高中物理原子与原子核问题含答案高中教育_-高中教育.pdf

原子和原子核问题 一、氢原子光谱与能级跃迁 1氢原子光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱 (2)光谱分类 (3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式 1R(1221n2)(n3,4,5，R是里德伯常量，R 107 m1)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线，可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，它的优点是灵敏度高，样本中一种元素的含量达到 10-10 g 时就可以被检测到，这种方法称为光谱分析。(4)在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义 2氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论 定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量 跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为h 的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 h EmEn.(h 是普朗克常量，h 1034 J s)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应 原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的 (2)几个概念 能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级 基态：原子能量最低的状态 激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态 量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数 (3)氢原子的能级公式：En1n2E1(n1,2,3，)，其中 E1为基态能量，其数值为 E1 eV.(4)氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中 r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为 r1 1010 m.3氢原子的能级图 【例题】1 当用具有能量的光子照射 n3 激发态的氢原子时，氢原子（）A.不会吸收这个光子 的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状B.吸收该光子后被电离，电离后的动能为 C.吸收该光子后被电离，电离后电子的动能为零 D.吸收该光子后不会被电离 解析：当 n3 时，氢原子的能量，所以处于 n3 激发态的氢原子的电离能是，当该原子吸收具有能量的光子后被电离，电离后电子的动能是，所以选项 B 正确。2 如图为氢原子的能级示意图的部分，氢原子光谱在可见光部分只有四条谱线，一条红色、一条蓝色、两条紫色，它们分别是从 n=3、4、5、6 能级向 n=2 能级跃迁时产生的，则下列说法中正确的是（）A 红色光谱是氢原子从 n=6 能级向 n=2 能级跃迁时产生的 的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状B 蓝色光谱是氢原子从 n=6 能级或 n=5 能级向 n=2 能级跃迁时产生的 C 若从 n=7 能级向 n=3 能级跃迁时，则能够产生紫外线 D 若原子从 n=6 能级向 n=1 能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，则原子从 n=6 能级向 n=2 能级跃迁时所产生的辐射将不可能使该金属发生光电效应【答案】D【解析】A、四条谱线中，红色光谱的频率最小，知红色光谱是氢原子从 n=3 能级向 n=2 能级跃迁时产生的故 A 错误 B、蓝色谱线频率大于红色谱线，小于紫色谱线，知蓝色光谱是氢原子从 n=4 能级或 n=5 能级向 n=2 能级跃迁时产生的故 B 错误 C、从 n=7 能级向 n=3 能级跃迁时，辐射的光子能量小于 n=6 能级向 n=2 能级跃迁时辐射的光子能量，即辐射的光子频率小于紫光的频率，不可能是紫外线故 C 错误 D、若原子从 n=6 能级向 n=1 能级跃迁时所产生的辐射不能使某金属发生光电效应，知光子频率小于金属的极限频率，而原子从 n=6 能级向 n=2 能级跃迁时辐射的光子频率更小于金属的极限频率，不可能发生光电效应故D 正确 故选 D 3【2014 浙江卷】玻尔氢原子模型成功解释了氢原子光谱的实验规律，氢原子能级图如图 2 所示，当氢原子从 n4 的能级跃迁到 n2 的能级时，辐射出频率为_Hz的光子用该频率的光照射逸出功为 eV 的钾表面，产生的光电子的最大初动能为_eV.（电子电荷量 e 1019 C，普朗克常量 h 10 34 J s)【解析】由跃迁条件，可知 h E4E2 eV 10 19 J，解得辐射出的光子的频率为 1014Hz，根据爱因斯坦光电效应方程Ekh W，计算可得产生电子的最大初动能为 eV.4 用总能量为 13eV 的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞（不计氢原子的动量变化），则电子可能剩余的能量（碰撞中无能量损失）是（）A.B.C.D.的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状【解析】：根据光子说，每一个光子的能量均不可“分”，也只有频率的光子才能使 k态的原子跃迁到 n 态。实物粒子与光子不同，其能量不是一份一份的。实物粒子使原子发生能级跃迁是通过碰撞来实现的。当实物粒子速度达到一定数值，具有一定的动能时，实物粒子与原子发生碰撞，其动能可全部或部分地被原子吸收，使原子从一个较低的能级跃迁到另一个较高的能级，原子从实物粒子所处获得的能量只是两个能级的能量之差。只要入射粒子的能量大于或等于两个能级的能量差值，均可使原子发生能级跃迁。本题母氢原子各级能量由低到高分别用 E1、E2、E3、E4表示，则，的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状，因射电子的能量大于任一激发态与基态的能量差，处于基态的氢原子可能分别跃迁到 n2、3、4 能级，而电子可能剩余的能量分别为、，故正确选项为 B、C。【练习】1 如图为氢原子的能级图，A、B、C 分别表示电子在三种不同能级跃迁时放出的光子，其中（）A 频率最大的是 B B 波长最长的是 C C 频率最大的是A D 波长最长的是 B 的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状【解析】：选 A,B 2 如图所示是氢原子的能级图，大量处于 n=4 激发态的氢原子向低能级跃时，一共可以辐射出 6 种不同频率的光子其中巴耳末系是指氢原子由高能级 n=2 能级跃迁时释放的光子，则（）A6 种光子中波长最长的是 n=4 激发态跃迁到基态时产生的 B6 种光子中有 2 种属于巴耳末系 C 使 n=4 能级的氢原子电离至少要的能量 D 从 n=2 能级跃迁到基态释放光子的能量小于 n=3 能级跃迁到 n=2能级释放光子的能量 解：A、n=4 激发态跃迁到基态时产生光子的能量最大，根据 E=h知，波长最短，故 A 错误；B、6 中巴耳末系是指氢原子由高能级向 n=2 能级跃迁时释放的光子，6 种光子中从 n=42 与 n=32 的属于巴耳末系，即 2 种，故 B正确；C、n=4 能级的氢原子具有的能量为，故要使其发生电离能量变为 0，至少需要的能量，故 C 正确；D、从 n=2 能级跃迁到基态释放的光子能量为，若能使某金属板发生光电效应，从 n=3 能级跃迁到 n=2 能级释放的光子能量，不一定能使该板发生光电效应，故 D 错误 故选：BC 3 有一个处于量子数 n4 的激发态的氢原子，它向低能级跃迁时，最多可能发出几种频率的光子【解析】：对于一个氢原子，它只能是多种可能的跃迁过程的一种，如图所示，由能级跃迁规律可知：处于量子数 n4 的氢原子跃迁到n3，n2，n1 较低能级，所以最多的谱线只有 3 条。的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状 4 已知氢原子的能级公式为：，其中 E1=现让一束单色光照射一群处于基态的氢原子，受照射后的氢原子能自发地发出 3 种不同频率的光，则该照射单色光的光子能量为（）A B C D 【解析】：选 C 根据氢原子能自发的发出 3 种不同频率的光，可得：，解得：n=3，此时氢原子处于第 3 能级，有：能级差为：E=E3-E1=（）=，故 ABD 错误，C 正确 5 已知氢原子的能级规律为 E1=、E2=、E3=、E4=现用光子能量介于 11eV范围内的光去照射一大群处于基态的氢原子，下列说法中正确的是（）A 照射光中可能被基态的氢原子吸收的光子只有一种 B 照射光中可能被基态的氢原子吸收的光子有无数种 C 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有三种 D 激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有两种【解析】：选 AC 6 氢原子能级图的一部分如图所示，a、b、c分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径，设在 a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状和，则（）A.B.的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状C.D.【解析】：由能量关系可知，由代入上式有的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状，即。所以选项 B、D 正确。7 用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再此进行观测，发现光谱线的数目比原来增加了 5 条。用n 表示两次观测中最高激发态的量子数 n 之差，E 表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n 和 E 的可能值为（）An=1，eVE eV Bn=2，eVE eV Cn=1，eVE eV Dn=2，eVE 1019 J 所以可以产生光电效应，最大初动能为 Ekmh W0 1019 J 1019 J 1019 J.的波长频率和强度分布的记录即光谱氢原子光谱的实验规律巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线是里德伯常量其波长公式光谱分类光谱分析利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分它的优点是灵敏义氢原子的能级结构能级公式玻尔理论定态原子只能处于一系不连续的能量状态中在这些能量状态中原子是稳定的电子虽然绕核运动但并不向外辐射能量跃迁电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时会放出能量为的轨道绕核运动相对应原子的定态是不连续的因此电子的可能轨道也是不连续的几个概念能级在玻尔理论中原子的能量是量子化的这些量子化的能量值叫做能级基态原子能量最低的状态激发态在原子能量状态中除基态之外的其他的状