2025高考物理复习原子结构课件教案练习题

第十六章波粒二象性原子结构与原子核第2讲原子结构课标要求1．了解人类探索原子及其结构的历史。2．知道原子的核式结构模型。3．通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。考点一电子的发现原子的核式结构考点二氢原子光谱考点三玻尔理论能级跃迁内容索引课时测评考点一电子的发现原子的核式结构1．电子的发现：英国物理学家J.J.汤姆孙在研究阴极射线时发现了______，提出了原子的“枣糕模型”。知识梳理电子2．原子的核式结构(1)1909年，英国物理学家________指导他的助手盖革和马斯顿进行了α粒子散射实验，实验装置如图甲所示。1911年卢瑟福提出了原子的核式结构模型。卢瑟福(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______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”，如图乙所示。(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______，电子在正电体的外面运动。少数质量自主训练1电子的发现如图为J.J.汤姆孙做阴极射线实验时用到的气体放电管，在

K、A之间加高电压，便有阴极射线射出；C、D间不加电压时，光屏上O点出现亮点，当C、D之间加如图所示电压时，光屏上P点出现亮点。

(1)要使K、A之间有阴极射线射出，则K应接高压电源______(选填“正极”或“负极”)；要使光屏上P处的亮点再回到O点，可以在C、D

间加垂直纸面______(选填“向里”或“向外”)的匀强磁场；

负极向外要使K、A之间有阴极射线射出，则K应接高压电源负极；要使光屏上P

处的亮点再回到O点，则洛伦兹力向上，根据左手定则可知，可以在C、D间加垂直纸面向外的匀强磁场。(2)J.J.汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是______(选填“相同”或“不同”)的。J.J.汤姆孙换用不同材料的阴极做实验，发现不同阴极发出的射线的比荷是相同的。相同自主训练2

α粒子散射实验(多选)α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，少数发生了大角度偏转，只有极少数被反弹回来，如图所示。若反弹回来的α粒子速度大小几乎不变，则下列说法正确的是A．碰撞反弹过程中，α粒子的动量变化量Δp＝0B．碰撞反弹过程中，α粒子的动能变化量ΔEk＝0C．极少数α粒子被反弹回来，是因为受到了核力的作用D．少数α粒子大角度偏转，是因为受到了金原子核的库仑力作用√√设α粒子的质量为m，速度为v，反弹回来的α粒子速度大小不变，方向反向，以反弹速度方向为正方向，则动量变化量为Δp＝mv－(－mv)＝2mv，故A错误；动能为标量，大小与速度方向无关，所以动能变化量ΔEk＝0，故B正确；极少数α粒子被反弹回来，是因为受到金原子核的库仑力作用，故D正确，C错误。故选BD。自主训练3原子的核式结构模型(多选)(2023·天津模拟预测)如图甲是J.J.汤姆孙的原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地分布在整个球体内，电子镶嵌在其中。甲图中的小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。J.J.汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验。如图乙是卢瑟福为解释α粒子散射实验假设的情景：占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质应集中在很小的空间范围。下列说法中正确的是A．α粒子的质量远大于电子的质量，电子对α粒子速度的影响可以忽略B．入射方向的延长线越接近原子核的α粒子发生散射时的偏转角越大C．由不同元素对α粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的质量D．由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10－15m√√√α粒子的质量远大于电子的质量，电子对α粒子速度的影响可以忽略，故A正确；

入射方向的延长线越接近原子核的α粒子，所受库仑力就越大，发生散射时的偏转角就越大，故B正确；α粒子散射类似于碰撞，根据实验数据无法确定各种元素原子核的质量，故C错误；

由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10－15m，故D正确。返回考点二氢原子光谱1．光谱：用光栅或棱镜可以把物质发出的光按波长(频率)展开，获得______(频率)和强度分布的记录，即光谱。2．光谱分类知识梳理波长发光连续线状吸收3．氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线系，其波长公式

＝R∞

(n＝3，4，5，…)，R∞是里德伯常量，R∞＝1.10×107m－1。4．光谱分析：每种原子都有自己的特征谱线，因此可以用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高，在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。自主训练1对光谱的认识(多选)对原子光谱，下列说法正确的是A．线状谱和吸收光谱可用于光谱分析B．由于原子都是由原子核和电子组成的，所以各种原子的发光光谱是相同的C．各种原子的原子结构不同，所以各种原子的发光光谱也不相同D．发光光谱可以用来鉴别物质中含哪些元素√√线状谱和吸收光谱都含有原子的特征谱线，因此可用于光谱分析，故A正确；各种原子都有自己的特征谱线，故B错误，C正确；发光光谱分为线状谱和连续谱，对线状谱进行光谱分析可鉴别物质组成，连续谱不能用于光谱分析，故D错误。自主训练2光谱分析(多选)关于光谱和光谱分析，下列说法正确的是A．太阳光谱和白炽灯光谱都是连续谱B．霓虹灯产生的是线状谱C．进行光谱分析时，只能用线状谱D．同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的√太阳光谱是吸收光谱，可进行光谱分析，白炽灯光产生的是连续谱，不可进行光谱分析，故A错误；霓虹灯管内充有稀薄气体，产生的光谱为线状谱，故B正确；线状谱和吸收光谱均可进行光谱分析，且同一元素吸收光谱的暗线与线状谱的位置是一一对应的，故C错误，D正确。√自主训练3巴耳末公式根据巴耳末公式，指出氢原子光谱在可见光范围内波长最长的2条谱线对应的n，它们的波长各是多少？氢原子光谱有什么特点？(结果保留1位小数，R∞＝1.10×107m－1)答案：654.5nm

484.8nm见解析能够引起人的视觉的可见光波长范围为400～700nm。由巴耳末公式

＝R∞

(n＝3，4，5，…)知，当n＝3和4时对应波长较长当n＝3时，λ1≈654.5nm(λ1在可见光范围内)；当n＝4时，λ2≈484.8nm(λ2在可见光范围内)。氢原子在可见光范围内的谱线为不连续的亮线。1．三种光谱的比较归纳提升

产生条件光谱形式应用线状谱稀薄气体发光形成的光谱一些不连续的亮线组成，不同元素的亮线光谱不同(又叫特征光谱)可用于光谱分析连续谱炽热的固体、液体和高压气体发光形成的连续分布，一切波长的光都有不能用于光谱分析吸收光谱炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线(与特征谱线相对应)可用于光谱分析2．氢原子光谱的特点在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性。巴耳末对氢原子光谱在可见光区的四条谱线进行研究得到了下面的公式，该公式称为巴耳末公式。

＝R∞

(n＝3，4，5，…)(1)公式中n只能取整数，不能连续取值，波长也只会是分立的值。(2)除了巴耳末系，氢原子光谱在红外光和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。返回考点三玻尔理论能级跃迁1．玻尔原子理论(1)定态假设：当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的______，即原子的能量是量子化的。这些确定能量的稳定状态称为______，在这些能量状态中，原子是稳定的，不向外辐射能量。(2)轨道量子化假设：原子不同的能量状态与电子绕核运动的不同轨道相对应，原子的能量是________的，电子的轨道也是________的。(3)频率条件当电子从能量较高的定态轨道(能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m＜n)时，会放出能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝__________，此式称为频率条件，又称辐射条件。知识梳理能量定态不连续不连续En－Em2．氢原子的能级图和能级公式(1)氢原子的能级图(2)能级和半径公式：①氢原子的能级公式：En＝

(n＝1，2，3，…)，其中E1为基态能量，E1＝_________。②氢原子核外电子的轨道半径公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，r1＝0.53×10－10m。－13.6eV(2023·山东高考·改编)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空，对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图所示为某原子钟工作的四能级体系，原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ，然后自发辐射出频率为ν1的光子，跃迁到钟跃迁的上能级2，并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1，实现受激辐射，发出钟激光，最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。高考情境链接判断下列说法的正误：(1)原子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ吸收的光子能量为hν0。 (

)(2)原子只要吸收的光子能量大于hν0就能跃迁至激发态能级Ⅱ。 (

)(3)原子从能级Ⅱ跃迁至钟跃迁的上能级2放出光子的能量为hν1。 (

)(4)该原子钟产生的钟激光的频率ν2＝ν0－ν1－ν3。 (

)√×√√1．跃迁条件(1)从低能级(m)高能级(n)→吸收能量，hν＝En－Em。(2)从高能级(n)低能级(m)→放出能量，hν＝En－Em。2．电离(1)电离态：n＝∞，E＝0。(2)基态→电离态：E吸＞0－(－13.6eV)＝13.6eV。(3)激发态→电离态：E吸＞0－En＝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。核心突破3．谱线条数的确定方法(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的两种求解方法。①用数学中的组合知识求解：N＝C

。②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。考向1

一个氢原子与一群氢原子的能级跃迁(多选)氢原子能级图如图所示，可见光的光子能量范围为1.62～3.11eV。根据玻尔理论判断下列说法正确的是A．一个处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生4种不同频率的光B．大量处在n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生3种不同频率的光C．大量处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，由n＝5能级向n＝4能级跃迁辐射出的光子的波长最长D．大量处在n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时，能产生3种不同频率的可见光例1√√一个处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可能发出5－1＝4种不同频率的光，故A正确；大量处在n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可产生C＝6种不同频率的光，故B错误；光子的频率越低，波长越长，大量处在n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，由n＝5能级向n＝4能级跃迁辐射出的光子的频率最低，则波长最长，故C正确；大量处在n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时，能产生C＝3种不同频率的光子，可见光的光子能量范围为1.62～3.11eV，n＝3能级到n＝2能级跃迁释放的光子能量为[(－1.51)－(－3.4)]eV＝1.89eV，在可见光范围内，其他跃迁产生的光子能量不在1.62～3.11eV范围内，不属于可见光，故D错误。考向2两种氢原子的电离(2023·广东茂名一模)如图为氢原子能级示意图的一部分，已知当氢原子吸收能量大于或等于其所在能级与n＝∞能级的能级差时，氢原子将电离，吸收的多余能量将转化为电离的电子的动能，相反氢离子俘获电子时，可类似看为电离过程的“相反过程”。则下列说法正确的是A．当处于基态的氢原子吸收光子能量发生电离时，光子能量必须恰好为13.6eVB．当处于基态的氢原子受到质子撞击时，当质子动能为13.6eV时，氢原子一定会电离C．当氢离子俘获电子形成氢原子时，会以光子形式释放能量，光子最大能量可能大于13.6eVD．当氢离子俘获电子形成氢原子时，会以光子形式释放能量，光子最小能量为0.54eV√例2氢原子吸收光子能量发生电离时，其吸收的光子能量大于或等于其所在能级与n＝∞能级的能级差，故A错误；当质子撞击氢原子时，质子的动能只有部分会被氢原子吸收，所以氢原子并不会电离，故B错误；当氢离子俘获电子形成氢原子时，相当于电子从n＝∞能级向低能级跃迁，当电子初始动能为零时，释放光子能量为能级差，当电子在n＝∞能级处动能不为零时，从n＝∞能级跃迁到n＝1能级时释放能量将大于13.6eV，故C正确；氢原子的激发态并不只有5个，释放光子的最小能量不一定是0.54eV，故D错误。故选C。考向3

能级的多次跃迁问题氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.62～3.11eV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．12.09eV B．10.20eVC．1.89eV D．1.51eV√由题意可知，基态(n＝1)氢原子被激发后，至少被激发到n＝3能级后，跃迁才可能产生能量在1.62～3.11eV的可见光，故ΔE＝－1.51eV－(－13.6)eV＝12.09eV，故选A。例3考向4

能级跃迁与光电效应的综合(2023·辽宁高考)原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则A．①和③的能量相等B．②的频率大于④的频率C．用②照射该金属一定能发生光电效应D．用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek例4√由题图可知①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，选项A正确；因②对应的能级差小于④对应的能级差，可知②的能量小于④的能量，根据E＝hν可知②的频率小于④的频率，选项B错误；因②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①，②的频率小于①，则若用①照射某金属表面时能发生光电效应，用②照射该金属不一定能发生光电效应，选项C错误；因④对应的能级差大于①对应的能级差，可知④的能量大于①，即④的频率大于①，因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek，根据Ek＝hν－W0，则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，选项D错误。故选A。返回课时测评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。如图是α粒子散射实验的图景，图中实线表示α粒子的运动轨迹，下列说法正确的是A．轨迹3是正确的B．轨迹2是正确的C．少部分的α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进D．α粒子在轨迹3的电势能先减小后增大√在α粒子散射实验结果中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，极少数发生超过90°的大角度偏转，越靠近原子核，轨迹偏转越大，而题图中轨迹2的偏转程度超过轨迹3，故轨迹2错误，轨迹3正确；在轨迹3，原子核对α粒子先做负功再做正功，所以α粒子电势能先增大后减小，故A正确，B、C、D错误。2．(多选)将甲图的特殊楼梯的台阶编号比作乙图原子能级的量子数n，用一系列水平线表示原子的能级，相邻水平线之间的距离与相应的能级差成正比。这样的一系列水平线便构成乙图氢原子的能级图，下列说法正确的是A．甲图台阶的间隔可以比作乙图的能级差B．乙图中的水平线呈现“上密下疏”的分布特点，当量子数很大时，水平线将很密集地“挤”在一起C．当量子数很大时，氢原子接近电离状态，量子化能量也逐渐趋于连续且接近某个正值D．对乙图，能量最低的状态为基态，高于基态的状态为激发态√√√题图甲台阶的间隔可以比作乙图的能级差，A正确；题图乙中的水平线呈现“上密下疏”的分布特点，当量子数很大时，水平线将很密集地“挤”在一起，B正确；

当量子数很大时，氢原子接近电离状态，量子化能量也逐渐趋于连续且接近零，C错误；

对题图乙，能量最低的状态为基态，高于基态的状态为激发态，D正确。故选ABD。3．(2023·湖北高考)2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2eV)。根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁√由题图可知n＝2和n＝1的能级差之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.4eV－

＝10.2eV，与探测器探测到的谱线能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁，A正确。4．2023年2月，我国自主研制的空间站双光子显微镜首获航天员皮肤三维图像。该种显微镜成像时，需要将介质分子从基态S0激发到激发态Sn，双光子显微镜是通过让介质分子同时吸收两个光子a实现此激发过程，如图甲所示；单光子显微镜是让介质分子只吸收一个光子b实现此激发过程，如图乙所示。则光子a和光子b的波长之比为A．1∶1 B．2∶1C．4∶1 D．1∶2√将介质分子从基态S0激发到激发态Sn，两过程吸收的光子能量一样多2hνa＝hνb，则光子频率关系为

，波长和频率成反比，故光子a和光子b的波长之比为2∶1。故选B。5．一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中A．可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线B．可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线C．只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线D．只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线√当原子由高能级向低能级跃迁时，原子将发出光子，由于不只是两个特定能级之间的跃迁，所以它可以发出一系列频率的光子，形成光谱中的若干条亮线，故B正确，A、C、D错误。6．如图为氢原子的能级示意图，现有一群氢原子处于n＝4的能级上，下列说法正确的是A．该氢原子向低能级跃迁最多可发出8种频率的光子B．从n＝4能级跃迁到n＝3能级发出的光子波长最短C．该氢原子可以吸收能量为0.32eV的光子跃迁到n＝5的能级D．使该氢原子电离至少需要吸收0.85eV的能量√根据C＝6，可知一群处于n＝4能级的氢原子最多可发出6种频率的光子，故A错误；从n＝4能级跃迁到n＝3能级发出的光子的能量最小，根据ΔE＝hν＝h，可知其波长最长，故B错误；该氢原子从低能级吸收能量跃迁到高能级，吸收光子的能量必须等于两个能级之间的差值，由能级示意图可知该氢原子可以吸收ΔE＝－0.54eV－(－0.85eV)＝0.31eV的光子跃迁到n＝5的能级，而不是0.32eV，故C错误；根据电离的定义，可得使该氢原子电离至少需要吸收的能量为ΔE′＝0－(－0.85eV)＝0.85eV，故D正确。故选D。7．如图所示，铯133原子基态有两个超精细能级，从能级2跃迁到能级1发出光子的频率约为9.2×109Hz，时间单位“秒”是根据该辐射光子的频率定义的。可见光波长范围为400～700nm。则A．秒是国际单位制中的导出单位B．该跃迁辐射出的是γ射线C．铯133从激发态向基态跃迁时辐射光子的频率大于9.2×109HzD．用频率为9.2×109Hz的光照射锌板，能发生光电效应(锌板一般需要用紫外线照射才能发生光电效应)√秒是国际单位制中的基本单位，A错误；根据ν＝

，可得可见光的频率范围为4.29×1014～7.5×1014Hz，该跃迁辐射出的电磁波频率小于可见光，所以该跃迁辐射出的电磁波不是γ射线，B错误；激发态与基态的能量差大于两个超精细能级之间的能量差，所以铯133从激发态向基态跃迁时辐射光子的频率大于9.2×109Hz，C正确；用可见光照射锌板，不能发生光电效应，因该光的频率小于可见光，故不能发生光电效应，D错误。8．(多选)为了解决光信号长距离传输中的衰减问题，常常在光纤中掺入铒元素。如图是铒离子的能级示意图，标识为4I13/2的铒离子处在亚稳态，不会立即向下跃迁：如果用光子能量约为2.03×10－19J的激光把处于基态能级4I15/2的铒离子激发到4I11/2能级，再通过“无辐射跃迁”跃迁到能级4I13/2，从而使该能级积聚的离子数远超过处于基态的离子数。当光纤中传输某波长的光波时，能使处在亚稳态能级的离子向基态跃迁，产生大量能量约为1.28×10－19J的光子，于是输出的光便大大加强了。根据上述资料你认为下列说法正确的是A．无辐射跃迁中一个铒离子放出的能量约为7.50×10－20JB．这种光纤传输任何频率的光信号衰减都能得到有效补偿C．大量处在4I11/2能级的铒离子向下跃迁能产生4种频率的光子D．上述情景发生时，光纤中传输的光信号波长约为1.55μm√√电子从轨道4I15/2跃迁到轨道4I11/2需要的能量E13＝2.03×10－19J，电子从轨道4I13/2跃迁到轨道4I15/2放出的能量E12＝1.28×10－19J，则无辐射跃迁中一个铒离子放出的能量约为E23＝E13－E12＝7.50×10－20J，故A正确；由E＝hν，可得这种光纤只有传输频率为的光信号衰减才能得到有效补偿，故B错误；大量处在4I11/2能级的铒离子向下跃迁有以下几种情况4I11/2→4I13/2、4I13/2→4I15/2、4I11/2→4I15/2，因为4I11/2能级跃迁到4I13/2能级是无辐射跃迁，所以不会放出光子，故处在4I11/2能级的铒离子向下跃迁能产生2种频率的光子，故C错误；由E12＝

，可得λ＝

，带入数据可解得光纤中传输的光信号波长约为1.55μm，故D正确。故选AD。9．(多选)处于较高能级的氢原子向较低能级跃迁时，能辐射出a、b两种可见光，a光照射某金属表面时有光电子逸出，b光照射该金属表面时没有光电子逸出，则A．以相同的入射角射向一平行玻璃砖，a光的侧移量小于b光的B．垂直入射到同一单缝衍射装置，a光的衍射中央亮条纹宽度小于b光的C．a光和b光的频率之比可能是D．a光子的动量大于b光子的√√根据题意可知a光频率高于b光频率，玻璃砖对a光的折射率大于对b光的折射率，b光的折射率较小，以相同角度斜射到同一玻璃板透过平行表面后，b光的折射角较大，所以b光侧移量小，即a光的侧移量大于b光的，A错误；频率越大，波长越小，通过同一单缝衍射装置时，中央亮条纹宽度越小，B正确；a光的频率大，故频率之比不可能为

，C错误；频率越大，波长越小，即λa＜λb，根据λ＝

可知pa＞pb，D正确。10．(多选)一定强度的激光