高中物理人教版选修3-5课后练习质量检测卷 第18章　原子结构word含解析

原子结构
(时间：90分钟　满分：100分)
一、单选题(本题共8小题，每小题3分，共24分)
1．根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景．图中实线表示α粒子的运动轨迹．则关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)
A．图中大角度偏转的α粒子的电势能先减小后增大
B．图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核发生了碰撞
C．绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小
D．根据α粒子散射实验可以估算原子大小
解析：选C　题图中大角度偏转的α粒子所受的电场力先做负功，后做正功，则其电势能先增大后减小，A错误；题图中的α粒子反弹是因为α粒子与金原子核之间的库仑斥力作用，阻碍α粒子运动，但是并没有发生碰撞，B错误；绝大多数α粒子沿原方向继续前进说明了带正电的原子核占据原子的空间很小，C正确；根据α粒子散射实验可以估算原子核大小，D错误．
2．1996年，物理学家利用加速器“制成”反氢原子，反氢原子是由一个反质子和一个绕它运动的正电子组成，反质子与质子质量相同，电荷量为－e.关于氢原子和反氢原子，下列说法中正确的是(　　)
A．它们的原子能级不同
B．它们的原子光谱相同
C．反氢原子中正电子绕反质子的运动具有确定的轨道
D．氢原子和反氢原子以大小相等的速度对心碰撞发生湮灭，只能放出一个光子
解析：选B　因为正电子绕反质子的运动情况与氢原子的完全相同，故反氢原子和氢原子的能级相同，光谱也相同，故A错，B对；电子运动的轨道只是电子出现概率大的地方，正电子的运动同样无确定的轨道，故C错；只放出一个光子时不能满足碰撞时动量守恒，故D错．
3．(2019·鞍山一中期末)处于n＝4能级的大量氢原子，向低能级跃迁的过程中，只有一种光子照射某金属时不能发生光电效应，则此光子为(　　)
A．从n＝3能级跃迁到基态发出的光子
B．从n＝2能级跃迁到基态发出的光子
C．从n＝4能级跃迁到n＝3能级发出的光子
D．从n＝4能级跃迁到n＝2能级发出的光子
解析：选C　这群氢原子能发出六种频率不同的光子，其中从n＝4跃迁到n＝3所发出的光子能量最小，选项C正确．
4．(2018·西南大学附中期末)许多物质在紫外线照射下能发出荧光，紫外线照射时，这些物质的原子先后发生两次跃迁，其能量变化分别为ΔE1和ΔE2，则下列说法正确的是(　　)
A．两次跃迁均向高能级跃迁，且ΔE1>ΔE2
B．两次跃迁均向低能级跃迁，且ΔE1<ΔE2
C．先向高能级跃迁，再向低能级跃迁，且ΔE1>ΔE2
D．先向低能级跃迁，再向高能级跃迁，且ΔE1<ΔE2
解析：选C　第一次跃迁是吸收紫外线光子，第二次跃迁是放出可见光光子，由于hν1>hν2，故ΔE1>ΔE2，选项C正确．
5．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能级辐射出的电磁波的波长长
B．从n＝5能级跃迁到n＝1能级比从n＝5能级跃迁到n＝4能级辐射出的电磁波在真空中的速度大
C．处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的
D．从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量
解析：选A　从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光子能量小，则辐射的光子频率小，所以辐射的电磁波的波长长，故A正确；频率不同的电磁波在真空中的速度相同，故B错误；处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率不同，故C错误；由高能级向低能级跃迁，氢原子向外辐射能量，不是原子核辐射能量，故D错误．
6．(2019·建平中学期末)如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为 2.49 eV的金属钠，下列说法正确的是(　　)
A．这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝2所发出的光波长最短
B．这群氢原子能发出两种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝1所发出的光频率最高
C．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为11.11 eV
D．金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为9.60 eV
解析：选D　这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从n＝3跃迁到n＝2所发出的光波长最长，选项A、B错误；金属钠表面所发出的光电子的初动能最大值为(－1.51＋13.6－2.49) eV＝9.60 eV，选项D正确，C错误．
7．(2018·北大附中模拟)核磁共振成像是一种人体不接触放射线，对人体无损害，可进行人体多部位检查的医疗影像技术．其基本原理是：当外来电磁波满足一定条件时，可使处于强磁场中的人体内含量最多的氢原子吸收电磁波的能量，去掉外来电磁波后，吸收了能量的氢原子又把这部分能量以电磁波的形式释放出来，形成核磁共振信号．由于人体内各种组织所含氢原子数量不同，或同种组织正常与病变时所含氢原子数量不同，释放的能量亦不同，将这种能量信号通过计算机转换成图象，就可以用来诊断疾病．下列关于人体内氢原子吸收的电磁波能量的说法正确的是(　　)
A．任何频率的电磁波氢原子均可吸收
B．频率足够高的电磁波氢原子才吸收
C．能量大于13.6 eV的电磁波氢原子才能吸收
D．氢原子只能吸收某些频率的电磁波
解析：选D　根据玻尔理论，只有能量刚好等于氢原子两个能级差的光子(电磁波)才能被氢原子吸收，故选项D正确，A、B、C错误．
8．如图所示为氢原子能级图，氢原子中的电子从n＝4能级跃迁到n＝1能级可产生a光；从n＝3能级跃迁到n＝1能级可产生b光，a光和b光的波长分别为λa和λb，a、b两光照射逸出功为4.5 eV的金属钨表面均可产生光电效应，遏止电压分别为Ua和Ub，则(　　)
A．λa>λb
B．UaC．a光的光子能量为12.55 eV
D．b光照射金属钨产生的光电子的最大初动能Ekb＝7.59 eV
解析：选D　根据能级跃迁知识得：＝E4－E1＝－0.85－(－13.6)＝12.75 eV，＝E3－E1＝－1.51－(－13.6)＝12.09 eV，显然a光子的能量为12.75 eV，大于b光子的能量，a光子的波长要短，故A、C错误；根据光电效应可知，最大初动能Ek＝－W0，所以a光照射后的最大初动能为Eka＝12.75－4.5＝8.25 eV，b光照射后的最大初动能为Ekb＝12.09－4.5＝7.59 eV.根据eU遏＝Ekm，可知遏止电压：Ua>Ub，故B错误，D正确．
二、多选题(本题共7小题，每小题3分，共21分)
9．关于特征谱线的说法正确的是(　　)
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
解析：选AD　各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线是一一对应的，所以明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线，吸收光谱中的暗线也是特征谱线，故A正确，B、C错误；各种原子的明线光谱中的明线和它吸收光谱中的暗线是一一对应的，都有各自的特征，故D正确．
10．(2018·枣庄八中模拟)根据玻尔理论，下列说法正确的是(　　)
A．原子处于定态时，虽然电子做变速运动，但并不向外辐射能量
B．氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，电势能的减少量大于动能的增加量
C．氢原子可以吸收小于使氢原子电离的任意能量的光子，因而轨道半径可以连续增大
D．电子没有确定轨道，只存在电子云
解析：选AB　根据玻尔理论，原子处于定态时，虽然电子做变速运动，但并不向外辐射能量，选项A正确；氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，要释放一定频率的光子，电势能的减少量大于动能的增加量，选项B正确；氢原子可以吸收小于使氢原子电离的某些特定能量的光子，从基态跃迁到激发态，轨道半径只能取某些特定值，选项C错误；根据玻尔理论可知，选项D错误．
11．(2019·荆门龙泉中学期中)如图所示的氢原子能级图，可见光的能量范围为1.62～3.11 eV，用可见光照射大量处于n＝2能级的氢原子，可观察到多条谱线，若是用能量为E的实物粒子轰击大量处于n＝2能级的氢原子，至少可观察到两条具有显著热效应的红外线，则(　　)
A．一定有4.73 eV>E>1.62 eV
B．E的值可能使处于基态的氢原子电离
C．E一定大于2.86 eV
D．E的值可能使基态氢原子产生可见光
解析：选BD　红外线光子能量小于可见光光子能量，由实物粒子轰击大量处于n＝2能级的氢原子，至少可观察到两种红外线光子，说明处于n＝2能级的氢原子受激发后至少跃迁到n＝5，所以实物粒子的最小能量为E＝E5－E2＝2.86 eV，所以选项A、C错误；因为E可以为大于或等于2.86 eV的任意值，所以选项B、D正确．
12．(2018·莆田一中模拟)如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在自发跃迁中放出光子，用放出的光子照射逸出功为2.25 eV的钾，下列说法正确的是(　　)
A．这群氢原子能发出3种不同频率的光
B．这群氢原子发出的光子均能使金属钾发生光电效应
C．金属钾表面逸出的光电子最大初动能一定小于12.09 eV
D．金属钾表面逸出的光电子最大初动能一定等于9.84 eV
解析：选ACD　一群氢原子处在n＝3能级，有C32＝3种频率的光辐射出来，选项A正确；根据发生光电效应的条件，只有能量大于2.25 eV的光子才能使金属钾发生光电效应，从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射光子能量只有1.89 eV，选项B错误；能量最大的光子为从n＝3能级跃迁到n＝1能级发射的光子，能量为12.09 eV，金属钾表面逸出的光电子的最大初动能等于(12.09－2.25)eV＝9.84 eV，选项C、D正确．
13.氢原子能级图如图所示，a、b、c分别表示原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设a、b、c在跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和λa、λb、λc，若a光恰能使某金属产生光电效应，则(　　)
A．λa＝λb＋λc
B.＝＋
C．Eb＝Ea＋Ec
D．c光也能使该金属产生光电效应
解析：选BC　Ea＝E2－E1，Eb＝E3－E1，Ec＝E3－E2，故Eb＝Ea＋Ec，C项正确；又因为E＝hν＝h，故＝＋，A项错误，B项正确；a光恰能使某金属产生光电效应，而Ea>Ec，故c光不能使该金属产生光电效应，D项错误．
14．用具有一定动能的电子轰击大量处于基态的氢原子，使这些氢原子被激发到量子数为n(n>2)的激发态，此时出现的氢光谱中有N条谱线，其中波长的最大值为λ.现逐渐提高入射电子的动能，当动能达到某一值时，氢光谱中谱线数增加到N′条，其中波长的最大值变为λ′.下列各式中可能正确的是(　　)
A．N′＝N＋n B．N′＝N＋n－1
C．λ′>λ D．λ′<λ
解析：选AC　氢原子处于n能级向基态跃迁时，可能产生的光谱线条数的计算公式为N＝Cn2＝.设氢原子被激发到量子数为n′的激发态时出现的氢光谱中有N′条谱线，若n′＝n＋1，N′＝＝N＋n，故A项正确；氢原子能级越高相邻能级差越小，由ΔE＝，n′>n，则ΔE′<ΔE，所以λ′>λ，故C项正确．
15．用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线．调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了5条．用Δn表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量．根据氢原子的能级图，如图所示，可以判断，Δn和E的可能值为(　　)
A．Δn＝1,13.22 eV≤E<13.32 eV
B．Δn＝2,13.22 eV≤E<13.32 eV
C．Δn＝1,12.75 eV≤E<13.06 eV
D．Δn＝2,12.75 eV≤E<13.06 eV
解析：选AD　设原来光谱线数目Cm2＝，调高电子的能量后，光谱线数目Cn2＝.依题意有Cn2－Cm2＝5，得两组解：n＝4，m＝2或n＝6，m＝5.故当Δn＝2时，E4－E1≤E三、非选择题(本题共5小题，共55分)
16．(10分)已知氢原子的基态电子轨道半径为r1＝0.528×10－10 m，量子数为n的能级值为En＝－ eV.
(1)求电子在基态轨道上运动的动能；
(2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态，画一张能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几种光谱线．(静电力常量k＝9×109 N·m2/C2，电子电荷量e＝1.6×10－19 C)
解析：(1)核外电子绕核做匀速圆周运动，静电引力提供向心力，则
＝
又知Ek＝mv2
故电子在基态轨道的动能为
Ek＝＝ J＝13.6 eV.
(2)当n＝1时，能级值为
E1＝ eV＝－13.6 eV
当n＝2时，能级值为
E2＝ eV＝－3.4 eV
当n＝3时，能级值为
E3＝ eV＝－1.51 eV
能发出光谱线分别为3→2,2→1,3→1共三种，能级图如图所示．
答案：(1)13.6 eV　(2)见解析
17．(10分)将氢原子电离，就是从外部给电子以能量，使其从基态或激发态脱离原子核的束缚而成为自由电子，若要使n＝2激发态的氢原子电离．
(1)至少要用多大频率的电磁波照射该氢原子？
(2)若用波长为200 nm的紫外线照射氢原子，求氢原子电离后电子的速度多大？(电子电荷量e＝1.6×10－19 C，电子质量me＝0.91×10－30 kg)
解析：(1)n＝2时，E2＝ eV＝－3.4 eV
所谓电离，就是使处于基态或激发态的原子的核外电子跃迁到n＝∞的轨道，n＝∞时，E∞＝0
所以，要使处于n＝2激发态的氢原子电离，电离能为
ΔE＝E∞－E2＝3.4 eV
ν＝＝ Hz
≈8.21×1014 Hz.
(2)波长为200 nm的紫外线一个光子所具有的能量
E0＝h·ν0＝6.63×10－34× J
＝9.945×10－19 J
n＝2时，
电离能ΔE＝3.4×1.6×10－19 J＝5.44×10－19 J
由能量守恒有hν0－ΔE＝mv2
代入数值解得v≈9.95×105 m/s.
答案：(1)8.21×1014 Hz　(2)9.95×105 m/s
18．(10分)(2019·辛集中学模拟)实验室考查氢原子跃迁时的微观效应．已知氢原子能级图如图所示，氢原子质量为mH＝1.67×10－27 kg.设原来处于静止状态的大量激发态氢原子处于n＝5的能级状态．
(1)这些氢原子由高能级向低能级跃迁时，可能发射出多少种不同频率的光？
(2)若跃迁后光子沿某一方向飞出，且光子的动量可以用p＝表示(h为普朗克常量，ν为光子频率，c为真空中光速)，求发生电子跃迁后氢原子的最大反冲速率．(保留3位有效数字，1 eV＝1.60×10－19 J)
解析：(1)不同频率的光的种类为N＝C52＝＝10.
(2)由动量守恒mHvH＝p光子＝知
当ν最大时，反冲速率vH最大
又hνmax＝E5－E1＝－0.54 eV－(－13.6 eV)＝13.06 eV＝2.09×10－18 J
故最大反冲速率vH′＝＝ m/s＝4.17 m/s.
答案：(1)10　(2)4.17 m/s
19.(12分)汤姆孙1897年用阴极射线管测量了电子的比荷(电子电荷量与质量之比)，其实验原理如图所示，电子流平行于极板射入，极板P、P′间同时存在匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流不会发生偏转；极板间只存在垂直纸面向里的匀强磁场B时，电子流穿出平行板电容器时的偏转角θ＝ rad.已知极板长L＝3.0×10－2 m，电场强度大小为E＝1.5×104 V/m，磁感应强度大小为B＝5.0×10－4 T．求电子比荷．
解析：无偏转时，洛伦兹力和电场力平衡，则eE＝evB只存在磁场时，有evB＝m
由几何关系有r＝
偏转角很小时，r≈
联立上述各式并代入数据得电子的比荷
＝≈1.3×1011 C/kg.
答案：1.3×1011 C/kg
20.(13分)氢原子从－3.4 eV的能级跃迁到－0.85 eV的能级时，是发射还是吸收光子？这种光子的波长是多少(计算结果取一位有效数字)？图中光电管用金属材料铯制成，电路中定值电阻R0＝0.75 Ω，电源电动势E＝1.5 V，内阻r＝0.25 Ω，图中电路在D点交叉，但不相连．R为滑动变阻器，O是变阻器的中间抽头，位于变阻器的正中央，P为滑动端．从变阻器的两端点a、b可测得其总阻值为14 Ω.当用上述氢原子两能级间跃迁而发射出来的光照射图中的光电管，欲使电流计G中电流为零，变阻器aP间阻值应为多大？已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，金属铯的逸出功为1.9 eV.
解析：因氢原子是从低能级向高能级跃迁，故应是吸收光子．
因为ΔE＝E1－E2＝hν
ν＝
所以λ＝＝ m≈5×10－7 m
因为hν＝E1－E2＝3.4 eV－0.85 eV＝2.55 eV
所以入射光光子的能量大于铯的逸出功，故光电管会发射光电子．根据爱因斯坦光电效应方程可得光电子的最大初动能
Ek＝hν－W＝2.55 eV－1.9 eV＝0.65 eV
由动能定理eU＝ΔEk可知，欲使G表中电流为零，必须在光电管上加上0.65 eV的反向电压．故滑动头须滑向a端．
电源所在的主干路的电流
I＝＝ A＝0.1 A
变阻器滑动头P与中点O间的电阻
ROP＝＝6.5 Ω
所以aP间电阻
RaP＝－ROP＝ Ω－6.5 Ω＝0.5 Ω.
答案：吸收　5×10－7 m　0.5 Ω