2022版高考物理一輪復習第12章近代物理初步第2節(jié)原子結構和原子核教案

1、第2節(jié)原子結構和原子核一、原子結構1電子的發(fā)現：英國物理學家湯姆孫發(fā)現了電子。2原子的核式結構(1)粒子散射實驗：19091911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現絕大多數粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90，也就是說它們幾乎被“撞”了回來。(2)原子的核式結構模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。3氫原子光譜(1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類 (3)氫原子光

2、譜的實驗規(guī)律：巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式r，(n3,4,5，r是里德伯常量，r1.10107 m1)。(4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質和確定物質的組成成分，且靈敏度很高。在發(fā)現和鑒別化學元素上有著重大的意義。4玻爾理論(1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。(2)躍遷：原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hemen。(h是普朗克常量，h6.631034 js)(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周

3、軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。5氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖所示(2)氫原子的能級和軌道半徑氫原子的能級公式：ene1(n1,2,3)，其中e1為基態(tài)能量，其數值為e113.6 ev。氫原子的半徑公式：rnn2r1(n1,2,3)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數值為r10.53 1010m。二、天然放射現象和原子核1原子核的組成原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數等于核內的質子數。2天然放射現象元素自發(fā)地放出射線的現象，首先由貝克勒爾發(fā)現。天然放射現象的發(fā)現，說明原子核具有復雜的結構。3放射性同位素的應用與防護(1

4、)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。(2)應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。(3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。4原子核的衰變(1)衰變：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類衰變：xyhe如：uthhe；衰變：xye如：thpae。(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關。5核力和核能(1)核力原子核內部，核子間所特有的相互作用力。(2)核能核子在結合成原子核時出現質量虧損m，其對應的能量emc2。原子核分解成核子時要吸收

5、一定的能量，相應的質量增加m，吸收的能量為emc2。6裂變反應和聚變反應、裂變反應堆、核反應方程(1)重核裂變定義：質量數較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數較小的原子核的過程。典型的裂變反應方程：unkrba3n。鏈式反應：重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。(2)輕核聚變定義：兩個輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。典型的聚變反應方程：hhhen17.6 mev。一、思考辨析(正確的畫“”，錯誤的畫“”)1、三種射線中，射線的電離作用最強。()2

6、半衰期與溫度無關。()3如果某放射性元素的原子核有100個，經過一個半衰期后還剩50個。()4所有元素都可以發(fā)生衰變。()5核反應中質量數守恒，故沒有質量虧損。()6質能方程表明在一定條件下，質量可以轉化為能量。()二、走進教材1(滬科版選修35p75t4改編)已知鉍210的半衰期是5.0天，8 g鉍210經20天后還剩下()a1 gb0.2 g c0.4 gd0.5 gd由公式mm0得m8 g0.5 g，d正確。2(人教版選修35p81例題)(多選)已知中子的質量是mn1.674 91027 kg，質子的質量是mp1.672 61027 kg，氘核的質量是md3.343 61027 kg，則

7、氘核的比結合能為()a3.511013 jb1.10 mevc1.761013 jd2.19 mev答案bc3(粵教版選修35p97t3)(多選)關于核衰變和核反應的類型，下列表述正確的是()authhe是衰變bnheoh是衰變chhhen是輕核聚變dsekr2e是重核裂變答案ac 玻爾理論和能級躍遷1對氫原子能級圖的理解(1)能級圖如圖所示。(2)能級圖中相關量意義的說明。相關量意義能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)定態(tài)橫線左端的數字“1,2,3”表示量子數橫線右端的數字“13.6，3.4”表示氫原子的能量相鄰橫線間的距離表示相鄰的能量差，量子數越大，相鄰的能量差越小，距離越小帶箭頭的豎

8、線表示原子由較高能級向較低能級躍遷，原子躍遷的條件為hemen2.(1)自發(fā)躍遷：高能級(m)低能級(n)放出能量，發(fā)射光子：hemen。(2)受激躍遷：低能級(n)高能級(m)吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必須恰好等于能級差hemen。碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，e外emen。大于電離能的光子被吸收，將原子電離。3電離(1)電離態(tài)：n，e0(2)電離能：指原子從基態(tài)或某一激發(fā)態(tài)躍遷到電離態(tài)所需要吸收的最小能量。例如：對于氫原子基態(tài)電離態(tài)，e吸0(13.6 ev)13.6 ev，即為基態(tài)的電離能。n2電離態(tài)：e吸0e23.4 ev，即為n2激發(fā)態(tài)的電離能。如吸收

9、能量足夠大，克服電離能后，電離出的自由電子還具有動能。典例示法1(20201月浙江選考t14)由玻爾原子模型求得氫原子能級如圖所示，已知可見光的光子能量在1.62 ev到3.11 ev之間，則()a氫原子從高能級向低能級躍遷時可能輻射出射線b氫原子從n3的能級向n2的能級躍遷時會輻射出紅外線c處于n3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線并發(fā)生電離d大量氫原子從n4能級向低能級躍遷時可輻射出2種頻率的可見光cd氫原子從高能級向低能級躍遷時只能輻射出紫外線、可見光和紅外線，而射線是原子核輻射的，選項a錯誤；氫原子從n3能級向n2能級躍遷時輻射出可見光，不會輻射出紅外線，選項b錯誤；由于紫外線光子能

10、量大于處于n3能級氫原子的電離能1.51 ev，所以處于n3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線并發(fā)生電離，選項c正確；大量氫原子從n4能級向低能級躍遷時可以輻射出6種不同頻率的光子，其中只有從n4能級躍遷到n2能級和從n3能級躍遷到n2能級時輻射的光子能量在可見光光子能量范圍內，所以可輻射出2種頻率的可見光，選項d正確。確定氫原子輻射光譜線的數量的方法典例示法2處于激發(fā)態(tài)的原子，如果在入射光子的電磁場的影響下，從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時兩個狀態(tài)之間的能量差以光子的形式輻射出去，這種輻射被稱為受激輻射。原子發(fā)生受激輻射時，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)射方向等都跟入射光子完全一樣，這樣使光得到加強，這就

11、是激光產生的機理。發(fā)生受激輻射時，產生激光的原子的總能量en、電子的電勢能ep、電子的動能ek的變化情況是()aen減小、ep增大、ek減小ben減小、ep減小、ek增大cen增大、ep減小、ek減小den增大、ep增大、ek增大b原子發(fā)生受激輻射時，向外輻射能量，可知原子總能量en減小。根據玻爾理論可知，氫原子的高能級軌道距離原子核比較遠，所以氫原子發(fā)生輻射時，電子的運動軌道半徑變小。由于原子核對電子的庫侖力做正功，故電子的電勢能ep減小、動能ek增大，故b項正確。氫原子躍遷前后電子的能量分析根據玻爾理論的軌道量子化假設可知氫原子的能級越高，則電子距離原子核越遠，如圖所示。則氫原子由高能級躍

12、遷到低能級時電子能量變化：動能ek的變化情況因為庫侖力的作用，電子圍繞原子核做圓周運動，根據庫侖力提供向心力可得km，且ekmv2，所以ekk，即電子在半徑小的軌道上動能大。由圖可知，當氫原子由高能級躍遷到低能級時，電子的運動軌道半徑變小，故動能ek變大。電勢能ep的變化情況方法一：根據氫原子能級躍遷規(guī)律可知，氫原子由高能級向低能級躍遷時，向外輻射光子，能量減小。氫原子的能量主要是電子的動能與電勢能之和，氫原子的能量減小，電子的動能增大，故電勢能ep減小。方法二：原子核對電子的庫侖力做正功，則電子的電勢能ep減小。1(2019全國卷)氫原子能級示意圖如圖所示。光子能量在1.633.10 ev的

13、光為可見光。要使處于基態(tài)(n1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見光光子，最少應給氫原子提供的能量為()a12.09 evb10.20 evc1.89 evd1.51 eva因為可見光光子的能量范圍是1.633.10 ev，所以氫原子至少要被激發(fā)到n3能級，要給氫原子提供的能量最少為e(1.5113.60)ev12.09 ev，即選項a正確。2(2016北京高考)處于n3能級的大量氫原子，向低能級躍遷時，輻射光的頻率有()a1種b2種 c3種d4種c大量氫原子從n3能級向低能級躍遷時，能級躍遷圖如圖所示，有3種躍遷情況，故輻射光的頻率有3種，選項c正確。3(多選)如圖所示是玻爾為解釋氫原子光譜畫出的

14、氫原子能級示意圖。大量處于n3能級的氫原子向低能級躍遷放出若干頻率的光子，設普朗克常量為h，下列說法正確的是()a能產生3種不同頻率的光子b產生的光子的最大頻率為c當氫原子從能級n2躍遷到n1時，氫原子的能量變大d若氫原子從能級n2躍遷到n1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應，則當氫原子從能級n3躍遷到n1時放出的光子照到該金屬表面時，逸出的光電子的最大初動能為e3e2abd根據c可得從n3能級向低能級躍遷能產生c3種不同頻率的光子，a正確；產生的光子有最大能量的是從n3能級向n1能級躍遷時產生的，根據公式he3e1，解得，b正確；從高能級向低能級躍遷，釋放光子，氫原子能量變小，c錯誤；若

15、氫原子從能級n2躍遷到n1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應，則當氫原子從能級n3躍遷到n1時放出的光子照到該金屬表面時，逸出的光電子的最大初動能為ekmhw0(e3e1)(e2e1)e3e2，故d正確。 原子核的衰變及半衰期1衰變、衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變方程xyhexye衰變實質2個質子和2個中子結合成一個整體射出1個中子轉化為1個質子和1個電子2h2nhenhe衰變規(guī)律電荷數守恒、質量數守恒、動量守恒2.三種射線的成分和性質名稱構成符號電荷量質量電離作用穿透能力射線氦核he2e4 u最強最弱射線電子ee u較強較強射線光子00最弱最強3.衰變次數的計算方法若xynheme則aa

16、4n，zz2nm解以上兩式即可求出m和n。4對半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律，對個別或少量原子核，無半衰期可言。(2)根據半衰期的概念，可總結出公式n余n原，m余m原。式中n原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數和質量，n余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數和質量，t表示衰變時間，表示半衰期。(2020全國卷t19)1934年，約里奧居里夫婦用粒子轟擊鋁箔，首次產生了人工放射性同位素x，反應方程為healxn。x會衰變成原子核y，衰變方程為xye。則()ax的質量數與y的質量數相等bx的電荷數比y的電荷數少1cx的電荷數比al的電荷數多2dx的質量數與al的

17、質量數相等ac根據電荷數守恒和質量數守恒，可知healxn方程中x的質量數為30，電荷數為15，再根據xye方程可知y的質量數為30，電荷數為14，故x的質量數與y的質量數相等，x的電荷數比y的電荷數多1，x的電荷數比al的電荷數多2，x的質量數比al的質量數多3，選項a、c正確，b、d錯誤。原子核的衰變1(多選)天然放射性元素th(釷)經過一系列衰變和衰變之后，變成pb(鉛)。下列判斷中正確的是()a衰變過程共有6次衰變和4次衰變b鉛核比釷核少8個質子c衰變所放出的電子來自原子核外d釷核比鉛核多24個中子ab由于衰變不會引起質量數的減少，故可先根據質量數的減少確定衰變的次數，x6，再結合核電

18、荷數的變化情況和衰變規(guī)律來判定衰變的次數，2xy90828，y2x84，釷232核中的中子數為23290142，鉛208核中的中子數為20882126，所以釷核比鉛核多16個中子，鉛核比釷核少8個質子，由于物質的衰變與元素的化學狀態(tài)無關，所以衰變所放出的電子來自原子核內，所以a、b正確。半衰期的理解與計算2(2018江蘇高考)已知a和b兩種放射性元素的半衰期分別為t和2t，則相同質量的a和b經過2t后，剩有的a和b質量之比為()a14b12 c21d41b經過2t，對a來說是2個半衰期，a的質量還剩，經過2t，對b來說是1個半衰期，b的質量還剩，所以剩有的a和b質量之比為12，選項b正確。衰變

19、中的動量守恒3.(多選)如圖所示，靜止的u核發(fā)生衰變后生成反沖th核，兩個產物都在垂直于它們速度方向的勻強磁場中做勻速圓周運動，下列說法正確的是()a衰變方程可表示為uthhebth核和粒子的圓周軌道半徑之比為145cth核和粒子的動能之比為145dth核和粒子在勻強磁場中旋轉的方向相反ab已知粒子為he，則由電荷數守恒及質量數守恒可知，衰變方程為：uthhe，故a正確；th核和粒子都帶正電荷，則在題圖勻強磁場中都是逆時針旋轉，故d錯誤；由動量守恒可得衰變后，則th核和粒子的動能之比，故c錯誤；粒子在勻強磁場中運動，洛倫茲力提供向心力，所以有bvq，則r，所以th核和粒子的圓周軌道半徑之比，故

20、b正確。 核反應方程與核能的計算1核反應的四種類型類型可控性核反應方程典例衰變衰變自發(fā)uthhe衰變自發(fā)thpae人工轉變人工控制nheoh(盧瑟福發(fā)現質子)hebecn(查德威克發(fā)現中子)alhepn約里奧居里夫婦發(fā)現放射性同位素，同時發(fā)現正電子psie重核裂變容易控制unbakr3nunxesr10n輕核聚變現階段很難控制hhhen2.核反應方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應方程的基礎。如質子(h)、中子(n)、粒子(he)、粒子(e)、正電子(e)、氘核(h)、氚核(h)等。(2)掌握核反應方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的依據，由

21、于核反應不可逆，所以書寫核反應方程式時只能用“”表示反應方向。(3)核反應過程中質量數守恒，電荷數守恒。3核能的計算方法(1)利用質能方程計算核能根據核反應方程，計算出核反應前與核反應后的質量虧損m。根據愛因斯坦質能方程emc2計算核能。質能方程emc2中m的單位用“kg”，c的單位用“m/s”，則e的單位為“j”。emc2中，若m的單位用“u”，則可直接利用em931.5 mev計算e，此時e的單位為“mev”，即1 u1.660 61027 kg，相當于931.5 mev，這個結論可在計算中直接應用。(2)利用比結合能計算核能原子核的結合能核子的比結合能核子數。核反應中反應前系統(tǒng)內所有原子

22、核的總結合能與反應后生成的所有新核的總結合能的差值，就是該核反應所釋放(或吸收)的核能。(多選)科學家使用核反應獲取氚，再利用氘和氚的核反應獲得能量，核反應方程分別為：xyheh4.9 mev和hhhex17.6 mev，下列表述正確的有()ax是中子by的質子數是3，中子數是6c兩個核反應都沒有質量虧損d氘和氚的核反應是核聚變反應ad核反應方程遵守核電荷數守恒和質量數守恒，則由hhhex17.6 mev知x為n，由xyheh4.9 mev知y為li，其中y的質子數是3，中子數也是3，選項a正確，選項b錯誤。兩個核反應都釋放出核能，故都有質量虧損，選項c錯誤。xyheh4.9 mev是原子核的

23、人工轉變，hhhen17.6 mev為輕核聚變，選項d正確。1本題以海水中氘核的聚變反應為背景命題，體現清潔能源的發(fā)展前景，增強學生的環(huán)境意識和社會責任感。2當比結合能較小的原子核轉化成比結合能較大的原子核時，釋放能量。四類核反應1(多選)能源是社會發(fā)展的基礎，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列釋放核能的反應方程，表述正確的有()ahhhen是核聚變反應bhhhen是衰變cunbakr3n是核裂變反應dunxesr2n是衰變ac衰變時釋放出電子(e)，衰變時釋放出氦原子核(he)，可知選項b、d錯誤；一個氚核和一個氘核結合成一個氦核并釋放出一個中子是典型的核聚變反應，a正確；重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質量的原子核并放出若干個中子的反應為核裂變反應，c正確。結合能與比結合能的理解2(多選)