子
由频率条件hν=Em-En知6种光子的能量分别是
由n=4到n=3 hν1=E4-E3=2.6eV
由n=4到n=2 hν2=E4-E2=10.2eV
由n=4到n=1 hν3=E4-E1=51.0eV
由n=3到n=2 hν4=E3-E2=7.6eV
由n=3到n=1 hν5=E3-E1=48.4eV
由n=2到n=1 hν6=E2-E1=40.8eV
由发生光电效应的条件知,hν3、hν5、hν6三种光子可使处于基态的氢原子发生光电效应。
(2)由光电效应方程Ek=hν-W0知,能量为51.0eV的光子使氢原子逸出的光电子最大初动能最大,将W0=13.6eV代入,Ek=hν-W0得Ek=37.4eV。
答案:(1)6种 (2)37.4eV
【大题提升练】
1.(1)氢原子能级如图,当氢原子从n=3跃迁到n=2的能级时,辐射光的波长为656nm。以下判断正确的是 ( )
A.氢原子从n=2跃迁到n=1的能级时,辐射光的波长大于656nm
B.用波长为325nm的光照射,可使氢原子从n=1跃迁到n=2的能级
C.一群处于n=3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线
D.用波长为633nm的光照射,不能使氢原子从n=2跃迁到n=3的能级
(2)玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律,氢原子能级图如图所示。当氢原子从n=4的能级跃迁到n=2的能级时,辐射出频率为 Hz的光子,用该频率的光照射逸出功为2.25eV的钾表面,产生的光电子的最大初动能为 eV。(电子电量e=1.60×10-19C,普朗克常量h=6.63×10-34J·s)
【解析】(1)选C、D。能级间跃迁辐射的光子能量等于两能级间的能级差,能级差越大,辐射的光子频率越大,波长越小,A错误;由Em-En=h可知,B错误,D正确;根据=3可知,辐射的光子频率最多3种,C正确。
(2)根据-0.85eV-(-3.40)eV=hν,可求得光子的频率ν=6.15×1014Hz;根据Ek=
hν-W0可求得光电子的最大初动能Ek=2.55eV-2.25eV=0.3eV。
答案:(1)C、D (2)6.15×1014 0.3
2.(1)(多选)如图为氢原子能级示意图的一部分,则氢原子( )
A.从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长
B.从n=5能级跃迁到n=1能级比从n=5能级跃迁到n=4能级辐射出电磁波的速度大
C.处于不同能级时,核外电子在各处出现的概率是不一样的
D.从高能级向低能级跃迁时,氢原子一定向外放出能量
E.处于n=5能级的一群原子跃迁时,最多可以发出6种不同频率的光子
(2)根据玻尔原子结构理论,氦离子(He+)的能级图如图所示。电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离 (选填“近”或“远”)。当大量He+处在n=4的激发态时,由于跃迁所发射的谱线有 条。
【解析】(1)选A、C、D。根据ΔE=hν,ν=,可知ΔE=hν,λ==,从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级放出能量小,所以从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长,选项A正确;电磁波的速度是光速,与电磁波的波长、频率无关,选项B错误;处于不同能级时,核外电子在各处出现的概率不相同,C正确;从高能级向低能级跃迁时,氢原子一定向外放出能量,D正确;处于n=5能级的一群原子跃迁时,最多可以发出10种不同频率的光子,E项错误。
(2)根据玻尔理论,电子离原子核越远,原子所处的能级就越高,另外,处于n=4能级的原子向基态跃迁时,会产生=6种谱线。
答案:(1)A、C、D (2)近 6
【补偿训练】原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为λ1的光子;原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为λ2的光子,已知λ1>λ2。那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要 ( )
A.发出波长为λ1-λ2的光子
B.发出波长为的光子
C.吸收波长为λ1-λ2的光子
D.吸收波长为的光子
【解析】选D。根据题意画出能级图如图所示,
则Ea-Eb=h ①
Ec-Eb=h ②
由①②得Ec-Ea=h-h
设由a到c吸收光子的波长为λ
则h-h=h,可知λ=,A、B、C错,D正确。
课件43张PPT。4
玻尔的原子模型1.知道玻尔原子理论的基本假设的主要内容。
2.了解能级、跃迁、能量量子化以及基态、激发态等概念。
3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子模型。
4.了解玻尔模型的不足之处及其原因。一、玻尔原子理论的基本假设
1.轨道假设:原子中的电子在_________的作用下绕原子核做
_____运动,电子绕核运动的轨道半径是_______的,只能是某
些分立的值,即轨道是_______的。库仑引力圆周不连续量子化2.定态假设:
(1)定态:电子在不同的轨道上运动时,虽做变速运动,但并不向
外辐射电磁波的相对稳定状态。原子处于不同的定态,具有不
同的_____,即原子的能量是_______的。
(2)基态:原子处于_____能级时,电子在离核最近的轨道上运动
的定态。
(3)激发态:原子处于_____能级时,电子在离核较远的轨道上运
动的定态。能量量子化最低较高3.跃迁假设:原子在不同的定态具有不同的能量,从一个定态向
另一个定态跃迁时要辐射或_____一定频率的光子,辐射或吸收
的光子的能量等于这两个定态的_______,即_________,这个公
式称为频率条件,又称为辐射条件。吸收能级差hν=Em-En二、玻尔理论对氢光谱的解释和玻尔模型的局限性
1.玻尔理论对氢原子光谱的解释:
(1)从玻尔的基本假设出发,运用经典电磁理论和经典力学理论,
可以计算出氢原子可能的_________及相应的_____。
(2)玻尔理论与巴耳末公式:根据玻尔理论的频率条件可以推导
出巴耳末公式,并且从理论上算出里德伯常量R的值。这样得到
的结果与实验值相符合。同样玻尔理论也能很好地解释甚至预
言氢原子的其他谱线系。轨道半径能量(3)玻尔理论与气体导电管的发光:原子处于基态时最稳定,气
体放电时受到高速电子的撞击,有可能跃迁到激发态,处于激发
态的原子_______,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出_____,
最终回到基态。这就是气体导电时发光的机理。
(4)玻尔理论与原子光谱的分立性:原子从高能级向低能级跃迁
时放出的能量等于前后两个能级的_______,由于原子的_____
是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发
射光谱只有一些分立的亮线。不稳定光子能量差能级(5)玻尔理论与原子的特征谱线:由于不同的原子具有不同的结
构,能级各不相同,因此辐射(或吸收)的光子的_____也不相
同。这就是不同元素的原子具有不同的_________的原因。频率特征谱线2.玻尔理论的成功之处:玻尔理论第一次将_____观念引入原子
领域,提出了_____和_____的概念,成功地解释了_______光谱
的实验规律。
3.玻尔理论的局限性:过多地保留了_____理论,即保留了经典
粒子的观念,把电子的运动看作经典力学描述下的轨道运动。
4.电子云:原子中的电子在各处出现的_____不一样,如果用疏
密不同的点表示电子在各个位置出现的_____,画出图来,图像
就像_____一样分布在原子核周围,故称电子云。量子定态跃迁氢原子经典概率概率云雾1.判一判:
(1)玻尔的原子模型的轨道与卢瑟福的行星模型的轨道是不相同的。 ( )
(2)电子在不同的轨道上运动时,具有不同的能量,这个能量与原子的能级无关。 ( )(3)原子的基态也是能量最低的状态,此时电子的轨道离原子核最近。 ( )
(4)原子核外的电子在一定的轨道上运动时辐射一定的电磁波,所以轨道量子化辐射的能量就是不连续的。 ( )
(5)氢原子线状光谱与原子核外电子的跃迁有关。 ( )提示:(1)√。玻尔的原子模型的电子轨道是量子化的,只有当半径的大小符合一定条件时才有可能。卢瑟福的行星模型的电子轨道是任意的,是可以连续变化的。
(2)×。电子在不同的轨道上运动时的动能和电势能都与原子核引力密切相关,所以说电子处于不同的轨道时,原子的能级不同。
(3)√。电子离原子核越近原子的能量越低,原子越稳定。(4)×。电子发生轨道跃迁时才放出或吸收光子,在一定的轨道上运动时,不辐射电磁波即不辐射光子。
(5)√。电子轨道的不连续也决定着原子能级的量子化,电子由一个轨道跃迁到另一个轨道时吸收或放出的光子的能量就是这两个轨道的能级之差,所以光子的能量及频率、波长都是不连续的、分立的。2.想一想:
(1)氢原子从高能级向低能级跃迁时,是不是氢原子所处的能级越高,释放的光子能量就越大?
提示:不一定。氢原子从高能级向低能级跃迁时,所释放的光子的能量一定等于能级差,氢原子所处的能级越高,跃迁时能级差不一定越大,释放的光子能量也不一定越大。(2)针对经典电磁理论解释核式结构的矛盾,科学家又采取了什么方法?
提示:玻尔在卢瑟福核式结构的基础上,把量子思想引入原子结构理论,提出了定态和跃迁的概念,成功地解释并且预言了氢原子光谱的实验规律,但在解释比较复杂的原子时遇到了困难。(3)电子在核外的运动真的有固定轨道吗?玻尔理论中的轨道量子化又如何解释?
提示: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rn=n2r1处的几率大。主题一 玻尔原子理论的基本假设
【问题探究】
1.氢原子轨道量子化、能量量子化与定态假设的内容各是什么?轨道量子化与经典的电磁理论有什么不同?提示:(1)轨道量子化:玻尔认为在库仑力的作用下,原子中的电子围绕原子核做圆周运动,服从经典力学规律,但是电子的轨道半径不是任意的,只有当半径的大小符合一定条件时,这样的轨道才是可能的,即电子的轨道是量子化的。
与经典电磁理论不同之处:电子在这些轨道上绕核的转动是稳定的,不产生电磁辐射。(2)能量量子化:当电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,原子在不同的状态中具有不同的能量,所以原子的能量也是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。
(3)定态:原子具有确定能量的稳定状态,称为定态。能量最低的状态叫做基态,其他的状态叫做激发态。2.氢原子吸收或辐射光子的频率条件是什么?它和氢原子核外的电子的跃迁有什么联系?
提示:(1)电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En)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=Em-En(m>n)。这个式子称为频率条件,又称辐射条件。
(2)当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态,吸收的光子的能量同样由频率条件决定。3.电子由一条轨道跃迁到另一条轨道上时,辐射(或吸收)的光子频率等于电子绕核运动的频率吗?为什么?
提示:不等于。由玻尔理论知,电子绕核做圆周运动时,不向外辐射能量,原子辐射的能量与电子绕核运动无关。4.氢原子放出一个光子后,根据玻尔理论,氢原子的核外电子的
电势能和动能如何变化?
提示:氢原子放出一个光子后,核外电子进入低级轨道运行,半
径减小,由 知,随r变小,电子线速度变大,电子动能
增大;当电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道时,电场力做
正功,所以电子电势能变小。【探究总结】
巧解氢原子的结构问题
(1)求解电子在某条轨道上的运动动能时,要将玻尔的轨道理论与电子绕核做圆周运动的向心力结合起来。
即用
两公式结合判定。(2)求解氢原子要吸收一定频率的光子跃迁时。
①原子在各定态之间跃迁时原子跃迁条件hν=Em-En,一次跃迁只能吸收一个光子的能量,且光子能量恰好等于两能级之差。
②当原子向电离态跃迁时,吸收的能量大于或等于原子所处能级的能量的绝对值。即hν≥E∞-Em,入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大。【即时训练】
1.(多选)玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有 ( )
A.原子处在具有一定能量的定态中,虽然电子做变速运动,但不向外辐射能量
B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的
C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子
D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率【解题探究】(1)电子绕核做圆周运动时,___________能量。
(2)原子辐射的能量与电子绕核运动_____。不向外辐射无关【解析】选A、B、C。A、B、C三项都是玻尔提出来的假设。其核心是原子定态概念的引入与能级跃迁学说的提出,也就是“量子化”的概念。原子的不同能量状态与电子绕核运动时不同的圆轨道相对应,是经典理论与量子化概念的结合,故A、B、C正确;电子跃迁时辐射的光子频率由前后能级差决定,与电子绕核运动的频率无关,故D错。2.(2014·和平区高二检测)一个氢原子中的电子从一个半径为ra的轨道自发地直接跃迁至另一半径为rb的轨道,已知ra>rb,则在此过程中 ( )
A.原子发出一系列频率的光子
B.原子要吸收一系列频率的光子
C.原子要吸收某一频率的光子
D.原子要辐射某一频率的光子【解析】选D。因为是从高能级向低能级跃迁,所以应放出光子,故B、C错误;“直接”从一能级跃迁到另一能级,只对应某一能级差,故只能放出某一频率的光子。故A错误,D正确。主题二 玻尔对氢光谱的解释及玻尔模型的局限性
【问题探究】
1.氢原子是怎样跃迁的?如何用图把它表示出来?
提示:从玻尔的基本假设出发,运用经典电磁
学和经典力学的理论,可以计算氢原子中电子
的可能轨道及相应的能量。rn=n2r1,En= ,式
中n=1,2,3…其中r1=0.53×10-10m,E1=-13.6 eV。
n取不同的量子数时,可求得各能级的能量值,并把它跃迁的可能情况画出来就形成了如图的氢原子的能级图。2.如何解释氢气导电发光现象?它的谱线为什么又是分立的?
提示:(1)通常情况下原子处于基态,基态是最稳定的状态。氢气在放电管中受到高速运动的电子的撞击,跃迁到激发态。处于激发态的原子是不稳定的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出光子,最终又回到基态。(2)氢原子从高能级向低能级跃迁时,放出的光子能量等于前后两个能级的能量差。由于原子的能级是分立的,所以放出的光子的能量也是分立的。因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线。由于不同的原子具有不同的结构,能级各不相同,因此辐射(或吸收)的光子也不相同,这就是不同元素的原子具有不同的特征谱线的原因。3.玻尔理论为什么不能解释复杂一些的原子的光谱现象?玻尔模型的不足之处有哪些?
提示:(1)对于稍微复杂一些的原子,如氮原子,玻尔理论就无法解释它的光谱现象,这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子的运动规律。
(2)玻尔理论的局限性在于保留了经典物理理论,如轨道等经典概念和有关向心力、牛顿第二定律等牛顿力学规律,实际上牛顿力学在微观领域是不适用的。4.为什么要引入电子云的概念?
提示:现代量子理论认为:电子也具有波粒二象性,是概率波,只能确定电子某时刻在各个位置出现的概率。当原子处于不同的状态时,电子在各处出现的概率是不一样的。为此引入电子云的概念,形象地描述电子“概率波”的性质。【探究总结】
1.氢原子能级跃迁的可能情况:氢原子核外电子从高能级向低
能级跃迁时可能直接跃迁到基态,也可能先跃迁到其他低能级
的激发态,然后再跃迁到基态,设电子处于n能级,其跃迁的可能
情况有 种。2.使原子激发的两种情况:
(1)若原子是吸收光子的能量而被激发,则光子的能量必须等于两能级的能量差,否则不被吸收。
(2)若原子是吸收外来实物粒子的能量而被激发,由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的动能大于或等于两能级的能量差,就可使原子发生能级跃迁。3.电子云示意图的理解:电子云示意图上点的疏密表示电子在该位置出现的概率,并不是打到荧光屏上出现的亮点,不同于学习概率波时因曝光时间短表现出的粒子性。【即时训练】
1.氢原子部分能级示意图如图所示。不同色光的光子能量如表所示。 处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条,其颜色分别为 ( )
A.红、蓝—靛 B.黄、绿
C.红、紫 D.蓝—靛、紫【解题探究】(1)表格中数据表示不同色光光子的_____数据。
(2)原子跃迁时有_____光子的能量在可见光范围内。能量两种【解析】选A。如果激发态的氢原子处于第二能级,能够发出10.2eV的光子,不属于可见光;如果激发态的氢原子处于第三能级,能够发出12.09eV、10.2eV、1.89eV的三种光子,只有1.89eV属于可见光;如果激发态的氢原子处于第四能级,能够发出12.75eV、12.09eV、10.2eV、2.55eV、1.89eV、0.66eV的六种光子,1.89eV和2.55eV属于可见光,1.89eV的光子为红光, 2.55eV的光子为蓝—靛光,A正确。2.(多选)一群处于基态的氢原子吸收某种光子后,向外辐射了ν1、ν2、ν3三种频率的光子,且ν1>ν2>ν3,则 ( )
A.被氢原子吸收的光子的能量为hν1
B.被氢原子吸收的光子的能量为hν2
C.ν1=ν2+ν3
D.hν1=hν2+hν3【解析】选A、C、D。氢原子吸收光子能
向外辐射出三种频率的光子,说明氢原子
从基态跃迁到了第三激发态(如图所示),
在第三激发态不稳定,又向低能级跃迁,发出光子,其中从第三能级跃迁到第一能级的光子能量最大,为hν1,从第二能级跃迁到第一能级的光子能量比从第三能级跃迁到第二能级的光子能量大,氢原子一定是吸收了能量为hν1的光子,且关系式hν1=hν2+hν3,ν1=ν2+ν3成立。课件55张PPT。4
玻尔的原子模型一、玻尔原子理论的基本假设
1.轨道量子化:
(1)原子中的电子在_________的作用下,绕原子核做_________。
(2)电子运行轨道的半径不是任意的,也就是说电子的轨道是__
(A.连续变化 B.量子化)的。
(3)电子在这些轨道上绕核的转动是_____的,不产生_________。库仑引力圆周运动B稳定电磁辐射2.定态:
(1)当电子在不同轨道上运动时,原子处于不同的状态,原子在不同
的状态中具有不同的能量,即原子的能量是_______的,这些量子化
的能量值叫作_____。
(2)原子中这些具有确定能量的稳定状态,称为_____。能量最低的
状态叫作_____,其他的状态叫作_______。量子化能级定态基态激发态3.跃迁:当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较
低的定态轨道(能量记为En,m>n)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=_____,该式被称为频
率条件,又称辐射条件。反之,当电子吸收光子时会从较低的能量态
跃迁到较高的能量态,吸收的光子能量同样由频率条件决定。Em-En【判一判】
(1)玻尔认为电子运行轨道半径是任意的,就像人造地球卫星,能量大一些,轨道半径就会大点。 ( )
(2)玻尔认为原子的能量是量子化的,不能连续取值。 ( )
(3)当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,会放出任意能量的光子。 ( )提示:(1)×。玻尔认为电子运行轨道是量子化的,轨道半径不是任意的,只有半径大小符合一定条件时,轨道才是有可能的。
(2)√。玻尔认为电子运行轨道是量子化的,原子的能量是量子化的,不能连续取值。
(3)×。当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,会放出符合辐射条件的光子。二、玻尔理论对氢光谱的解释
1.氢原子的能级图:2.解释巴耳末公式:
(1)按照玻尔理论,原子从高能级(如从E3)跃迁到低能级(如到E2)时
辐射的光子的能量为hν=_____。
(2)巴耳末公式中的正整数n和2正好代表能级跃迁之前和之后所
处的_________的量子数n和2。并且理论上的计算和实验测量的
___________符合得很好。E3-E2定态轨道里德伯常量3.解释气体导电发光:通常情况下,原子处于基态,基态是最稳定的,
原子受到电子的撞击,有可能向上跃迁到_______,处于激发态的原
子是_______的,会自发地向能量较低的能级跃迁,放出_____,最终回到基态。激发态不稳定光子4.解释氢原子光谱的不连续性:原子从较高能级向低能级跃迁时放
出光子的能量等于前后_________,由于原子的能级是_____的,所以
放出的光子的能量也是_____的,因此原子的发射光谱只有一些分立
的亮线。
5.解释不同原子具有不同的特征谱线:不同的原子具有不同的结构,
_____各不相同,因此辐射(或吸收)的_________也不相同。两能级差分立分立能级光子频率【判一判】
(1)玻尔理论能很好地解释氢原子的巴耳末线系。 ( )
(2)处于基态的原子是不稳定的,会自发地向其他能级跃迁,放出光子。 ( )
(3)不同的原子具有相同的能级,原子跃迁时辐射的光子频率是相同的。 ( )提示:(1)√。玻尔理论能很好地解释氢原子的巴耳末线系,甚至预言氢原子的其他谱线。
(2)×。处于基态的原子是最稳定的。
(3)×。不同的原子具有不同的能级,原子跃迁时辐射的光子频率也不相同。三、玻尔理论的局限性
1.玻尔理论的成功之处:玻尔理论第一次将_________引入原子领域,
提出了_____和_____的概念,成功地解释了氢原子光谱的实验规律。
2.玻尔理论的局限性:保留了_________的观念,仍然把电子的运动
看作经典力学描述下的_________。
3.电子云:原子中电子的坐标没有确定的值,我们只能说某时刻电子在
某点附近单位体积内出现的概率是多少,如果用疏密不同的点表示电
子在各个位置出现的概率,画出图来就像云雾一样,故称_______。量子观念定态跃迁经典粒子轨道运动电子云【判一判】
(1)玻尔第一次提出了量子化的观念。 ( )
(2)玻尔的原子理论模型可以很好地解释氦原子的光谱现象。( )
(3)电子的实际运动并不是具有确定坐标的质点的轨道运动。( )提示:(1)×。玻尔第一次将量子观念引入原子的领域。
(2)×。玻尔的原子理论模型成功地解释了氢原子的光谱规律,但对于稍微复杂的氦原子,玻尔理论则无法解释它的光谱现象。
(3)√。原子中电子的坐标没有确定的值,电子的实际运动并不是具有确定坐标的质点的轨道运动。一、对玻尔理论的理解
思考探究:
如图所示为分立轨道示意图。(1)电子的轨道有什么特点?
(2)氢原子只有一个电子,电子在这些轨道间跃迁时会伴随什么现象发生?
提示:(1)电子的轨道不是连续的,是量子化的,即只有半径的大小符合一定条件时,这样的半径才是有可能的。
(2)电子从高能量的轨道跃迁到低能量的轨道时,会放出光子,当电子从低能量的轨道跃迁到高能量的轨道时,会吸收光子。【归纳总结】
1.轨道量子化:轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值。
氢原子各条可能轨道上的半径rn=n2r1(n=1,2,3…)
其中n是正整数,r1是离核最近的可能的轨道半径,r1=0.53×10-10m。其余可能的轨道半径还有0.212nm、0.477nm…不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值。这样的轨道形式称为轨道量子化。2.能量量子化:
(1)电子在可能轨道上运动时,虽然是变速运动,但它并不释放能量,原子是稳定的,这样的状态也称之为定态。(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的,具有的能量也是不连续
的。这样的能量值,称为能级,能量最低的状态称为基态,基态最稳
定,其他的状态叫作激发态,对氢原子,以无穷远处为势能零点时,其
能级公式En= E1(n=1,2,3…)
其中E1代表氢原子的基态的能级,即电子在离核最近的可能轨道上运动时原子的能量值,E1=-13.6eV。n是正整数,称为量子数。量子数n越大,表示能级越高。
(3)原子的能量包括:原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。3.跃迁:原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为
E1)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两种定态
的能量差决定,高能级Em 低能级En。
可见,电子如果从一个轨道到另一个轨道,不是以螺旋线的形式改变半径大小的,而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。【典例示范】(多选)由玻尔理论可知,下列说法中正确的是( )
A.电子绕核运动有加速度,就要向外辐射电磁波
B.处于定态的原子,其电子做变速运动,但它并不向外辐射能量
C.原子内电子的可能轨道是连续的
D.原子的轨道半径越大,原子的能量越大【解题探究】
(1)如何解释原子的稳定存在?
(2)怎样确定原子发光时光子的能量?
提示:(1)原子处在某一可能状态时不产生电磁辐射。
(2)原子发光时,辐射光子的能量等于两能级的能量差。【正确解答】选B、D。按照经典物理学的观点,电子绕核运动有加速度,一定会向外辐射电磁波,很短时间内电子的能量就会消失,与客观事实相矛盾,由玻尔假设可知选项A、C错,B正确;原子轨道半径越大,原子能量越大,选项D正确。【过关训练】
1.(多选)关于玻尔理论,以下叙述正确的是 ( )
A.原子的不同定态对应于电子沿不同的圆形轨道绕核运动
B.当原子处于激发态时,原子向外辐射能量
C.只有当原子处于基态时,原子才不向外辐射能量
D.不论当原子处于何种定态时,原子都不向外辐射能量【解析】选A、D。据玻尔理论假设知选项A正确。不论原子处于何种定态,原子都不向外辐射能量,原子只有从一个定态跃迁到另一个定态时,才辐射或吸收能量,所以选项B、C错,D正确。2.(2015·昆明高二检测)在氢原子光谱中,电子从较高能级跃迁到n=2能级发出的谱线属于巴耳末系。若一群氢原子自发跃迁时发出的谱线中只有两条属于巴耳末系,则这群氢原子自发跃迁时最多可能发出多少条不同频率的谱线 ( )
A.2 B.5 C.4 D.6【解析】故D。氢原子光谱中只有两条属于巴耳末系,即是从n=3,n=4
轨道跃迁到n=2轨道,故电子的较高能级应该是在n=4的能级上。然后
从n=4向n=3,n=2,n=1跃迁,从n=3向n=2,n=1,从n=2向n=1跃迁,故这群
氢原子自发跃迁时最多能发出 =6条不同频率的谱线。【补偿训练】
1.(多选)如图所示给出了氢原子的6种可能的跃迁,
则它们发出的光 ( )
A.a的波长最长 B.d的波长最长
C.f比d光子能量大 D.a频率最小
【解析】选A、C、D。能级差越大,对应的光子的能量越大,频率越大,波长越小。2.(多选)按照玻尔原子理论,下列表述正确的是 ( )
A.核外电子运动轨道半径可取任意值
B.氢原子中的电子离原子核越远,氢原子的能量越大
C.电子跃迁时,辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定,即hν=|Em-En|
D.氢原子从激发态向基态跃迁的过程,可能辐射能量,也可能吸收能量【解析】选B、C。根据玻尔理论,核外电子运动的轨道半径是确定的值,而不是任意值,A错误;氢原子中的电子离原子核越远,能级越高,能量越大,B正确;由跃迁规律可知C正确;氢原子从激发态向基态跃迁的过程中,应辐射能量,D错误。二、氢原子的跃迁规律
思考探究:
如图所示为氢原子能级图。(1)当氢原子处于基态时,氢原子的能量是多少?
(2)如果氢原子吸收的能量大于13.6eV,会出现什么现象?
提示:(1)当氢原子处于基态时,氢原子的能量最小,是-13.6eV。
(2)如果氢原子吸收的能量大于13.6eV,会出现电离现象。【归纳总结】
1.能级图的理解:
(1)能级图中n称为量子数,E1代表氢原子的基态能量,即量子数n=1时对应的能量,其值为-13.6eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量。
(2)作能级图时,能级横线间的距离和相应的能级差相对应,能级差越大,间隔越宽,所以量子数越大,能级越密,竖直线的箭头表示原子跃迁方向,长度表示辐射光子能量的大小,n=1是原子的基态,n→∞是原子电离时对应的状态。2.能级跃迁:处于激发态的原子是不稳定的,它会自发地向较低能级
跃迁,经过一次或几次跃迁到达基态。所以一群氢原子处于量子数为
n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数为
3.光子的发射:原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量,发射光子的频率由下式决定。
hν=Em-En(Em、En是始末两个能级且m>n)
能级差越大,放出光子的频率就越高。4.使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子:
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发,其光子的能量必须等于两能级的能量差,否则不被吸收,不存在激发到n能级时能量有余,而激发到n+1时能量不足,则可激发到n能级的问题。
(2)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部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E=En-Ek),就可使原子发生能级跃迁。5.原子的能量及变化规律:
(1)原子中的能量:En=Ekn+Epn。
(2)氢原子中电子绕核运动时:(3)当电子的轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的电势能增大,反之电势能减小。电子在可能的轨道上绕核运动时,r增大,则Ek减小,Ep增大,E增大;反之,r减小,则Ek增大,Ep减小,E减小,与卫星绕地球运行相似。【典例示范】如图给出氢原子最低的四个能级。氢原子在这些能级之间跃迁所辐射的光子的频率最多有几种,其中最低的频率为多少(保留两位有效数字)?【解题探究】
(1)求解辐射光子的光谱线条数的两种方法是什么?
提示:①利用跃迁规律直接在能级图上画出光谱线条数;
②利用数学上的组合公式求出。
(2)频率最低的光子对应的能级差有何特点?
提示:频率最低的光子对应的能级差最小。【正确解答】方法一:利用跃迁规律画出可能
辐射光谱线条数,如图所示,共6种。
方法二:利用数学中的组合公式计算
辐射的光子的频率有:N= =6(种)
从n=4跃迁到n=3,能量差最小,辐射的光子的频率最低。
由hν=E4-E3,得其频率为ν=
答案:6种 1.6×1014Hz【过关训练】
1.(拓展延伸)【典例示范】中能级差最大的能量是能级差最小的能量多少倍?【解析】能级差最大的是从4能级跃迁到1能级
ΔE=E4-E1=-0.85eV-(-13.6)eV
=12.75eV
能级差最小的是从4能级跃迁到3能级
ΔE′=E4-E3=-0.85eV-(-1.51)eV
=0.66eV
≈19(倍)
答案:19倍2.(2015·海南高考)氢原子基态的能量为E1=-13.6eV。大量氢原子处于某一激发态。由这些氢原子可能发出的所有的光子中,频率最大的光子能量为-0.96E1,频率最小的光子的能量为 eV(保留2位有效数字),这些光子可具有 种不同的频率。【解析】频率最大的光子能量为-0.96E1,即En-(-13.6eV)=-0.96×
(-13.6eV),解得En=-0.54eV
即n=5,从n=5能级开始,根据 可得共有10种不同频率的光子。
从n=5到n=4跃迁的光子频率最小,根据E=E4-E5可得频率最小的光子的能量为0.31eV。
答案:0.31 10【补偿训练】
1.(多选)欲使处于基态的氢原子激发或电离,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10eV的光子照射【解析】选A、C。由氢原子的能级图可求得E2-E1=-3.40eV-(-13.6)eV
=10.2eV,即10.2eV是第二能级与基态之间的能量差,处于基态的氢原子吸收10.2eV的光子后将跃迁到第一激发态,可使处于基态的氢原子激发,A对;Em-E1≠11eV,即不满足玻尔理论关于跃迁的条件,B错;要使处于基态的氢原子电离,照射光的能量须≥13.6eV,而14eV>13.6eV,故14eV的光子可使基态的氢原子电离,C对;Em-E1≠10eV,既不满足玻尔理论关于跃迁的条件,也不能使氢原子电离,D错。2.已知氢原子基态的电子轨道半径为r1=0.53×10-10m,基态的能级值为E1=-13.6eV。
(1)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态,画一能级图,在图上用箭头标明这些氢原子能发出几条光谱线。
(2)计算这几条光谱线中最长的波长。【解析】(1)这群氢原子的自发跃迁辐射会得到三条光谱线,如图所示。(2)波长最长的光谱线是从n=3的能级向n=2的能级跃迁产生的,
则有: =E3-E2
=6.58×10-7m
答案:(1)见解析 (2)6.58×10-7m【误区警示】原子跃迁时需注意的几个问题
(1)注意一群原子和一个原子:氢原子核外只有一个电子,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,只能出现所有可能情况中的一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。
(2)注意直接跃迁与间接跃迁:原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时,有时可能是直接跃迁,有时可能是间接跃迁。两种情况辐射或吸收光子的频率不同。(3)注意跃迁与电离:hν=Em-En只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况,对于光子和原子作用使原子电离的情况,则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6eV,只要大于或等于13.6eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能越大。【拓展例题】考查内容:氢原子跃迁中的能量变化
【典例示范】氢原子辐射出一个光子后,根据玻尔理论,下列说法中正确的是 ( )
A.电子绕核旋转的半径增大
B.氢原子的能量增大
C.氢原子的电势能增大
D.氢原子核外电子的速率增大【正确解答】选D。根据玻尔理论,氢原子核外电子在离核较远的轨道
上运动时,其能量越大,当核外电子从外层轨道跃迁到内层轨道时,要
放出一定能量的光子,氢原子的能量减小,所以选项A、B错误;核外电
子轨道半径减小时,库仑力对电子做正功,电势能减小,动能增大,故
选项C错误;由库仑定律和牛顿第二定律有
r减小,v增大,D正确。【答案速填】①电子流 ②汤姆孙 ③不改变 ④偏转 ⑤大角度 ⑥全部正电荷 ⑦原子核
⑧α粒子散射实验 ⑨线 ⑩ ?量子化 ?hν=Em-En
