第2講原子和原子核導(dǎo)學(xué)案

1、第2講原子和原子核導(dǎo)學(xué)案回扣基礎(chǔ)知識訓(xùn)練基圏題目、原子物理1.原子的核式結(jié)構(gòu)(1)19091911年，英籍物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了a粒子散射實(shí)驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型.(2) a粒子散射實(shí)驗的結(jié)果：絕大多數(shù)a粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)a粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°,也就是說它們幾乎被“撞了回來”，如圖1所示.(3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小,但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動.2.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(qiáng)度分布的記錄，即光譜.(2)光譜分類lI發(fā)射光譜一

2、H連御制光譜一T線狀譜-原了的鯉譜垂(3)氫原子光譜的實(shí)驗規(guī)律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜111線，其波長公式 7= 72)( n = 3,4,5R是里德伯常量，R=入2n1.10 X 107m1）.(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(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，且靈敏度很高.在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重 大的意義.3.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(yùn)動，但并不向外輻射能量(2)躍遷：電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時,會放出能量為hv的光子，這個光子的能量由前后兩個能級的能量

3、差 決定，即 hv = Em &（ h 是普朗克常量，h=6.63 X 1034J s） (3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動相對應(yīng).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4.氫原子的能量和能級變遷(1) 能級和半徑公式: 能級公式：En= 日(n= 1,2,3)，其中Ei為基態(tài)能量，其數(shù)值為Ei=- 13.6eV.半徑公式：rn= nr 1 (n= 1,2,3),其中ri為基態(tài)軌道半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r匸0.53 X 10- 10m.jr氫原子的能級圖，如圖2所示£7eV -T- n I 巫二-伽 -0吊 -I.SI-?i4-1

4、3.6【自測1】(多選)如圖3所示為a粒子散射實(shí)驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的ABC D四個位置時觀察到的現(xiàn)象,下述說法中正確的是()A. 放在A位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多B. 放在B位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時稍少些C. 放在C D位置時，屏上觀察不到閃光D. 放在D位置時，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少答案 ABD解析 根據(jù)a粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù) a粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù) a粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，A B、D正確.【自測2 一個氫原子從n= 3能級躍遷到n= 2能級，該氫原子()A. 放出光子，能量增加B. 放出光子，能量減少C. 吸

5、收光子，能量增加D. 吸收光子，能量減少答案 B二、天然放射現(xiàn)象和原子核1. 天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象,首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu).(2) 放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù) 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(xué)性質(zhì)相同. 應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、做示蹤原子等 防護(hù)：防止放射性對人體組織的傷害.2. 原子核的組成(1) 原子核由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子 . 質(zhì)子帶正電, 中子不帶電 .(2) 基本關(guān)系 核電荷數(shù)(Z)=質(zhì)子數(shù)=元素的原子序數(shù)=核外電子數(shù). 質(zhì)量數(shù)(A=核子數(shù)=質(zhì)子數(shù)+

6、中子數(shù).(3) X元素的原子核的符號為Zx,其中A表示質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù).3. 原子核的衰變、半衰期(1) 原子核的衰變 原子核放出a粒子或P粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子 核的衰變 .分類a 衰變：ZXf Z-：Y+ ：HeP 衰變：ZXta+ iY+ lie當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時, 原子核中有的發(fā)生 a 衰變,有的發(fā)生P衰變，同時伴隨著丫輻射. 兩個典型的衰變方程a 衰變：298UH934Th+ ：He亠亠234_,234_0(3 衰變：90 Th7 91 P a+-1e.(2)半衰期定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間 影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自

7、身的因素決定的, 跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系、 1 - 1 -(3)公式：N余=N原-(g 1, m余=口原- W4. 核力和核能 (1)原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力.(2)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損A m其對應(yīng)的能量 A E=A 2A mc.(3) 原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加A m吸收的能量為 E= A mc.【自測3 (2018 全國卷m- 14)1934年，約里奧一居里夫婦用 a粒子轟擊鋁核27ai，產(chǎn)生了第一個人工放射性核素X： a + Wai7n+ X.X的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為()B.15 和 30D.17 禾n 31A. 15 和

8、 28C.16 和 30答案 B解析 將核反應(yīng)方程式改寫成2He+ ?7AI 7n+X,由電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知，X應(yīng)為35x.a研考綱和H題 靜折突破命®點(diǎn)命題點(diǎn)一玻爾理論和能級躍遷1.定態(tài)間的躍遷一一滿足能級差 （1）從低能級（n）躍7高能級（m 7吸收能量.h V= Em En 從高能級（m 躍7低能級（n） 7放出能量.h V= Em En.2.電離電離態(tài)與電離能 電離態(tài)：n = x, E= 0基態(tài)7電離態(tài)：E 吸 >0 ( 13.6eV) = 13.6eV.激發(fā)態(tài)7電離態(tài)：E吸0 En= | Ei|.若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能 【例1】（多

9、選）（2014 山東卷-39（1）氫原子能級如圖4所示，當(dāng)氫 原子從n = 3躍遷到n= 2的能級時，輻射光的波長為656nm.以下判斷正確的是（）n他V一】門】一3.川一】：皿|A.氫原子從n = 2躍遷到n= 1的能級時，輻射光的波長大于 656nmB. 用波長為325nm的光照射，可使氫原子從n= 1躍遷到n= 2的能級C. 一群處于n = 3能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn)生3種譜線D. 用波長為633nm的光照射，不能使氫原子從 n = 2躍遷到n= 3的能答案 CD解析 能級間躍遷輻射的光子能量等于兩能級間的能級差，能級差越 大，輻射的光子頻率越大，波長越小， A錯誤；由Em-&

10、amp;= hv可知,B錯誤，D正確；根據(jù)C = 3可知，輻射的光子頻率最多3種，C正確.變式1】（多選）（2018 山東省煙臺市上學(xué)期期末）如圖5, 群處于n = 5能級的氫原子在向n= 1的能級躍遷的過程中（）£/eV0 一仇54-LSI-13,62A. 放出4種頻率不同的光子B. 放出10種頻率不同的光子C. 放出的光子的最大能量為13.06eV，最小能量為0.66eVD.放出的光子有的能使逸出功為13eV的金屬發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象答案 BD5X4解析 一群處于n = 5能級的氫原子向低能級躍遷時，共產(chǎn)生C5=-y=10種頻率不同的光子，故 A項錯誤，B項正確；根據(jù)玻爾理論知能級差

11、越大，躍遷時放出的光子能量越大，故 Emax= E Ei= 0.54eV(13.6eV) = 13.06eV, Emin = E E= 0.54eV ( 0.85eV)= 0.31eV, C項錯誤；因 Emax= 13.06eV>13eV,故有的光子的能量大于逸出功可以使逸出功為13eV的金屬發(fā)出光電效應(yīng)，D項正確.變式2（2018 陜西省寶雞市質(zhì)檢二）氫原子能級圖如圖6所示，當(dāng) 氫原子從n= 3的能級躍遷到n= 2的能級時，輻射光的波長為656nm，F(xiàn)列判斷正確的是（）fcj申A. 氫原子從n = 4的能級躍遷到n=2的能級時，輻射光的波長大于656nmB. 當(dāng)氫原子從n= 4的能級躍

12、遷到n= 2的能級時，輻射出的光子不能使逸出功為2.25eV的鉀發(fā)生光電效應(yīng)C. 一個處于n=4的能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn)生6種譜線D. 用能量為1.0eV的光子照射處于n = 4能級的氫原子，可以使氫原子電離 答案 D解析 氫原子從n = 4的能級躍遷到n= 2的能級時，輻射光的能量大于氫原子從n = 3的能級躍遷到n=2的能級時輻射光的能量，根據(jù) Ehc丁可知，氫原子從n = 4的能級躍遷到n=2的能級時，輻射光的波 A長一定小于656nm故A錯誤；從n = 4的能級躍遷到n= 2的能級時輻射出的光子能量為2.55eV,大于金屬鉀的逸出功，能使鉀發(fā)生光電 效應(yīng)，故B錯誤；一個處于

13、n=4的能級上的氫原子向低能級躍遷時最 多產(chǎn)生3種譜線，故C錯誤；當(dāng)處于n=4能級的氫原子吸收的能量大 于或等于0.85eV時，將會被電離，故D正確.命題點(diǎn)二原子核的衰變及半衰期1.衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì) (1) a衰變、P衰變的比較衰變類型a衰變P衰變衰變過程AXp 匸 4丫+ 2HeZX z+iY+ - ie衰變實(shí)質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2lH+ 212He0門7泊+ -1e勻強(qiáng)磁場中軌跡形狀cO0衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒(2) 丫射線：丫射線經(jīng)常伴隨著a衰變或P衰變同時產(chǎn)生.其實(shí)質(zhì)是 放射性原子核在發(fā)生a衰變或P衰變的過程中，產(chǎn)生的新

14、核由于具 有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子.2.確定衰變次數(shù)的方法因為P衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，所以先由質(zhì)量數(shù)的改變確定a衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定 P衰變的次數(shù).3.半衰期、1 t1 1(1)公式：N余=N原, 口余=m原(？)*(2) 影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)（如溫度、壓強(qiáng)）或化學(xué)狀態(tài)（如單質(zhì)、化合 物）無關(guān).【例2 （2017 全國卷n- 15）一靜止的鈾核放出一個a粒子衰變成釷核，衰變方程為228UH934Th+ 2He,下列說法正確的是（）A.衰變后釷核的動能等于a粒子的動能B. 衰變后釷核的動量大小等于a粒子的

15、動量大小C. 鈾核的半衰期等于其放出一個a粒子所經(jīng)歷的時間D. 衰變后a粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量答案 B解析 靜止的鈾核在a衰變過程中，滿足動量守恒的條件，根據(jù)動量 守恒定律得PTh+ Pa= 0,即釷核的動量和a粒子的動量大小相等，方2向相反，選項B正確；根據(jù)&=2m可知，選項A錯誤；半衰期的定義 是統(tǒng)計規(guī)律，對于一個a粒子不適用，選項C錯誤；鈾核在衰變過程 中，伴隨著一定的能量放出，即衰變過程中有一定的質(zhì)量虧損，故衰變后a粒子與釷核的質(zhì)量之和小于衰變前鈾核的質(zhì)量，選項D錯誤.【變式3 （多選）（2018 河南省濮陽市第二次模擬）關(guān)于原子和原子核，下列說法正確的是（）

16、A. a粒子散射實(shí)驗表明，原子是可分的B. 原子核發(fā)生P衰變，原子核的質(zhì)子數(shù)會增加C. 外界的溫度越高，原子半衰期越短D. 根據(jù)玻爾理論可知，氫原子從高能級向低能級躍遷時，可以輻射各種不同頻率的光子 答案 AB解析 盧瑟福由a粒子散射實(shí)驗提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的 中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量 都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)，即原子是 可分的，A正確；經(jīng)過一次P衰變，電荷數(shù)多1,質(zhì)量數(shù)不變，質(zhì)子 數(shù)等于電荷數(shù)，則質(zhì)子數(shù)增加1個，B正確；原子的半衰期與外界因 素?zé)o關(guān)，C錯誤；據(jù)玻爾理論可知，氫原子從高能級向低能級躍遷時, 可以輻射特定頻率

17、的光子，D錯誤.【變式4 (多選)(2015 山東卷-39(1) 14C發(fā)生放射性衰變成為14N半衰期約5700年.已知植物存活期間，其體內(nèi)14C與12C的比例不變;生命活動結(jié)束后，14c的比例持續(xù)減小.現(xiàn)通過測量得知，某古木樣品 中14c的比例正好是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一.下列說法正確的是A.該古木的年代距今約5700年b.12c、13C 14C具有相同的中子數(shù)C.14C衰變?yōu)?4n的過程中放出P射線D. 增加樣品測量環(huán)境的壓強(qiáng)將加速14C的衰變答案 AC解析 因古木樣品中14c的比例正好是現(xiàn)代植物所制樣品的二分之一, 則可知經(jīng)過的時間為一個半衰期，即該古木的年代距今約為5 700年,選

18、項A正確；12C、13C、14C具有相同的質(zhì)子數(shù)，由于質(zhì)量數(shù)不同，故中 子數(shù)不同，選項B錯誤；根據(jù)核反應(yīng)方程可知，14C衰變?yōu)?4N的過程 中放出電子，即發(fā)出P射線，選項C正確；外界環(huán)境不影響放射性元 素的半衰期，選項D錯誤.命題點(diǎn)三核反應(yīng)及核反應(yīng)類型1.核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變a衰變自發(fā)928UH 204Th + 2HeP衰變自發(fā)934Th 9?4 Pa+ - 1e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?°N+ ：Haro+ iH（盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子）扣升9BaC+Jn（查德威克發(fā)現(xiàn)中子）27Al + ：Ha 15p+ On約里奧-居里夫婦發(fā) 現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子3530Si

19、+ie重核裂容易控制235, , , 1144c ,89/,斗92 U+ on 56 Ba+ 36Kr + 3on變235U+ Jn 546Xe + 30Sr +100 n輕核聚變很難控制23411H+1H >2He+ 0n2.核反應(yīng)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(yīng)方程的基礎(chǔ).如質(zhì)子 (iH)、中子(0n)、a粒子 (：He)、P粒子(-ie)、正電子(1 ie)、氘核(泊)、氚核(泊)等.(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫核反應(yīng)方程 式時只能用“7”表示反應(yīng)方向.(3) 核反應(yīng)過

20、程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.【例3 (2016 全國卷n- 35(1)在下列描述核過程的方程中，屬于a衰變的是,屬于 P衰變的是，屬于裂變的是,屬于聚變的是.(填正確答案標(biāo)號)A 14小 14ki , 0A. 6 C 7 N+ 1 eB.15 36s+ -0e238. . 234丁, , 4.C.9290 Th+ 2Hed.74n + 2ha 87oi 1hE.235U+ On 54OXe+ 34Sr +20n3241F.iH + 1HH 2He+ on答案 C AB E F解析 a衰變是一種放射性衰變，a粒子（：He）會從原子核中射出，C項符合要求；p衰變是指自原子核內(nèi)自發(fā)地放出一個電子（-

21、ie），同時 原子序數(shù)增加1的過程，A B兩項符合要求；裂變是指一些質(zhì)量非常 大的原子核，如鈾、釷和钚等在吸收一個中子后分裂成兩個或更多質(zhì)量較小的原子核，同時放出多個中子和很大能量的過程，只有E項符合要求；聚變是指由兩個輕原子核（一般是氘核和氚核）結(jié)合成較重原 子核（氦核）并放出大量能量的過程，F(xiàn)項符合要求.【變式5（2018 廣西桂林市、賀州市期末聯(lián)考）下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是（）A.928UH 234Th+ 2He是鈾核的裂變B. 2H+ 3卜2：He+ On是核聚變反應(yīng)C.核反應(yīng)27AI + ：Ha即+ X中的X是質(zhì)子D.盧瑟福發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是：2He+ 7°Nt r

22、o+ On答案 B解析228UH934Th+：He是衰變方程，選項a錯誤；泊+ OHH2He+ On是核聚變反應(yīng)，選項B正確；核反應(yīng)Wai + ：ha爐+ X中的X質(zhì)量數(shù)為1,電荷數(shù)為零，則X是中子，選項C錯誤；盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方 程是：He + 14NH Yg 1h,選項D錯誤.變式6 (2018 安徽省池州市上學(xué)期期末)有關(guān)核反應(yīng)方程，下列說法正確的是()A.928UH234Th+2He屬于 a 衰變b.74n + ：ha87o+ 1h 是 p 衰變C.核反應(yīng)方程8沖尸82X+ ：He中的y = 206, X的中子個數(shù)為128D.鈾核裂變的核反應(yīng)為938UH541Ba+ SKr +

23、20n答案 A解析 a衰變是重核自發(fā)地放出a粒子的天然放射現(xiàn)象，其中a粒子是2He,故a正確；7°N+ 2harO+ 1h是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的原子核人工轉(zhuǎn)變,故B錯誤；根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒：y = 210-4= 206, X的中子個數(shù)為20682= 124,故C錯誤；鈾核裂變屬于重核裂變，不能自發(fā)進(jìn)行，鈾核裂變的核反應(yīng)為925U+ 0n7164Ba +36Kr + 30n,故D錯誤.命題點(diǎn)四質(zhì)量虧損及核能的計算1.利用質(zhì)能方程計算核能(1)根據(jù)核反應(yīng)方程，計算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損 m(2)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程 E=A mC計算核能.質(zhì)能方程 E=A mc中 m的單位用“ kg”，c的單位用“ m/s”，則 E的單位為“ J” E= mC中，若 m的單位用“ u”，則可直接利用 E= nX 931.5MeV計算 E,此時 E的單位為“ MeV，即 1u =1.6606 X 10-27kg，相當(dāng)于931.5MeV這個結(jié)論可在計算中直接應(yīng)用.2.利用比結(jié)合能計算核能原子核的結(jié)合能=核子的比結(jié)合能X核子數(shù) 核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新 核的總結(jié)合能之差，就是該核反應(yīng)所釋放（或吸收）的核能.【例4（2017 全國卷I- 17）大科學(xué)工