3．1 电子的发现及其重大意义
3．2 原子模型的提出
[学习目标] 1.知道阴极射线的组成，电子是原子的组成部分.2.了解汤姆生发现电子的研究方法及蕴含的科学思想.3.了解α粒子散射实验的实验器材、实验原理和实验现象.4.知道卢瑟福的原子核式结构模型的主要内容.5.知道原子和原子核大小的数量级，原子的组成及带电情况．
一、阴极射线 电子的发现
[导学探究] 1.在图1所示的实验中，将阴极射线管的阴极和阳极接上高压电源后，用真空泵逐渐抽去管中的空气，会产生什么现象？当气压降得很低时，又有什么现象发生？
图1
答案 接上高压电源后，管内会产生气体放电现象，当气压降得很低时，管内不再发光，但由阴极发射出的射线，能使荧光物质发光．
2．人们对阴极射线的本质的认识有两种观点，一种观点认为是一种电磁波，另一种观点认为是带电微粒，你认为应如何判断哪种观点正确？
答案 可以让阴极射线通过电场(磁场)，若射线垂直于电场(磁场)方向射入之后发生了偏转，则该射线是由带电微粒组成的．
[知识梳理]
1．阴极射线的特点
(1)在真空中沿直线传播；
(2)碰到物体可使物体发出荧光．
2．汤姆生对阴极射线本质的探究
结论：汤姆生通过实验得出，阴极射线是一种带负电的质量很小的粒子，物理学中称为电子，电子是原子的组成部分．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)阴极射线在真空中沿直线传播．( √ )
(2)英国物理学家汤姆生认为阴极射线是一种电磁辐射．( × )
(3)组成阴极射线的粒子是电子．( √ )
(4)电子是原子的组成部分，电子电荷量可以取任意数值．( × )
二、α粒子散射实验
[导学探究] 如图2所示为1909年英籍物理学家卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行α粒子散射实验的实验装置，阅读课本，回答以下问题：
图2
1．什么是α粒子？
答案 α粒子(He)是从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，实质是失去两个电子的氦原子核，带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍．
2．实验装置中各部件的作用是什么？实验过程是怎样的？
答案 ①α粒子源：把放射性元素钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能的α粒子．
②带荧光屏的放大镜：观察α粒子打在荧光屏上发出的微弱闪光．
实验过程：
α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在很薄的金箔上，由于金原子中的带电粒子对α粒子有库仑力的作用，一些α粒子会改变原来的运动方向．带有放大镜的荧光屏可以沿图中虚线转动，以统计向不同方向散射的α粒子的数目．
3．实验现象如何？
答案 绝大多数的α粒子穿过金箔后沿原来的方向前进，少数α粒子发生了大角度的偏转，有的α粒子偏转角超过90°，极少数α粒子甚至被反弹回来．
4．少数α粒子发生大角度散射的原因是什么？
答案 α粒子带正电，α粒子受原子中带正电的部分的排斥力发生了大角度散射．
[知识梳理]
1．α粒子散射实验装置由α粒子源、金箔、带有荧光屏的放大镜等几部分组成，实验时从α粒子源到荧光屏这段路程应处于真空中．
2．实验现象
(1)绝大多数的α粒子穿过金箔后沿原来的方向前进；
(2)少数α粒子发生了大角度的偏转；
(3)有的α粒子偏转角超过90°，有极少数α粒子甚至被反弹回来．
3．α粒子散射实验的结果用汤姆生的“枣糕模型”无法解释．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)α粒子散射实验证明了汤姆生的原子模型是符合事实的．( × )
(2)α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹．( × )
(3)α粒子大角度的偏转是电子造成的．( × )
(4)α粒子带有两个单位的正电荷，质量为氢原子质量的2倍．( × )
三、原子的核式结构模型 原子核的电荷与尺度
[导学探究] 1.原子中的原子核所带电荷量有何特点？
答案 原子核带正电，所带电荷量与核外电子所带的电荷量相等．
2．核式结构模型是如何解释α粒子散射实验结果的？
答案 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，它们的运动方向几乎不改变．
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．
[知识梳理]
1．核式结构模型：1911年由卢瑟福提出．在原子中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间绕核旋转．
2．原子核的电荷与尺度
—
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(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)对于一般的原子，由于原子核很小，所以内部十分空旷．( √ )
一、对阴极射线的认识
例1 (多选)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粉而产生的
B．只要阴阳两极间加有电压，就会有阴极射线产生
C．阴极射线是真空玻璃管内由阴极发出的射线
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
答案 CD
解析 阴极射线是真空玻璃管内由阴极直接发出的射线，故A错误，C正确；只有当两极间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，故B错误，D正确．
二、带电粒子比荷的测定
1．利用磁偏转测量
图3
(1)让带电粒子通过相互垂直的电场和磁场(如图3)，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＝.
图4
(2)撤去电场(如图4)，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＝m，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：＝.
2．利用电偏转测量
带电粒子在匀强电场中运动，偏转量y＝at2＝·()2，故＝，所以在偏转电场中，U、d、L已知时，只需测量v和y即可．
例2 在再现汤姆生测阴极射线比荷的实验中，采用了如图5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间加上方向向上、场强为E的匀强电场，阴极射线将向下偏转；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，阴极射线向上偏转，偏转角为θ，试解决下列问题：
图5
(1)说明阴极射线的电性．
(2)说明图中磁场沿什么方向．
(3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷．
答案 (1)负电 (2)垂直纸面向外
(3)
解析 (1)由于阴极射线在电场中向下偏转，因此阴极射线受电场力方向向下，又由于匀强电场方向向上，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上的洛伦兹力，而与电场力平衡，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向外．
(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·sin θ，如图所示，解得＝.
针对训练1 如图6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．
图6
答案
解析 由于电子在电场中做类平抛运动，沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，满足
Y0＝at2＝()2＝，
则＝.
解决带电粒子在电场中运动的三个步骤
(1)确定研究对象，并根据题意判断是否可以忽略带电粒子的重力．
(2)对研究对象进行受力分析，必要时要画出力的示意图；分析判断粒子的运动性质和过程，画出运动轨迹示意图．
(3)选用恰当的物理规律列方程求解．
三、对α粒子散射实验的理解
例3 如图7所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况．下列说法中正确的是( )
图7
A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多
B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光
C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似
D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹
答案 C
解析 α粒子散射实验现象：绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子有大角度散射．所以A处观察到的粒子数多，B处观察到的粒子数少，所以选项A、B错误．α粒子发生散射的主要原因是受到原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确．
针对训练2 卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是( )
答案 D
解析 α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确．
解决这类问题的关键是理解并熟记以下两点：
(1)明确实验装置中各部分的组成及作用．
(2)弄清实验现象，知道“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的运动情况及原因．
四、原子的核式结构分析
1．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．
2．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8所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°.
图8
例4 (多选)下列对原子结构的认识中，正确的是( )
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外运动，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约为10－10 m
答案 ABC
解析 卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型，提出了关于原子的核式结构学说，并估算出原子核直径的数量级为10－15 m，原子直径的数量级为10－10 m，原子直径是原子核直径的十万倍，所以原子内部是十分“空旷”的，核外带负电的电子由于受到带正电的原子核的吸引而绕核旋转，所以A、B、C正确，D错误．
1．(多选)英国物理学家汤姆生通过对阴极射线的实验研究发现( )
A．阴极射线在电场中偏向正极板一侧
B．阴极射线在磁场中受力情况跟正电荷受力情况相同
C．不同材料所产生的阴极射线的比荷不同
D．汤姆生并未精确得出阴极射线粒子的电荷量
答案 AD
解析 阴极射线实质上就是高速电子流，所以在电场中偏向正极板一侧，A正确．由于电子带负电，所以其在磁场中受力情况与正电荷不同，B错误．不同材料所产生的阴极射线都是电子流，所以它们的比荷是相同的，C错误．最早精确测出电子电荷量的是美国物理学家密立根，D正确．
2．(多选)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A．在实验中，观察到的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后，仍沿原来的方向前进，极少数发生了较大角度的偏转
B．使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核和核外电子，当α粒子接近核时，是核的斥力使α粒子发生明显偏转；当α粒子接近电子时，是电子的吸引力使之发生明显偏转
C．实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积极小的一部分
D．实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量
答案 AC
3．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若它们入射时的动能相同，其偏转轨道可能是下图中的( )
答案 D
解析 α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨道弯曲程度就越小，故选项D正确．
4．(多选)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
答案 ACD
一、选择题(1～6题为单选题，7～8题为多选题)
1．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
D．阴极射线本质是X射线
答案 C
2．卢瑟福提出原子的核式结构模型的依据是用α粒子轰击金箔，实验中发现α粒子( )
A．全部穿过或发生很小偏转
B．绝大多数穿过，只有少数发生较大偏转，有的甚至被弹回
C．绝大多数发生很大偏转，甚至被弹回，只有少数穿过
D．全部发生很大偏转
答案 B
3．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的作用
答案 D
解析 α粒子与原子核外的电子的作用是很微弱的，A错误．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的作用，B、C错误，D正确．
4.
图1
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1所示，图中P、Q两点为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨道相切的直线．两虚线和轨迹将平面分成四个区域，不考虑其他原子核对α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法正确的是( )
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
答案 A
解析 因为α粒子与此原子核之间存在着斥力，如果原子核在②、③或④区，α粒子均应向①区偏折，所以不可能．
5．如图2所示是阴极射线管示意图，接通电源后，阴极射线由阴极沿x轴正方向射出，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( )
图2
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
答案 B
图3
6．如图3所示，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的等势线，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．动能先增大后减小
B．电势能先减小后增大
C．电场力先做负功后做正功，总功等于零
D．加速度先减小后增大
答案 C
解析 α粒子及原子核均带正电，故α粒子受到原子核的斥力，α粒子从a运动到b，电场力做负功，动能减小，电势能增大，从b运动到c，电场力做正功，动能增大，电势能减小，a、c在同一条等势线上，a、c两点的电势差为零，则α粒子从a到c的过程中电场力做的总功等于零，A、B错误，C正确；α粒子所受的库仑力F＝，b点离原子核最近，所以α粒子在b点时所受的库仑力最大，加速度最大，故加速度先增大后减小，D错误．
7．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)×10－19 C
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．通过实验测出电子的比荷和电子电荷量e的值，就可以确定电子的质量
答案 BD
解析 电子电荷量的精确值是密立根通过“油滴实验”测出的，电荷是量子化的也是密立根发现的，A、C错误，B正确；测出电子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．
8．如图4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( )
图4
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，打在荧光屏上的A点，则偏转磁场的磁感应强度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，打在荧光屏上的B点，则偏转磁场的磁感应强度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，则偏转磁场的磁感应强度应该先由小到大，再由大到小
答案 AC
解析 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．
二、非选择题
9．假设α粒子以速率v0与静止的电子或金原子核发生弹性正碰，α粒子的质量为mα，电子的质量me＝mα，金原子核的质量mAu＝49mα.求：
(1)α粒子与电子碰撞后的速度变化；
(2)α粒子与金原子核碰撞后的速度变化．
答案 (1)－2.7×10－4v0 (2)－1.96v0
解析 α粒子与静止的粒子发生弹性碰撞，系统的动量和能量均守恒，由动量守恒定律有mαv0＝mαv1′＋mv2′
由能量守恒定律有mαv＝mαv1′2＋mv2′2
解得v1′＝v0
速度变化Δv＝v1′－v0＝－v0
(1)若α粒子与电子碰撞，将me＝mα代入，得
Δv1≈－2.7×10－4v0
(2)若α粒子与金原子核碰撞，将mAu＝49mα代入，得
Δv2＝－1.96v0.
10．电子的比荷最早由美国科学家密立根通过油滴实验测出，如图5所示，两块水平放置的平行金属板上、下极板与电源正负极相接，上、下极板分别带正、负电荷，油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而带负电，油滴进入上极板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动，两金属板间距为d，不计空气阻力和浮力．
图5
(1)调节两板的电势差u，当u＝U0时，使得某个质量为m1的油滴恰好做匀速直线运动，求油滴所带的电荷量q为多少？
(2)若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差u＝U时，观察到某个质量为m2的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间t运动到下极板，求此油滴的电荷量Q.
答案 (1)
(2)(g－)
解析 (1)油滴匀速下落过程受到的电场力和重力平衡，由平衡条件得：q＝m1g，得q＝m1g.
(2)油滴加速下落，其所带电荷量为Q，因油滴带负电，则油滴所受的电场力方向向上，设此时的加速度大小为a，由牛顿第二定律和运动学公式得：m2g－Q＝m2a，d＝at2，解得Q＝(g－)．
3．3 量子论视野下的原子模型
[学习目标] 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，会计算原子跃迁时吸收或辐射光子的能量.3.能用玻尔原子理论简单解释氢原子光谱．
一、玻尔原子理论的基本假设
[导学探究] 1.按照经典理论，核外电子在库仑引力作用下绕原子核做圆周运动．我们知道，库仑引力和万有引力形式上有相似之处，电子绕原子核的运动与卫星绕地球的运动也一定有某些相似之处，那么若将卫星—地球模型缩小是否就可以变为电子—原子核模型呢？
答案 不可以．在玻尔理论中，电子的轨道半径只可能是某些分立的数值，而卫星的轨道半径理论上可按需要任意取值．
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
关系？
答案 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(其能量记为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)．
当电子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上式决定．
[知识梳理]
1．轨道量子化
(1)轨道半径只能够是某些分立的数值．
(2)氢原子的电子最小轨道半径r1＝0.053 nm，轨道半径满足rn＝n2r1，n为量子数，n＝1,2,3，….
2．能级
(1)能级：在玻尔模型中，原子的能量状态是不连续的，因而各定态的能量只能取一些分立值，我们把原子在各定态的能量值叫做原子的能级．
(2)基态和激发态
①基态：在正常状态下，原子处于能量最低的状态，这时电子在离核最近的轨道上运动，这一定态叫做基态．
②激发态：电子在其他轨道上运动时的定态叫做激发态．
(3)能量量子化
不同轨道对应不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的，原子在不同状态有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的．
原子各能级：En＝E1(E1＝－13.6 eV，n＝1,2,3，…)
3．光子的发射和吸收
(1)光子的发射：原子从高能级(Em)向低能级(En)跃迁时会发射光子，放出光子的能量hν与始末两能级Em、En之间的关系为：hν＝Em－En.
(2)光子的吸收：原子吸收光子后可以从低能级跃迁到高能级．
高能级Em低能级En
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(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．( × )
(4)处于能级越高的氢原子，向低能级跃迁时释放的光子能量越大．( × )
二、原子的能级跃迁问题
[导学探究] 根据氢原子的能级图，说明：
1．氢原子从高能级向低能级跃迁时，发出的光子的频率如何计算？
答案 氢原子辐射光子的能量决定于两个能级差hν＝Em－En(n2.
图1
如图1所示是氢原子的能级图，一群处于n＝4的激发态的氢原子向低能级跃迁时最多能辐射出多少种频率不同的光子？
答案 氢原子能级跃迁图如图所示．从图中可以看出最多能辐射出6种频率不同的光子，它们分别是n＝4→n＝3，n＝4→n＝2，n＝4→n＝1，n＝3→n＝2，n＝3→n＝1，n＝2→n＝1.
[知识梳理]
1．氢原子能级图(如图2所示)
图2
2．各种物质的原子结构不同，能级分布也就各不相同，它们可以发射的光的频率也不相同，每种元素的原子发出的光都有自己的特征，因而有自己的原子光谱．
3．由于原子的能级是不连续的，所以辐射的光子的能量也是不连续的．从光谱上看，原子辐射光波的频率只有若干分立的值．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)玻尔理论能很好地解释氢原子的光谱．( √ )
(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．( × )
三、玻尔理论的局限性
[导学探究] 玻尔理论的成功之处在哪儿？为什么说它又有局限性？
答案 (1)玻尔理论成功之处在于第一次将量子化的思想引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱．
(2)它的局限性在于过多的保留了经典粒子的观念．
[知识梳理]
1．玻尔理论的成就
玻尔理论第一次将量子观念引入原子领域；提出了能级和跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱的实验规律．
2．玻尔理论的局限性
没有彻底摆脱经典物理学的束缚，对比较复杂的原子光谱无法解释．
3．电子云
原子中电子的运动并没有确定的轨道，而是可以出现在原子内的整个核外空间，只是在不同的地方出现的概率不同．如果用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，画出图来，就像云雾一样，人们把它叫做电子云．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(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很好地解释了氦原子的光谱现象．( × )
(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．( √ )
一、对玻尔原子模型的理解
例1 (多选)玻尔在他提出的原子模型中所作的假设有( )
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
答案 ABC
解析 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．原子辐射的能量与电子在某一可能轨道上绕核运动的频率无关．
例2 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道的过程中( )
A．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大
B．原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小
C．原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小
D．原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大
答案 D
解析 根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核较远的轨道上运动能量较大，必须吸收一定能量的光子后，电子才能从离核较近的轨道跃迁到离核较远的轨道，故B错；氢原子核外电子绕核做圆周运动，由原子核对电子的库仑力提供向心力，即：k＝m，又Ek＝mv2，所以Ek＝.由此式可知：电子离核越远，即r越大时，电子的动能越小，故A、C错；由r变大时，库仑力对核外电子做负功，因此电势能增大，从而判断D正确．
针对训练1 (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(m>n)
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
答案 BC
解析 根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是一些确定的值，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．
原子的能量及变化规律
(1)原子的能量：En＝Ekn＋Epn.
(2)电子绕核运动时：k＝m，
故Ekn＝mv＝，而Epn＝－k，两者之和即为轨道能量E＝Ekn＋Epn＝－k，所以氢原子的定态能量为负，基态的半径为r1＝0.053 nm，E1＝－13.6 eV是其定态能量的最低值．
(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．
(4)电子的轨道半径增大时，说明原子吸收了光子，从能量较低的轨道跃迁到了能量较高的轨道上．即电子轨道半径越大，原子的能量越大．
二、氢原子的跃迁规律分析
1．对能级图的理解
由En＝知，量子数越大，能级差越小，能级横线间的距离越小．n＝1是原子的基态，n→∞是原子电离时对应的状态．
2．跃迁过程中吸收或辐射光子的频率和波长满足hν＝|Em－En|，h＝|Em－En|.
3．大量处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射种不同频率的光，一个处于n激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射(n－1)种频率的光子．
例3 (多选)氢原子能级图如图3所示，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是( )
图3
A．氢原子从n＝2跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656 nm
B．用波长为325 nm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633 nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级
答案 CD
解析 能级间跃迁辐射(吸收)的光子能量等于两能级间的能级差，能级差越大，辐射(吸收)的光子频率越大，波长越小，A错误；由Em－En＝hν可知，B错误，D正确；根据C＝3可知，C正确．
针对训练2 如图4所示为氢原子的能级图．用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有( )
图4
A．15种 B．10种 C．4种 D．1种
答案 B
解析 基态的氢原子的能级值为－13.6 eV，吸收13.06 eV的能量后变成－0.54 eV，原子跃迁到n＝5能级，由于氢原子是大量的，故辐射的光子种类是＝种＝10种．
原子跃迁时需要注意的两个问题
(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13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV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.
1．根据玻尔理论，关于氢原子的能量，下列说法中正确的是( )
A．是一系列不连续的任意值
B．是一系列不连续的特定值
C．可以取任意值
D．可以在某一范围内取任意值
答案 B
2．氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下列判断正确的是( )
A．电子绕核旋转的轨道半径增大
B．电子的动能减少
C．氢原子的电势能增大
D．氢原子的能级减小
答案 D
解析 氢原子辐射出光子后，由高能级跃迁到低能级，轨道半径减小，电子动能增大，此过程中库仑力做正功，电势能减小．
3．(多选)如图5所示为氢原子的能级图，A、B、C分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，则下列判断中正确的是( )
图5
A．能量和频率最大、波长最短的是B光子
B．能量和频率最小、波长最长的是C光子
C．频率关系为νB＞νA＞νC
D．波长关系为λB＞λA＞λC
答案 ABC
解析 从图中可以看出电子在三种不同能级之间跃迁时，能级差由大到小依次是B、A、C，所以B光子的能量和频率最大，波长最短，能量和频率最小、波长最长的是C光子，所以频率关系是νB＞νA＞νC，波长关系是λB<λA<λC，故选项A、B、C正确，D错误．
4．氢原子处于基态时，原子能量E1＝－13.6 eV，普朗克常量取h＝6.6×10－34 J·s.
(1)处于n＝2激发态的氢原子，至少要吸收多大能量的光子才能电离？
(2)今有一群处于n＝4激发态的氢原子，最多可以辐射几种不同频率的光？其中最小的频率是多少？(结果保留2位有效数字)
答案 (1)3.4 eV
(2)6种 1.6×1014 Hz
解析 (1)E2＝E1＝－3.4 eV
则处于n＝2激发态的氢原子，至少要吸收3.4 eV能量的光子才能电离．
(2)根据C＝6知，一群处于n＝4激发态的氢原子最多能辐射出的光子种类为6种．
n＝4→n＝3时，光子频率最小为νmin，则E4－E3＝hνmin，
代入数据，解得νmin＝1.6×1014 Hz.
一、选择题(1～7题为单选题，8～10题为多选题)
1．根据玻尔理论，氢原子有一系列能级，以下说法正确的是( )
A．当氢原子处于第2能级且不发生跃迁时，会向外辐射光子
B．电子绕核旋转的轨道半径可取任意值
C．处于基态的氢原子可以吸收10 eV的光子
D．大量氢原子处于第4能级，向低能级跃迁时最多会出现6条谱线
答案 D
解析 氢原子处于第2能级且向基态发生跃迁时，才会向外辐射光子．故A错误．根据玻尔原子理论可知，电子绕核旋转的轨道半径是特定值．故B错误.10 eV的能量不等于基态与其他能级间的能级差，所以该光子能量不能被吸收．故C错误．根据C＝6知，大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时最多能辐射出6种不同频率的光子．故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
答案 B
解析 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．
3．氢原子的能级图如图1所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62～3.11 eV.下列说法错误的是( )
图1
A．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离
B．大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应
C．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出2种不同频率的可见光
D．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光
答案 D
解析 紫外线的频率比可见光的高，因此紫外线光子的能量应大于3.11 eV，而处于n＝3能级的氢原子其电离能仅为1.51 eV＜3.11 eV，所以处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离．
4．根据玻尔理论，某原子从能量为E的轨道跃迁到能量为E′的轨道，辐射出波长为λ的光．以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，E′等于( )
A．E－h B．E＋h
C．E－h D．E＋h
答案 C
解析 释放的光子能量为hν＝h，所以E′＝E－hν＝E－h.
5．如图2所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光．选项图所示的该原子光谱中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是( )
图2
答案 C
解析 由能级图可知，三种光的能量大小依次为Ea>Ec>Eb，又E＝h，可知b光的能量最小，波长最长，a光的能量最大，波长最短，C项正确．
6．氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则( )
A．吸收光子的能量为hν1＋hν2
B．辐射光子的能量为hν1＋hν2
C．吸收光子的能量为hν2－hν1
D．辐射光子的能量为hν2－hν1
答案 D
解析 由于氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，可知能级k最高、n最低，所以氢原子从能级k跃迁到能级m，要辐射光子的能量为hν2－hν1，选项D正确，A、B、C错误．
7．处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率最多有( )
A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
答案 C
8．关于玻尔的原子模型，下列说法中正确的是( )
A．它彻底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
答案 BD
解析 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．
9．关于玻尔原子理论的基本假设，下列说法中正确的是( )
A．原子中的电子绕原子核做圆周运动，库仑力提供向心力
B．氢原子光谱的不连续性，表明了氢原子的能级是不连续的
C．原子的能量包括电子的动能和势能，电子动能可取任意值，势能只能取某些分立值
D．电子由一条轨道跃迁到另一条轨道上时，辐射(或吸收)光子的频率等于电子绕核运动的频率
答案 AB
10．如图3所示，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( )
图3
A．hν1 B．hν3
C．hν1＋hν2 D．hν1＋hν2＋hν3
答案 BC
解析 氢原子吸收光子能向外辐射三种不同频率的光子，可知氢原子被单色光照射后跃迁到第3能级，吸收的光子能量等于两能级间的能级差，即单色光的能量E＝hν3，又hν3＝hν1＋hν2，故B、C正确，A、D错误．
二、非选择题
11．如图4所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能级间跃迁时，
图4
(1)最多有可能放出几种能量的光子？
(2)在哪两个能级间跃迁时，所发出的光子波长最长？最长波长是多少？
答案 (1)6种 (2)第4能级向第3能级 1.88×10－6 m
解析 (1)由N＝C，可得N＝C＝6种．
(2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子能量最小，波长最长，根据h＝hν＝E4－E3＝－0.85－(－1.51) eV＝0.66 eV，λ＝＝ m≈1.88×10－6 m.
12．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＝－54.4 eV，氦离子能级的示意图如图5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原子．求：
图5
(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，光电子的最大动能最大是多少？
答案 (1)3种
(2)37.4 eV
解析 (1)一群处于n＝4能级的氦离子跃迁时，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＝2.6 eV，
由n＝4到n＝2，hν2＝E4－E2＝10.2 eV，
由n＝4到n＝1，hν3＝E4－E1＝51.0 eV，
由n＝3到n＝2，hν4＝E3－E2＝7.6 eV，
由n＝3到n＝1，hν5＝E3－E1＝48.4 eV，
由n＝2到n＝1，hν6＝E2－E1＝40.8 eV，
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Ekm＝hν－W知，能量为51.0 eV的光子使氢原子逸出的光电子最大动能最大，将W＝13.6 eV代入Ekm＝hν－W，得Ekm＝37.4 eV.
3．4 光谱分析在科学技术中的应用
[学习目标] 1.了解各种光谱及其特点.2.知道光谱分析及其重要应用．
一、光谱
[导学探究] 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？
答案 根据经典电磁理论，原子可以辐射各种频率的光，即原子光谱应该是连续的，而实际上看到的原子的光谱总是分立的线状谱．
[知识梳理]
1．定义：
用光栅或棱镜把光按波长展开，获得光的波长(频率)成分和强度分布的记录，即光谱．
按形成条件，将光谱分为发射光谱和吸收光谱．
2．发射光谱：物体发光直接产生的光谱．
(1)连续谱．
连续分布的包含有一切波长的光组成的光谱．
①产生：炽热的固体、液体和高压气体的光谱，如白炽灯丝、烛焰、炽热钢水等发出的光都是连续光谱．
②特点：光谱是连在一起的光带．
(2)线状谱．
由一些不连续的亮线组成的光谱，又叫原子光谱．
①产生：由游离态的原子发射的，因此也叫原子光谱．稀薄气体和金属的蒸气的发射光谱是线状谱．
②特点：不同元素的原子产生的线状谱是不同的，但同种元素的原子产生的线状谱是相同的，这意味着，某种物质的原子可用其线状谱加以鉴别．
(3)特征光谱．
每种元素的原子都有各自的发射光谱，即由一系列不连续的具有特定波长的谱线组成的光谱．
3．吸收光谱．
物体发出的白光，通过温度较低的物质蒸气时，某些波长的光被该物质吸收后形成的光谱．
(1)产生：物体发出的白光通过温度较低的物质蒸气时产生的．
(2)特点：在连续谱的背景上有若干条暗线．同种元素的吸收光谱与线状谱是一一对应的．
(3)太阳光谱是吸收光谱
①特点：在连续谱的背景上出现一些不连续的暗线．
②产生原因：阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳高层大气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，到达地球上的这些谱线看起来就暗了，这就形成了连续谱明亮背景下的暗线．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)各种原子的发射光谱都是连续谱．( × )
(2)不同原子的发光频率是不一样的．( √ )
(3)连续谱一定是发射光谱( √ )
二、光谱分析
[导学探究] 为什么用棱镜可以把各种颜色的光展开？我们记录光谱有什么样的意义？
答案 不同颜色的光在棱镜中的折射率不同，因此经过棱镜后的偏折程度也不同．
光谱分析的意义：①应用光谱分析发现新元素，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．②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．③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．
[知识梳理]
1．光谱分析
由于每种元素都有自己的特征光谱，可以根据光谱来鉴
别物质和确定它们的化学组成，这种方法叫光谱分析．
2．优点：灵敏、迅速，某种元素在样品中的含量只要有1×10－10_g就能检测出来．
3．应用
(1)鉴定产品的纯度(如检测半导体材料硅和锗是不是达到高纯度要求)．
(2)发现新元素(如元素铷和铯)．
(3)研究天体的物质成分(如研究太阳光谱时发现了太阳大气层中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、钙、钠等元素)．
(4)鉴定食品的优劣．
(5)鉴定文物．
[即学即用] 判断下列说法的正误．
(1)光谱分析时，既可以用线状谱，也可以用连续谱．( × )
(2)利用光谱分析可以鉴别物质和确定物质的组成成分．( √ )
一、光谱
例1 关于光谱，下列说法正确的是( )
A．一切光源发出的光谱都是连续谱
B．一切光源发出的光谱都是线状谱
C．稀薄气体发光形成的光谱是线状谱
D．白光通过钠蒸气产生的光谱是线状谱
答案 C
解析 由于物质发光的条件不同，得到的光谱不同，故A、B错误；稀薄气体发光形成的光谱为线状谱，C正确；白光通过钠蒸气产生的光谱是吸收光谱，D错误．
二、光谱分析
1．优点：灵敏度高，分析物质的最低量达10－10 g.
2．应用：a.发现新元素；b.鉴别物体的物质成分．
3．用于光谱分析的光谱：线状光谱和吸收光谱．
4．几种光谱的比较
比较
光谱
产生条件
光谱形式及应用
线状
光谱
稀薄气体发光形成的光谱
一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同(又叫特征光谱)，可用于光谱分析
连续
光谱
炽热的固体、液体和高压气体发光形成的
连续分布，一切波长的光都有
吸收
光谱
炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的
用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线(与特征谱线相对应)，可用于光谱分析
例2 (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
答案 BC
解析 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；用于光谱分析只能是线状谱或吸收光谱，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．
1．(多选)关于光谱，下列说法中正确的是( )
A．炽热的液体发射连续谱
B．线状谱和吸收光谱都可以对物质进行光谱分析
C．太阳光谱中的暗线，说明太阳中缺少与这些暗线相对应的元素
D．发射光谱一定是连续谱
答案 AB
解析 炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱，故A正确；线状谱和吸收光谱都可以用来进行光谱分析，B正确；太阳光谱中的暗线说明太阳大气中含有与这些暗线相对应的元素，C错误；发射光谱有连续谱和线状谱，D错误．
2．(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
答案 BD
解析 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．
3．(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法中正确的是( )
A．太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱
B．霓虹灯产生的是线状谱
C．进行光谱分析时，只能用线状谱
D．同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的
答案 BD
4．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．太阳内部存在着相应的元素
答案 C
解析 吸收光谱的暗线是连续谱中某些波长的光被物质吸收后产生的．阳光中含有各种颜色的光，当阳光透过太阳的高层大气射向地球时，太阳的高层大气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．易错原因是不理解光谱的成因以及不同谱线的
特点．
选择题(1～7题为单选题，8～10题为多选题)
1．白炽灯发光产生的光谱是( )
A．连续谱 B．明线光谱
C．原子光谱 D．吸收光谱
答案 A
解析 白炽灯发光是由于灯丝在炽热状态下发出的光，是连续谱．
2．对于光谱，下列说法中正确的是( )
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．线状谱由不连续的若干波长的光所组成
C．太阳光谱是连续谱
D．太阳光谱是线状谱
答案 B
3．关于原子光谱，下列说法中不正确的是( )
A．原子光谱是不连续的
B．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的
C．由于各种原子的原子结构不同，所以各种原子的原子光谱也不相同
D．分析物质发光的光谱，可以鉴别物质中含哪些元素
答案 B
解析 原子光谱为线状谱，A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B错，C对；根据各种原子的特征谱线进行光谱分析可鉴别物质组成．由此知A、C、D说法正确，B说法错误．
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形成连续谱
B．对月光作光谱分析可以确定月亮的化学组成
C．气体发出的光只能产生线状谱
D．甲物质发出的光通过低温的乙物质蒸气可得到甲物质的吸收光谱
答案 A
5．在燃烧的酒精灯芯上放一些食盐，然后用弧光灯发出的白光照射，就能得到( )
A．钠的线状谱 B．钠的吸收光谱
C．钠的连续谱 D．仍是白光连续谱
答案 B
解析 钠被酒精灯加热汽化，形成钠蒸气，弧光灯发出的白光通过钠蒸气，某些波长的光被吸收形成钠的吸收光谱，B项正确．
6．利用光谱分析的方法能够鉴别物质和确定物质的组成成分，关于光谱分析，下列说法正确的是( )
A．利用高温物体的连续谱就可鉴别其组成成分
B．利用物质的线状谱就可鉴别其组成成分
C．高温物体发出的光通过物质后的光谱上的暗线反映了高温物体的组成成分
D．同一种物质的线状谱与吸收光谱上的暗线由于光谱的不同，它们没有关系
答案 B
7．如图1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( )
图1
A．a元素 B．b元素
C．c元素 D．d元素
答案 B
解析 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．
8．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．只有线状谱可用作光谱分析
D．光谱分析帮助人们发现了许多新元素
答案 AD
解析 光谱分为发射光谱和吸收光谱，发射光谱分为连续谱和线状谱，A正确；太阳光谱是吸收光谱，B错误；线状谱和吸收光谱都可用作光谱分析，C错误；光谱分析可
以精确分析物质中所含元素，并能帮助人们发现新元素，D正确．
9．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气
C．使炽热固体发出的白光通过低温钠蒸气
D．使炽热固体发出的白光通过高温钠蒸气
答案 BC
解析 炽热固体发出的光形成连续谱，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气时，某些波长的光被吸收产生钠的吸收光谱，C正确，D错误．
10．有关氢原子光谱的说法正确的是( )
A．氢原子的发射光谱是连续谱
B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光
C．氢原子光谱说明氢原子的能级是分立的
D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关
答案 BC
解析 氢原子的发射光谱是线状谱，故选项A错误；氢原子光谱说明：氢原子只能发出特定频率的光，氢原子能级是分立的，故选项B、C正确；由玻尔理论知氢原子发射出的光子能量由前、后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En，故选项D错误．
第3章 原子世界探秘
章末总结
一、麦克斯韦的电磁场理论
1．两个基本论点
(1)变化的磁场产生电场，可从以下三个方面理解：
①恒定的磁场不产生电场
②均匀变化的磁场产生恒定的电场
③周期性变化的磁场产生同频率的周期性变化的电场
(2)变化的电场产生磁场，也可从以下三个方面理解：
①恒定的电场不产生磁场
②均匀变化的电场产生恒定的磁场
③周期性变化的电场产生同频率的周期性变化的磁场
2．感应电场方向的判定
变化的磁场产生的感应电场的方向，与存在闭合回路时产生的感应电流的方向是相同的．
例1 关于麦克斯韦的电磁场理论，下列说法正确的是( )
A．稳定的电场产生稳定的磁场
B．均匀变化的电场产生均匀变化的磁场，均匀变化的磁场产生均匀变化的电场
C．变化的电场产生的磁场一定是变化的
D．振荡的电场周围空间产生的磁场也是振荡的
答案 D
解析 麦克斯韦的电磁场理论要点是：变化的磁场(电场)要在周围空间产生电场(磁场)，若磁场(电场)的变化是均匀的，产生的电场(磁场)是稳定的，若磁场(电场)的变化是振荡的，产生的电场(磁场)也是振荡的，由此可判定正确答案为D项．
二、LC回路的电磁振荡规律
1．两个过程
电磁振荡过程按电容器的电荷量变化可分为充、放电过程，如图1所示．
图1
(1)充电
当电容器的电荷量增加时为充电过程，这个过程电路中的电流减小．
(2)放电
当电容器的电荷量减小时为放电过程，这个过程电路中的电流增加．
注意：在任意两个过程的分界点对应的时刻，各物理量取特殊值(零或最大值)．
2．两类物理量
一类是与电场有关的物理量，一类是与磁场有关的物理量．
(1)电流i，它决定了磁场能的大小．振荡电流i在电感线圈中形成磁场，因此，线圈中的磁感应强度B、磁通量Φ和磁场能E磁具有与之相同的变化规律．
(2)电荷量q，它决定了电场能的大小．电容器两极板间的电压U、电场强E、电场能E电、线圈的自感电动势E具有与之相同的变化规律．
注意：电流i和电荷量q的变化不同步，规律如图1所示．
例2 (多选)如图2所示的LC振荡电路，当开关S转向右边发生振荡后，下列说法中正确的是( )
图2
A．振荡电流达到最大值时，电容器上的带电荷量为零
B．振荡电流达到最大值时，磁场能最大
C．振荡电流为零时，电场能为零
D．振荡电流相邻两次为零的时间间隔等于振荡周期的一半
答案 ABD
解析 由LC电路电磁振荡的规律知，振荡电流最大时，即是放电刚结束时，电容器上电荷量为零，A对．电路中电流最大时，线圈中磁场最强，磁场能最大，B对．振荡电流为零时，充电结束，极板上电荷量最大，电场能最大，C错．振荡电流相邻两次为零的时间间隔恰好等于半个周期，D对．
三、电磁波的传播特点及应用
1．电磁波谱
无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线(X射线)、γ射线等合起来，便构成了范围非常广阔的电磁波谱．
2．各种不同的电磁波既有共性，又有个性
(1)共性：它们在本质上都是电磁波，它们的行为服从相同的规律，都满足公式v＝fλ，它们在真空中的传播速度都是c＝3.0×108 m/s，它们的传播都不需要介质，各波段之间的区别并没有绝对的意义．
(2)个性：不同电磁波的频率或波长不同，表现出不同的特性．波长越长越容易产生干涉、衍射现象，波长越短观察干涉、衍射现象越困难．正是这些不同的特性决定了它们不同的用途．
例3 (多选)下列有关电磁波的说法中正确的是( )
A．电磁波谱中最难发生衍射的是无线电波
B．电磁波谱中最难发生衍射的是γ射线
C．频率大于可见光的电磁波表现为沿直线传播
D．雷达用的是微波，因为微波传播的直线性好
答案 BCD
解析 波长越长，越容易发生衍射现象，在电磁波中，无线电波波长最长，γ射线的波长最短，故选项A错误，B正确；波长越短，频率越大的电磁波，其衍射现象越不明显，传播的直线性越好，遇到障碍物反射性越好，故C、D正确．
四、电磁波和机械波的比较
电磁波和机械波都是波，但又各有自己的特点，如能正确比较电磁波和机械波的异同，就能全面、透彻理解这两个知识点．
1．电磁波和机械波的共同点
(1)二者都能产生干涉和衍射；
(2)介质决定二者的传播速度；
(3)二者在不同介质中传播时频率不变．
2．电磁波和机械波的区别
(1)二者本质不同
电磁波是电磁场的传播，机械波是质点机械振动的传播．
(2)传播机理不同
电磁波的传播机理是电磁场交替感应，机械波的传播机理是质点间的机械作用．
(3)电磁波传播不需要介质，而机械波传播需要介质．
(4)电磁波是横波，机械波既有横波又有纵波，甚至有的机械波同时有横波和纵波，例如地震波．
例4 声呐向水中发射的超声波遇到障碍物后被反射，测出从发出超声波到接收到反射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位；雷达则向空中发射电磁波，遇到障碍物后被反射，同样根据发射电磁波到接收到反射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位．超声波和电磁波相比较，下列说法中正确的是( )
A．超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量
B．超声波与电磁波都既可以在真空中传播，又可以在介质中传播
C．在空气中传播的速度与在其他介质中传播的速度相比，均在空气中传播时具有较大的传播速度
D．超声波与电磁波相遇时可能会发生干涉
答案 A
解析 超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量、信息，故选项A正确；声呐发出的超声波是机械波，需要传播介质，不可以在真空中传播，故选项B错误；机械波在空气中传播时速度较小，在其他介质中传播时速度大，而电磁波恰相反，故选项C错误；超声波和电磁波不是同一类波，不可能发生干涉，故选项D错误.
1．(多选)下列关于电磁场的说法正确的是( )
A．只要空间某处有变化的电场或磁场，就会在其周围产生电磁场，从而形成电磁波
B．匀速运动的电子束周围一定存在电磁场，即能产生电磁场
C．周期性变化的电场和周期性变化的磁场交替产生，相互依存，形成不可分离的统一体，即电磁场
D．历史上，电磁场的理论在先，实践证明在后
答案 CD
2．关于电磁场和电磁波，下列说法中正确的是( )
A．电磁波是纵波
B．静止的电荷放在变化的磁场中不会受到力的作用
C．当电磁波在空间中传播时，电磁能也随着一起传播
D．电磁波的传播速度与介质无关
答案 C
解析 电磁波是变化的电场和磁场交替出现产生的．电场、磁场的传播方向相互垂直，因此电磁波是横波，故选项A错；变化的磁场产生电场，电场对电荷有力的作用，故选项B错；电磁波传播过程中，遇到导体能产生感应电流，说明电磁波在传播过程中也传播能量，故C正确；电磁波传播的速度与介质有关，在不同介质中传播的速度不同，故选项D错．
3．类比是一种有效的学习方法，通过归类和比较，有助于掌握新知识，提高学习效率．在类比过程中，既要找出共同之处，又要抓住不同之处．某同学对机械波和电磁波进行类比，总结出下列内容，其中不正确的是( )
A．机械波的频率、波长和波速三者满足的关系，对电磁波也适用
B．机械波和电磁波都能产生干涉和衍射现象
C．机械波的传播依赖于介质，而电磁波可以在真空中传播
D．机械波既有横波又有纵波，而电磁波只有纵波
答案 D
解析 机械波和电磁波有相同之处，也有本质区别，如v＝λf都适用，A说法对；机械波和电磁波都可以产生干涉和衍射现象，B说法对；机械波的传播依赖于介质，电磁波可以在真空中传播，C说法对；机械波有横波和纵波，而电磁波是横波，D说法错．
4．(多选)关于电磁波谱中各波段的特性及应用的特性，下列说法正确的是( )
A．红外遥感是利用了红外线波长较长的特点
B．一切物体都在不停地辐射红外线，温度越高，辐射越强
C．验钞机检验钞票真伪利用了紫外线的荧光作用
D．X射线可深入人的骨骼，杀死病变细胞
答案 ABC
解析 在人体内杀死病变细胞是利用了γ射线的放射作用．
5．如图3所示，i—t图像表示LC振荡回路的电流随时间变化的图像，在t＝0时刻，回路中电容器的M板带正电，在某段时间里，回路的磁场能在减小，而M板仍带正电，则这段时间是图中( )
图3
A．Oa段 B．ab段 C．bc段 D．cd段
答案 D
解析 某段时间里，回路的磁场能在减小，说明回路中的电流正在减小，正在给电容器充电，而此时M带正电，那么一定是给M极板充电，电流方向为顺时针．由题意知t＝0时，电容器开始放电，且M极板带正电，结合i—t图像可知，电流以逆时针方向为正方向，因此这段时间内，电流为负，且正在减小，符合条件的只有图像中的cd段，故只有D正确．
