2012年高考物理实验专题系列《原子结构》

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1、 概述概述原子结构也是近年高考的必考内容。题目类型多为选择题。其中考查较多的是 粒子散 射实验、原子核式结构、玻尔理论、氢原子光谱、能级等。这部分知识有时与光电效应等知 识综合考查，有时与原子光谱的实际应用综合考查。复习时要以记忆、理解为主，可以按人 们对原子结构认识的物理学史发展构建知识系统进行复习。对本章知识要知道 粒子散射实 验； 知道原子的核式结构模型的主要内容，理解模型提出的主要思想；理解能级的概念和 原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系；.知道原子光谱为什么是一些分立的值。知道原 子光谱的一些应用；本章复习的重点：卢瑟福 粒子散射实验的现象和所说明的问题，玻尔 理论；难点： 粒子

2、散射实验，对原子发光现象解释。知识梳理知识梳理考纲解读考纲解读考纲内容要求名师解读氢原子光谱氢原子的能级结构、能级公 式1原子的核式结构、玻尔理论、能级公式、原子 跃迁条件这部分内容在选做部分出现的几率将会提 高，既可能单独出现，也可能与选修中的其他内容 联合命题。2原子结构、能级是高中物理重要的 知识点，是高考考查的重点，高考命题经常与其他 知识综合出题，一般为选择题或填空题，难度中等。基础巩固基础巩固1卢瑟福提出了原子的 模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做 ，原子的全部 与几乎全部 都集中在原子核里，带负电的电 子在核外的空间 。 2按照卢瑟福的核式结构模型， 直径的数量级（实际就是电

3、子运动范围的 数量 级）为 10-10m，而 直径的数量级为 10-15m原子结构发现电子 粒子散射实 验玻尔理论能级和能级跃迁能级、半径公式研究阴极射线汤姆逊模型卢瑟福核式结构模型氢原子光谱3质子和中子统称 。原子核所带的电荷是质子电荷的整数倍，这个整数叫做 做原子核的 ，用 z 表示；原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，这个整数叫做原 子核的 用 A 表示。 4同种元素的原子， 相同， 也相同，所以有相同化学性质,但中子数可以 不同这些具有相同质子数而中子数不同的原子，因而互称 5玻尔提出了他的原子理论，其主要内容为：（1）原子只能处于 的能量状态，在每个状态中，原子的能量值都是 确定的

4、，这些能量值叫做 。（2）原子可以从一个能级跃迁到另一个能级。原子在由 能级向 能级 跃迁时，放出一个光子；在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由 能级向 高能级跃迁。 6在通常状态下，原子处于最低的能级，这时原子的状态叫做 给物体加热或 者有光照射物体时，物体中的某些原子能够从相互碰撞或从 中吸收能量从基 态跃迁到较高的能级，这时原子的状态叫做 。 7由于原子的能级是不连续的，所以原子在跃迁时吸收或辐射的能量都不会是任意这 个能量等于原子跃迁时 我们已经知道，频率为 V 的光子的能量 为 所以如果分别以 E2和 E1 代表原子跃迁前后的能量则 hv= 。 8对于原子中的电子，不能用确定

5、的坐标描述它们的 ，因此也无法用轨迹 描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的 是有一定规律的。如果用圆点表示 原子中的电子在某个位置附近出现的概率，概率 的地方点子密一些，概率 的地方点子稀一些，这样的概率分布图称做 。 9玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱。当原子从能量较高的状态跃迁到能量较低的 状态时，它以 的形式把能量辐射出去，光子的能量等于 。原子的能级是 的，光子的能量也是 的。实验探究实验探究1 23拓展实验连续光谱和原子光谱有什么区别？连续光谱和原子光谱有什么区别？1用一束白炽灯光照射三棱镜，用白屏接收经三棱镜散射形成的彩色光带；2用氢放电管接上电源放电，通过光谱管观察接收到的氢

6、原子光谱。比较白炽光谱与氢原子光谱及其产生有什么区别。练一练：练一练：（1）上图中哪一个是白炽灯光谱，哪一个是氢原子光谱？（2）什么样的物质发光会形成连续光谱？什么样的物质发光会形成线状谱？参考答案：参考答案：（1）彩色连续的是白炽灯的光谱，明线光谱是氢原子光谱。（2）炽热的固体、液体，高温高压的气体发光形成连续光谱，低温稀薄的气体会形成 线状谱。重点突破重点突破一、直击考点一、直击考点 考点一考点一 原子结构及其物理学史原子结构及其物理学史 常见类题型：原子结构的特点及原子结构认识过程的物理学史选择题。 汤姆孙通过对阴极射线的研究发现电子；密立根通过著名的油滴实验测出电子电量，发 现电荷是量

7、子化的，即任何带电体的电荷都是 e 的整数倍；卢瑟福根据 粒子的散射实验结 果提出了原子的核式结构模型；根据 粒子的散射实验有关数据可确定原子核的数量级为 10-15m。 【例例 1 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 C电子是原子的组成部分D原子核是由质子和中子组成的 【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【点评】 （1）关键是利用 粒

8、子散射实验的结果进行分析； （2）尽管选项 B、C、D 正 确，但实验结果不能说明它们，故不选 B、C、D。 考点二考点二 粒子散射实验粒子散射实验 常考类型题：考查 粒子散射特点、原子核式结构模型内容的选择题。 粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构，从能量转化角度看，当 粒子靠近原子 核运动时， 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，可以估 算原子核的大小。 【例例 2】在卢瑟福的 粒子散射实验中，有少数 粒子发生大角度偏转，其原因是（ ）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 C原子中存在着带负电的电子D原子只能处于一系列不

9、连续的能量状态中考点三考点三 能级和光谱能级和光谱 常考类型题：有关能级计算的选择题、填空题、计 算题。 玻尔假设：轨道量子化、定态和能量量子化、电子 从能量较高的定态轨道跃迁到能量降低的定态轨道发射 光子，光子能量 h=E初-E末。根据玻尔的定态假设和能量 量子化，可画出能级图，利用发射或吸收光子的能量等 于两能级能量值之差可求出发射或吸收光子的频率。 原子从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级 向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞 （用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰 撞可以传递能量）.原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到 被电离可以吸收

10、能量大于或等于电离能的任何频率的光子。 （如在基态，可以吸收 E 13.6eV 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能） 。原子从高能级（第级）向低能级跃迁最多可放出种不同的光子。n2 nC【例例 2】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11 n 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 C1 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

11、为氢原子的能级图n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E3n4 到n3 N11 200400141 n3 能级的原子个数为 400 个。n4 到n2 N21 200400141 n3 到n2 N3400200131 n2 能级的原子个数为 600 个。n4 到n1 N41 200400141 n3 到n1 N5400200131 n2 到n1 N6600 所以发出的光子总数为 NN1N2N62 200二、走出误区二、走出误区 误区一误区一 误认为误认为氢原子在基态的能量就是电子在基态轨道上的动能氢原子在基态的能量就是电子在基态轨道上的动能 氢原子的能量

12、应是电子的动能与原子电势能的总和。【例例 1】1】氢原子基态的轨道半径为0.5281014 m，量子数为n的能级的能量为EeV 26 .13n 。 （1）求电子在基态轨道上运动时的动能； （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k9.0109 Nm2/C2，电子的电荷量e1.61019 C，普朗克恒量h6.631034 Js，真空中光速 c3.0108 m/s）错解：（1）电子在基态轨道中运动时量子数n1，其动能为En26 .13n216 .1313.6 eV 由于

13、动能不为负值，所以Ek|En|13.6 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）时所产生的光谱线为所求，其中E2 eV3.4 eV E3eV1.51 eV226 .13236 .13由hE3E2及 c所以 = m6.62107 m 。23EEch 19348106 . 1)4 . 3(51. 1 1063. 6103原因：（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来。电子在轨道上的能量E，它包括 电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep2Ek，所以EEkEpEk，EkE13.6 eV。虽然错 解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的。误区二误区二 误认为误认为只要用光照射处于基态的原子，原子一定会吸收光子向高能级跃迁只要用光照射处于基态的原子，原子一定会吸收光子向高能级跃迁要使原子从低能级向高能级跃迁，光子的能量必须严格等于两个能级之差，否则原子不 会吸收光子，当光子的能量大于等于原子的电离能时，原子可以吸收光子电离，吸收的光子 能量除了用于克服电离能，还有一部分转化为电子的动能。 【例例 2】如图所示为氢原