1、第一节原子的结构核心素养明目标核心素养学习目标物理观念知道电子的发现、粒子散射实验及原子的核式结构模型，了解氢原子光谱及能级图和跃迁，能解释相关的现象科学思维理解粒子散射的原因，能根据氢原子的能级图和跃迁解释氢原子光谱，提高解题能力科学探究通过实验探究粒子大角度偏转的原因，了解原子的核式结构，学会与他人交流合作，培养实验观察能力科学态度与责任体验科学探究的方法和科学家们不懈努力的科学精神，培养良好的学习习惯与兴趣知识点一原子核式结构的提出11897年，英国物理学家J.J.汤姆孙对阴极射线进行研究，发现了电子2J.J.汤姆孙设想原子的“枣糕模型”或“葡萄干布丁模型”3粒子散射实验(1)英国物理学
2、家卢瑟福利用高速粒子束垂直射到很薄的金箔上的实验(2)实验结果：绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数粒子发生了较大的偏转，并且有极少数粒子的偏转超过了90，有的甚至达到180.4原子的核式结构(1)1911年，卢瑟福提出了原子的核式结构模型(2)原子的中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转(3)原子半径的数量级大约是1010 m，而原子核半径的数量级为10151014 m.粒子散射实验要在真空中进行，且金箔非常薄，尽量减少粒子与金原子核发生二次碰撞的可能知识点二氢原子光谱1原子光谱：某种原子的气体通电后可以发光并产生固定不变的光谱
3、，这种光谱被称为原子光谱2氢原子光谱是一些分立的亮线不同元素的光谱各不相同，因而可根据特征谱线检测某种元素知识点三原子的能级结构1丹麦物理学家玻尔提出：电子绕原子核运动的轨道半径是分立的，电子只能在某些特定的轨道上运动2能级：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有不同的能量这些分立的能量值被称为原子的能级3跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程叫作跃迁4从高能级向低能级跃迁辐射出光子的能量为：hEmEn.5基态：在正常状态下，氢原子处于最低的能级E1(n1)，这个最低能级对应的状态称为基态6激发态：当电子受到外界激发时，可从外界吸收能量，并从基态跃迁到较高的能级E2，E3，上
4、，这些能级对应的状态称为激发态7电子云：用疏密不同的点表示电子在各处出现的概率，这样画出的概率分布图称为电子云不论是从基态跃迁到激发态，还是从激发态跃迁到基态，吸收或辐射的能量只能是对应的能级差，而不是任意值1思考判断(正确的打“”，错误的打“”)(1)电子的发现，说明原子具有一定的结构()(2)原子的质量几乎全部都集中在原子核内()(3)由于原子都是由原子核和核外电子组成的，所以各种原子的原子光谱是相同的()(4)玻尔认为原子是稳定的，电子绕核旋转但不向外辐射能量()答案(1)(2)(3)(4)2(多选)如图所示是英国物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔的实验装置下列关于该实验的描述正确的是()A粒
5、子轰击金箔的实验需在真空条件下完成B该实验揭示了原子有复杂的核式结构C实验结果表明绝大多数粒子穿过金箔后发生大角度偏转D该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性AB粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成，故A正确；粒子的散射实验揭示了原子具有复杂的核式结构，卢瑟福提出了原子核式结构模型，同时否定了汤姆孙原子模型，故B正确，D错误；实验结果表明绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，故C错误3一个氢原子从n3能级跃迁到n2能级该氢原子()A辐射光子，能量增加B辐射光子，能量减少C吸收光子，能量增加D吸收光子，能量减少B根据玻尔的原子理论，氢原子从高能级(n3)跃迁到低能级(n2)时，辐射一定频率的光子，氢
6、原子能量减少，光子的能量由这两种定态的能级差决定故B正确 考点1粒子散射实验分析(1)如图所示为粒子散射的实验装置实验过程中，粒子为什么会发生大角度散射？(2)由粒子散射实验的结果为何可以说明原子核尺度很小，但几乎占有全部质量？提示(1)粒子受到原子核的库仑力(2)绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明带正电荷部分很小，少数粒子被“撞了回来”说明遇到了质量很大的部分. 1实验背景粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型2否定汤姆孙的原子结构模型(1)质
7、量远小于粒子的电子，对粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转(2)粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转(3)粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型3大角度偏转的实验现象分析(1)由于电子质量远小于粒子质量，所以电子不可能使粒子发生大角度偏转(2)使粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不能使粒子反向弹回，这与粒子散射实验相矛盾(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全
8、部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则，粒子大角度散射是不可能的【典例1】如图所示为卢瑟福粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察粒子在各个角度的散射情况下列说法中正确的是()A在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多B在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光C卢瑟福选用不同金属箔片作为粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D粒子发生散射的主要原因是粒子撞击到金原子核后产生反弹思路点拨(1)粒子散射实验，在A、B处都能观察到闪光，在A处多B处少(2)粒子受到原子核的库仑斥力发生大角度偏转C粒子散
9、射实验现象：绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子有大角度散射所以A处观察到的粒子多，B处观察到的粒子少，所以选项AB错误；粒子发生散射的主要原因是受到金原子核库仑斥力的作用，所以选项D错误，C正确解决粒子散射实验问题的技巧(1)熟记实验装置及原理(2)核外电子不会使粒子的速度发生明显改变(3)汤姆孙的原子模型不能解释粒子的大角度散射(4)少数粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用(5)绝大多数粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内1根据汤姆孙原子结
10、构模型预测粒子散射实验结果是()A绝大多数粒子穿过金箔后都有显著偏转B绝大多数粒子穿过金箔后都有小角度偏转C极少数粒子偏转角很大，有的甚至沿原路返回D不可能有粒子偏转角很大，更不可能沿原路返回D电子的质量很小，比粒子的质量小得多，粒子碰到金箔原子内的电子，运动方向不会发生明显变化，汤姆孙原子结构模型认为正电荷在原子内是均匀分布的，因此，当粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力基本上相互平衡，粒子基本不偏转故D正确 考点2卢瑟福原子结构模型汤姆孙发现电子后建立了“葡萄干布丁”模型，卢瑟福根据粒散射实验推翻了“葡萄干布丁”模型，建立了核式结构模型(1)卢瑟福的核式结构模型是最科学的吗？(2)如何理
11、解原子内绝大部分是空的？提示(1)卢瑟福的核式结构模型是比汤姆孙的“葡萄干布丁”模型更科学的模型，但不是最科学的模型，随着人们认识水平的不断提高，原子结构模型也在不断更新(2)原子核的半径数量级为1015 m，原子的半径数量级为1010 m，原子核的体积只相当于原子体积的105，故原子内部绝大部分是空的1两种原子模型汤姆孙原子模型卢瑟福原子模型卢瑟福的原子模型有些像太阳系，电子绕核运动就像太阳系的行星绕太阳运动一样，因此，卢瑟福的核式结构模型又被称为行星模型2两种原子模型的对比模型汤姆孙的葡萄干布丁模型卢瑟福的原子核式模型分布情况正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中正电荷以及几乎全部质量集中
12、在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内受力情况粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零少数靠近原子核的粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的粒子受到的库仑力较小偏转情况不会发生大角度偏转，更不会弹回绝大多数粒子运动方向不变，少数粒子发生大角度偏转，极少数粒子偏转角度超过90，有的甚至被弹回分析结论不符合粒子散射现象符合粒子散射现象3原子核式结构的理解(1)原子内的电荷关系：原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数(2)原子核的组成：原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数(3)原子半径的数量级是1010 m，原子核半径的数量级是101
13、5 m，两者相差十万倍之多【典例2】(多选)根据粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型如图所示为原子核式结构模型的粒子散射图景，图中实线表示粒子运动轨迹其中一个粒子在从a运动到b，再运动到c的过程中，粒子在b点时距原子核最近下列说法正确的是()A卢瑟福在粒子散射实验中发现了电子B粒子出现较大角度偏转的原因是粒子运动到b时受到的库仑斥力较大C粒子从a到c的运动过程中电势能先减小后变大D粒子从a到c的运动过程中加速度先变大后变小思路点拨(1)汤姆孙发现了电子；(2)库仑斥力使粒子改变了运动状态BD汤姆孙对阴极射线的探究使他发现了电子，A错误；粒子出现较大角度偏转的原因是靠近原子核时受到较大的
14、库仑斥力作用，B正确；粒子从a到c受到的库仑力先增大后减小，加速度先变大后变小，电势能先增大后减小，C错误，D正确分析粒子散射实验中的力电问题常用的规律(1)库仑定律：Fk，用来分析粒子和原子核间的相互作用力(2)牛顿第二定律：该实验中粒子只受库仑力，可根据库仑力的变化分析加速度的变化(3)功能关系：根据库仑力做功，可分析动能的变化，也能分析电势能的变化(4)原子核带正电，其周围的电场相当于正点电荷的电场，注意应用其电场线和等势面的特点2卢瑟福的原子核式结构模型认为，核外电子绕核运动设想氢原子的核外电子绕核做匀速圆周运动，氢原子中电子离核最近的轨道半径为r1，已知电子电荷量为e，静电力恒量为k
15、，用经典物理学的知识，(1)计算电子在半径为r1的轨道运动时的动能(2)设轨道2的半径r24r1，计算电子在轨道2运动时的动能(3)比较电子在轨道1与轨道2的动能，Ek1_(选填“”“”或“”)Ek2，电势能Ep1_(选填“”“”或“”)Ep2.解析(1)根据库仑力提供向心力有km，故Ek1mv2k.(2)由(1)知当r24r1时有Ek2kk.(3)由(2)知由轨道1运动至轨道2，电子动能减小，故Ek1Ek2，由轨道1至轨道2过程中，电子克服库仑引力做功，电势能增大，故Ep1Ep2.答案(1)k(2)k(3) 考点3对氢原子跃迁的理解如图所示为一氢原子的能级图，一个氢原子处于n4的能级(1)该
16、氢原子向低能级跃迁时，最多能辐射出几种频率的光子？(2)该氢原子的电离能是多大？要使该氢原子电离，入射光子的能量必须满足什么条件？提示 (1)3种(2)0.85 eVE0.85 eV1能级图的理解如图所示为氢原子能级图(1)能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n1时对应的能量，其值为13.6 eV.En代表电子在第n个轨道上运动时的能量(2)作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n1是原子的基态，n是原子电离时对应的状态2能级跃迁：处于激发态的原子是不稳定的
17、，它会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态所以一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为NC.3光子的发射：原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，发射光子的频率由下式决定hEmEn(Em、En是始、末两个能级能量且mn)能级差越大，辐射光子的频率就越高4使原子能级跃迁的两种粒子光子与实物粒子(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n1时能量不足，则可激发到n能级的问题(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如，自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所
18、以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值，就可使原子发生能级跃迁【典例3】(多选)关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是()A用波长为60 nm的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子B用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态C用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D用动能为12.5 eV的电子撞击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态思路点拨(1)用大于13.6 eV的光子照射氢原子，可使电子电离；(2)吸收或辐射出光子能量只能等于能级差ABD波长为60 nm的X射线，光子能量Eh6.631034 J3.321018 J20.
19、75 eV，氢原子电离能：E0(13.6)eV13.6 eVE20.75 eV，故可使氢原子电离，A项正确；据hEmEn得Em1hE110.2 eV(13.6)eV3.4 eV，Em211.0 eV(13.6)eV2.6 eV.只有Em13.4 eV对应n2的状态，因电子绕核运动时，吸收光子只能吸收能量恰好为两能级差的光子，所以只有能量为10.2 eV的光子可使氢原子从基态跃迁到激发态，B项正确；电子的动能大于10.2 eV，因此与处于基态的氢原子撞击时，可以使氢原子吸收10.2 eV的能量跃迁到第二能级态，故D正确一个氢原子与一群氢原子在能级分析中的差别(1)如果是一个氢原子，该氢原子的核外
20、电子在某时刻只能处在某一个可能的轨道上，由这一轨道向另一轨道跃迁时只能有一种光，但可能发出的光条数为(n1)(2)如果是一群氢原子，该群氢原子的核外电子在某时刻有多种可能轨道，每一个跃迁时只能发出一种光，多种轨道同时存在，发光条数N.(3)若知道每条光线的能量，可根据已知情况判定光线的波长或光线所在的区域3(多选)如图为氢原子能级示意图，则氢原子()A从n4能级跃迁到n3能级比从n3能级跃迁到n2能级辐射出电磁波的波长长B从n5能级跃迁到n1能级比从n5能级跃迁到n4能级辐射出电磁波的速度大C处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是不一样的D处于n5能级的一群原子跃迁时，最多可以发出6种不同
21、频率的光子AC根据Eh，可知，从n4能级跃迁到n3能级比从n3能级跃迁到n2能级放出能量小，所以从n4能级跃迁到n3能级比从n3能级跃迁到n2能级辐射出电磁波的波长长，选项A正确；电磁波的速度是光速，与电磁波的波长、频率无关，选项B错误；处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率不相同，C正确；处于n5能级的一群原子跃迁时，最多可以发出C10种不同频率的光子，D项错误1物理观念：电子的发现、原子的核式结构、能级图及跃迁、电子云2科学思维：用粒子散射实验解释原子的核式结构，用能级跃迁解释氢原子光谱3科学方法：实验法、观察法、假想法、计算法等1(多选)下列说法正确的是()A汤姆孙研究阴极射线，用测定
22、粒子比荷的方法发现了电子B电子的发现证明了原子是可分的C汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质应充斥整个原子，而带负电的电子，则镶嵌在球体的某些固定位置D汤姆孙认为原子里面带正电荷的物质都集中在原子中心一个很小的范围内ABC通过物理学史可得，选项A正确；根据电子发现的重要意义可得，选项B正确；选项C描述的是汤姆孙原子模型，选项C正确，D错误2(多选)关于粒子散射实验，下列说法正确的是()A该实验在真空环境中进行B荧光屏上的闪光是散射的粒子打在荧光屏上形成的C荧光屏只有正对粒子源发出的射线方向上才有闪光D不用荧光屏也可用显微镜直接观察粒子散射情况AB本题考查粒子散射实验装置及其作用，只有在正确理解粒子
23、散射实验的基础上，才能选出正确选项考虑到有少数的粒子因为靠近金原子核，受到斥力而改变了运动方向，C错误，AB正确；粒子必须借助于荧光屏观察，D错误3关于原子结构，下列说法正确的是()A原子中原子核很小，核外很“空旷”B原子核的直径的数量级是1010 mC原子的全部电荷都集中在原子核内D原子的全部的质量都集中在原子核内A大多数粒子不发生偏转，说明核外很“空旷”，A正确；原子核的直径的数量级为1015 m，B错误；由卢瑟福核式结构模型知，CD错误4如图所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是()ABCDC根据玻
24、尔的原子跃迁公式hEmEn可知，两个能级间的能量差值越大，辐射光的波长越短从图中可看出，能量差值最大的是E3E1，辐射光a的波长最短，能量差值最小的是E3E2，辐射光b的波长最长，谱线从左向右波长依次增大的顺序是a、c、b，选项C正确5氢原子处于基态时，原子的能量为E113.6 eV.问：(1)氢原子在n4的定态上时，可放出几种光子？(2)若要使处于基态的氢原子电离，要用多大频率的电磁波照射此原子解析(1)原子处于n1的定态，这时原子对应的能量最低，这一定态是基态，其他的定态均是激发态原子处于激发态时不稳定，会自动地向基态跃迁，而跃迁的方式多种多样，当氢原子从n4的定态向基态跃迁时，可释放出6种不同频率的光子(2)要使处于基态的氢原子电离，就是要使氢原子第一条可能轨道上的电子获得能量脱离原子核的引力束缚，则hEE113.6 eV2.1761018 J，即 Hz3.281015 Hz.答案(1)6种(2)3.281015 Hz