高中物理粤教版选修3-5学案 第三章+章末盘点知识整合与阶段检测+Word版含解析

原子结构之谜
考点一
原子核式结构
1.α粒子散射实验
(1)实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向运动；少数α粒子有较大的偏转；极少数α粒子的偏角超过90°，有的甚至达到180°。
(2)实验分析：除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心一个很小的核上，否则α粒子的大角度散射是不可能的。
(3)实验意义：否定了汤姆生的原子模型，建立了原子的核式结构模型。
2．原子的核式结构模型
内容：原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，电子绕核运转。
[例1]　[多选]对α粒子散射实验装置的描述，下列说法正确的是 (　　)
A．主要实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜
B．金箔的厚薄对实验无影响
C．如果改用铝箔就不能发生散射现象
D．实验装置放在真空中
[解析]　α粒子散射的实验是指用α粒子轰击很薄的金箔(或铝箔)物质层，通过观察α粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子结构的信息，为准确观察α粒子的偏转情况，荧光屏和显微镜能够围绕金箔转，且整个装置放在真空环境中。
[答案]　AD
考点二
玻 尔 理 论
1.玻尔原子模型
原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的轨道是量子化的，电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。
2．玻尔理论的两个基本假设
(1)定态假设。
原子系统中存在具有确定能量的定态，原子处于定态时，电子绕核运动不辐射也不吸收能量。
(2)跃迁假设。
原子系统从一个定态过渡到另一个定态，伴随着光子的发射和吸收。
3．对玻尔理论的理解
(1)量子化观点：电子的可能轨道半径、原子的能量、原子跃迁辐射或吸收光子的频率都只能是分立的、不连续的值。
(2)对应关系：电子处于某一可能轨道对应原子的一种能量状态。
(3)定态观点：电子在某一可能轨道上运动时，原子是不向外辐射电磁波的，轨道与能量是稳定的。
(4)跃迁观点：原子辐射或吸收一定频率的光子就是因为跃迁。
①原子吸收光子能量是有条件的，只有等于某两个能级差时才被吸收发生跃迁。
②如果入射光的能量E≥13.6 eV，也能被原子吸收，但原子被电离。
③用粒子碰撞的方法使原子能级跃迁时，粒子能量大于能级差即可。
4．理解氢原子的能级图时应明确的几点
(1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态，氢原子可以有很多个定态。
(2)横线左端的数字1,2,3…表示量子数。
(3)横线右端的数字－13.6，－3.40，－1.51…表示氢原子各定态的能量值(能级)，由能量图可以看出，量子数n＝1的定态(基态)能量值最小，量子数越大，能量值越大，En＝E1。
(4)相邻横线间的距离不相等，表示任意两个相邻能级之间的差值是不相等的。
(5)带箭头的竖直线表示原子由较高能级向较低能级跃迁。
[例2]　[多选](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656 nm。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
[解析]　根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，当氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长一定小于656 nm，因此A选项错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，所以C选项正确。
[答案]　CD
(时间：60分钟　满分：100分)
一、单项选择题(共7小题，每小题5分，共35分)
1．在卢瑟福提出原子核式结构的实验基础α粒子散射实验中，大多数α粒子穿越金箔后仍然沿着原来的方向运动，其较为合理的解释是(　　)
A．α粒子穿越金箔时距离原子核较近
B．α粒子穿越金箔时距离原子核较远
C．α粒子穿越金箔时没有受到原子核的作用力
D．α粒子穿越金箔时受到原子与电子的作用力构成平衡力
解析：选B　根据α粒子散射实验现象，卢瑟福提出了原子的核式结构，认为原子的中心有一个很小的核，聚集了原子的全部正电荷和几乎全部质量，当大多数α粒子穿越金箔时距离金原子核较远，所以受到原子核的作用力较小，大多数α粒子仍然沿着原来的方向运动，选项B对。
2．关于下列四幅图，说法正确的是(　　)
A．玻尔原子理论的基本假设认为，电子绕核运行的轨道半径是任意的
B．光电效应产生的条件为光强大于临界值
C．电子束通过铝箔时的衍射图样证实了运动电子具有波动性
D．发现少数α粒子发生了较大角度偏转，说明金原子质量大而且很坚硬
解析：选C　根据玻尔理论可知，电子的轨道不是任意的，电子有确定的轨道，且轨道是量子化的，故A错误。光电效应实验产生的条件为光的频率大于极限频率，故B错误。电子束通过铝箔时的衍射图样证实了电子具有波动性，故C正确。发现少数α粒子发生了较大角度偏转，说明原子的质量绝大部分集中在很小空间范围，故D错误。
3．关于阴极射线的性质，下列说法正确的是(　　)
A．阴极射线是电子打在玻璃管壁上产生的
B．阴极射线本质是电子
C．阴极射线在电磁场中的偏转表明阴极射线带正电
D．阴极射线的荷质比比氢原子小
解析：选B　阴极射线是原子受激发射出的电子流，故A、C错，B对。电子带电量与氢原子相同，但质量比氢原子小很多，故其荷质比比氢原子大，D错。
4.氢原子的能级图如图所示。欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子，氢原子需要吸收的能量至少是(　　)
A．13.60 eV
B．10.20 eV
C．0.54 eV
D．27.20 eV
解析：选A　要使氢原子变成氢离子，使氢原子电离，需要吸收的能量ΔE≥En－E1＝0－(－13.60 eV)＝13.60 eV，故选项A对。
5.氮原子被电离出一个核外电子，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，氦离子的能级示意图如图所示，在具有下列能量的光子或者电子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是(　　)
A．42.8 eV(光子)　　　 B．43.2 eV(电子)
C．41.0 eV(电子) D．54.4 eV(光子)
解析：选A　若原子吸收光子而被激发，光子的能量恰好等于两能级的能级差，才能被吸收，光子能量E≥54.4 eV，才能使氢原子电离，故A项中光子不能被吸收，D项中光子能被吸收。而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级差，均可能被吸收，故B、C项中电子均能被吸收。
6．氢原子辐射出一个光子后，则(　　)
A．电子绕核旋转半径增大
B．电子的动能增大
C．氢原子电势能增大
D．原子的能级值增大
解析：选B　由玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，电子应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道，在此跃迁过程中，电场力对电子做了正功，因而电子电势能应减小。另由经典电磁理论，电子绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力：k，所以Ek＝mv2＝。可见，电子运动半径越小，其动能越大。再结合能量转化与守恒定律，氢原子放出光子，辐射出一定的能量，所以原子的总能量减少，故B选项正确。
7．氢原子从能量为E1的较高激发态跃迁到能量为E2的较低激发态，设真空中的光速为c，则(　　)
A．吸收光子的波长为
B．辐射光子的波长为
C．吸收光子的波长为
D．辐射光子的波长为
解析：选D　由玻尔理论的跃迁假设，当氢原子由较高的能级向较低的能级跃迁时辐射光子，故A、C错；由关系式ν＝和λ＝，得辐射光子的波长λ＝，故B错，D对。
二、多项选择题(共5小题，每小题5分，共25分。全选对得5分，选不全得3分，选错或不选不得分)
8．如图所示是汤姆孙的阴极射线管的示意图，下列说法中正确的是(　　)
A．若在D1、D2两极板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、D2两极板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、D2两极板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、D2两极板之间加上垂直纸面向里的磁场，则阴极射线不偏转
解析：选AC　实验证明，阴极射线是电子流，它在电场中偏转时应偏向带正电的极板一侧，选项C正确，B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，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正确。
9.氢原子能级图的一部分如图所示，a，b，c分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a，b，c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是Ea，Eb，Ec和λa，λb，λc则(　　)
A．λb＝λa＋λc　　　　　　 B.＝＋
C．λb＝λa·λc D．Eb＝Ea＋Ec
解析：选BD　由氢原子辐射规律可知，Eb＝En＋2－En，Ea＝En＋2－En＋1，Ec＝En＋1－En，则Ea＋Ec＝En＋2－En＋1＋En＋1－En＝En＋2－En＝Eb，即D正确。由E＝hν＝得Ea＝，Eb＝，Ec＝，Eb＝＝Ea＋Ec＝＋，即＝＋，故B正确，选BD。
10．氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时，可发出三种不同波长的光。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CD　设另一个波长可能是λ3，当λ1＞λ2＞λ3时，氢原子在三个相邻的能级之间发生跃迁，辐射光子的能量关系为＋＝，可得λ3＝，C选项正确。当λ1＞λ3＞λ2或λ3＞λ1＞λ2时，同理可得＋＝，得λ3＝，D选项正确。
11．以下说法正确的是(　　)
A．在一个氢原子的某一次跃迁中，可以发出一系列不同频率的光子
B．在一个氢原子的某一次跃迁中，可以发出若干个同一频率的光子
C．一个处于n＝4能级的氢原子向基态跃迁时，最多发出3种频率的光子
D．一群处于n＝4级能的氢原子在某一时刻发出的光中可以包含6种不同频率的光子
解析：选CD　一个氢原子在一次跃迁中，只能发出一个某一频率的光子，A、B选项错误。一个氢原子在从n＝4能级跃迁到基态时，最多可跃迁3次，即n＝4→n＝3，n＝3→n＝2，n＝2→n＝1，故最多可发出3种不同频率的光子，C选项正确。大量氢原子处于n＝4能级发生跃迁时，各种可能的跃迁方式都可能发生，故发出的光子包含了N＝C＝6种不同频率的光子，D选项正确。
12．19世纪初，爱因斯坦提出光子理论，使得光电效应现象得以完美解释，玻尔的氢原子模型也是在光子概念的启发下提出的。关于光电效应和氢原子模型，下列说法正确的是(　　)
A．光电效应实验中，入射光足够强就可以有光电流
B．若某金属的逸出功为W0，该金属的截止频率为
C．保持入射光强度不变，增大入射光频率，金属在单位时间内逸出的光电子数将减小
D．一群处于第四能级的氢原子向基态跃迁时，将向外辐射六种不同频率的光子
E．氢原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量可以稍大于两能级间能量差
解析：选BCD　发生光电效应的条件是入射光频率大于极限频率，并不是光足够强，就能发生光电效应，故A错误；金属的逸出功W0＝hν，得：ν＝，故B正确；一定强度的入射光照射某金属发生光电效应时，入射光的频率越高，单个光子的能量值越大，光子的个数越少，单位时间内逸出的光电子数就越少，故C正确；一群处于第四能级的氢原子向基态跃迁的过程中，根据C＝6知，最多将向外辐射六种不同频率的光子，故D正确；氢原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量等于两能级间能量差，故E错误。
三、非选择题(共2小题，共40分，计算题要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要注明单位)
13．(16分)已知氢原子的能级公式En＝－eV，(n＝1,2,3…)某金属的极限波长恰等于氢原子由n＝4能级跃迁到n＝2能级所发出的光的波长，现在用氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1能级时发出的光去照射，则从该金属表面逸出的光电子最大初动能是多少电子伏？
解析：由题意可知：E1＝－13.6 eV，E2＝－3.4 eV，
E4＝－0.85 eV
金属的逸出功
W0＝E4－E2＝－0.85 eV－(－3.4)eV
＝2.55 eV
氢原子由n＝2能级跃迁到n＝1的能级发出的光子能量
ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6) eV
＝10.2 eV
故用光子照射金属时光电子的最大初动能
Ekm＝ΔE－W0
＝10.2 eV－2.55 eV＝7.65 eV
答案：7.65 eV
14．(24分)(1)已知基态He＋的电离能为E＝54.4 eV，为使处于基态的静止的He＋跃迁到激发态，入射光子所需的最小能量为多少？
(2)静止的He＋从第一激发态跃迁到基态时，如果考虑到离子的反冲，与不考虑反冲相比，发射出的光子波长相差的百分比为多少(离子He＋的能级En与n的关系和氢原子能级公式类似，质子和中子的质量均取为1.67×10－27 kg)?
解析：(1)根据题意，得He＋的基态能量E1＝－54.4 eV。由于类氢离子能级与氢原子的能级类似，由He＋的能级公式为En＝
故有E2＝＝－13.6 eV。所以，入射光子所需的最小能量为ΔE＝E2－E1＝40.8 eV。
(2)静止的He＋从第一激发态跃迁到基态时，如果不考虑离子的反冲，设发射出的光子波长为λ1，则有E2－E1＝h
解得λ1＝
如果考虑到离子的反冲，反冲核是He＋，共两个质子和两个中子，设He＋的反冲速度为v，发射出的光子波长为λ2，根据动量守恒定律，有4mv＝
根据能量守恒定律，有E2－E1＝·4m·v2＋h
联立上式得λ2＝
综合所述，两种情况下发射的光子波长相差的百分比为
×100%＝×100%≈×100%＝×100%≈5.4×10－7%。
答案：(1)40.8 eV　(2)5.4×10－7%