高考物理一輪復習第十二章第2講原子結構原子核教案新人教版

第2講原子結構原子核考點1玻爾理論能級躍遷1．對氫原子的能級圖的理解(如圖所示)(1)能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài)．(2)橫線左端的數(shù)字“1,2,3…”表示量子數(shù)，右端的數(shù)字“－13.6，－3.4…”表示氫原子的能級．(3)相鄰橫線間的距離，表示相鄰的能級差，量子數(shù)越大，相鄰的能級差越小．2．兩類能級躍遷(1)自發(fā)躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發(fā)出光子．光子的頻率ν＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(E高－E低,h).(2)受激躍遷：低能級→高能級，吸收能量．①光照(吸收光子)：吸收光子的全部能量，光子的能量必須恰等于能級差hν＝ΔE.②碰撞、加熱等：可以吸收實物粒子的部分能量，只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，E外≥ΔE.③大于電離能的光子被吸收，將原子電離．(多選)如圖所示是氫原子的能級圖，大量處于n＝4激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時，一共可以輻射出6種不同頻率的光子，其中巴耳末系是指氫原子由高能級向n＝2能級躍遷時釋放的光子，則()A．6種光子中波長最長的是n＝4激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時產生的B．6種光子中有2種屬于巴耳末系C．使n＝4能級的氫原子電離至少要0.85eV的能量D．若從n＝2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應，則從n＝3能級躍遷到n＝2能級釋放的光子也一定能使該金屬板發(fā)生光電效應[審題指導]激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時，能級差越大，發(fā)射光子的頻率越大；而巴耳末系是高能級向n＝2能級躍遷時發(fā)射的光子，可看出有2種．【解析】根據躍遷假說，在躍遷的過程中釋放光子的能量等于兩能級之差，故從n＝4躍遷到n＝3時釋放光子的能量最小，頻率最小，波長最長，所以A錯誤；由題意知6種光子中有2種屬于巴耳末系，它們分別是從n＝4躍遷到n＝2和從n＝3躍遷到n＝2時釋放的光子，故B正確；E4＝－0.85eV，故n＝4能級的電離能等于0.85eV，所以C正確；由題圖知，從n＝3能級躍遷到n＝2能級釋放的光子的能量小于n＝2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子的能量，所以D錯誤．【答案】BC1．(2019·湖南師大附中摸底)如圖所示為氫原子的能級圖，則下列說法正確的是(A)A．若已知可見光的光子能量范圍為1.61eV～3.10eV，則處于n＝4能級狀態(tài)的氫原子，向低能級躍遷時輻射的光譜線在可見光范圍內有2條B．當氫原子的電子由外層軌道躍遷到內層軌道時，氫原子的電勢能增加，電子的動能增加C．處于n＝3能級狀態(tài)的氫原子，向低能級躍遷時輻射出波長分別為λ1、λ2、λ3(λ1>λ2>λ3)的三條譜線，則λ1＝λ2＋λ3D．若處于n＝2能級狀態(tài)的氫原子向低能級躍遷時輻射出的光能使某金屬板發(fā)生光電效應，則從n＝5能級躍遷到n＝2能級時輻射出的光也一定能使此金屬板發(fā)生光電效應解析：根據hν＝E初－E末計算可知，處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時輻射的光譜線在可見光范圍內有2條，A正確．氫原子的電子由外層軌道躍遷到內層軌道時，軌道半徑減小，原子能量減小，向外輻射光子，根據keq\f(e2,r2)＝meq\f(v2,r)知軌道半徑越小，動能越大，故電子的動能增大，電勢能減小，B錯誤．根據heq\f(c,λ3)＝heq\f(c,λ2)＋heq\f(c,λ1)得λ3＝eq\f(λ2λ1,λ2＋λ1)，C錯誤．因為從n＝5能級躍遷到n＝2能級時發(fā)射出的光的頻率小于處于n＝2能級狀態(tài)的氫原子向低能級躍遷時發(fā)射出的光的頻率，故不一定發(fā)生光電效應，D錯誤．2．(2019·天津靜海調研)如圖所示為氫原子的能級示意圖，一群氫原子處于n＝3的激發(fā)態(tài)，在向較低能級躍遷的過程中向外發(fā)出光子，用這些光照射逸出功為2.49eV的金屬鈉．下列說法正確的是(D)A．這群氫原子能發(fā)出3種不同頻率的光，其中從n＝3能級躍遷到n＝2能級所發(fā)出的光波長最短B．這群氫原子能發(fā)出6種不同頻率的光，其中從n＝3能級躍遷到n＝1能級所發(fā)出的光頻率最小C．這群氫原子發(fā)出不同頻率的光，只有一種頻率的光可使金屬鈉發(fā)生光電效應D．金屬鈉表面發(fā)出的光電子的最大初動能為9.60eV解析：一群氫原子處于n＝3能級的激發(fā)態(tài)，可能發(fā)出Ceq\o\al(2,3)＝3種不同頻率的光子，n＝3能級和n＝2能級間能級差最小，所以從n＝3能級躍遷到n＝2能級發(fā)出的光子頻率最低，波長最長，選項A錯誤．因為n＝3能級和n＝1能級間能級差最大，所以氫原子從n＝3能級躍遷到n＝1能級發(fā)出的光子頻率最高，故B錯誤．當入射光頻率大于金屬鈉的極限頻率時，金屬鈉能發(fā)生光電效應，即入射光的能量大于鈉的逸出功2.49eV時就能產生光電效應．根據能級圖可知，從n＝3能級躍遷到n＝2能級所發(fā)出的光能量為－1.51eV－(－3.4)eV＝1.89eV<2.49eV，不能使金屬鈉的表面發(fā)生光電效應．從n＝2能級躍遷到n＝1能級所發(fā)出的光能量為－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV>2.49eV，能使金屬鈉的表面發(fā)生光電效應，從n＝3能級躍遷到n＝1能級發(fā)出的光子頻率最高，發(fā)出的光子能量為ΔE＝12.09eV，根據光電效應方程Ek＝hν－W0得，最大初動能Ek＝12.09eV－2.49eV＝9.60eV，故C錯誤，D正確．1能級越高，量子數(shù)越大，軌道半徑越大，電子的動能越小，但原子的能量肯定隨能級的升高而變大.2原子躍遷發(fā)出的光譜線條數(shù)，是對于一群氫原子而言，而不是一個.考點2天然放射現(xiàn)象衰變1．α衰變、β衰變的比較(1)放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，叫作這種元素的半衰期．(2)半衰期表示放射性元素衰變的快慢，不同的放射性元素其半衰期不同．(3)半衰期描述的對象是大量的原子核，不是單個原子核，這是一個統(tǒng)計規(guī)律．(4)一種元素的半衰期與這種元素是以單質形式還是以化合物形式存在無關，且加壓、增溫均不會改變．(5)要理解半衰期表達式中各物理量的含義，在表達式中，m是指剩余的原子核的質量，而不是衰變的質量．(1)原子核eq\o\al(238,92)U經放射性衰變①變?yōu)樵雍薳q\o\al(234,90)Th，繼而經放射性衰變②變?yōu)樵雍薳q\o\al(234,91)Pa，再經放射性衰變③變?yōu)樵雍薳q\o\al(234,92)①、②和③依次為()A．α衰變、β衰變和β衰變B．β衰變、α衰變和β衰變C．β衰變、β衰變和α衰變D．α衰變、β衰變和α衰變(2)法國科學家貝可勒爾(H.A.Becquerel)在1896年發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象．如圖反映的是放射性元素鈾核衰變的特性曲線．由圖可知，鈾的半衰期為________年；請在下式的括號中，填入鈾在衰變過程中原子核放出的粒子的符號．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋()[審題指導](1)由電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒確定核反應方程，從而進一步推斷各是什么衰變．(2)結合題圖，由半衰期的定義判斷鈾的半衰期．由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒確定核反應方程中的粒子符號．【解析】(1)衰變過程中電荷數(shù)、質量數(shù)守恒，由題意可得衰變方程分別為：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e，eq\o\al(234,91)Pa→eq\o\al(234,92)U＋eq\o\al(0,－1)e，所以A對．(2)根據半衰期的定義，由題圖坐標軸數(shù)據可知，鈾的半衰期為1620年；由核反應所遵循的電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可知，衰變過程中放出的粒子的電荷數(shù)為Z＝92－90＝2，質量數(shù)為A＝238－234＝4，符號為eq\o\al(4,2)He.【答案】(1)A(2)1620eq\o\al(4,2)He3．(2019·江西上饒一聯(lián))PET(正電子發(fā)射型計算機斷層顯像)的基本原理是：將放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人體，參與人體的代謝過程.eq\o\al(15,8)O在人體內衰變放出正電子，與人體內負電子相遇而湮滅轉化為一對光子，被探測器探測到，經計算機處理后產生清晰的圖象．根據PET的基本原理，下列說法正確的是(B)A.eq\o\al(15,8)O衰變的方程式為eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,9)F＋eq\o\al(0,－1)eB．將放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人體，eq\o\al(15,8)O的主要用途是作為示蹤原子C．一對正負電子湮滅后也可能只生成一個光子D．PET中所選的放射性同位素的半衰期應較長解析：由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，eq\o\al(15,8)O衰變的方程式為eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)e，故A錯誤；將放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人體，eq\o\al(15,8)O的主要用途是作為示蹤原子，故B正確；一對正負電子湮滅后生成兩個光子，故C錯誤；PET中所選的放射性同位素的半衰期應較短，故D錯誤．4．(多選)靜止在勻強磁場中的某放射性元素的原子核，當它放出一個α粒子后，其速度方向與磁場方向垂直，測得α粒子和反沖核軌道半徑之比為441，如圖所示，則(ABC)A．α粒子與反沖粒子的動量大小相等，方向相反B．原來放射性元素的原子核電荷數(shù)為90C．反沖核的核電荷數(shù)為88D．α粒子和反沖粒子的速度之比為188解析：微粒之間相互作用的過程遵循動量守恒定律，由于初始總動量為零，則末動量也為零，即α粒子和反沖核的動量大小相等，方向相反．由于釋放的α粒子和反沖核均在垂直于磁場的平面內且在洛倫茲力作用下做圓周運動，由qvB＝eq\f(mv2,R)，得R＝eq\f(mv,qB).若原來放射性元素的核電荷數(shù)為Q，則對α粒子：R1＝eq\f(p1,B·2e)；對反沖核：R2＝eq\f(p2,BQ－2e).由于p1＝p2，R1R2＝441，所以Q＝90.α粒子和反沖核的速度大小與質量成反比，但質量大小未知，故D錯誤．(1)一個區(qū)別靜止的原子核在磁場中發(fā)生α衰變和β衰變時的軌道不同，分別為相外切圓和相內切圓．(2)兩個結論①原子核發(fā)生衰變時遵循電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒．②因為β衰變對質量數(shù)無影響，可先由質量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后根據衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)．考點3核反應類型與核反應方程1．核反應類型(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(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．(2)掌握核反應方程遵循的規(guī)律是正確書寫核反應方程式或判斷某個核反應方程是否正確的依據．由于核反應不可逆，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(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．(2018·天津卷)國家大科學工程——中國散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，獲得中子束流，可以為諸多領域的研究和工業(yè)應用提供先進的研究平臺．下列核反應中放出的粒子為中子的是()A.eq\o\al(14,7)N俘獲一個α粒子，產生eq\o\al(17,8)O并放出一個粒子B.eq\o\al(27,13)Al俘獲一個α粒子，產生eq\o\al(30,15)P并放出一個粒子C.eq\o\al(11,5)B俘獲一個質子，產生eq\o\al(8,4)Be并放出一個粒子D.eq\o\al(6,3)Li俘獲一個質子，產生eq\o\al(3,2)He并放出一個粒子[審題指導]根據核反應過程中質量數(shù)和電荷數(shù)均守恒的原則，寫出核反應方程，同時應熟記幾種常用的微觀粒子的表示方法．【解析】本題考查核反應方程．由核反應過程中遵循質量數(shù)、電荷數(shù)均守恒的原則，可寫出選項中的四個核反應方程.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H，選項A錯誤.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，選項B正確.eq\o\al(11,5)B＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(8,4)Be＋eq\o\al(4,2)He，選項C錯誤.eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(4,2)He，選項D錯誤．【答案】B5．(2019·廣東五校一聯(lián))2017年11月17日，“中國核潛艇之父”——黃旭華獲評全國道德模范，頒獎典禮上，習總書記為他“讓座”的場景感人肺腑．下列有關核反應說法錯誤的是(D)A．目前核潛艇是利用重核裂變提供動力B．重核裂變反應中一定有質量虧損C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n，式中d＝2D．鈾核裂變后生成的新核比鈾核的比結合能小解析：目前世界上的核潛艇都是利用重核裂變提供動力，A正確．重核裂變釋放能量一定存在質量虧損，B正確．由核反應中質量數(shù)守恒可知d＝2，C正確．鈾核裂變后生成的新核的比結合能比鈾核的大，D錯誤．6．我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上率先通過權威機構認證，這是我國對國際熱核聚變項目的重大貢獻．下列核反應方程中屬于聚變反應的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：本題考查核反應類型．選項A是質量小的核結合成質量較大的核，屬于核聚變．選項B是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子的人工轉變方程．選項C是約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性同位素的人工轉變方程．選項D是鈾核在中子轟擊下分裂為中等質量的核的過程，屬于核裂變．四種核反應的快速區(qū)分(1)衰變反應：反應方程左邊只有一個原子核，右邊有兩個且其中包含一個氦核或電子．(2)人工核反應：核反應方程左邊有一個原子核和α粒子、中子、質子、氘核等粒子中的一個，右邊有一個新核，還可能放出一個粒子．(3)重核的裂變：左邊為重核與中子，右邊為兩個以上的核并放出若干個粒子．方程左右兩邊中子數(shù)不可抵消．(4)輕核的聚變：左邊為輕核，右邊為質量較大的核．例如氘核和氚核聚變成氦核的反應．考點4結合能質量虧損質能方程1．對結合能的理解(1)原子核核子數(shù)越多，其結合能越大，即把原子核分解為核子所需的能量越多．(2)比結合能指平均每個核子吸收(或釋放)的能量，比結合能越大，原子核結合越牢固，越穩(wěn)定．(3)比結合能小的原子核變?yōu)楸冉Y合能大的原子核，要釋放能量．2．對質能方程的理解(1)物體的質量包括靜止質量和運動質量，質量虧損指的是靜止質量的減少，減少的靜止質量轉化為和輻射能量有關的運動質量．(2)質量虧損并不是這部分質量消失或轉變?yōu)槟芰?，只是靜止質量的減少．(3)在核反應中遵循能量守恒定律；(4)質量只是物體具有能量多少及能量轉變多少的一種量度．3．核能的計算方法(1)根據ΔE＝Δmc2計算，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”．(2)根據ΔE＝Δm×931.5MeV計算，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．(3)根據核子比結合能來計算：原子核的結合能＝核子比結合能×核子數(shù)．(4)根據動量守恒和能量守恒計算：在無光子輻射的情況下，核反應中釋放的核能轉化為生成新核和新粒子的動能．在此情況下可依據動量守恒和能量守恒來計算核能．(2019·北京師大附中模擬)太陽中含有大量的氘核，氘核不斷發(fā)生核反應放出核能，以光和熱的形式向外輻射．已知兩個氘核發(fā)生核反應可以產生一個新核，并放出一個中子．該新核質量為3.0150u，氘核質量為2.0136u，中子質量為1.0087u,1u的質量相當于931.5MeV的能量，則：(1)寫出該核反應方程式；(2)求核反應中釋放的核能為多少MeV(結果保留三位有效數(shù)字)；(3)若兩氘核以相等的動能0.35MeV進行對心碰撞，假設核能全部轉化為機械能，求反應后新核的動能．(結果保留兩位有效數(shù)字)[審題指導](1)根據質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應方程．(2)根據能量守恒，釋放的核能及兩核的動能全部轉化為兩個新核的動能．【解析】(1)由質量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒，寫出核反應方程為eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)反應過程中質量減少了Δm＝2×2.0136u－1.0087u－3.0150u＝0.0035u反應過程中釋放的核能ΔE＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV(3)設eq\o\al(1,0)n核和eq\o\al(3,2)He的動量分別為p1和p2，由動量守恒定律得0＝p1＋p2由此得p1和p2大小相等由動能和動量關系E＝eq\f(p2,2m)及eq\o\al(3,2)He核和eq\o\al(1,0)n質量關系得：中子的動能E1是eq\o\al(3,2)He核動能E2的3倍，即E1E2＝31由能量守恒定律得E1＋E2＝ΔE由以上可以算出E2＝0.99MeV.【答案】(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.26MeV(3)0.99MeV7．(2018·全國卷Ⅲ)1934年，約里奧－居里夫婦用α粒子轟擊鋁核eq\o\al(27,13)Al，產生了第一個人工放射性核素X：α＋eq\o\al(27,13)Al→n＋X.X的原子序數(shù)和質量數(shù)分別為(B)A．15和28 B．15和30C．16和30 D．17和31解析：本題考查核反應方程．在核反應過程中，質量數(shù)和電荷數(shù)分別守恒，則X的原子序數(shù)為2＋13＝15，X的質量數(shù)為4＋27－1＝30，選項B正確．8．(2019·安徽江淮十校聯(lián)考)關于質量虧損和原子核的結合能，以下說法正確的是(B)A．原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子釋放的能量B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能C．核子結合成原子核時會出現(xiàn)質量虧損，虧損的質量轉化為釋放