2012屆高考物理基礎(chǔ)知識(shí)歸納-原子結(jié)構(gòu)

1、精品文檔 2012屆高考物理基礎(chǔ)知識(shí)歸納:原子結(jié)構(gòu) 第1課時(shí)原子結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)知識(shí)歸納 1.電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆孫的原子模型 電子的發(fā)現(xiàn)： 1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫，對(duì)陰極射線進(jìn)行了一系列的研究，從而發(fā)現(xiàn)了電子.使人們認(rèn)識(shí)到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開(kāi)了研究原子的序幕. 湯姆孫的“棗糕”模型： 原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里. 2.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型 (1)粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置 (2)粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：粒子通過(guò)金箔時(shí)，絕大多數(shù)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過(guò)90，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180. (3)核式結(jié)構(gòu)模型：在

2、原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核空間里繞著核旋轉(zhuǎn).原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個(gè)原子是呈電中性的.電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖引力. (4)從粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)估算出原子核大小的數(shù)量級(jí)為10151014，原子大小的數(shù)量級(jí)為1010. 3.氫原子光譜 (1)光譜分為兩類，一類稱為線光譜，另一類稱為連續(xù)光譜； (2)各種原子的發(fā)射光譜都是線狀光譜，都只能發(fā)出幾種特定頻率的光，不同原子的發(fā)光頻率是不同的，因此線狀光譜稱為原子的特征譜線，對(duì)光譜線進(jìn)行分析，就可以確定發(fā)光物質(zhì)，這種方法稱為光譜分析. (3

3、)氫原子光譜可見(jiàn)光譜線波長(zhǎng)可以用公式：表示，式中R稱為里德伯常量，R1.11071. 4.玻爾的原子模型 (1)原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的矛盾說(shuō)明，經(jīng)典電磁理論已不適用于原子系統(tǒng)，玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā)，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三個(gè)假設(shè)： 定態(tài)假設(shè)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài). 躍遷假設(shè)：原子從一個(gè)定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定，即hE2E1. 軌道量子化假設(shè)：原子的不同能量狀態(tài)，跟電子不同的運(yùn)行軌道

4、相對(duì)應(yīng).原子的能量不連續(xù)，因而電子可能軌道的分布也是不連續(xù)的. (2)玻爾的氫原子模型 氫原子的能級(jí)公式和軌道半徑公式：玻爾在三條假設(shè)基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué)，計(jì)算出氫原子核外電子的各條可能軌道的半徑，以及電子在各條軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子的能量. 氫原子中電子在第n條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫原子的能量En和電子軌道半徑rn分別為En、rnn2r1(n1、2、3). 其中E1、r1為離核最近的第一條軌道(即n1)的氫原子能量和軌道半徑.即E113.6eV，r10.531010(以電子距原子核無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)電勢(shì)能為零計(jì)算). 氫原子的能級(jí)圖：氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值，叫氫原子的能級(jí).按能量的大小用圖象表

5、示出來(lái)即能級(jí)圖. 其中n1的定態(tài)稱為基態(tài)，n2以上的定態(tài)，稱為激發(fā)態(tài). 5.原子核結(jié)構(gòu) (1)湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說(shuō)明原子不是最小的微粒；盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明原子里存在一個(gè)很小的原子核；盧瑟福用粒子轟擊氮原子核，獲得質(zhì)子，說(shuō)明原子核也不是最小的微粒. (2)原子核是由質(zhì)子和中子組成的；質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核的核電荷數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，等于原子的核外電子數(shù)；原子核的質(zhì)量數(shù)等于原子核內(nèi)的核子數(shù). (3)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核互稱同位素，原子的化學(xué)性質(zhì)決定于原子的核外電子數(shù)；同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，相同的核外電子數(shù)，因而具有相同的化學(xué)性質(zhì). 重點(diǎn)難點(diǎn)突破 一、為什么用粒子散射實(shí)驗(yàn)研究原子結(jié)構(gòu)

6、 原子結(jié)構(gòu)無(wú)法直接觀察到，要用高速粒子進(jìn)行轟擊，根據(jù)粒子的散射情況分析判斷原子的結(jié)構(gòu)，而粒子有足夠的能量，可以穿過(guò)原子，并且利用熒光作用可觀察粒子的散射情況，所以選取粒子進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn). 二、氫原子怎樣吸收能量由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷 此類問(wèn)題可分為三種情況： 1.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量小于電離能時(shí)，只能滿足光子的能量為兩定態(tài)間能級(jí)差時(shí)才能被吸收. 2.光子照射氫原子，當(dāng)光子的能量大于電離能時(shí)，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用來(lái)使電子電離，另一部分可用來(lái)增加電子離開(kāi)核的吸引后的動(dòng)能. 3.當(dāng)粒子與原子碰撞(如電子與氫原子碰撞)時(shí)，由于粒子的動(dòng)能可全部或部分被氫原子吸收，故只要入射粒

7、子的動(dòng)能大于或等于原子兩能級(jí)的能量差，就可以使原子受激發(fā)而向高能級(jí)躍遷. 典例精析 1.粒子散射實(shí)驗(yàn)與核式結(jié)構(gòu)模型 【例1】盧瑟福通過(guò)對(duì)粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，提出() A.原子的核式結(jié)構(gòu)模型B.原子核內(nèi)有中子存在 c.電子是原子的組成部分D.原子核是由質(zhì)子和中子組成的高考資源網(wǎng)S5U.co 【解析】盧瑟福精確統(tǒng)計(jì)了向各個(gè)方向散射的粒子的數(shù)目，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷與幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)，由此可知，A選項(xiàng)正確. 【答案】A 【思維提升】(1)關(guān)鍵是利用粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析. (2)盡管B、c

8、、D正確，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能說(shuō)明它們，故不選B、c、D.s5u.co 【拓展1】在盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是(A)高考資源網(wǎng) A.原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上 B.正電荷在原子中是均勻分布的 c.原子中存在著帶負(fù)電的電子 D.原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中 【解析】粒子帶正電，其質(zhì)量約是電子質(zhì)量的7300倍.粒子碰到金原子內(nèi)的電子，就像飛行中的子彈碰到塵埃一樣，其運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變. 若正電荷在原子內(nèi)均勻分布，粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的兩側(cè)正電荷斥力有相當(dāng)大一部分互相抵消，使粒子偏轉(zhuǎn)的力也不會(huì)很大. 根據(jù)少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，只

9、能認(rèn)為原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上，入射的粒子中，只有少數(shù)粒子有機(jī)會(huì)很接近核，受到很大的斥力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).所以正確選項(xiàng)是A. 2.氫原子的能級(jí)躍遷 【例2】假定處在量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷到各較低能級(jí)的原子數(shù)是處在該激發(fā)態(tài)能級(jí)上的原子總數(shù)的.現(xiàn)在1200個(gè)氫原子被激發(fā)到量子數(shù)為4的能級(jí)上，若這些受激氫原子最后都回到基態(tài)，則在此過(guò)程中發(fā)出的光子總數(shù)是() A.2200個(gè)B.2000個(gè)c.1200個(gè)D.2400個(gè) 【解析】如圖所示，各能級(jí)間躍遷的原子個(gè)數(shù)及處于各能級(jí)的原子個(gè)數(shù)分別為 n4到n3N11200400 n3能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為400個(gè). n4到n2N2120040

10、0 n3到n2N3400200 n2能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為600個(gè). n4到n1N41200400 n3到n1N5400200 n2到n1N6600 所以發(fā)出的光子總數(shù)為 NN1N2N62200 【答案】A 【思維提升】(1)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷吸收一定能量的光子，當(dāng)一個(gè)光子的能量滿足hE末E初時(shí)，才能被某一個(gè)原子吸收，使原子從低能級(jí)E初向高能級(jí)E末躍遷，而當(dāng)光子能量h大于或小于E末E初時(shí)都不能被原子吸收. (2)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)的兩能級(jí)間的能量差. (3)當(dāng)光子能量大于或等于13.6eV時(shí)，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離；當(dāng)

11、氫原子吸收的光子能量大于13.6eV時(shí)，氫原子電離后，電子具有一定的初動(dòng)能. 一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜線條數(shù)為N. 【拓展2】氫原子的能級(jí)如圖所示，已知可見(jiàn)光的光子能量范圍約為1.62eV3.11eV.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(D) A.處于n3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離 B.大量氫原子從高能級(jí)向n3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng) c.大量處于n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的光 D.大量處于n4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出3種不同頻率的可見(jiàn)光 易錯(cuò)門診 3.氫原子的能量 【例3】氫原子基態(tài)的軌道半徑為0.528101

12、4，量子數(shù)為n的能級(jí)的能量為EeV. (1)求電子在基態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能；高考資源網(wǎng)S5U.co (2)有一群氫原子處于量子數(shù)n3的激發(fā)態(tài).畫一能級(jí)圖，在圖上用箭頭標(biāo)明這些氫原子能發(fā)出哪幾條光譜線； (3)計(jì)算這幾條光譜線中波長(zhǎng)最短的一條的波長(zhǎng).(其中靜電力常量9.0109N2/c2，電子的電荷量e1.61019c，普朗克恒量h6.631034js，真空中光速c3.0108/s) 【錯(cuò)解】(1)電子在基態(tài)軌道中運(yùn)動(dòng)時(shí)量子數(shù)n1，其動(dòng)能為En 13.6eV 由于動(dòng)能不為負(fù)值，所以E|En|13.6eV (2)作能級(jí)圖如圖，可能發(fā)出兩條光譜線. (3)由于能級(jí)差最小的兩能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的光譜線波長(zhǎng)

13、最短，所以(E3E2)時(shí)所產(chǎn)生的光譜線為所求，其中 E2eV3.4eVE3eV1.51eV 由hE3E2及 所以=6.62107 【錯(cuò)因】(1)動(dòng)能的計(jì)算錯(cuò)誤主要是不理解能級(jí)的能量值的物理意義，因而把電子在基態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能與n1時(shí)的能級(jí)的能量值等同起來(lái).電子在軌道上的能量E，它包括電勢(shì)能Ep和動(dòng)能E.計(jì)算表明Ep2E，所以EEEpE，EE13.6eV.雖然錯(cuò)解中解出的數(shù)值正確，但概念的理解是錯(cuò)誤的. (2)錯(cuò)解中把電子的發(fā)射光譜圖畫成了吸收光譜圖. (3)不少學(xué)生把能級(jí)圖上表示能級(jí)間能量差的長(zhǎng)度線看成與譜線波長(zhǎng)成正比了. 【正解】(1)設(shè)電子的質(zhì)量為，電子在基態(tài)軌道上的速率為v1，根據(jù)牛頓第二定律