2025年高考物理一輪總復(fù)習課件 第16章 第40講 原子結(jié)構(gòu)與原子核

第十六章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性原子核第40講原子結(jié)構(gòu)與原子核知識梳理·易錯辨析核心考點·重點突破名師講壇·素養(yǎng)提升提能訓練練案[80]知識梳理·易錯辨析一、原子結(jié)構(gòu)1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學家__________________發(fā)現(xiàn)了電子。2．α粒子散射實驗(1)1909—1911年，英籍物理學家__________進行了α粒子散射實驗，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。J．J.湯姆孫盧瑟福(2)α粒子散射實驗的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有________α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”，如圖所示。少數(shù)3．原子的核式結(jié)構(gòu)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積________，但幾乎占有全部________，電子在正電體的外面運動。很小質(zhì)量二、氫原子光譜1．光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的________(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。2．光譜分類有些光譜是一條條的________，這樣的光譜叫作線狀譜。有的光譜是連在一起的________，這樣的光譜叫作連續(xù)譜。波長亮線光帶3．氫原子光譜的實驗規(guī)律：4．光譜分析：利用每種原子都有自己的____________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)和鑒別化學元素上有著重大的意義。特征譜線三、玻爾理論能級1．玻爾的三條假設(shè)(1)定態(tài)：原子只能處于一系列________的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是________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hν＝__________。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·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_________，因此電子的可能軌道也是_________。不連續(xù)穩(wěn)定Em－En不連續(xù)的不連續(xù)的2．基態(tài)和激發(fā)態(tài)原子能量最低的狀態(tài)叫______，其他能量較高的狀態(tài)叫________。3．氫原子的能級和軌道半徑(1)氫原子的能級公式：En＝_________(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝_____________。(2)氫原子的半徑公式：rn＝___________(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.53×10－10m。基態(tài)激發(fā)態(tài)－13.6eVn2r14．氫原子的能級圖四、天然放射現(xiàn)象和原子核1．天然放射現(xiàn)象放射性元素__________放出射線的現(xiàn)象，首先由____________發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有________的結(jié)構(gòu)。2．三種射線的比較項目α射線β射線γ射線組成高速氦核流______________光子流(高頻電磁波)帶電荷量________－e0自發(fā)地貝可勒爾復(fù)雜高速電子流2ec最強很弱3．放射性同位素的應(yīng)用與防護(1)放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質(zhì)相同。(2)應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、做____________等。(3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。天然人工示蹤原子4．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________。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。(2)基本關(guān)系①核電荷數(shù)(Z)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝原子的____________。②質(zhì)量數(shù)(A)＝__________＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)。(3)X元素的原子核的符號為X，其中A表示__________，Z表示核電荷數(shù)。核子核外電子數(shù)核子數(shù)質(zhì)量數(shù)五、原子核的衰變、半衰期1．原子核的衰變(1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種__________的變化稱為原子核的衰變。(2)分類原子核2．半衰期(1)定義：放射性元素的原子核有________發(fā)生衰變所需的時間。(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核________自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。半數(shù)內(nèi)部六、核力和核能1．核力原子核內(nèi)部，__________所特有的相互作用力。2．結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時_______的能量或原子核分解為核子時_______的能量，叫作原子核的結(jié)合能。核子間釋放吸收3．比結(jié)合能(1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱作比結(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E＝________，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE＝__________。mc2Δmc2七、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)1．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)方程：(3)鏈式反應(yīng)：重核裂變產(chǎn)生的________使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。中子(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生____________的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用：__________、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、________、防護層。2．輕核聚變(1)定義：兩個輕核結(jié)合成____________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____________。(2)典型的聚變反應(yīng)方程：鏈式反應(yīng)原子彈鎘棒質(zhì)量較大熱核反應(yīng)1．原子中絕大部分是空的，原子核很小。()2．核式結(jié)構(gòu)學說是盧瑟福在α粒子散射實驗的基礎(chǔ)上提出的。()3．氫原子光譜是由一條一條亮線組成的。()4．玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜，也成功地解釋了氦原子光譜。()5．按照玻爾理論，核外電子均勻分布在各個不連續(xù)的軌道上。()√√√××6．人們認識原子具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從英國物理學家湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子開始的。()7．人們認識原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的。()8．如果某放射性元素的原子核有100個，經(jīng)過一個半衰期后還剩50個。()9．質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。()√×××核心考點·重點突破1盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型(基礎(chǔ)考點·自主探究)1．α粒子散射實驗結(jié)果分析(1)絕大多數(shù)α粒子沿直線穿過金箔，說明原子中絕大部分是空的。(2)少數(shù)α粒子發(fā)生較大角度偏轉(zhuǎn)，反映了原子內(nèi)部集中存在著對α粒子有斥力的正電荷。(3)極少數(shù)α粒子甚至被“撞了回來”，反映了個別α粒子正對著質(zhì)量比α粒子大得多的物體運動時，受到該物體很大的斥力作用。2．α粒子散射動能、電勢能分析(1)庫侖力對α粒子的做功情況當α粒子靠近原子核時，庫侖斥力做負功，電勢能增加；當α粒子遠離原子核時，庫侖斥力做正功，電勢能減少。(2)α粒子的能量轉(zhuǎn)化由于只有庫侖力做功，能量只在電勢能和動能之間相互轉(zhuǎn)化，總能量保持不變。【跟蹤訓練】(α粒子散射實驗)如圖所示為α粒子散射實驗的示意圖：放射源發(fā)出α射線打到金箔上，帶有熒光屏的放大鏡轉(zhuǎn)到不同位置進行觀察，圖中①②③為其中的三個位置，下列對實驗結(jié)果的敘述或依據(jù)實驗結(jié)果作出的推理正確的是()A．在位置②接收到的α粒子最多B．在位置①接收到α粒子說明正電荷不可能均勻分布在原子內(nèi)C．位置②接收到的α粒子一定比位置①接收到的α粒子所受金原子核斥力的沖量更大D．若正電荷均勻分布在原子內(nèi)，則①②③三個位置接收到α粒子的比例應(yīng)相差不多B[解析]

原子的內(nèi)部是很空闊的，原子核非常小，所以絕大多數(shù)α粒子的運動軌跡沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，則在位置③接收到的α粒子最多，所以A項錯誤；在位置①接收到α粒子說明正電荷不可能均勻分布在原子內(nèi)，所以B項正確；位置②接收到的α粒子一定比位置①接收到的α粒子所受金原子核斥力的沖量更小，因為在位置①接收到的α粒子速度反向運動，則動量的變化量更大，所以沖量更大，則C項錯誤；若正電荷均勻分布在原子內(nèi)，則α粒子與原子正面撞擊，粒子最后反彈，則①②③三個位置接收到α粒子的比例應(yīng)相差較多，所以D項錯誤。故選B項。(α粒子散射實驗現(xiàn)象的解釋)在盧瑟福α粒子散射實驗中，有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是()A．原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上B．正電荷在原子內(nèi)是均勻分布的C．原子中存在著帶負電的電子D．原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中A[解析]

盧瑟福α粒子散射實驗中使盧瑟福驚奇的就是α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，這是由于α粒子帶正電，而原子核極小，且原子核帶正電，A正確、B錯誤。α粒子能接近原子核的機會很小，大多數(shù)α粒子都從核外的空間穿過，而與電子碰撞時如同子彈碰到塵埃一樣，運動方向不會發(fā)生改變。C、D兩項的說法沒錯，但與題意不符。(α粒子動能、電勢能分析)根據(jù)α粒子散射實驗，盧瑟福提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。如圖所示為原子核式結(jié)構(gòu)模型的α粒子散射圖。圖中實線表示α粒子的運動軌跡。其中一個α粒子從a運動到b再運動到c的過程中(α粒子在b點時距原子核最近)，下列判斷中正確的是()A．α粒子的動能先增大后減小B．α粒子的電勢能先增大后減小C．α粒子的加速度先減小后增大D．庫侖力對α粒子先做正功后做負功B[解析]

α粒子先靠近原子核，然后又遠離原子核，則在運動過程中，庫侖力對α粒子先做負功后做正功，所以其電勢能先增大后減小，由動能定理知，動能先減小后增大，B正確，A、D錯誤；α粒子受到的庫侖力先增大后減小，由牛頓第二定律知，加速度先增大后減小，C錯誤。2氫原子能級及原子躍遷(能力考點·深度研析)1．原子吸收能量的兩種情況(1)光照激發(fā)：能量等于能級差的光子可被吸收，能量大于電離能的光子可被吸收，其他光子不能被吸收。(2)實物粒子激發(fā)：只要粒子能量大于或等于能級差即可被吸收。2．譜線條數(shù)的確定方法(1)一個氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為n－1。3．電離(1)電離態(tài)：n＝∞，E＝0。(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：氫原子從基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV(3)若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還具有動能。?考向1氫原子能級及能級躍遷[解析]

由圖可知①和③對應(yīng)的躍遷能級差相同，可知①和③的能量相等，選項A正確；因②對應(yīng)的能級差小于④對應(yīng)的能級差，可知②的能量小于④的能量，根據(jù)E＝hν可知②的頻率小于④的頻率，選項B錯誤；因②對應(yīng)的能級差小于①對應(yīng)的能級差，可知②的能量小于①，②的頻率小于①，則若用①照射某金屬表面時能發(fā)生光電效應(yīng)，用②照射該金屬不一定能發(fā)生光電效應(yīng)，選項C錯誤；因④對應(yīng)的能級差大于①對應(yīng)的能級差，可知④的能量大于①，即④的頻率大于①，因用①照射某金屬表面時能逸出光電子的最大初動能為Ek，根據(jù)Ekm＝hν－W逸出功，則用④照射該金屬逸出光電子的最大初動能大于Ek，選項D錯誤。故選A。?考向2氫原子躍遷能量分析(2024·山東汶上縣高三階段練習)按照玻爾原子理論，原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，在這些不同的能量狀態(tài)中，核外電子繞原子核做半徑不同的圓周運動。根據(jù)此理論可知，處于n＝3能級的某氫原子輻射一定頻率的光子后躍遷到n＝2能級，則()A．核外電子的動能減小B．氫原子系統(tǒng)的總能量減少C．氫原子系統(tǒng)的電勢能增大D．氫原子系統(tǒng)減少的電勢能等于電子增加的動能B【跟蹤訓練】(兩類能級躍遷)(2023·山東卷)“夢天號”實驗艙攜帶世界首套可相互比對的冷原子鐘組發(fā)射升空，對提升我國導航定位、深空探測等技術(shù)具有重要意義。如圖所示為某原子鐘工作的四能級體系，原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級Ⅱ，然后自發(fā)輻射出頻率為ν1的光子，躍遷到鐘躍遷的上能級2，并在一定條件下可躍遷到鐘躍遷的下能級1，實現(xiàn)受激輻射，發(fā)出鐘激光，最后輻射出頻率為ν3的光子回到基態(tài)。該原子鐘產(chǎn)生的鐘激光的頻率ν2為()A．ν0＋ν1＋ν3

B．ν0＋ν1－ν3C．ν0－ν1＋ν3 D．ν0－ν1－ν3D[解析]

原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級Ⅱ時有EⅡ－EⅠ＝hν0，且從激發(fā)態(tài)能級Ⅱ向下躍遷到基態(tài)Ⅰ的過程有EⅡ－EⅠ＝hν1＋hν2＋hν3，聯(lián)立解得ν2＝ν0－ν1－ν3，故選D。(原子吸收能量的兩種情況)(多選)如圖是氦離子(He＋)的能級圖。通常我們認為可見光光子的能量在1.64—3.19eV之間。按照這一標準，下列操作中可能使處于基態(tài)的氦離子輻射可見光的是()A．用能量為48.36eV的光子照射時B．用能量為52.89eV的光子照射時C．用能量為53.89eV的電子轟擊時D．用能量為56.45eV的電子轟擊時BCD[解析]

用能量為48.36eV的光子照射時，光子被全部吸收，氦離子躍遷到n＝3激發(fā)態(tài)，氦離子由n＝3激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時，釋放的最小能量光子為7.56eV，不是可見光，故A錯誤；用能量為52.89eV的光子照射時，光子被全部吸收，氦離子躍遷到n＝6激發(fā)態(tài)，由圖可知，氦離子由n＝6激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時，存在釋放光子為可見光光子(n＝4到n＝3)，故B正確；用能量為53.89eV或能量為56.45eV的電子轟擊時，氦離子可以吸收部分能量，可能躍遷到n＝6激發(fā)態(tài)，同理，可能輻射可見光，故C、D正確。3原子核的衰變半衰期(基礎(chǔ)考點·自主探究)1．三種衰變的本質(zhì)(1)α衰變：原子核內(nèi)的2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成氦核放出，減少2個質(zhì)子和2個中子。(2)β衰變：中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子放出1個電子，減少1個中子，增加1個質(zhì)子。(3)γ衰變：γ射線伴隨α或β衰變產(chǎn)生，不改變原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。注意：原子核衰變是原子核內(nèi)部質(zhì)子與中子的變化，與原子核外的電子無關(guān)。1個質(zhì)子也可以變成1個中子放出正電子。2．衰變次數(shù)的計算方法先根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒確定α衰變次數(shù)，再根據(jù)電荷數(shù)守恒確定β衰變次數(shù)。3．對半衰期的理解(1)根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子核數(shù)和質(zhì)量，N余、

m余表示衰變后的放射性元素的原子核數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。(2)適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個特定的原子核，無法確定何時發(fā)生衰變?！靖櫽柧殹緼．Y是β粒子，β射線穿透能力比γ射線強B．Y是β粒子，β射線電離能力比γ射線強C．Y是α粒子，α射線穿透能力比γ射線強D．Y是α粒子，α射線電離能力比γ射線強D[解析]

根據(jù)受核反應(yīng)滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，Y是α粒子(He)，三種射線的穿透能力，γ射線最強，α射線最弱；三種射線的電離能力，α射線最強，γ射線最弱。故選D。AD4裂變、聚變、核反應(yīng)類型及核反應(yīng)方程(基礎(chǔ)考點·自主探究)1．幾種常見的核反應(yīng)分類及比較分類衰變?nèi)斯ず宿D(zhuǎn)變核裂變核聚變概念原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说倪^程人工用高速粒子轟擊原子核，產(chǎn)生另一種新核的過程重核分裂成質(zhì)量較小的原子核，釋放出核能的過程輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核，釋放出能量的過程2.核反應(yīng)方程式的書寫(2)掌握核反應(yīng)方程遵循的規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。(3)由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“→”表示反應(yīng)方向。【跟蹤訓練】(核反應(yīng)類型的判斷)下列說法正確的是()C[解析]

根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，A選項反應(yīng)中的X質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2，為α粒子，核反應(yīng)類型為α衰變，選項A錯誤；B選項反應(yīng)中的Y質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為0，為中子，核反應(yīng)類型為輕核聚變，選項B錯誤；C選項反應(yīng)中的K質(zhì)量數(shù)總數(shù)為10，電荷數(shù)為0，則K為10個中子，核反應(yīng)類型為重核裂變，選項C正確；D選項反應(yīng)中的Z質(zhì)量數(shù)為1，電荷數(shù)為1，為質(zhì)子，核反應(yīng)類型為人工轉(zhuǎn)變，選項D錯誤。[解析]

設(shè)Y電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為m和n，根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知第一個核反應(yīng)方程的核電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿足A＋14＝n＋17，Z＋7＝m＋8，第二個核反應(yīng)方程的核電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)滿足n＋7＝2A，m＋3＝2Z，聯(lián)立解得Z＝2，A＝4，故選D。D(裂變和聚變的比較)(2023·湖南卷)2023年4月13日，中國“人造太陽”反應(yīng)堆中科院環(huán)流器裝置(EAST)創(chuàng)下新紀錄，實現(xiàn)403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，為可控核聚變的最終實現(xiàn)又向前邁出了重要的一步，下列關(guān)于核反應(yīng)的說法正確的是()A．相同質(zhì)量的核燃料，輕核聚變比重核裂變釋放的核能更多C．核聚變的核反應(yīng)燃料主要是鈾235D．核聚變反應(yīng)過程中沒有質(zhì)量虧損A5對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解核能的計算(能力考點·深度研析)1．對質(zhì)能方程的理解(1)E＝mc2的含義：物體的總能量和它的質(zhì)量成正比關(guān)系。(2)ΔE＝Δmc2的含義：釋放的核能與質(zhì)量虧損成正比關(guān)系，但不是轉(zhuǎn)化關(guān)系。(3)對質(zhì)量虧損的理解：“質(zhì)量虧損”但質(zhì)量數(shù)守恒，原因是每個核子的質(zhì)量減小了。“質(zhì)量虧損”并不是質(zhì)量消失，而是由靜止的質(zhì)量變成運動的質(zhì)量。2．對比結(jié)合能的理解(1)比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。(2)中等質(zhì)量原子核的比結(jié)合能最大，平均每個核子的質(zhì)量最小。(3)當重核分裂成中等核，或輕核結(jié)合成中等核時，核子的比結(jié)合能都增加，發(fā)生質(zhì)量虧損并釋放出核能。3．計算核能的方法(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損的千克數(shù)乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2；(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5MeV的能量，得ΔE＝質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)×931.5MeV。(3)根據(jù)平均結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝平均結(jié)合能×核子數(shù)。(4)有時可結(jié)合動量守恒和能量守恒進行分析計算，此時應(yīng)注意動量、動能關(guān)系式p2＝2mEk的應(yīng)用。?考向1對結(jié)合能和比結(jié)合能的理解(多選)原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示。根據(jù)該曲線，下列判斷正確的有()BC?考向2核能的計算A[