2020屆高考物理一輪復(fù)習(xí) 14.1原子結(jié)構(gòu)學(xué)案

1、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：粒子通過金箔時(shí)，絕大多數(shù)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍沿原來的方向前進(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

2、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 m，原子大小的數(shù)量級(jí)為1010 m.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)氫原子光譜可見光譜線波長(zhǎng)可以用公式：表示，式中R稱為里德伯常量，R1

3、.1107 m1.4.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

4、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E113.6 eV，r10.531010 m(以電子距原子核無窮遠(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示出來即能級(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)

5、構(gòu)(1)湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，說明原子不是最小的微粒；盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)，說明原子里存在一個(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)原子結(jié)構(gòu)無法直接觀察到，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

6、夠的能量，可以穿過原子，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使電子電離，另一部分可用來增加電子離開核的吸引后的動(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)

7、模型【例1】盧瑟福通過對(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【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、D正確，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能說明它們，故不選B、C、D.【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 )A.原子的正電

8、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7 300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

9、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1 200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)，則在此過程中發(fā)出的光子總數(shù)是()A.2 200個(gè) B.2 000個(gè)C.1 200個(gè) D.2 400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n3N11 200400n3能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為400個(gè).n4到n2N21 200400n3到n2N3400200n2能級(jí)的原子個(gè)數(shù)為600個(gè).n4到n1N41 200400n3到n1N5400200n2到n1N6600所以發(fā)出的光子總數(shù)為NN1N2N62 2

10、00【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13.6 eV時(shí)，也可以被氫原子吸收，使氫原子電離；當(dāng)氫原子吸收的光子能量大于13.6 eV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，已知可見光的光子

11、能量范圍約為1.62 eV3.11 eV.下列說法錯(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0.5281014 m，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；(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

12、譜線中波長(zhǎng)最短的一條的波長(zhǎng).(其中靜電力常量k9.0109 Nm2/C2，電子的電荷量e1.61019 C，普朗克恒量h6.631034 Js，真空中光速c3.0108 m/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En13.6 eV由于動(dòng)能不為負(fù)值，所以Ek|En|13.6 eV(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)最短，所以(E3E2)時(shí)所產(chǎn)生的光譜線為所求，其中E2 eV3.4 eVE3eV1.51 eV由hE3E2及所以= m6.62107 m【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.電子在軌道上的能量E，它包括電勢(shì)能Ep和動(dòng)能Ek.計(jì)算表明Ep2Ek，所以EEkEpEk，EkE13.6 eV.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)