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12近代物理初步第二节原子结构与原子核知识架构答案1.原子线状n2r1（n＝1，2，3……）1n2E1重核轻核质量数电荷数基础自测1.判断正误（1）人们认识原子具有复杂结构是从物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的.（）（2）卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了核式结构学说.（）（3）原子中绝大部分是空的，原子核很小.（）（4）氢原子光谱是由一条一条亮线组成的.（）（5）玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱.（）（6）按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上.（）（7）三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线.（）（8）β衰变中的电子来源于原子核外电子.（）（9）若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小.（）（10）如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后一定还剩50个.（）（11）核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒.（）（12）目前核电站多数是采用核聚变反应发电.（）（13）爱因斯坦质能方程反映了物质的质量就是能量，它们之间可以相互转化.（）（14）质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量.（）答案：（1）√（2）√（3）√（4）√（5）×（6）×（7）√（8）×（9）×（10）×（11）√（12）×（13）×（14）×2.氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则（）A.吸收光子的能量为hν1＋hν2B.辐射光子的能量为hν1＋hν2C.吸收光子的能量为hν2－hν1D.辐射光子的能量为hν2－hν1解析：氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光，说明能级m高于能级n，而从能级n跃迁到能级k时吸收紫光，说明能级k也比能级n高，而紫光的频率ν2大于红光的频率ν1，所以hν2hν1，因此能级k比能级m高，所以若氢原子从能级k跃迁到能级m，应辐射光子，且光子能量应为hν2－hν1.故选项D正确.答案：D考点突破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“枣糕模型”.2.α粒子散射实验（1）α粒子散射实验装置图12－2－1（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，但少数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被“撞了回来”.3.原子的核式结构模型（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）原子的核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外绕核旋转.（3）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.【典例1】（多选）如图12－2－2所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时，观察到的现象，下述说法中正确的是（）图12－2－2A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置稍少些C.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D.放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少【解析】在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故选项A对；少数α粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，极个别α粒子被反射回来，故选项B、C错，选项D对.【答案】AD变式训练1在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图12－2－3中实线所示.图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域.不考虑其他原子核对该α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是（）图12－2－3A.可能在①区域B.可能在②区域C.可能在③区域D.可能在④区域解析：α粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的α粒子产生斥力，故原子核不会在④区；如原子核在②③区，α粒子会向①区偏；如原子核在①区，可能会出现如图所示的轨迹，故应选A.答案：A1.定态和激发态原子只能处于一系列能量不连续的状态中，具有确定能量的稳定状态叫做定态，原子处于最低能级的状态叫基态，其他的状态叫激发态.2.频率条件当电子从能量较高的定态轨道（Em）跃迁到能量较低的定态轨道（En）时会放出能量为hν的光子，则hν＝Em－En.反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子能量同样由频率条件决定.3.原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道.4.成功与局限玻尔的原子模型成功解释了氢原子光谱及原子的稳定性，但不能解释较复杂的原子的光谱现象.【典例2】（2019年三明模拟）按照玻尔理论，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rarb，则在此过程中（）A.原子要发出某一频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量也减小B.原子要吸收某一频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小C.原子要发出一系列频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小D.原子要吸收一系列频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量也增大【解析】由玻尔氢原子理论知，电子轨道半径越大，原子能量越大，当电子从ra跃迁到rb时，原子能量减小，放出光子；在电子跃迁过程中，库仑力做正功，原子的电势能减小；由库仑力提供电子做圆周运动的向心力，即ke2r2＝mv2r，r减小，电子速度增大，动能增大，综上所述可知A正确.【答案】A变式训练2（2019年衡水高三检测）原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子.例如在某种条件下，铬原子的n＝2能级上的电子跃迁到n＝1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n＝4能级上的电子，使之脱离原子，这一现象叫作俄歇效应，以这种方式脱离了原子的电子叫作俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为En＝－An2，式中n＝1，2，3，…表示不同能级，A是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是（）A.1116AB.716AC.316AD.1316A解析：由题意可知铬原子n＝1能级能量为E1＝－A，n＝2能级能量为E2＝－A4，从n＝2能级跃迁到n＝1能级释放的能量为ΔE＝E2－E1＝3A4，n＝4能级能量为E4＝－A16，电离需要能量为E＝0－E4＝A16，所以电子从n＝4能级电离后的动能为Ek＝ΔE－E＝3A4－A16＝11A16，故B、C、D错误，A正确.答案：A变式训练3（2019年山东枣庄第十八中学模拟）（多选）根据玻尔假设，若规定无穷远处的能量为0，则量子数为n的氢原子的能量En＝E1n2，E1为基态的能量，经计算为－13.6eV，现规定氢原子处于基态时的能量为0，则（）A.量子数n＝2时能级的能量为0B.量子数n＝3时能级的能量为－8E19C.若要使氢原子从基态跃迁到第4能级，则需要吸收的光子能量为－15E116D.若采用能量为－9E110的高速电子轰击而跃迁到激发态，这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出10种不同频率的光子解析：若规定无穷远处的能量为0，则量子数为n＝2时的能量为E2＝－13.622eV＝－3.4eV，若氢原子处于基态时的能量为0，则量子数n＝2时能级的能量为10.2eV，选项A错误；量子数n＝3时能级的能量为E132－E1＝－8E19，选项B正确；若要使氢原子从基态跃迁到第4能级，则需要吸收的光子能量为E142－E1＝－15E116，选项C正确；采用能量为－9E110的高速电子轰击而跃迁到激发态，根据Em－En＝hν，氢原子获得能量跃迁到n＝3激发态，则这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出3种不同频率的光子，故D错误.答案：BC1.对氢原子能级图的理解（1）能级图如图12－2－4所示.图12－2－4（2）能级图中相关量意义的说明相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态横线左端的数字“1，2，3，…”表示量子数横线右端的数字“－13.6，－3.4，…”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为hν＝Em－En2.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＝C2n＝n（n－1）2；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.【典例3】（2019年天津师大附中质检）已知氢原子的基态能量为E1，n＝2、3能级所对应的能量分别为E2和E3，大量处于第3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，依据玻尔理论，下列说法正确的是（）A.产生的光子的最大频率为E3－E2hB.当氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时，对应的电子的轨道半径变小，能量变大C.若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E3－E2D.若要使处于能级n＝3的氢原子电离，可以采用两种方法：一是用能量为－E3的电子撞击氢原子，二是用能量为－E3的光子照射氢原子【解析】大量处于能级n＝3的氢原子向低能级跃迁能产生3种不同频率的光子，产生光子的最大频率为E3－E1h；当氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时，能量减小，电子离原子核更近，电子轨道半径变小；若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，由光电效应方程可知，该金属的逸出功恰好等于E2－E1，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照射该金属时，逸出光电子的最大初动能为E3－E1－（E2－E1）＝E3－E2；电子是有质量的，撞击氢原子是发生弹性碰撞，由于电子和氢原子质量不同，故电子不能把－E3的能量完全传递给氢原子，因此不能使氢原子完全电离，而光子的能量可以完全被氢原子吸收.综上所述，A、B、D错误，C正确.【答案】C变式训练4（2019年邯郸模拟）（多选）氢原子能级如图12－2－5，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656nm.以下判断正确的是（）图12－2－5A.氢原子从n＝2跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656nmB.用波长为325nm的光照射，可使氢原子从n＝1跃迁到n＝2的能级C.一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D.用波长为633nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级解析：由玻尔的能级跃迁公式Em－En＝hν＝hcλ得E3－E2＝hcλ1，E2－E1＝hcλ2，又λ1＝656nm，结合能级图上的能级值解得λ2＝122nm325nm，故A、B错误，D正确；根据C23＝3可知，一群处于n＝3能级氢原子向低级跃迁，辐射的光子频率最多3种，故C正确.答案：CD1.原子核的组成（1）原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.（2）基本关系①核电荷数＝质子数（Z）＝元素的原子序数＝核外电子数.②质量数（A）＝核子数＝质子数＋中子数.（3）X元素的原子核的符号为AZX，其中A表示质量数，Z表示核电荷数.2.天然放射现象（1）天然放射现象放射性元素自发地发出射线的现象，首先由贝克勒尔发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构.（2）三种射线（3）放射性同位素的