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§15.2 原子结构 能级 光谱
（一）电子的发现
1．汤姆孙发现电子
1897 年，汤姆孙通过阴极射线发现电子，说明原子可分，原子也有复杂结构
2．电子是各种物质的共同组成成份
阴极材料不同的阴极射线管能发射相同性质的电子，说明电子是所有原子的共同组成成份
3．电子的属性
（1）电性：电子带负电（阴极射线是带负电的粒子流，微粒说是正确的）
（2）电荷量：
（1909～1913 年，美国密立根用油滴实验法首次比较精确测得）
（3）质量：me＝9.1×10-31kg（约为质子质量的1/1836）
【例1】密立根油滴实验原理如图所示，两块水平放置的金属板分别
与电源的正、负极相接，板间距离为d，板间电压为U，形成竖直向下、
场强为E 的匀强电场．用喷雾器从上板中间的小孔喷入大小、质量和电
荷量各不相同的油滴。通过显微镜可找到悬浮不动的油滴，若此悬浮油
滴的质量为m，重力加速度为g，则下列说法正确的是（ ）
A．悬浮油滴带正电
B．悬浮油滴的电荷量为mg/U
C．增大场强，悬浮油滴将向上运动
D．油滴的电荷量不一定是电子电荷量的整数倍
4．汤姆孙的原子结构模型
（1）汤姆孙提出原子结构的电子镶嵌型（即通常所说的枣糕模型、西瓜模型）
（2）汤姆孙的原子结构模型，与后来发现的α 粒子散射实验现象相矛盾
（二）α 粒子散射实验 卢瑟福的核式结构模型
1．α 粒子散射实验：1909 年卢瑟福用α 粒子轰击金箔，发现了α 粒子的大角度散射现象
【例2】在卢瑟福的α 粒子散射实验中，有少数α 粒子发生大角度偏转，其原因是（ ）
A．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
B．正电荷在原子中是均匀分布的
C．原子中存在着带负电的电子
D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中
①绝大多数α 粒子沿原方向穿过金箔，好象金箔不存在一样
②少数α 粒子发生较大角度偏转
③极少数α 粒子发生大角度偏转（超过90°），有的甚至被弹回
2．核式结构模型
卢瑟福根据α 粒子大角度散射现象，于1911 年提出了原子的核式结构模型
【例3】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．电子在核外绕核旋转，向心力为库仑力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核内
D．原子核的直径大约为10-19m
①原子（10‒10m 数量级）中心有一个很小的核，称为原子核（10‒15m 数量级）
②原子核内集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量
③电子在原子核外绕核旋转
（三）光谱
1．光谱及其分类
（1）光的色散与光谱
①将复色光中不同颜色（频率、波长）的光分开，叫做光的色散（折射、衍射、干涉都可色散）
②通过色散，将不同颜色（频率、波长）的光按一定顺序排列起来，叫做光谱
（2）光谱的分类
①线状谱（明线光谱）：由一些特定频率（波长）的光在黑暗的背景上形成一些分立的亮线（这些
亮线叫谱线）
a
b
c
d
由一些游离的原子（如稀薄气体）发出的光形成的光谱为线状谱
②连续谱（连续光谱）：由一定范围内所有连续分布的各种频率（波长）的光形成的连续彩色光带
由高温炽热物体（固、液、气体）发出的光形成的光谱为连续谱
③吸收谱（暗线）：在明亮的彩色光带中留下一些暗线，这种光谱叫做吸收谱
连续光谱的光通过温度较低的稀薄气体（蒸气、游离的原子离子）后形成吸收光谱（一些频率的光
被吸收从而使得光谱中缺失相应频率的光而形成暗线）
（3）原子的特征谱线与光谱分析
①原子的特征谱线（也叫原子光谱）：线状谱与吸收谱
每一种原子发光时形成特定的线状谱，而形成吸收谱时也缺失相应频率的光，这些明线或暗线由原
子本身的性质决定，而且不同的原子具有不同的明线或暗线，所以线状谱与吸收谱为原子的特征谱线
②原子特征谱线的用途：光谱分析（准确、灵敏度高）
【例4】太阳光谱中有许多暗线，它们对应着某些元素的特征谱线。产生这些暗线的原因是（ ）
A．太阳表面大气层中缺少相应的元素
B．太阳内部缺少相应的元素
C．太阳表面大气层中存在着相应的元素
D．太阳内部存在着相应的元素
【例5】如图甲所示由上至下分别为a、b、c、d 四种元素的特征谱线，图乙是某矿物
的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为（ ）
A．a 元素
B．b 元素
C．c 元素
D．d 元素
2．氢原子光谱
①氢原子光谱为线状谱（在可见光范围内有4 条谱线，其余的谱线在紫外线范围内）
②巴耳末公式：
（n＝3、4、5、6…）（里德伯常量
）
【例6】已知巴耳末公式
，则在巴耳末系中（ ）
A．n 值越大，对应的频率v 越大
B．n 值越大，对应的波长λ 越长
C．n 值越大，对应的光子能量ε 越小
D．n 可取任意值，故氢原子光谱是连续谱
（四）经典理论的困难（按照卢瑟福的原子核式结构模型，用经典电磁理论分析一些现象存在困
难）
1．关于原子的稳定性
按照经典电磁理论，电荷做变速运动会辐射电磁波。
电子绕核做圆周运动为变速运动，也会辐射电磁波，原子逐渐失去能量，电子不断靠近并最终落到
原子核上，每个原子都是不稳定的，因而物体也是不稳定的。但现实中绝大部物体都能够长久稳定存在。
2．关于原子光谱的分立特性
按照经典电磁理论，电子做圆周运动辐射电磁波的频率，等于圆周运动的频率。
随着电子逐渐靠近原子核，圆周运动的频率逐渐增大，发射的电磁波频率也将逐渐增大，物体里大
量原子辐射的电磁波应该形成连续光谱。但实际为特定频率的分立光谱。
（五）玻尔的量子化模型 能级 能级跃迁
1．玻尔原子结构的量子化模型
为解释原子光谱，1913 年玻尔提出了原子结构的量子化模型
（1）定态假设：原子中的电子可以在某些特定轨道上运行而不辐射电磁波，整个原子是稳定的
基态：电子处在离原子核最近的可能轨道上时，原子能量最低，结构最稳定，这个状态称为基态
激发态：除基态以外的其他状态，称为激发态（相对于基态，原子能量更高，电子的轨道更远）
（2）轨道量子化：电子只能处在不连续分布的某些特定轨道上运行，轨道半径不能取得任意值
轨道半径公式：
（n＝1、2、3、4…）（越往外轨道分布越疏）
（3）能量量子化：原子的能量（包括电子动能和电势能）只能取得不连续分布的某些特定值
能级公式：
（n＝1、2、3、4…）（越往外能量分布越密，能级差越小）
（4）能级跃迁的频率条件（辐射条件）：原子在两个能级之间跃迁，吸收或放出的光子能量，只能
等于两个能级之差，即
【例7】关于玻尔的原子模型，下述说法中正确的有（ ）
A．它彻底否定了卢瑟福的核式结构学说
B．它发展了卢瑟福的核式结构学说
C．它完全抛弃了经典的电磁理论
D．它引入了普朗克的量子理论
【例8】（2025 年甘肃卷）利用电子与离子的碰撞可以研究离子的能级结构和辐射特性。
He+离子相对基态的能级图（设基态能量为0）如图所示。用电子碰撞He+离子使其从基态
激发到可能的激发态，若所用电子的能量为50eV，则He+离子辐射的光谱中，波长最长的
谱线对应的跃迁为（ ）
A．n＝4→n＝3 能级
B．n＝4→n＝2 能级
C．n＝3→n＝2 能级
D．n＝3→n＝1 能级
2．能级与能级图
（1）能级：原子处于某一可能状态（定态）时对应的原子能量En，称为能级
【例9】根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后（ ）
A．原子的能量增加，电子的动能减小
B．原子的能量增加，电子的动能增加
C．原子的能量减小，电子的动能减小
D．原子的能量减小，电子的动能增加
（2）能级图：表示原子的能级按由低到高的
排列情况的图形。
熟练掌握氢原子的能级图
在每个能量状态中，能量由电子动能和原子
的电势能组成
规律：
，
，
3．能级跃迁
（1）基态是原子的最稳定状态，处于基态的原子不会自发地向激发态转变；
处于激发态的原子是不稳定的，会自发地向低能级跃迁。
（2）原子只能在两个定态之间发生跃迁，且这种跃迁不需要经历中间的变化过程
发生能级跃迁时，吸收或放出的光子的能量：hν＝︱E 末‒E 初︱
（注意：吸收或放出的光子的能量一定要等于两个能级之差，过程才能发生）
【例10】如图为氢原子的能级示意图（图略），已知可见光光子的能量范围为1.63eV～3.10eV。现有大量处于n＝6
能级的氢原子向低能级跃迁，则下列说法正确的是（ ）
A．能辐射出6 种频率的可见光
B．从第6 能级第2 能级跃迁辐射的可见光的波长最大
C．从第3 能级向第2 能级跃迁辐射的可见光的频率最大
D．几种可见光中，最大频率与最小频率之比约为8∶5
4．关于能级跃迁的两点说明
（1）能级跃迁的两种能量来源：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
②原子若是接受其他实物粒子（例如电子）的碰撞能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被
n=1
n=2
n=3
n=4
n=∞
－13.6
总能量
（eV
）
量子数
n
电子动能
（eV ）
电势能
（eV
）
-6.8
-1.51
-0.85
0
13.6
3.4
1.51
0.85
0
0
－27.2
-3.02
-1.70
-3.4
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
（2）使电子电离不需满足频率条件：只要电子接收的能量E≥E∞−E 初，即可使电子发生电离，多
出的能量以电离后电子的动能形式存在
5．氢原子能级跃迁与氢光谱的关系（见教材）（赖曼系、巴尔末系、帕邢系、布喇开系…）
【例11】（2010 年重庆卷）氢原子分能级示意图如图所示（图略），不同色光的光子能量如下表所示。
色光
赤
橙
黄
绿
蓝—靛
紫
光子能量范围
（eV）
1.61~2.00
2.00~2.07
2.07~2.14
2.14~2.53
2.53~2.76
2.76~3.10
处于某激发态的氢原子，发射的光的谱线在可见光范围内仅有2 条，其颜色分别为（ ）
A．红、蓝靛
B．黄、绿
C．红、紫
D．蓝靛、紫
【例12】用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2、ν3的三条
谱线，且ν3＞ν2＞ν1，则（ ）
A．
＜
B．
C．
D．
【例13】（2024 年安徽卷）大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用的玻尔原
子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。（氢原子的能级示意图略）已知紫外光的光子能量大于3.11eV，当大量处于n＝
3 能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有（ ）
A．1 种
B．2 种
C．3 种
D．4 种
【作业】
班次 座次 姓名
1．1897 年汤姆孙研究阴极射线发现了电子，由此被称为“电子之父”。下列关于电子的说法正确的是（ ）
A．带正电的物体中也有电子
B．不同的物质中具有不同性质的电子
C．电子质量约为质子质量的1836 倍
D．电子是一种光子，所以光电效应中放出的电子称为光电子
2．（2022 年北京卷）氢原子从某激发态跃迁到基态，则该氢原子（ ）
A．放出光子，能量增加
B．放出光子，能量减少
C．吸收光子，能量增加
D．吸收光子，能量减少
3．氢原子从基态跃迁到激发态时，下列说法正确的是（ ）
A．动能变大，势能变小，总能量变小
B．动能变小，势能变大，总能量变大
C．动能变大，势能变大，总能量变大
D．动能变小，势能变小，总能量变小
4．已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En＝E1/n2，其中n＝2，3，…。用h 表示普朗克常量，c 表示真空中的
光速。能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为（ ）
A．－
B．－
C．－
D．－
5．（2023 年辽宁卷）原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂。某种原子能级劈裂前后的
部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④。若用①照射某金属表面时
能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则（ ）
A．①和③的能量相等
B．②的频率大于④的频率
C．用②照射该金属一定能发生光电效应
D．用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek
6．（2004 年全国Ⅱ卷）现有1200 个氢原子被激发到量子数为4 的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则
在此过程中发出的光子总数是多少?（假定处在量子数为n 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发
态能级上的原子总数的
1
n−1 ）（ ）
A．2200
D．2000
C．1200
D．2400
7．（2024 年江苏卷）如图所示，纳原子在几个能级间跃迁时辐射的光的波长分别为λ1、
λ2、λ3和λ4。其中只有一种波长的光能使某种金属发生光电效应，该光的波长为（ ）
A．λ1
B．λ2
C．λ3
D．λ4
8．（2024 年重庆卷）我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现
空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n＝3 和n＝4 能级向n＝2 能级跃迁
产生的谱线（如图），则（ ）
A．Hα的波长比Hβ的小
B．Hα的频率比Hβ的小
C．Hβ对应的光子能量为3.4eV D．Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态
