人教版新高考物理一轮总复习-　原子结构　氢原子光谱

高考总复习优化设计GAOKAOZONGFUXIYOUHUASHEJI第2讲

原子结构

氢原子光谱第十五章2022内容索引0102第一环节必备知识落实第二环节关键能力形成03第三环节核心素养提升第一环节必备知识落实知识点一原子结构1.电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子,提出了原子的“西瓜模型”或“枣糕模型”。2.原子的核式结构(1)1911年,英国物理学家卢瑟福提出了原子的核式结构模型。(2)α粒子散射实验的结果:绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,极少数偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”,如图所示。

α粒子散射实验图像(3)原子的核式结构模型:原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部

质量,电子在正电体的外面运动。追本溯源下图为卢瑟福和他的助手做α粒子散射实验时实验装置的示意图。请问荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,观察到的闪光次数有什么不同?提示

放在A位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数最多;放在B位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少;放在C位置时相同时间内观察到屏上的闪光次数比放在B位置时更少;放在D位置时,屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少。知识点二氢原子光谱1.光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱。2.光谱分类3.氢原子光谱的实验规律巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线,其波长公式(n=3,4,5,…),R∞是里德伯常量,R∞=1.10×107m-1,n为量子数。4.光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线,可以鉴别物质和确定物质的组成成分,且这种方法灵敏度很高,在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。知识点三氢原子的能级公式、能级图1.定态原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。2.跃迁原子从一个能量态变为另一个能量态时,它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个能量态的能量差决定,即hν=En-Em(h是普朗克常量,h=6.626×10-34

J·s)。3.轨道原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是不连续的。4.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图(如图所示)。(2)氢原子的能级和轨道半径。①氢原子的能级公式:

(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6eV。②氢原子的轨道半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m。【知识巩固】

1.思考判断(1)α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。(

)(2)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子辐射的光子能量为hν=En。(

)(3)按照玻尔理论,核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上。(

)(4)氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁。(

)√×××2.在卢瑟福α粒子散射实验中,有少数α粒子发生了大角度偏转,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.正电荷在原子内是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中A解析:卢瑟福α粒子散射实验中,使卢瑟福惊奇的就是有少量α粒子发生了较大角度的偏转,这是由于α粒子带正电,而原子核极小,且原子核带正电,A正确,B错误。α粒子能接近原子核的机会很小,大多数α粒子都从核外的空间穿过,而与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样,运动方向不会发生改变,C、D的说法没错,但与题意不符。3.关于光谱和光谱分析,以下说法正确的是(

)A.太阳光谱是连续谱,氢原子光谱是线状谱B.光谱分析的优点是灵敏而且迅速C.分析某种物质的化学组成,可以使这种物质发出的白光通过另一种物质的低温蒸气,取得吸收光谱进行分析D.通过月球的光谱可以分析出月球上有哪些元素B解析:太阳光谱是吸收光谱,A错误。光谱分析的优点是灵敏而迅速,B正确。分析某种物质的组成,可用白光照射其低温蒸气,产生吸收光谱进行分析,C错误。月球不能发光,它只能反射太阳光,故其光谱是太阳光谱,不是月球的光谱,不能用来分析月球上的元素,D错误。第二环节关键能力形成能力形成点1原子的核式结构(自主悟透)整合构建1.α粒子散射实验结果分析(1)核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变。(2)汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射。(3)绝大多数α粒子沿直线穿过金箔,说明原子中绝大部分是空的;少数α粒子发生较大角度偏转,反映了原子内部集中存在着对α粒子有斥力的正电荷;极少数α粒子甚至被“撞了回来”,反映了个别α粒子正对着质量比α粒子大得多的物体运动时,受到该物体很大的斥力作用。2.核式结构模型的局限性卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释α粒子散射实验现象,但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性。训练突破1.(多选)(2020·山东威海模拟)如图所示,O点表示金原子核的位置,曲线ab和cd表示经过该原子核附近的α粒子的运动轨迹,其中可能正确的是(

)BD解析:在α粒子的散射现象中,粒子所受原子核的作用力是斥力,且合力指向轨迹的内侧,越靠近原子核的粒子受到的斥力越大,轨迹的偏转角越大,

而显然C中粒子受力是引力,故选BD。2.下图是卢瑟福的α粒子散射实验装置示意图,在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋,它发出的α粒子从铅盒的小孔射出,形成很细的一束射线,射到金箔上,最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(

)

A.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D.绝大多数的α粒子发生大角度偏转A解析:卢瑟福根据α粒子散射实验,提出了原子核式结构模型,选项A正确,B错误。电子质量太小,与α粒子碰撞对α粒子运动的影响不大,选项C错误。α粒子散射实验的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原方向前进,选项D错误。能力形成点2氢原子的能级图和能级跃迁(师生共研)整合构建1.氢原子的能级图(1)氢原子的能级图如图所示。(2)能级图中相关量意义的说明:2.电离电离态:n=∞,E=0。基态→电离态:E吸>0-(-13.6eV)=13.6eV。激发态→电离态:E吸>0-Em=|Em|。若吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还携带动能。C思维点拨(1)如何求不同能级的能量?(2)光子使氢原子发生跃迁与电子使氢原子发生跃迁有什么不同?(2)吸收的光子能量只能是两能级之差;由于电子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要电子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=En-Em),均可使原子发生能级跃迁。【典例2】

(多选)(2020·黑龙江宾县二中期末)下图为氢原子的能级图。光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子,下列说法正确的是(

)

A.氢原子从n=4的能级向n=3的能级跃迁时辐射光的波长最短B.辐射光中,光子能量为0.31eV的光波长最长C.用此光子照射基态的氢原子,能够使其电离D.用光子能量为14.2eV的光照射基态的氢原子,能够使其电离BD解析:因为-13.6

eV+13.06

eV=-0.54

eV,知氢原子跃迁到第5能级;从n=5的能级跃迁到n=1的能级辐射的光子能量最大,波长最短;从n=5的能级跃迁到n=4的能级辐射的光子能量为E5-E4=-0.54

eV-(-0.85

eV)=0.31

eV,波长最长,故A、C错误,B正确。用光子能量为14.2

eV的光照射基态的氢原子,因为14.2

eV>13.6

eV,所以能够使其电离,故D正确。易错提醒跃迁中的两个易混问题1.一个氢原子和一群氢原子。(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数可用下面两种方法求解:用数学中的组合知识求解:。利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。2.直接跃迁与间接跃迁。原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时,有时可能是直接跃迁,有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。训练突破3.(2019·全国卷Ⅰ)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63~3.10eV的光为可见光。要使处于基态(n=1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子,最少应给氢原子提供的能量为(

)A.12.09eVB.10.20eVC.1.89eVD.1.51eVA解析:氢原子从第2能级向第1能级跃迁时,辐射的光子能量为10.2

eV,不是可见光。氢原子从第3能级向第2能级跃迁时,辐射的光子能量为1.89

eV,是可见光,所以只要把氢原子跃迁到第3能级就可以辐射可见光。氢原子从第1能级向第3能级跃迁时,吸收的光子能量为12.09

eV,A正确,B、C、D错误。第三环节

核心素养提升氢原子核式结构模型中的轨道和能量问题模型构建典例示范氢原子基态能量E1=-13.6eV,电子绕核做圆周运动的半径r1=0.53×10-10m。已知能量关系

,半径关系rn=n2r1,k=9.0×109N·m2/C2,e=1.6×10-19

C,普朗克常量h=6.63×10-34J·s。(1)求氢原子处于n=4激发态时,原子系统具有的能量。(2)求电子在n=4的能级轨道上运动的动能。(3)若要使处于n=2的能级的氢原子电离,至少要用频率多大的电磁波照射氢原子?答案:(1)-0.85eV(2)0.85eV(3)8.21×1014

Hz变式训练一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上,已知ra>rb,则在此过程中(

)A.原子要发出某一