【與名師對話】高考物理總復習 第十六章 第二講 原子結構與原子核課件 新人教版選修35 .ppt

對應學生用書p248 一 原子結構1 電子的發(fā)現(xiàn) 1897年 湯姆遜通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子 從而說明電子是原子的組成部分 即原子是可以再分的 2 原子的核式結構 1 1909 1911年 英國物理學家盧瑟福進行了 粒子散射實驗 提出了核式結構模型 2 粒子散射實驗 實驗裝置 如下圖所示 實驗結果 粒子穿過金箔后 絕大多數(shù)沿原方向前進 少數(shù)發(fā)生較大角度偏轉 極少數(shù)偏轉角度大于90 甚至被彈回 3 核式結構模型 原子中心有一個很小的核 叫做原子核 原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里 帶負電的電子在核外空間繞核旋轉 3 玻爾的原子模型 1 玻爾理論 軌道量子化 原子核外電子只能處在某些固定軌道上 即電子的軌道是量子化的 電子的軌道半徑只能是某些不連續(xù)的值 能量量子化 當電子在不同的軌道上運動時 原子處于不同的狀態(tài) 從而具有不同的能量 即原子的能量是量子化的 原子中這些具有確定能量的穩(wěn)定狀態(tài) 稱為定態(tài) 能量最低的狀態(tài)叫做基態(tài) 其他的狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài) 頻率條件 當電子從能量較高的定態(tài)軌道 em 躍遷到能量較低的定態(tài)軌道 en m n 時 會放出能量為h 的光子 則h em en 這個式子被稱為頻率條件 反之 當電子吸收光子時會從較低的能量態(tài)躍遷到較高的能量態(tài) 吸收的光子的能量同樣由頻率條件決定 二 原子核1 原子核的組成 1 原子核由質子和中子組成 質子和中子統(tǒng)稱核子 2 原子核的符號 原子核常用x表示 a表示質量數(shù) z表示核的電荷數(shù) 原子序數(shù) 3 同位素 質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核 在元素周期表中處于同一位置 它們互稱同位素 1 衰變的實質是2個質子和兩個中子結合成一個氦原子核 衰變的實質是原子核中的一個中子轉化為一個質子 同時釋放出一個電子 2 半衰期只與原子核本身有關 與其他因素無關 三 核力與核能1 核力 1 含義 原子核里的核子間存在互相作用的核力 核力把核子緊緊地束縛在核內 形成穩(wěn)定的原子核 2 特點 核力是強相互作用的一種表現(xiàn) 核力是短程力 作用范圍在1 5 10 15m之內 每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用 2 核能 1 結合能 把構成原子核的結合在一起的核子分開所需的能量 2 比結合能 定義 原子核的結合能與核子數(shù)之比稱做比結合能 也叫平均結合能 性質 不同原子核的比結合能不同 原子核的比結合能越大 表示原子核中核子結合得越牢固 原子核越穩(wěn)定 3 質能方程 一定的能量和一定的質量相聯(lián)系 物體的總能量和它的質量成正比 即e mc2 核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損 m 其能量也要相應減少 即 e mc2 4 質能方程的意義 質量和能量是物質的兩種屬性 質能方程揭示了質量和能量是不可分割的 它建立了兩個屬性在數(shù)值上的關系 5 核能的獲得方式 重核裂變和輕核聚變 聚變反應比裂變反應平均每個核子放出的能量大約要大3 4倍 6 核能的計算 根據(jù) e mc2計算 計算時 m的單位是 kg c的單位是 m s e的單位是 j 根據(jù) e m 931 5mev計算 因1原子質量單位 u 相當于931 5mev的能量 所以計算時 m的單位是 u e的單位是 mev 根據(jù)平均結合能來計算核能 原子核的結合能 核子平均結合能 核子數(shù) 對應學生用書p249 要點一躍遷與電離的區(qū)別1 躍遷 根據(jù)玻爾理論 當原子從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷時 必須吸收光子才能實現(xiàn) 相反 當原子從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時 必須輻射光子才能實現(xiàn) 躍遷時不管是吸收還是輻射光子 其光子的能量都必須等于這兩個能級的能量差 這個對應關系是我們作出準確判斷的依據(jù) 若是在電子的碰撞下引起原子的躍遷 則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個能級差 兩種情況有所不同 要引起注意 2 電離 原子一旦電離 原子結構被破壞 而不再遵守有關原子結構理論 如基態(tài)氫原子的電離能為13 6ev 只要能量大于或等于13 6ev的光子都能使基態(tài)的氫原子吸收而電離 只不過入射光子的能量越大 原子電離后產(chǎn)生的自由電子的動能就越大 不論原子處于什么狀態(tài) 只要入射光子的能量大于該狀態(tài)的電離所需要的能量就可使之電離 欲使處于基態(tài)的氫原子受激發(fā) 下列措施可行的是 a 用10 2ev的光子照射b 用11ev的電子碰撞c 用14ev的光子照射d 用10ev的光子照射 解析 由氫原子能級圖算出只有10 2ev為第二能級與基態(tài)之間的能量差 而大于13 6ev的光子能使氫原子電離 答案 abc 要點二三種射線的比較 1 自然界中原子序數(shù)大于或等于83的所有元素 都能自發(fā)地放出射線 原子序數(shù)小于83的元素 有的也具有放射性 2 天然放射現(xiàn)象說明原子核是有內部結構的 元素的放射性不受單質和化合物存在形式的影響 1 半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律 個別原子核經(jīng)多長時間衰變無法預測 對個別或極少數(shù)原子核 無半衰期可言 2 原子核衰變時質量數(shù)守恒 但并非質量守恒 核反應過程前 后質量發(fā)生變化 質量虧損 而釋放出核能 質量與能量相聯(lián)系 解析 本題考查原子核的半衰期 意在考查考生對半衰期的理解能力 由題意 該放射性元素經(jīng)過11 4天發(fā)生了3個半衰期 所以該放射性元素的半衰期是3 8天 答案 d 例1如圖為氫原子的能級圖 用具有一定能量的光照射大量處于基態(tài)的氫原子 觀測到了一定數(shù)目的光譜線 換用能量較高的光再進行觀測 發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目比原來增加了5條 用 n表示兩次觀測中最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n之差 e表示換用能量較高的光的能量 則 n和e的可能值為 a n 1 e 13 22evb n 1 e 13 06evc n 2 e 12 75evd n 2 e 12 10ev 思路誘導 題中涉及兩個未知的量子數(shù) 存在不定解 但要注意兩個量子數(shù)一定是正整數(shù) 嘗試解答 設用具有一定能量的光照射大量處于基態(tài)的氫原子時躍遷到量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài) 然后再向低能級躍遷輻射出c條光譜線 換用能量較高的光照射大量處于基態(tài)的氫原子時躍遷到量子數(shù)為n1的激發(fā)態(tài) 能輻射出c2n1條光譜線 由題意有c2n1 c 5 解得 當n1 4時 n 2 即 n 2 當n1 6時 n 5 即 n 1 與此對應的光的能量為e 12 75ev和e 13 22ev 所以ac正確 答案 ac 解析 本題考查氫原子能級與原子躍遷 意在考查考生對原子躍遷規(guī)律的理解與應用 當用頻率為 0的光照射處于基態(tài)的氫原子時 由所發(fā)射的光譜中僅能觀測到三種頻率的譜線可知 這三種頻率的光子應是氫原子從第3能級向低能級躍遷過程中所輻射的 由能量特點可知 3 1 2 答案 b 題型二核反應方程和 衰變規(guī)律 1 對于確定 衰變次數(shù)的問題 可以先由質量數(shù)的減少確定 衰變的次數(shù) 因為 衰變質量數(shù)不減少 再由電荷數(shù)的變化情況結合 衰變時電荷數(shù)的變化規(guī)律 最終確定 衰變次數(shù) 2 確定 衰變后質子和中子的變化數(shù)有兩種方法 因為原子核的電荷數(shù)即為核內質子數(shù) 所以新核與原來核的電荷數(shù)之差即為變化的質子數(shù) 新 舊核質量數(shù)的變化等于質子數(shù)與中子數(shù)變化之和 所以由質量數(shù)的變化減去質子數(shù)的變化即為中子數(shù)的變化 由 衰變的機理確定 每發(fā)生一次 衰變 中子和質子數(shù)各減少2 而每發(fā)生一次 衰變減少一個中子而生成一個質子 例2由于放射性元素np的半衰期很短 所以在自然界一直未被發(fā)現(xiàn) 在使用人工的方法制造后才被發(fā)現(xiàn) 已知np經(jīng)過一系列 衰變和 衰變后變成bi 下列論斷中正確的是 a 核bi比核np少28個中子b 衰變過程中共發(fā)生了7次 衰變和4次 衰變c 衰變過程中共發(fā)生了4次 衰變和7次 衰變d 發(fā)生 衰變時 核內中子數(shù)不變 思路誘導 1 根據(jù)衰變方程列質量數(shù)和電荷數(shù)守恒方程組 2 元素的質子數(shù) 電荷數(shù) 和中子數(shù)有何關系 答案 b 2010 全國 原子核x與氘核h反應生成一個 粒子和一個質子 由此可知 a a 2 z 1b a 2 z 2c a 3 z 3d a 3 z 2 解析 本題考查核反應方程的書寫 主要考查電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒 根據(jù)這兩點有方程a 2 4 1 z 1 2 1 解得a 3 z 2 答案 d 題型三核能計算及與核能相關綜合問題 1 各種核變化 四種 若發(fā)生質量虧損 必釋放出核能 可由質能方程 e mc2計算釋放的核能 2 在 e mc2中 m叫質量虧損 它是反應核 包括被它俘獲的粒子 跟新核 包括釋放出的粒子 的質量之差 并不只是新 舊核的質量之差 3 各種核反應過程都遵守能量守恒定律和動量守恒定律 釋放的核能常表現(xiàn)為生成的新核 放出的粒子的動能和 射線能量 若在勻強電場或勻強磁場中發(fā)生核反應 還要聯(lián)系新核及放出的粒子在電場或磁場中的運動情況綜合分析 能的轉化和守恒定律是自然界中普遍遵守適用的物理規(guī)律 在處理包括核能在內的能量轉化問題時 一定要弄清楚參與轉化的能量形式 種類及各種形式能的計算方法 如核反應中釋放的核能是與核反應中的質量虧損相對應的 若核反應中無電磁波輻射 則最終的能量即表現(xiàn)為新生粒子和新核的動能 原來靜止的鈾u和釷234同時在同一勻強磁場中 由于衰變而開始做勻速圓周運動 鈾238發(fā)生了一次 衰變 釷234發(fā)生了一次 衰變 1 試畫出鈾238發(fā)生一次 衰變時所產(chǎn)生的新核及 粒子在磁場中運動軌跡的示意圖 2 試畫出釷234發(fā)生一次 衰變時所產(chǎn)生的新核及 粒子在磁場中的運動軌跡的示意圖 對應學生用書p251 易錯點1 對玻爾的能級理論理解不準確造成的錯誤氫原子能級的示意圖如圖所示 大量氫原子從n 4的能級向n 2的能級躍遷時輻射出可見光a 從n 3的能級向n 2的能級躍遷時輻射出可見光b 則 a 氫原子從高能級向低能級躍遷時可能會輻射出 射線b 氫原子從n 4的能級向n 3的能級躍遷時會輻射出紫外線c 在水中傳播時 a光較b光的速度小d 氫原子在n 2的能級時可吸收任意頻率的光而發(fā)生電離 錯因分析 本題綜合性比較強 學生在做題時審不清題意 不會比較可見光a 紫外線 射線能量間的關系 錯選a或b 不清楚 躍遷 與 電離 的區(qū)別 不能根據(jù)h em en進行比較判斷 誤選d 正確解答 原子核外層電子躍遷產(chǎn)生的只能是光波 射線由原子核躍遷獲得 a項錯誤 氫原子從n 4能級向n 3能級躍遷時產(chǎn)生的光的頻率比從n 3能級向n 2能級躍遷放出的光子頻率還小 不可能是紫外線 b項錯誤 a光能量大 頻率大 在水中的速度小 c項正確 n 2能級的電離能為3 4ev 只有大于此能量的光子才能發(fā)生電離 d項錯誤 答案為c 如下圖所示為氫原子的能級圖 現(xiàn)讓一束單色光照射到大量處于基態(tài) 量子數(shù)n 1 的氫原子上 受激的氫原子能自發(fā)地發(fā)出3種不同頻率的光 則照射氫原子的單色光的光子能量為 a 13 6evb 12 75c 10 2evd 12 09ev 解析 多個氫原子處于n 3能級對應的激發(fā)態(tài) 才能夠正好產(chǎn)生三種不同頻率的光子 分別為h 1 e3 e2 h 2 e2 e1 h 3 e3 e1 故吸收光子能量必滿足h e3 e1 12 09ev d正確 原子的躍遷條件h em en對于吸收光子和放出光子都適用 注意若吸收光子的能量大于基態(tài)電離能時 原子對光子的吸收不再受能級差限制 答案 d 易錯點2 對衰變及衰變規(guī)律的理解不準確目前 在居室裝修中經(jīng)常用到花崗巖 大理石等裝飾材料 這些材料都不同程度地含有放射性元素 下列有關放射性元素的說法中正確的是 a 射線與 射線一樣都是電磁波 但穿透本領遠比 射線弱b 氡的半衰期為3 8天 4個氡原子核經(jīng)過7 6天后就一定只剩下1個氡原子核c u衰變成pb要經(jīng)過6次 衰變和8次 衰變d 放射性元素發(fā)生 衰變時所釋放的電子是原子核內的中子轉化為質子時產(chǎn)生的 錯因分析 錯解1 不明確射線的本質 誤認為射線即電磁波 錯選a 錯解2 不理解半衰期是統(tǒng)計規(guī)律 只有對大量原子核才成立 因而錯選b 錯解3 不清楚 衰變產(chǎn)生的本質原因 以為是原子核內本來就有電子而漏選d 對于衰變 要記住以下三點 1 三種射線的產(chǎn)生 本質和特性 2 半衰期只對大量原子核才有意義 3 衰變次數(shù)的計算順序是先算 衰變后算 衰變 關于半衰期 以下說法正確的是 a 同種放射性元素在化合物中的半衰期比在單質中長b 升高溫度可以使半衰期縮短c 氡的半衰期為3 8天 若有四個氡原子核 經(jīng)過7 6天就只剩下一個d 氡的半衰期為3 8天 4克氡原子核 經(jīng)過7 6天就只剩下1克 解析 考慮到放射性元素衰變的快慢是跟原子所處的物理狀態(tài)或化學狀態(tài)無關 又考慮到半衰期是一種統(tǒng)計規(guī)律 即給定的四個氡核是否馬上衰變會受到各種偶然因素的支配 因此 正確答案只有d 答案 d 對應學生用書p252 1 2010 上海 盧瑟福提出了原子的核式結構模型 這一模型建立的基礎是 a 粒子的散射實驗b 對陰極射