原子結構知識綜合測評

一、 原子組成與基本粒子

1. 填空題：

   • 原子由位于中心的______和圍繞其運動的______構成。
   • 原子核由帶正電的______和不帶電的______組成。
   • 原子序數等于原子核內的______數，也等于核外______數。
   • 質量數（A）= ______數 + ______數。
   • 某元素原子核內有12個質子和13個中子，其質量數是______，原子序數是______。

2. 選擇題：

   • 決定元素化學性質的主要粒子是：
     (A) 質子 (B) 中子 (C) 電子 (D) 原子核
   • 下列關于同位素的描述正確的是：
     (A) 質子數相同，中子數不同 (B) 中子數相同，質子數不同 (C) 質量數相同，質子數不同 (D) 電子數相同，質子數不同
   • 發現原子中存在原子核的科學家及其實驗是：
     (A) 道爾頓，原子論 (B) 湯姆孫，陰極射線管實驗 (C) 盧瑟福，α粒子散射實驗 (D) 波爾，氫原子光譜研究
   • 一個離子含有10個電子、11個質子和12個中子，其電荷數是：
     (A) -1 (B) +1 (C) 0 (D) +2

二、 核外電子排布與量子力學模型

3. 判斷題：（正確的畫√，錯誤的畫×）

   • ( ) 波爾模型完美解釋了所有原子的光譜現象。
   • ( ) 在同一原子中，不可能有運動狀態完全相同的兩個電子（泡利不相容原理）。
   • ( ) s軌道呈球形，p軌道呈啞鈴形。
   • ( ) 電子總是優先占據能量最低的軌道（能量最低原理）。
   • ( ) 洪特規則指出：在等價軌道（如3個p軌道）上排布的電子將盡可能分占不同軌道，且自旋方向相同。

4. 電子排布式與軌道表示式：

   • 寫出下列原子的電子排布式（標出價電子）：
     • 氮（N，原子序數7）：
     • 鈉（Na，原子序數11）：
     • 氯（Cl，原子序數17）：
     • 鈣（Ca，原子序數20）：
     • 鐵（Fe，原子序數26）：
   • 畫出氧原子（O，原子序數8）的軌道表示式（電子排布圖）。

5. 選擇題：

   • 主量子數n=3的電子層包含的亞層類型是：
     (A) s (B) s, p (C) s, p, d (D) s, p, d, f
   • 下列哪個亞層的軌道數是3？
     (A) 2s (B) 3p (C) 4d (D) 5f
   • 基態鉻原子（Cr，原子序數24）的價電子排布是：
     (A) 3d?4s² (B) 3d?4s¹ (C) 3d? (D) 4s¹
   • 下列基態原子或離子中，未成對電子數最多的是：
     (A) Na (B) Al (C) S (D) Fe³?

三、 能級躍遷與原子光譜

6. 簡答題：

   • 簡述波爾模型如何解釋氫原子的線狀光譜。
   • 什么是激發態？原子如何從基態變為激發態？
   • 原子發射光譜和吸收光譜是如何產生的？二者有何聯系？

7. 計算題：

   • 氫原子光譜中，巴爾末系的一條譜線對應電子從n=3能級躍遷到n=2能級。計算該躍遷釋放的光子能量（eV）和波長（nm）。已知里德堡常量R_H ≈ 1.097 × 10? m?¹, h = 4.136 × 10?¹? eV·s, c = 3.00 × 10? m/s。
   • 提示：利用公式 ΔE = E_i - E_f = hc/λ 或 1/λ = R_H (1/n_f² - 1/n_i²)

四、 同位素及其應用

8. 填空題：

   • ¹²C和¹?C互為______，¹?C常用于______測定。
   • 氫的三種同位素分別是______（氕）、（氘）、（氚）。
   • 放射性同位素衰變時會釋放出______、______或______射線。

9. 選擇題：

   • 碳-12原子的原子核內含有：
     (A) 6個質子，6個中子 (B) 6個質子，12個中子 (C) 12個質子，6個中子 (D) 12個質子，12個中子
   • 下列關于同位素的說法錯誤的是：
     (A) 同位素的化學性質幾乎相同 (B) 同位素具有相同的質子數 (C) 同位素在元素周期表中占據同一位置 (D) 同位素的質量數相同

10. 簡答題：

    • 簡述同位素示蹤技術在科學研究或醫學診斷中的一個應用實例。
    • 解釋為什么不同元素的原子具有不同的特征光譜？

五、 綜合應用題

11. 推斷題：

    • 某元素X的陽離子X??的核外電子排布與氬原子（Ar）相同。已知X的質量數為40，其中子數比質子數多2個。
      (1) 寫出X的原子序數、質子數、中子數。
      (2) 寫出X??的電荷數n。
      (3) 寫出元素X的名稱及其基態原子的電子排布式。
      (4) 寫出X常見離子的符號。

12. 解釋題：

    • 為什么說原子的核外電子排布（尤其是價電子排布）決定了元素的化學性質？請結合具體元素（如鈉、氯）說明。
    • 簡述現代量子力學模型（電子云模型）相較于波爾模型的進步之處。

參考答案

一、 原子組成與基本粒子

1. 原子核，電子；質子，中子；質子，電子；質子，中子；25, 12
2. C, A, C, B

二、 核外電子排布與量子力學模型
3. ×, √, √, √, √
4. * N: 1s²2s²2p³ (價電子: 2s²2p³)
* Na: 1s²2s²2p?3s¹ (價電子: 3s¹)
* Cl: 1s²2s²2p?3s²3p? (價電子: 3s²3p?)
* Ca: 1s²2s²2p?3s²3p?4s² (價電子: 4s²)
* Fe: 1s²2s²2p?3s²3p?4s²3d? 或 [Ar]4s²3d? (價電子: 4s²3d?)
* O軌道表示式：

5. C, B, B, D

三、 能級躍遷與原子光譜
6. * 波爾模型認為電子在特定軌道（能級）上運動，能量量子化。電子從高能級躍遷到低能級時，以光子形式釋放能量差ΔE=hν，不同躍遷對應不同頻率（波長）的光，形成線狀光譜。
* 激發態：電子能量高于基態的狀態。原子吸收能量（如光子、熱能）可使電子躍遷到更高能級，原子處于激發態。
* 發射光譜：激發態原子中的電子躍遷回較低能級時發射光子形成。吸收光譜：基態原子吸收特定能量的光子躍遷到激發態形成。二者譜線位置（波長）一一對應。
7. * 方法1（里德堡公式）：

四、 同位素及其應用
8. 同位素，年代（或考古）；氕(¹H)，氘(²H或D)，氚(³H或T)；α，β，γ
9. A, D
10. * 示例：醫學上，用放射性碘-131診斷和治療甲狀腺疾病（示蹤劑可被甲狀腺吸收，通過檢測其放射線了解甲狀腺功能或利用其β射線治療）。
* 不同元素原子核電荷數（質子數）不同，核外電子數不同，電子能級結構（特別是價電子排布）不同，導致其能級差ΔE不同。發射或吸收光子的能量ΔE=hν不同，對應光的頻率ν（或波長λ）不同，形成獨特的光譜線。

五、 綜合應用題
11. * (1) 原子序數 = 質子數 = Z。X??電子數 = Z - n = 18（Ar原子電子數）。質量數A = 質子數Z + 中子數N = 40。中子數N = Z + 2。
聯立方程：Z - n = 18, Z + (Z + 2) = 40 → 2Z + 2 = 40 → 2Z = 38 → Z = 19。則N = 19 + 2 = 21。質子數=19，中子數=21。
(2) n = Z - 18 = 19 - 18 = 1。電荷數n=1。
(3) 原子序數19是鉀（K）。基態電子排布式：1s²2s²2p?3s²3p?4s¹ 或 [Ar]4s¹。
(4) K?
12. * 元素的化學性質主要取決于其最外層電子（價電子）的數目和排布，因為這決定了原子得失電子或形成共用電子對的能力（即化學鍵類型）。
* 鈉(Na)：價電子1個（4s¹），易失去這個電子形成Na?（達到Ne穩定結構），表現出強還原性（金屬性）。
* 氯(Cl)：價電子7個（3s²3p?），易得到1個電子形成Cl?（達到Ar穩定結構），表現出強氧化性（非金屬性）。
* 進步之處：
* 電子運動描述：波爾模型：電子在確定軌道上運動（行星模型）。量子力學模型：電子在核外空間概率分布（電子云），位置和動量不能同時精確測定（測不準原理）。
* 軌道概念：波爾模型：圓形軌道，能量僅由n決定。量子力學模型：軌道是電子出現概率大的空間區域，具有特定形狀（s,p,d,f），能量由n和l共同決定（能級分裂）。
* 適用范圍：波爾模型：僅成功解釋氫原子和類氫離子光譜。量子力學模型：能解釋所有原子結構和光譜，奠定了化學鍵理論的基礎（如價鍵、分子軌道理論）。
* 數學基礎：波爾模型：半經典理論。量子力學模型：基于薛定諤方程等嚴格的量子力學理論。

知識是探索微觀世界的鑰匙。 掌握原子結構，方能理解物質變化之本源。