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专题05 原子模型
一．电子的发现与原子的“枣糕模型”
1．阴极射线
荧光是由于玻璃受到阴极发出的某种射线的撞击而引起的，这种射线命名为阴极射线。
2．汤姆孙的探究方法及结论
(1)根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的
比荷。
(2)换用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都相同，是氢离子比荷的近两千倍。
(3)结论：阴极射线粒子带负电，其电荷量的大小与氢离子大致相同，而质量比氢离子小得多，后来组
成阴极射线的粒子被称为电子。
3．汤姆孙的进一步研究
汤姆孙又进一步研究了许多新现象，证明了电子是原子的组成部分。
4．电子的电荷量及电荷量子化
(1)电子电荷量：1910 年前后由密立根通过著名的油滴实验得出，电子电荷的现代值为e＝1.602×10－19
C。
(2)电荷是量子化的，即任何带电体的电荷只能是e 的整数倍。
(3)电子的质量：me＝9.109 383 56×10－31 kg，质子质量与电子质量的比＝1 836。
说明：阴极射线实质是带负电的电子流。
5.“枣糕模型”
汤姆孙的原子模型在J.J.汤姆孙发现电子之后，对于原子中正负电荷如何分布的问题，科学家们提出
了许多模型。J.J.汤姆孙本人于1898 年提出了一种模型。他认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀
分布在整个球体内，电子镶嵌其中。有人形象地把他的这个模型称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。这个
模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德1903 年做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现
较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后不久，α 粒
子散射实验则完全否定了这个模型。
二、原子的核式结构模型
1．α 粒子散射实验
(1)汤姆孙原子模型
汤姆孙于1898 年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，
电子镶嵌在球中。
(2)α 粒子散射实验
1
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①实验装置：α 粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。
②实验现象：
a.绝大多数的α 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进。
b.少数α 粒子发生了大角度的偏转。
c.极少数α 粒子的偏转角大于90°，甚至有极个别α 粒子被反弹回来。
实验意义：卢瑟福通过α 粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。
2．卢瑟福的核式结构模型
核式结构模型
在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子
在核外空间里绕着核高速旋转。
三．玻尔氢原子模型
1．轨道量子化
轨道半径只能够是一些不连续的、某些分立的数值。
氢原子各条可能轨道上的半径rn＝n2r1(n＝1，2，3…)，其中n 是正整数，r1是离核最近的可能轨道的
半径，r1＝0.53×10－10 m。其余可能的轨道半径还有0.212 nm、0.477 nm…，不可能出现介于这些轨道半径
之间的其他值。这样的轨道形式称为轨道量子化。
2．能量量子化
(1)电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称
之为定态。
(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的。这样的能量值，称为能级，能
量最低的状态称为基态，其他的状态叫作激发态，对氢原子，以无穷远处为势能零点时，其能级公式En＝
E1(n＝1，2，3…)
其中E1代表氢原子的基态的能级，即电子在离核最近的可能轨道上运动时原子的能量值，E1＝－13.6
eV。n 是正整数，称为量子数。量子数n 越大，表示能级越高。
(3)原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能。
3．跃迁
原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光
子的能量由这两种定态的能量差决定，高能级Em
低能级En。
可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上
“跳跃”到另一个轨道上。玻尔将这种现象叫作电子的跃迁。
四．能级图的理解
1．对能级图的理解
(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n＝1 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
2
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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，n
＝1 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，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N＝C＝。
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。
hν＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m>n)
能级差越大，放出光子的频率就越高。
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n＋1 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，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子发生能级跃迁。
【模型演练1】在卢瑟福α 粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是
其中两个α 粒子经历金箔散射过程的径迹，其中符合实验事实的是( )
【规律方法】
(1)分析α 粒子散射实验中的现象时，应注意是“绝大多数”“少数”还是“极少数”粒子的行为。
“大角度偏转”只是少数粒子的行为。
(2)α 粒子散射实验是得出原子核式结构模型的实验基础，对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模
型的关键。通过对α 粒子散射实验这一宏观探测，间接地构建出原子结构的微观图景。
【模型演练2】(多选)关于原子的核式结构学说，下列说法正确的是( )
A．原子中绝大部分是“空”的，原子核很小
B．电子在核外绕核旋转的向心力是原子核对它的库仑力
C．原子的全部正电荷和质量都集中在原子核里
D．原子核的直径约是10－10 m
【模型演练3】氢原子的能级图如图所示，已知可见光光子能量范围为1.62～3.11 eV。下列说法正确
的是( )
3
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A．处于n＝3 能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离
B．大量氢原子从高能级向n＝3 能级跃迁时，发出的光中一定包含可见光
C．大量处于n＝2 能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光子能量较大，有明显的热效应
D．大量处于n＝4 能级的氢原子向低能级跃迁时，只可能发出3 种不同频率的光
【规律方法】能级跃迁规律
大量处于n 激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可辐射种频率的光子。一个处于n 激发态的氢原子向基态
跃迁时，最多可辐射(n－1)种频率的光子。
1．（2024·云南·一模）“量子化”是二十世纪以来最重要的物理思想之一，下列选项中与“量子化”思想
无关的是（ ）
A．普朗克为解释黑体辐射实验规律提出的能量子假说
B．卢瑟福通过α 粒子散射实验提出的原子核式结构模型
C．波尔提出原子结构假说成功解释了氢光谱
D．爱因斯坦提出光子说并用于光电效应的解释
2．（23-24 高三上·安徽·期末）核能的利用离不开人类对微观世界的不断探索。下图表示了科学家对原子
认识的演变史，下列说法正确的是（ ）
A．普朗克基于道尔顿的实心小球模型和电子的发现事实建构了枣糕模型
B．卢瑟福建构的行星模型不仅揭示了原子内存在原子核而且揭示了原子核的组成结构
C．玻尔基于行星模型和氢原子光谱的实验规律建构了氢原子模型并做了有限推广
D．基于量子理论建构的电子云模型完全否定了玻尔模型的正确性及其科学研究价值
4
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3．（2024 高二下·四川绵阳·期末）关于物理学的重要史实和结论，下列说法正确的是（ ）
A．通过分光镜观察到的氢原子光谱是连续谱
B．汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内
C．卢瑟福依据a 粒子散射实验的现象提出了原子的“核式结构”理论
D．根据波尔原子结构理论，氢原子的电子绕氢原子核运动的半径可以取任意值
4．（2024 高三上·天津武清·期中）通过对下列哪个实验现象的研究提出了原子的核式结构模型（ ）
A．光电效应现象
B．
粒子散射实验
C．黑体辐射实验
D．天然放射现象
5．（2024 高二下·北京海淀·期中）下列说法不正确的是（ ）
A．粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．卢瑟福做粒子散射实验时发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数
粒子发生大角度偏转
C．汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕”式原子模型
D．卢瑟福提出了原子“核式结构”模型，并解释了粒子发生大角度偏转的原因
6．（2024·北京丰台·一模）如图所示为氢原子能级示意图，一群处于n=4 能级的氢原子向低能级跃迁时，
下列说法正确的是（ ）
A．跃迁过程中最多可辐射出4 种频率的光子
B．从n=4 能级跃迁到n=2 能级的氢原子能量增大
C．从n=4 能级跃迁到n=1 能级辐射出的光子波长最长
D．有三种频率的光子可使逸出功为4.54eV 的金属发生光电效应
7．（2024·河北·模拟预测）如图为氢原子的能级图。大量处于
激发态的氢原子，在向低能级跃迁时
放出光子。已知红光光子能量范围为1.6~2.0eV；蓝光光子的能量范围为2.53~2.76eV，紫光光子的能量范
围为2.76~3.10eV。处于
激发态的氢原子，在向低能级跃迁时发出的光子中包含（ ）
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A．一种频率的红光光子
B．两种频率的蓝光光子
C．一种频率的紫光光子
D．两种频率的紫光光子
8．（23-24 高三下·黑龙江·阶段练习）红外测温仪只能捕获红外线，红外线光子的能量为
。
如图为氢原子的能级图，大量处在
能级的氢原子向外辐射的光子中，能被红外线测温仪捕获的不同频
率的光子共有（ ）
A．2 种
B．3 种
C．4 种
D．5 种
9．（23-24 高三下·河北沧州·阶段练习）如图所示为氢原子的能级示意图，现有大量处于
能级的氢原
子，用某种频率的单色光照射后，这些氢原子能辐射出10 种频率的光，用这些辐射的光子照射逸出功为
3.2eV 的金属钙。下列说法正确的是（ ）
A．氢原子被单色光照射后跃迁到
能级
B．单色光光子的能量为2.55eV
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C．照射钙金属时有4 种光能使金属钙发生光电效应
D．从金属钙中逃逸出来的光电子的最大初动能为7.0eV
10．（23-24 高三下·陕西商洛·阶段练习）科学家已经成功检测定位了纳米晶体结构中的氢原子。按玻尔氢
原子理论，氢原子的能级图如图所示，下列判断正确的是（ ）
A．用光子能量为13.06eV 的光照射一群处于基态的氢原子，可观测到多种不同频率的光子
B．一个处于
激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出6 条光谱线
C．氢原子从第4 激发态跃迁到第2 激发态需要吸收光子
D．氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，电势能减小，动能增大
二、多选题
11．（2024 高二下·北京西城·期中）如图为卢瑟福所做的α 粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜
一起分别放在图中的A、B、C、D 四个位置时，下述说法中正确的是（ ）
A．相同时间内在A 时观察到屏上的闪光次数最多
B．放在C、D 位置时屏上观察不闪光
C．该实验说明原子中正电荷是均匀分布的
D．只有少数α 粒子发生大角度散射的原因是原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在一个很小的核
上
12．（2024 高二下·河南·期中）如图所示为
粒子散射实验的示意图：放射源发出
射线打到金箔上，带
有荧光屏的放大镜转到不同位置进行观察，图中①②③为其中的三个位置，下列对实验结果的叙述或依据
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实验结果做出的推理错误的是（ ）
A．在位置②接收到的
粒子最多
B．在位置①接收到
粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内
C．位置②接收到的
粒子一定比位置①接收到的
粒子所受金原子核斥力的冲量更大
D．若正电荷均匀分布在原子内，则①②③三个位置接收到
粒子的比例应相差不多
13．（2024 高二下·吉林白山·期末）1909 年，物理学家卢瑟福和他的学生用
粒子轰击金箔，研究
粒子
被散射的情况，其实验装置如图所示。关于
粒子散射实验，下列说法正确的是（ ）
A．少数
粒子发生了大角度的偏转，极少数
粒子偏转的角度大于
B．
粒子大角度散射是由于它跟电子发生了碰撞
C．
粒子散射实验证明了汤姆孙的枣糕模型是正确的
D．
粒子散射实验说明原子中有一个带正电的核几乎占有原子的全部质量
14．（2024 高二下·辽宁辽阳·期末）
粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一，卢瑟福通过该实验
证实了原子的核式结构模型，其实验装置如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．荧光屏在C 位置的亮斑比在A、B 位置的亮斑少
B．该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C．荧光屏在B 位置的亮斑比在A 位置的亮斑多
D．该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
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15．（2024 高二下·四川成都·阶段练习）下列说法正确的是（ ）
A．原子的核式结构模型是汤姆孙建立起来的
B．在α 粒子散射实验中，极少数粒子发生了大角度偏转
C．玻尔模型能够解释所有原子的光谱现象
D．玻尔认为，电子的轨道是量子化的，原子的能量也是量子化的
16．（2024 高二下·宁夏中卫·阶段练习）在α 粒子散射实验中，如果两个具有相同能量的α 粒子以不同的
角度散射出来，则散射角度大的这个α 粒子（ ）
A．更接近原子核
B．更远离原子核
C．不受原子核的作用
D．受到原子核较大的冲量作用
17．（2024 高二下·北京海淀·阶段练习）下列叙述符合史实的是（ ）
A．玻尔理论很好地解释了氢原子的光谱
B．汤姆孙发现了电子，表明原子具有核式结构
C．卢瑟福根据
粒子散射实验的现象，提出了原子的核式结构模型
D．波尔根据氢原子的发光现象，提出了原子的核式结构模型
18．（2024 高二下·四川广元·阶段练习）下列对原子结构的认识中正确的是（ ）
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外运动，核力提供向心力
C．原子的全部质量都集中在原子核里
D．原子的直径大约是
19．（2023·浙江杭州·二模）与下图相关的说法正确的是分（ ）
A．图甲:汤姆孙的气体放电管实验可估测电子的比荷
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B．图乙:卢瑟福的α 粒子散射实验可估测原子核的半径
C．图丙:康普顿认为光子与电子碰撞之后，动量减小、波长变短
D．图丁:玻尔理论可以解释多种物质发出的线状光谱
20．（2024 高三·全国·课时练习）根据原子的核式结构模型，下列说法中正确的是（ ）
A．原子核的直径大约是10 - 10m
B．原子的质量几乎全部集中在原子核内
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里D．电子在核外旋转，库仑力提供向心力
21．（2024·甘肃张掖·模拟预测）如图所示为氢原子的能级图。大量处于
能级的氢原子向低
能级跃迁时分别辐射出
种不同频率的光子。已知
，则（ ）
A．
一定等于2
B．若
，则可能有
C．若大量氢原子从
能级跃迁到基态发出的光有两种可使某金属发生光电效应，则大量氢原子从
能级跃迁到基态发出的光可能有4 种可使该金属发生光电效应
D．一个处于
能级的氢原子向基态跃迁，最多可辐射5 种频率的光
22．（2024·海南·模拟预测）如图所示为氢原子的能级示意图，氢原子第
能级的能量为
，其中
是基态能量，而
。大量氢原子处于
能级，普朗克常量为，下列说法正确的是（ ）
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A．可辐射出6 种不同频率的光子
B．辐射出的频率最大的光子对应的能量为
C．辐射出的光子最大频率为
D．跃迁到低能级后电子动能减小
23．（2024·福建泉州·一模）氢原子能级结构如图所示，一群处于
能级的氢原子向较低能级跃迁，会
发出不同频率的光，下列说法正确的是（ ）
A．这群氢原子最多可以发出6 种频率的光
B．这群氢原子最多可以发出4 种频率的光
C．从
能级跃迁到
能级发出的光子能量最大
D．从
能级跃迁到
能级发出的光子能量最大
24．（2024 高二下·河南商丘·期中）图为氢原子的能级图，则下列说法正确的是（ ）
A．氢原子从低能级向高能级跃迁时放出光子，能量增加
B．用能量为12.5eV 的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使氢原子发生能级跃迁
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C．用能量是10.2eV 的光子可以激发处于基态的氢原子
D．一群处于n=4 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生6 种谱线
25．（23-24 高三上·海南省直辖县级单位·阶段练习）如图所示为氢原子的能级示意图（图中
为已知
量），由玻尔理论可知，
时，氢原子处于基态，其对应的能量为
，氢原子处于激发态时，第
n 能级的能量为
。现用某种频率的单色光照射大量处于
能级的氢原子，使其刚好
跃迁到
能级。下列说法正确的是（ ）
A．入射光光子的能量等于
B．大量氢原子从
能级向基态跃迁时，最多可辐射6 种不同频率的光子
C．氢原子从
能级向基态跃迁时，辐射出的波长最长的光子对应的能量为
D．若用动能为
的粒子碰撞处于基态的氢原子，则氢原子可能跃迁到
能级
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