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1、2012 届高考物理基础知识归纳:原子结构第 1 时原子结构基础知识归纳1 电子的发现和汤姆孙的原子模型电子的发现：1897 年英国物理学家汤姆孙，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子使人们认识到原子有复杂结构，揭开了研究原子的序幕汤姆孙的“枣糕” 模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里2 卢瑟福的核式结构模型(1) 粒子散射实验装置(2) 粒子散射实验的结果： 粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过 90，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到 180(3)核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核
2、，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核空间里绕着核旋转原子核所带的正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是呈电中性的电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力(4)从 粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为1011014 ，原子大小的数量级为 1010 3 氢原子光谱(1)光谱分为两类，一类称为线光谱，另一类称为连续光谱；(2)各种原子的发射光谱都是线状光谱，都只能发出几种特定频率的光，不同原子的发光频率是不同的，因此线状光谱称为原子的特征谱线，对光谱线进行分析，就可以确定发光物质，这种方法称为光谱分析(3)氢原子光谱可见光谱线波长可以用公式：
3、 表示，式中 R 称为里德伯常量，R11107 14 玻尔的原子模型(1)原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三个假设：定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态跃迁假设：原子从一个定态(设能量为 E2)跃迁到另一定态(设能量为 E1)时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即 hE2E1轨道量子化假设：原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应原子的能量不连续，因而电子可能轨道的
4、分布也是不连续的(2)玻尔的氢原子模型氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运动时原子的能量氢原子中电子在第 n 条可能轨道上运动时，氢原子的能量 En 和电子轨道半径 rn 分别为 En 、rnn2r1(n 1、2、3)其中 E1、r1 为离核最近的第一条轨道 (即 n1)的氢原子能量和轨道半径即 E1136 eV，r1031010 (以电子距原子核无穷远时电势能为零计算)氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级按能量的大小用图象表示出即能级图其中 n1 的定态称为基态，
5、n2 以上的定态，称为激发态原子核结构(1)汤姆孙发现电子，说明原子不是最小的微粒；卢瑟福 粒子散射实验，说明原子里存在一个很小的原子核；卢瑟福用 粒子轰击氮原子核，获得质子，说明原子核也不是最小的微粒(2)原子核是由质子和中子组成的；质子和中子统称为核子，原子核的核电荷数等于质子数，等于原子的核外电子数；原子核的质量数等于原子核内的核子数(3)质子数相同而中子数不同的原子核互称同位素，原子的化学性质决定于原子的核外电子数；同位素具有相同的质子数，相同的核外电子数，因而具有相同的化学性质重点难点突破一、为什么用 粒子散射实验研究原子结构原子结构无法直接观察到，要用高速粒子进行轰击，根据粒子的散
6、射情况分析判断原子的结构，而 粒子有足够的能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察 粒子的散射情况，所以选取 粒子进行散射实验二、氢原子怎样吸收能量由低能级向高能级跃迁此类问题可分为三种情况：1 光子照射氢原子，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收2 光子照射氢原子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用使电子电离，另一部分可用增加电子离开核的吸引后的动能3 当粒子与原子碰撞(如电子与氢原子碰撞) 时，由于粒子的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁典
7、例精析1 粒子散射实验与核式结构模型【例 1】卢瑟福通过对 粒子散射实验结果的分析，提出 ()A 原子的核式结构模型 B 原子核内有中子存在电子是原子的组成部分 D 原子核是由质子和中子组成的 高考资网SU【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的 粒子的数目，提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A 选项正确【答案】A【思维提升】(1)关键是利用 粒子散射实验的结果进行分析(2)尽管 B、 、D 正确，但实验结果不能说明它们，故不选B、 、Dsu【拓展 1】在卢瑟福的 粒子散射实
8、验中，有少数 粒子发生大角度偏转，其原因是( A ) 高考资网A 原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B 正电荷在原子中是均匀分布的原子中存在着带负电的电子D 原子只能处于一系列不连续的能量状态中【解析】 粒子带正电，其质量约是电子质量的 7 300 倍 粒子碰到金原子内的电子，就像飞行中的子弹碰到尘埃一样，其运动方向不会发生明显的改变若正电荷在原子内均匀分布， 粒子穿过原子时，它受到的两侧正电荷斥力有相当大一部分互相抵消，使 粒子偏转的力也不会很大根据少数 粒子发生大角度偏转的现象，只能认为原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，入射的 粒子中，只有少数 粒子有机会很接近核
9、，受到很大的斥力而发生大角度偏转所以正确选项是 A2 氢原子的能级跃迁【例 2】假定处在量子数为 n 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数是处在该激发态能级上的原子总数的 现在 1 200 个氢原子被激发到量子数为 4 的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是()A2 200 个 B2 000 个 1 200 个 D2 400 个【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别为n4 到 n3N11 200 400n3 能级的原子个数为 400 个n4 到 n2N21 200 400n3 到 n2N3400 200n2 能级的原子个数为 60
10、0 个n4 到 n1N41 200 400n3 到 n1N400 200n2 到 n1N6600所以发出的光子总数为NN1N2N62 200【答案】A【思维提升】(1)原子从低能级向高能级跃迁吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足 hE 末E 初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级 E 初向高能级 E 末跃迁，而当光子能量 h 大于或小于 E 末E 初时都不能被原子吸收(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差(3)当光子能量大于或等于 136 eV 时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于 136
11、 eV 时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能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 N 【拓展 2】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为 162 eV311 eV 下列说法错误的是( D )A 处于 n3 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 n3 能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应大量处于 n4 能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出 6 种不同频率的光D 大量处于 n4 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易错门诊3 氢原子的能量【例 3】氢原子基态的轨道半径为 0281014 ，量子数为
12、 n 的能级的能量为 E eV(1)求电子在基态轨道上运动时的动能；高考资网 SU(2)有一群氢原子处于量子数 n3 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哪几条光谱线；(3)计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长(其中静电力常量90109 N2/2，电子的电荷量 e161019 ，普朗克恒量h66310 34 s，真空中光速30108 /s)【错解】(1)电子在基态轨道中运动时量子数 n1，其动能为En 136 eV由于动能不为负值，所以 E|En|136 eV(2)作能级图如图，可能发出两条光谱线(3)由于能级差最小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以(E3E2)时所产生
13、的光谱线为所求，其中E2 eV34 eVE3 eV11 eV由 hE3E2 及 所以 = 662107 【错因】(1)动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与 n1 时的能级的能量值等同起电子在轨道上的能量 E，它包括电势能 Ep 和动能 E 计算表明 Ep2E，所以 EE EpE，EE 136 eV 虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的(2)错解中把电子的发射光谱图画成了吸收光谱图(3)不少学生把能级图上表示能级间能量差的长度线看成与谱线波长成正比了【正解】(1)设电子的质量为，电子在基态轨道上的速率为 v1，根据牛顿第二定律和库仑定律有 所以 E 2181018 136 eV(2)当氢原子从量子数 n3 的能级跃迁到较低能级时，可以得到3 条光谱线，如图所示(3)波长最短的一条光谱线对应的能级差应为最大，应是从量子数为 3 的能级跃迁到量子数为 1 的能级所发出的光谱线E3 E1 h 16107 【思维提升】正确理解能级、能级图的物理意义是避免出错的关键
