2020屆高考物理專題原子結(jié)構(gòu)原子核導(dǎo)學(xué)案.doc

1、原子結(jié)構(gòu)原子核知識梳理知識點一、氫原子光譜、氫原子的能級、能級公式1.原子的核式結(jié)構(gòu)(1)電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。(2) “粒子散射實驗：19091911年，英國物理學(xué)家盧瑟福和他的助手進行了用a粒 子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)a粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向但有 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。(3)原子的核式結(jié)構(gòu)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(zhì)量都集中在核里,帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。2.光譜(1)光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長 (頻率)和強度分布的記錄，即

2、光 譜。(2)光譜分類有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜是連在一起的光gy羊的光譜叫做連續(xù)譜。(3)氫原子光譜的實驗規(guī)律111巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式 = R22二n , (n = 3, 4,5,)，R是里德伯常量，R= 1.10X10 7 m n為量子數(shù)。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hv = En Eno (h 是普朗克常量，h =

3、6.63 x 10 3J 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 .氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖1所示圖1(2)氫原子的能級和軌道半徑氫原子的能級公式:1En=n2E ( n=1, 2, 3,)，其中 E為基態(tài)能量，其數(shù)值為 E=-13.6 eV 。氫原子的半徑公式:rn= n2r1 ( n= 1, 2, 3,),其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為1 = 0.53 X 10 t° m。知識點二、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素1 .原子核的組

4、成：原子核是由質(zhì)子和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子2 .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,首先由貝克勒爾發(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)放射性和放射性元素物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是 “射線、6射線、丫 射 線。(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護放射性同位素：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、作示蹤原子等。防護：防止放射性對人體組織的傷害。3 .原子核的衰變(1)衰變：原子核放出a

5、粒子或3粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰(2)分類a 衰變：Zx Z-2Y+ 2He3 衰變：Ax-> z +iY+ e兩個典型的衰變方程a盤變：曾UH>$Th+2He； 3 衰變：234Tz 23i4Pa+ 0e;(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)至生衰變所需的時間。半衰.期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。知識點三、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損1 .核力(1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。(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1.5X10-15m之內(nèi)；每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。2 .結(jié)合能核子結(jié)

6、合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量,叫做原子核的結(jié) 合能，亦稱核能。3 .比結(jié)合能(1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比,稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。(2)特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4 .質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程 已皿2,原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Am這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能AE= Amd2o知識點四、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)、裂變反應(yīng)堆核反應(yīng)方程5 .重核裂變(1)定義：質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程。(2)典型的裂變反應(yīng)

7、方程：235U+ 0n - 36Kr + -Ba+ 30n。(3)鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中壬使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用：原子彈、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。6 .輕核聚變(1)定義：兩輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進行， 因此又叫熱核反應(yīng)。(2)典型的聚變反應(yīng)方程：23411H+ iHR 2He+ on+ 17.6 MeV考點精練考點一原子的核式結(jié)構(gòu)玻爾理論1 .定態(tài)間的躍遷一一滿足能級差(1)從低能級(n小)里氏高能級(n大)一-

8、吸收能量。h v = En 大一En 小(2)從高能級(n大)穌生低能級(n小)一-放出能量。h v = En 大一En 小2 .電離電離態(tài)：n = 00, E= 0基態(tài)一電離態(tài)： E吸=0 （ 13.6 eV ） = 13.6 eV 電離能。n= 2 一電離態(tài)：E吸=0 巳=3.4 eV如吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能。對應(yīng)訓(xùn)練1. a粒子散射實驗現(xiàn)象（多選）根據(jù) a粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。如圖2所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的 a粒子散射圖景，圖中實線表示 a粒子運動 軌跡。其中一個 a粒子在從a運動到b、再運動到C的過程中，a 粒子在b點時距原子核最

9、近。下列說法正確的是（）圖2A.盧瑟福在a粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)了電子B. a粒子出現(xiàn)較大角偏轉(zhuǎn)的原因是a粒子接近原子核時受到的庫侖斥力較大C. a粒子出現(xiàn)較大角偏轉(zhuǎn)的過程中電勢能先變小后變大D. a粒子出現(xiàn)較大角偏轉(zhuǎn)的過程中加速度先變大后變小解析 a粒子在接近金原子核的過程中，斥力越來越大，做負功；在遠離金原子核的過程中，斥力越來越小，斥力做正功。答案 BD2 .玻爾理論一個氫原子從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.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量減少解析 氫原子從高能級向低能級躍遷時，放出光子，能量減少，故選項 B正確，A、C D錯誤。

10、答案 B3 .能級躍遷如圖3所示為氫原子的四個能口級，其中Ei為基態(tài)，若氫原子 A處于激發(fā)態(tài)E2,氫原子B處于激發(fā)態(tài)E3,則下列說法正確的是(圖3A.原子A可能輻射出3種頻率的光子B.原子B可能輻射出3種頻率的光子C.原子A能夠吸收原子B發(fā)出的光子并躍遷到能級 巳D.原子B能夠吸收原子 A發(fā)出的光子并躍遷到能級 巳解析原子A從激發(fā)態(tài)E2躍遷到E,只輻射一種頻率的光子， A錯誤；原子B從激發(fā)態(tài) 日躍遷到基態(tài)Ei可能輻射三種頻率的光子， B正確；由原子能級躍遷理論可知，原子 A可能 吸收原子B由已躍遷到 巳時放出的光子并躍遷到 鼻，但不能躍遷到 曰，C錯誤；A原子發(fā)出 的光子能量 AE=巳E大于巳

11、E，故原子B不可能躍遷到能級 曰，D錯誤。答案 B規(guī)律方法解答氫原子能級圖與原子躍遷 ,問題應(yīng)注意(1)能級之間發(fā)生躍遷時放出 (吸收)光子的頻率由 hv =Em En求得。若求波長可由 公式C=入v求得。(2) 一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n1)。(3) 一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。2 n n 1用數(shù)學(xué)中的組合知識求解：n=2。利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后 相加?？键c二原子核的衰變、半衰期A. 衰變規(guī)律及實質(zhì)(1) a衰變和3衰變的比較衰變類型a衰艾3衰艾衰笠方程MM44ZXHZ 2丫+ 2HeMX- M+1Y+

12、 -0e衰艾實質(zhì)2個質(zhì)子和2個甲子結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子2；H+ 20n t / T1 t /半衰期的公式二N余=N原2, m余=ms 2。式中N原、ms表不衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)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(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，r表示半衰期。對應(yīng)訓(xùn)練 1.放射現(xiàn)象（多選）關(guān)于天然放射性，下列說法正確的是（）A.所有元素都可能發(fā)生衰變 B.放射性元素的半衰期與外界的溫度無關(guān)C.放射性元素與別的元素形成化合物時仍具有放射性 D. a、3和丫三種射線中，丫 射線的穿透能力最強解析原子序號大于等于83的元素都能發(fā)生衰變，原子序數(shù)小于83的有的也能

13、發(fā)生衰變，選項A錯誤；半衰期由原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)決定，與外界溫度無關(guān)，選項 B正確；放射性 來自于原子核內(nèi)部，與其形成的化合物無關(guān)，選項C正確；“、3、丫 三種射線中，丫 射線能量最高，穿透能力最強，選項 D正確。答案 BCDHe1n 一 ；H+ 0e勻強磁場中軌跡形狀oo衰笠規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒（2） 丫射線：丫射線經(jīng)常是伴隨著“衰變或3衰變同時產(chǎn)生的。2.三種射線的成分和性質(zhì)名稱構(gòu)成符號電荷量顧里電離能力貝牙本領(lǐng)a射線氨核2He+ 2e4 u最強3射線電子0 ie一e11 837 u較強較強丫射線7丫00最強3.半衰期的理解2.半衰期的理解及應(yīng)用2015 山東理綜，39（1）（多選）1

14、4C發(fā)生放射性衰變成 為14N,半衰期約5 700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)減少?，F(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 5 700年B. t 13C、14C具有相同的中子數(shù)C. 14C衰變?yōu)?4n的過程中放出 3射線D.增加樣品測量環(huán)境的壓強將加速14C的衰變解析 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，選項A正確；12G 13c 14C具有相同的質(zhì)子數(shù)，由于質(zhì)量數(shù)不

15、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 為14N的過程中放出電子，即發(fā)出3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。答案 AC3 .射線的性質(zhì)及特點將能夠釋放出 “、3、丫 射線的放射性物質(zhì)放在鉛盒底部， 放射線穿過窄孔 OM到熒光屏上，屏上出現(xiàn)一個亮點P,如圖4所示。如果在放射源和熒光屏之間加電場或磁場，,并在孔O附近放一張薄紙，則圖中四個示意圖正確的是（）解析 “、3、丫 射線穿過窄孔沿直線前進射到熒光屏上，打出一個亮點P。在小孔附近加一張薄紙能將L”射線擋住，這是因為 a射線的穿透能力很弱。丫射線是能量很大穿透能力很強的電磁波，在電場和磁場中

16、不會偏轉(zhuǎn)，仍沿原方向前進，打在熒光屏上的點。而3射線是帶負電的電子流，穿透能力也較強，能夠通過薄紙，并在電場或磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)它的受力情況可知D圖正確。答案 D4 .衰變與動量、電磁場的綜合（多選）一個靜止的放射性原子核處于勻強磁場中，由于發(fā)生了衰變而在磁場中形成如圖5所示的兩個圓形徑跡，兩圓半徑之比為1 ： 16,下列判斷中正確的是（）圖5A.該原子核發(fā)生了 “衰變8 .反沖原子核在小圓上逆時針運動C.原來靜止的核，其原子序數(shù)為15D.放射性的粒子與反沖核運動周期相同解析衰變后產(chǎn)生的新核一一即反沖核及放射的帶電粒子在勻強磁場中均做勻速圓周,mv運動，軌道半徑 r=mv,因反沖核與放射的粒

17、子動量守恒，而反沖核電荷量較大，所以其qB半徑較小，并且反沖核帶正電荷，由左手定則可以判定反沖核在小圓上做逆時針運動，在大圓上運動的放射粒子在衰變處由動量守恒可知其向上運動，且順時針旋轉(zhuǎn)，由左手定則可以判定一定帶負電荷。因此，這個衰變?yōu)?3衰變，放出的粒子為電子，衰變方程為MA- Q! B+0e。由兩圓的半徑之比為 1 ： 16可知，B核的核電荷數(shù)為16。原來的放射性原子核的核電荷數(shù)為15,其原子序數(shù)為15。即A為P （磷）核，B為S （硫=）核。由周期公式 T2 7tm-可知，因電子與反沖核的比荷不同，它們在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期不相qB同，反沖核的周期較大。答案 BC方法技巧確定衰

18、變次數(shù)的方法設(shè)放射性元素ZX經(jīng)過n次“衰變和m次3衰變后，變成穩(wěn)定的新元素 A： 丫。（1）反應(yīng)方程：AX- A，Y+ n4He+ m 1e。（2）根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒列方程A= A +4n, Z=Z +2n-m,兩式聯(lián)立解得：nA AA A ,4-m m= - + Z -Zoa衰變的次數(shù)，這是因為3衰變的次數(shù)。注意為了確定衰變次數(shù)，一般是由質(zhì)量數(shù)的改變先確定3衰變的次數(shù)的多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定2A E= A mc?？键c三核反應(yīng)方程與核能的計算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衰艾自發(fā)238,234_,4,92 U> 9oThi+ 2He3衰艾自發(fā)

19、234-234c090Th> 9i Pa+ ie人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?74NI+ 4He> '0 1H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)4, ,9f12- 12He_l_dBe »6C+ 0n（查德威克發(fā)現(xiàn)并于）27 八，4, ,30-113Al + 2He> 15P+ 0n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3030015P> 14Si + +1e重核裂變比較容易進行人工控制235U+ 0n> 1564Ba+ 36Kr + 30n235,1136、，90c1 -192 U+ 0n，54XeH- 38Sr + 100n輕核聚變很難控制2, , 3, ,4,

20、 , 11H+1H > zHe+ 0n2.核能(1)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Am其能量也要相應(yīng)減少，即Am吸收的能量為 AE(2)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 2 =A mc。3 .核能釋放的兩種途徑的理解(1)使較重的核分裂成中等大小的核。(2)較小的核結(jié)合成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，都可以釋放能量。4 .核能的計算方法書寫核反 應(yīng)方程計算質(zhì)量 虧損A m2利用A E= A mc 計算釋放的核能（1）根據(jù)AE= A mC計算，計算時 Am的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，A E的 單位是“ J”。（2）根據(jù)AE= AmX 931.5 M

21、eV計算。 因1原子質(zhì)量單位（u）相當(dāng)于931.5 MeV的 能量，所以計算時 Am的單位是“u”，A E的單位是“MeV。對應(yīng)訓(xùn)練1 .核反應(yīng)類型的判斷（多選）關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有（ ）A. 238UJ-> 234Th+4He 是 a 衰變B. i；N+ 2He Io+ ；H 是 3 盤變C.2H+ 3Hf 4He+ in是輕核聚變D.84Se-> 82k+ 2-°e 是重核裂變解析 a衰變是放射出氨核的天然放射現(xiàn)象，A正確；3衰變是放射出電子的天然放射現(xiàn)象，而B項是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的原子核人工轉(zhuǎn)變，故B錯誤；C項是輕核聚變，D項是3衰變現(xiàn)象，故C正確，D

22、錯誤。答案 AC2.核能的理解（多選）關(guān)于原子核的結(jié)合能，下列說法正確的是（）A.原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B. 一重原子核衰變成a粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能C.葩原子核（153Cs）的結(jié)合能小于鉛原子核（ Pb）的結(jié)合能D.比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定解析 由原子核的結(jié)合能定義可知，原子核分解成自由核子時所需的最小能量為原子 核的結(jié)合能，選項 A正確；重原子核的核子平均質(zhì)量大于輕原子核的核子平均質(zhì)量，因此 原子核衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于衰變前的結(jié)合能，選項B正確；葩原子核的核子數(shù)少，因此其結(jié)合能小，選項C正確；比結(jié)合能越大的

23、原子核越穩(wěn)定，選項D錯誤。答案 ABC3.核能的計算質(zhì)子、中子和笊核的質(zhì)量分別為m、m和m,當(dāng)一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成笊核時，釋放的能量是（c表示真空中的光速）（）A.（m+mm）cB.（mmm）cC. （m+n2m）c2D.（mm2m）c2解析由質(zhì)能方程知，該反應(yīng)釋放核能AE= A mC2=(m+mm)c 2015 福建理綜，30 (1)下列有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和原子核的認識，其中正確的是,故C對，A、B、D均錯。答案 C4.核能與動量守恒的綜合現(xiàn)有兩動能均為 曰=0.35 MeV的2H在一條直線上相向運 動，兩個2H發(fā)生對撞后能發(fā)生核反應(yīng)，得到3He和新粒子，且在核反應(yīng)過程中釋放的能量完全轉(zhuǎn)化為2

24、He和新粒子的動能。已知2H的質(zhì)量為2.014 1 u , 3He的質(zhì)量為3.016 0 u ,新粒 子的質(zhì)量為1.008 7 u，核反應(yīng)時質(zhì)量虧損 1 u釋放的核能約為 931 MeV (如果涉及計算， 結(jié)果保留整數(shù))。則下列說法正確的是()A.核反應(yīng)方程為1h+ 1+> ；He+ iHB.核反應(yīng)前后不滿足能量守恒定律C.新粒子的動能約為 3 MeVD.3He的動能約為4 MeV解析 由核反應(yīng)過程中的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知2H+2HR2He+ 0n,r則新粒子為中子0n,所以A錯誤；核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損，釋放能量，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，仍然滿足能量守恒定律，B 錯誤；由題意可知 AE=

25、 (2.014 1 ux 23.016 0 u-1.008 7 u) X 931 MeV/u=3.3 MeV根據(jù)核反應(yīng)中系統(tǒng)的能量守恒有E(He+&= 2Eo+A E,根據(jù)核反應(yīng)中系統(tǒng)的動量、,p2 一，EkHe mn .m寸恒有PHePn=0,由E<=,可知 = 一 ,解得E(He= ( 2E)+AE)= 1 MeV,Ekn =2mEkn nHem+mHemHe一(2E0+AE) = 3 MeV,所以 C正確，D錯誤。 m+mHe答案 C隨堂檢測1. (2016 江蘇單科)貝克勒爾在120年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，如今原子核的放射性在眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。下列屬于放射性衰變的是()A. 4 174N+ 0e2351139951B. 92 U+ 0n- 53 I + 39丫+ 20n_ 2341C.1H+ 1HR 2He+ on427301A.丫射線是高速運動的電子流D.2He+ 13Al - 15P+ 0nB.氫原子輻射光子后，其繞核運動的電子動能增大C.太陽輻射能量的主要來源是太陽中發(fā)生的重核裂變D.21083Bi的半衰期是5天,100克21083Bi經(jīng)過10天后還剩下50克3.（多選）氫原子能級如圖6,當(dāng)氫原子從n