新課改高中物理選修三同步專題講義：07 C原子結(jié)構(gòu) 提升版（學(xué)生版）

原子結(jié)構(gòu)一、電子的發(fā)現(xiàn)如圖，真空玻璃管中K是金屬板制成的陰極，A是金屬環(huán)制成的陽極；把它們分別連接在感應(yīng)圈的負(fù)極和正極上。管中十字狀物體是一個(gè)金屬片。接通電源時(shí)，感應(yīng)圈產(chǎn)生的近萬伏的高電壓加在兩個(gè)電極之間，可以看到玻璃壁上淡淡的熒光及管中物體在玻璃壁上的影。1876年德國(guó)物理物理學(xué)家戈德斯坦認(rèn)為管壁上的熒光是由于玻璃受到陰極發(fā)出的某種射線的撞擊而引起的，并把這種射線命名為陰極射線。19世紀(jì)，對(duì)陰極射線的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有兩種觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線是一種電磁輻射，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為陰極射線是帶電微粒。1．電子的發(fā)現(xiàn)英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流。1897年，他根據(jù)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況斷定，陰極射線的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流并求出了這種粒子的比荷。湯姆孫發(fā)現(xiàn)，用不同材料的陰極做實(shí)驗(yàn)，所得比荷的數(shù)值都是相同的。這說明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成各種物質(zhì)的共有成分。后來組成陰極射線的粒子被稱為電子。發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆孫又進(jìn)一步研究了許多新現(xiàn)象，如光電效應(yīng)、熱離子發(fā)射效應(yīng)和射線等。他發(fā)現(xiàn)，不論陰極射線、射線、光電流還是熱離子流，它們都包含電子。由此可見，電子是原子的組成部分，是比原子更基本的物質(zhì)單元。2．棗糕模型在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子后，對(duì)原子中正負(fù)電荷如何分布的問題，科學(xué)家們提出了許多模型，其中較有影響的是湯姆孫本人提出的“棗糕模型”。他認(rèn)為：原子是一個(gè)球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個(gè)球體內(nèi)，電子鑲嵌其中。二、原子的核式結(jié)構(gòu)1．粒子散射實(shí)驗(yàn)1909年，英籍物理學(xué)家盧瑟福指導(dǎo)他的學(xué)生蓋革和馬斯頓進(jìn)行了粒子散射實(shí)驗(yàn)的研究，下面我們來介紹這個(gè)實(shí)驗(yàn)。⑴實(shí)驗(yàn)裝置介紹被鉛塊包圍的粒子源形成一束射線打在金箔上，由于金原子中帶電粒子對(duì)粒子的庫侖力作用，使得一些粒子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變，即發(fā)生散射。觀測(cè)裝置是帶有熒光屏的放大鏡，被散射的粒子打在熒光屏上會(huì)有微弱的閃光產(chǎn)生，我們可在水平面內(nèi)不同的角度對(duì)散射的粒子進(jìn)行觀察。從粒子源到熒光屏這段路程處于真空中。⑵實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象絕大多數(shù)粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)粒子（約占）發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于，也就是說它們幾乎被“撞了回來”。⑶實(shí)驗(yàn)結(jié)論大角度的偏轉(zhuǎn)不可能是由電子造成的，因?yàn)樗挥辛Ｗ淤|(zhì)量的，它對(duì)粒子速度的大小和方向的影響完全可以忽略。因此，造成粒子偏轉(zhuǎn)的主要原因是它受到了原子中除電子以外的其他物質(zhì)的作用，而這部分物質(zhì)的質(zhì)量很大，而且是帶正電的。盧瑟福分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，事實(shí)應(yīng)該是：占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的那部分物質(zhì)集中在很小的空間范圍。這樣才會(huì)使粒子經(jīng)過時(shí)受到很強(qiáng)的斥力，從而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)。典例精講【例1.1】（和平區(qū)校級(jí)期末）下列關(guān)于原子和原子核的說法正確的是（）A．氫原子光譜的發(fā)現(xiàn)是原子具有核式結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)依據(jù) B．原子核發(fā)生衰變時(shí)要遵守電荷守恒和質(zhì)量守恒的規(guī)律 C．核電站應(yīng)用了核裂變?cè)聿⒗面k棒控制反應(yīng)進(jìn)程 D．每個(gè)核子都會(huì)和其余的核子發(fā)生核力作用【例1.2】（金平縣期末）下列說法正確的是（）A．質(zhì)子和中子的質(zhì)量不等，但質(zhì)量數(shù)相等 B．質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量總和 C．同一種元素的原子核有相同的質(zhì)量數(shù)，但中子數(shù)可以不同 D．中子不帶電，所以原子核的總電量等于質(zhì)子和電子的總電量之和【例1.3】（廣東期末）如圖，在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，圖中實(shí)線表示α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，假定金原子核位置固定，a、b、c為某條軌跡上的三個(gè)點(diǎn)，其中a、c兩點(diǎn)距金原子核的距離相等（）A．盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了能量量子化理論 B．大多數(shù)α粒子擊中金箔后幾乎沿原方向返回 C．從a經(jīng)過b運(yùn)動(dòng)到c的過程中α粒子的電勢(shì)能先減小后增大 D．α粒子經(jīng)過a、c兩點(diǎn)時(shí)動(dòng)能相等【例1.4】（遂寧期末）氫的三種同位素，分別是氕（11H）、氘（12H）和氚（A．它們的質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)都相等 B．它們的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相等 C．它們的核子數(shù)和中子數(shù)都相等 D．它們的中子數(shù)和核外電子數(shù)都相等2．原子的核式結(jié)構(gòu)模型1911年，盧瑟福提出了自己的原子結(jié)構(gòu)模型。他設(shè)想：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動(dòng)。典例精講【例2.1】（天津期末）一個(gè)原子核符號(hào)是3895A．核內(nèi)有38個(gè)質(zhì)子，有95個(gè)中子 B．核內(nèi)有38個(gè)質(zhì)子，有57個(gè)中子 C．核內(nèi)有57個(gè)質(zhì)子，有38個(gè)中子 D．核內(nèi)有95個(gè)質(zhì)子，有57個(gè)中子【例2.2】（宿遷期末）對(duì)原子的認(rèn)識(shí)，錯(cuò)誤的是（）A．原子由原子核和核外電子組成 B．原子核的質(zhì)量就是原子的質(zhì)量 C．原子核的電荷數(shù)就是核中的質(zhì)子數(shù) D．原子序數(shù)等于核電荷與電子電荷大小的比值【例2.3】（上海）原子核內(nèi)部有（）A．質(zhì)子 B．α粒子 C．電子 D．光電子【例2.4】（離石區(qū)校級(jí)期末）氫有三種同位素，分別是氕（11H）、氘（12H）、氚（A．它們的質(zhì)子數(shù)相等 B．它們的核外電子數(shù)相等 C．它們的核子數(shù)相等 D．它們的化學(xué)性質(zhì)相同三、玻爾原子模型1．氫原子光譜⑴經(jīng)典理論的困難=1\*GB3①按照經(jīng)典物理學(xué)，核外電子受到原子核的庫侖引力的作用，不可能是靜止的，它一定在以一定的速度繞核運(yùn)動(dòng)。既然電子在做周期性運(yùn)動(dòng)，它的電磁場(chǎng)就在周期性地變化，而周期性變化的電磁場(chǎng)會(huì)激發(fā)電磁波。也就是說，它將把自己繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的能量以電磁波的形式輻射出去。因此，電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，電子會(huì)失去能量，最后一頭栽到原子核上。但事實(shí)不是這樣，原子是個(gè)很穩(wěn)定的系統(tǒng)。=2\*GB3②根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子輻射電磁波的頻率，就是它繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。電子越轉(zhuǎn)能量越小，它離原子核就越來越近，轉(zhuǎn)的也就越來越快。這個(gè)變化是連續(xù)的，也就是說，我們應(yīng)該看到原子輻射的各種頻率的光，即原子的光譜應(yīng)該總是連續(xù)的，而實(shí)際上看到的是分立的線狀譜。⑵光譜用光柵和棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開，獲得光的波長(zhǎng)（頻率）和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。用攝譜儀可以得到光譜的照片，有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜；有些光譜看起來是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。⑶氫原子光譜玻璃管中稀薄氣體的分子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下會(huì)電離，成為自由移動(dòng)的正負(fù)電荷，于是氣體變成導(dǎo)體，導(dǎo)電時(shí)會(huì)發(fā)光。這樣的裝置叫做氣體放電管。從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜。1885年，巴耳末對(duì)當(dāng)時(shí)已知的，在可見光區(qū)的四條譜線做了分析，發(fā)現(xiàn)這些譜線的波長(zhǎng)能夠用一個(gè)公式表示，如果采用波長(zhǎng)的倒數(shù)，這個(gè)公式可以寫做、、式中叫做里德伯常量，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的值為。典例精講【例1.1】（綦江區(qū)校級(jí)月考）氫原子光譜在可見光區(qū)域內(nèi)有四條譜線Hα、Hβ、Hγ、Hδ，都是氫原子中電子從量子數(shù)n＞2的能級(jí)躍遷到n＝2的能級(jí)發(fā)出的光，它們?cè)谡婵罩械牟ㄩL(zhǎng)由長(zhǎng)到短，可以判定（）A．Hα對(duì)應(yīng)的前后能級(jí)之差最小 B．Hα的粒子性最顯著 C．Hδ的頻率最大 D．用Hγ照射某一金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則Hβ也一定能【例1.2】（大名縣校級(jí)月考）有關(guān)氫原子光譜的說法正確的是（）A．氫原子的光譜是連續(xù)譜 B．氫原子光譜說明氫原子只發(fā)出特定頻率的光 C．氫原子光譜說明氫原子能級(jí)是分立的 D．巴耳末公式反映了氫原子輻射電磁波波長(zhǎng)的連續(xù)特性【例1.3】（七星區(qū)校級(jí)期中）電子的運(yùn)動(dòng)受波動(dòng)性的支配，對(duì)于氫原子的核外電子，下列說法不正確的是（）A．氫原子的核外電子可以用確定的坐標(biāo)描述它們?cè)谠又械奈恢?B．電子繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定它的軌道 C．電子繞核運(yùn)動(dòng)的“軌道”其實(shí)是沒有意義的 D．電子軌道只不過是電子出現(xiàn)的概率比較大的位置【例1.4】（東湖區(qū)校級(jí)月考）下列說法中正確的是（）A．氫原子吸收一個(gè)光子躍遷到激發(fā)態(tài)后，在向低能級(jí)躍遷時(shí)，輻射出光子的頻率可能小于原吸收光子的頻率 B．90234Th（釷）核衰變?yōu)?1234Pa（鏷）核時(shí)，衰變前Th核質(zhì)量大于衰變后Pa核與βC．α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明原子核是由質(zhì)子和中子組成的 D．原子核的比結(jié)合能越大，則原子核中核子的平均質(zhì)量（原子核的質(zhì)量除以核子數(shù)）就越大，平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損就越多，原子核越穩(wěn)定2．玻爾的原子模型⑴軌道量子化與定態(tài)首先，玻爾認(rèn)為原子中的電子在庫侖引力的作用下繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)，服從經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律。但不同的是：①電子的軌道是量子化的電子的軌道半徑不是任意的，只能取某些分立的數(shù)值，電子在這些軌道上繞核的轉(zhuǎn)動(dòng)是穩(wěn)定的，不產(chǎn)生電磁輻射。②原子的能量也是量子化的當(dāng)電子處在不同的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子處于不同的狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下原子有不同的能量。這些量子化的能量值，叫做能級(jí)。這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài)，叫做定態(tài)。能量最低的狀態(tài)叫做基態(tài)，其他的狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。⑵頻率條件①原子由一個(gè)能量態(tài)變?yōu)榱硪粋€(gè)能量態(tài)的過程，稱為躍遷。這里的“躍”字，包含著“不連續(xù)”的意思。②當(dāng)原子從高能態(tài)（能量為）躍遷到低能態(tài)（能量為）時(shí)，會(huì)放出能量為的光子。這個(gè)光子的能量由前后兩個(gè)能級(jí)的能量差決定，即。這個(gè)式子稱為頻率條件，又稱輻射條件。③當(dāng)原子吸收光子時(shí)，會(huì)從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，吸收光子的能量同樣由頻率條件決定。（只有能量等于兩能級(jí)間能量差的特定光子才能被吸收）=3\*GB2⑶玻爾理論對(duì)氫光譜的解釋從玻爾的基本假設(shè)出發(fā)，運(yùn)用經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典力學(xué)的理論，可以計(jì)算氫原子中電子的可能軌道半徑及相應(yīng)的能量。按照玻爾理論可以推導(dǎo)出巴耳末公式，并從理論上算出里德伯常數(shù)，這樣得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合的很好。同樣，玻爾理論也能很好地解釋甚至預(yù)言氫原子的其他譜線系。是能量單位，代表一個(gè)電子經(jīng)1伏特電場(chǎng)加速后獲得的動(dòng)能，。3．玻爾模型的局限性玻爾的原子理論第一次將量子觀念引入原子領(lǐng)域，成功解釋了氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。但對(duì)于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的原子如氦原子，玻爾理論就無法解釋它的光譜現(xiàn)象。這說明玻爾理論還沒有完全揭示微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。它的不足之處在于保留了經(jīng)典粒子的觀念，仍然把電子的運(yùn)動(dòng)看做經(jīng)典力學(xué)描述下的軌道運(yùn)動(dòng)。隨堂練習(xí)一．選擇題（共10小題）1．（沙坪壩區(qū)校級(jí)期中）下圖為α粒子散射實(shí)驗(yàn)的原子核和兩個(gè)α粒子的徑跡，其中符合物理原理的是（）A． B． C． D．2．（南開區(qū)一模）下列關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的敘述不正確的是（）A．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)表明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 B．天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)表明了原子核內(nèi)部是有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的 C．電子的發(fā)現(xiàn)表明了原子內(nèi)部是有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的 D．α粒子散射實(shí)驗(yàn)是原子核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)3．（青浦區(qū)二模）為盧瑟福提出原子核式結(jié)構(gòu)模型提供依據(jù)的實(shí)驗(yàn)是（）A．α粒子散射實(shí)驗(yàn) B．光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) C．α粒子轟擊氮核實(shí)驗(yàn) D．α粒子轟擊鈹核實(shí)驗(yàn)4．（新疆模擬）根據(jù)盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，使少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的作用力是金原子核對(duì)α粒子的（）A．庫倫斥力 B．庫倫引力 C．萬有引力 D．核力5．（赤峰模擬）氫原子從n＝6躍遷到n＝1能級(jí)時(shí)輻射出頻率為Y1的光子，從n＝5躍遷到n＝1能級(jí)時(shí)輻射出頻率為Y2的光子，下列說法正確的是（）A．頻率為Y1與頻率為Y2的光子的能量相等 B．頻率為Y1的光子的能量較小 C．Y1光子比Y2光子的波動(dòng)性更顯著 D．做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，頻率為Y1的光產(chǎn)生的光電子的最大初動(dòng)能較大6．（章貢區(qū)校級(jí)模擬）以下關(guān)于近代物理內(nèi)容的敘述中，正確的是（）A．原子核發(fā)生一次β衰變，該原子外層就一定失去一個(gè)電子 B．天然放射現(xiàn)象中發(fā)出的α、β、γ三種射線本質(zhì)都是電磁波 C．對(duì)不同的金屬，若照射光頻率不變，光電子的最大初動(dòng)能與金屬逸出功成線性關(guān)系 D．根據(jù)玻爾原子理論，一群氫原子從第3能級(jí)向低能級(jí)躍遷過程會(huì)發(fā)出6種不同頻率的光子7．（合肥二模）下列說法正確的是（）A．中子與質(zhì)子結(jié)合成氘核時(shí)吸收能量 B．盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 C．入射光照射到某金屬表面發(fā)生光電效應(yīng)，若僅減弱該光的強(qiáng)度，則仍可能發(fā)生光電效應(yīng) D．根據(jù)玻爾理論，氫原子的電子由外層軌道躍遷到內(nèi)層軌道，原子的能量減少，電子的動(dòng)能增加8．（羅莊區(qū)校級(jí)月考）下列說法中正確的是（）A．發(fā)生a衰變時(shí)，新核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了4 B．用不可見光照射金屬一定比用可見光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的初動(dòng)能大 C．由玻爾理論可知，氫原子輻射出一個(gè)光子后，其電勢(shì)能減小，核外電子的動(dòng)能增大，原子總能量不變 D．比結(jié)合能小的原子核結(jié)合成或分解成比結(jié)合能大的原子核時(shí)一定放出核能9．（紅塔區(qū)校級(jí)月考）圖為氫原子的能級(jí)示意圖。關(guān)于氫原子躍遷，下列說法中不正確的是（）A．一群處于量子數(shù)n＝5激發(fā)態(tài)的氫原子，它向低能級(jí)躍遷時(shí)，最多可產(chǎn)生10種不同頻率的光子 B．處于n＝3激發(fā)態(tài)的氫原子吸收具有1.87eV能量的光子后被電離 C．用12eV的光子照射處于基態(tài)的氫原子，氫原子仍處于基態(tài) D．氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，動(dòng)能增大，電勢(shì)能增大10．（浙江模擬）下列說法正確的是（）A．原子核的結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定 B．某些原子核能夠放射出β粒子，說明原子核內(nèi)有β粒子 C．核泄漏污染物55137Cs能夠產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射，核反應(yīng)方程式為55137Cs→56D．若氫原子從n＝6能級(jí)向n＝1能級(jí)躍遷時(shí)輻射出的光不能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則氫原子從n＝6能級(jí)向n＝2能級(jí)躍遷時(shí)輻射出的光能可能使該金屬發(fā)生光電效應(yīng)二．多選題（共3小題）11．（靈丘縣期末）下列關(guān)于四幅圖的描述正確的是（）A．圖甲：盧瑟福通過分析α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子 B．圖乙：原子的特征譜線，由于原子光譜只與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此可以把某種原子的光譜當(dāng)作該原子的“指紋”來進(jìn)行光譜分析 C．圖丙：玻爾理論指出氫原子能級(jí)是分立的，所以原子發(fā)射光子的頻率也是不連續(xù)的 D．圖?。涸又械碾娮永@原子核高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行軌道的半徑是任意的12．（黔南州期末）下列說法中正確的是（）A．黑體輻射電磁波的強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布只與黑體的溫度有關(guān) B．按照波爾理論，氫原子核外電子從半徑較大的軌道躍遷到半徑較小的軌道時(shí)，電子的動(dòng)能增加，原子的能量減小 C．在相同速率情況下，利用質(zhì)子流比利用電子流制造的顯微鏡將有更高的分辨率 D．對(duì)于同種金屬產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，逸出光電子的最大初動(dòng)能Ek與入射光的頻率成正比 E．粒子散射實(shí)驗(yàn)表明了原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)13．（花溪區(qū)校級(jí)月考）相對(duì)論和量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱。量子理論的核心觀念是“不連續(xù)”。關(guān)于量子理論，以下說法正確的是；（）A．普朗克為解釋黑體輻射，首先提出“能量子”的概念，他被稱為“量子之父” B．愛因斯坦實(shí)際上是利用量子觀念和能量守恒解釋了光電效應(yīng) C．康普頓效應(yīng)證明光具有動(dòng)量，證明光具有波動(dòng)性 D．玻爾的能量量子化和電子軌道量子化的觀點(diǎn)和