第68講 原子結(jié)構(gòu)和原子核(講義)（原卷版）-2025年高考物理一輪復(fù)習講練測（新教材新高考）

第68講原子結(jié)構(gòu)和原子核目錄01、考情透視，目標導(dǎo)航TOC\o"1-3"\h\u02、知識導(dǎo)圖，思維引航 203、考點突破，考法探究 3考點一.原子的核式結(jié)構(gòu) 3知識點一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型 3知識點二、分析原子的核式結(jié)構(gòu)模型所用的規(guī)律 4考向1．α粒子散射實驗現(xiàn)象 4考向2．α粒子散射實驗分析 5考點二.玻爾理論與能級躍遷氫原子光譜 5知識點1.兩類能級躍遷 5知識點2.電離 6知識點3.原子輻射光譜線數(shù)量的確定方法 6考向1氫原子的能級躍遷問題 6考向2譜線條數(shù)的確定 7考向3受激躍遷與電離 7考向4能級躍遷與光電效應(yīng)的綜合 7考點三.原子核的衰變與半衰期 8知識點1.α衰變和β衰變的比較 8知識點2.三種射線的比較 9知識點3.確定衰變次數(shù)的方法 9知識點4.半衰期的理解 9知識點5.原子核在磁場中衰變后運動分析 9考點四.原子核的衰變與半衰期 10知識點1.核反應(yīng)的四種類型 10知識點2.核反應(yīng)方程式的書寫 10知識點3.核能的計算方法 10知識點4.對質(zhì)能方程的理解 11考向1核反應(yīng)生成物的分析 11考向2核反應(yīng)類型分析 11考向3放射性同位素及其衰變 11考向4質(zhì)能方程的應(yīng)用 12考向2質(zhì)能方程與動量守恒定律的綜合應(yīng)用 12考向3根據(jù)比結(jié)合能曲線分析核能 1304、真題練習，命題洞見 13考情分析2024·海南·高考物理第6題2024·北京·高考物理第4題2024·江西·高考物理第1題2024·湖南·高考物理第8題2024·江蘇·高考物理第1題2024·新課標·高考物理第20題2024·浙江·高考物理第9題2024·貴州·高考物理第8題復(fù)習目標目標1.理解原子的核式結(jié)構(gòu)，了解氫原子光譜，理解玻爾原子結(jié)構(gòu)理論，會分析能級躍遷問題。目標2.理解原子核的衰變，會計算原子核的半衰期。目標3.理解原子核的人工轉(zhuǎn)變、重核的裂變、輕核的聚變，會書寫核反應(yīng)方程，會計算核反應(yīng)過程的核能?？键c一.原子的核式結(jié)構(gòu)知識點一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型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)裝置：1909年，英國物理學家_______和他的助手進行了用α粒子轟擊金箔的實驗，實驗裝置如圖所示。(2)現(xiàn)象：實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿_______的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)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)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_______和幾乎全部_______都集中在核里，帶負電荷的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。知識點二、分析原子的核式結(jié)構(gòu)模型所用的規(guī)律(1)庫侖定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，可以用來確定電子和原子核、α粒子和原子核間的相互作用力。(2)牛頓運動定律和圓周運動規(guī)律：可以用來分析電子繞原子核做勻速圓周運動的問題。(3)功能關(guān)系及能量守恒定律：可以分析由于庫侖力做功引起的帶電粒子在原子核周圍運動時動能、電勢能之間的轉(zhuǎn)化問題?？枷?．α粒子散射實驗現(xiàn)象1.(多選)α粒子散射實驗是近代物理學中經(jīng)典的實驗之一，盧瑟福通過該實驗證實了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，其實驗裝置如圖所示。下列說法正確的是()A．熒光屏在C位置的亮斑比在A、B位置的亮斑少B．該實驗說明原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上C．熒光屏在B位置的亮斑比在A位置的亮斑多D．該實驗說明原子質(zhì)量均勻地分布在原子內(nèi)考向2．α粒子散射實驗分析2.1909年，物理學家盧瑟福和他的學生用α粒子轟擊金箔，研究α粒子被散射的情況，實驗用高速的α射線轟擊厚度為微米級的金箔，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α粒子都照直線穿過薄金箔，偏轉(zhuǎn)很小，但有少數(shù)α粒子發(fā)生角度較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90°，甚至觀察到有些α粒子偏轉(zhuǎn)角接近180°，其散射情境如圖所示。關(guān)于α粒子散射實驗，下列說法正確的是()A．實驗的目的是想證明原子具有核式結(jié)構(gòu)模型B．實驗中α粒子穿過金箔發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因是受到電子對它的庫侖力作用C．極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，是原子內(nèi)部兩側(cè)的正電荷對α粒子的斥力不相等造成的D．由實驗數(shù)據(jù)可以估算出金原子核的直徑數(shù)量級考點二.玻爾理論與能級躍遷氫原子光譜知識點1.兩類能級躍遷(1)自發(fā)躍遷：高能級(n)eq\o(→,\s\up7(躍遷))低能級(m)→放出能量，發(fā)射光子，hν＝En－Em。(2)受激躍遷：低能級(m)eq\o(→,\s\up7(躍遷))高能級(n)→吸收能量。①光照(吸收光子)：光子的能量必須恰好等于能級差，hν＝En－Em。②碰撞、加熱等：只要入射粒子的能量大于或等于能級差即可，E外≥En－Em。③大于電離能的光子被吸收，原子將電離。知識點2.電離電離態(tài)：n＝∞，E＝0基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。激發(fā)態(tài)→電離態(tài)：E吸＞0－En＝|En|。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。知識點3.原子輻射光譜線數(shù)量的確定方法(1)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n－1)條。(2)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n（n－1）,2)?？枷?氫原子的能級躍遷問題1．2022年10月，我國自主研發(fā)的“夸父一號”太陽探測衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星搭載的萊曼阿爾法太陽望遠鏡可用于探測波長為121.6nm的氫原子譜線(對應(yīng)的光子能量為10.2eV)。根據(jù)如圖所示的氫原子能級圖，可知此譜線來源于太陽中氫原子()A．n＝2和n＝1能級之間的躍遷B．n＝3和n＝1能級之間的躍遷C．n＝3和n＝2能級之間的躍遷D．n＝4和n＝2能級之間的躍遷考向2譜線條數(shù)的確定2．氫原子的能級圖如圖所示，下列說法正確的是()A．玻爾的原子理論認為電子繞原子核旋轉(zhuǎn)的軌道是連續(xù)的B．用能量為11eV的光子照射處于基態(tài)的氫原子可以使之發(fā)生躍遷C．大量處于n＝3能級的氫原子，最多可向外輻射2種不同頻率的光子D．一個處于n＝3能級的氫原子，最多可向外輻射2種不同頻率的光子考向3受激躍遷與電離3．“北斗三號”采用星載氫原子鐘，該鐘數(shù)百萬年到一千萬年才有1s誤差。氫原子的部分能級結(jié)構(gòu)如圖所示，則下列說法正確的是()A．用動能為14eV的電子轟擊處于基態(tài)的氫原子，一定不能使其躍遷到激發(fā)態(tài)B．氫原子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，核外電子動能減小，原子的電勢能增大C．某個處于基態(tài)的氫原子可以吸收12.09eV的光子，發(fā)出3種不同頻率的光D．處于基態(tài)的氫原子只能吸收13.6eV的能量實現(xiàn)電離考向4能級躍遷與光電效應(yīng)的綜合4．已知金屬鋅的逸出功為3.34eV，氫原子能級分布如圖所示，氫原子從n＝3能級躍遷到n＝1能級可產(chǎn)生a光，從n＝2能級躍遷到n＝1能級可產(chǎn)生b光。a光和b光的波長分別為λa和λb?，F(xiàn)用a、b光分別照射到金屬鋅表面均可產(chǎn)生光電效應(yīng)，遏止電壓分別為Ua和Ub。下列說法中正確的是()A．λa<λbB．Ua<UbC．a(chǎn)光的光子能量為3.4eVD．b光照射到金屬鋅表面產(chǎn)生的光電子的最大初動能為8.75eV考點三.原子核的衰變與半衰期知識點1.α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個eq\o\al(4,2)He射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e勻強磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒知識點2.三種射線的比較名稱構(gòu)成符號電荷量質(zhì)量電離能力貫穿本領(lǐng)α射線氦核eq\o\al(4,2)He＋2e4u最強最弱β射線電子eq\o\al(0,－1)e－eeq\f(1,1837)u較強較強γ射線光子γ00最弱最強知識點3.確定衰變次數(shù)的方法因為β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α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。知識點4.半衰期的理解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。知識點5.原子核在磁場中衰變后運動分析靜止原子核在勻強磁場中自發(fā)衰變，如果產(chǎn)生的新核和放出的粒子的速度方向與磁場方向垂直，則它們的運動軌跡為兩相切圓，α衰變時兩圓外切，β衰變時兩圓內(nèi)切，根據(jù)動量守恒定律有m1v1＝m2v2，又r＝eq\f(mv,qB)，則半徑小的為新核，半徑大的為α粒子或β粒子，其特點對比如下表：α衰變eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He勻強磁場中軌跡：兩圓外切，α粒子半徑大β衰變eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e勻強磁場中軌跡：兩圓內(nèi)切，β粒子半徑大考點四.原子核的衰變與半衰期知識點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α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n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eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂變比較容易進行人工控制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)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變很難控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n知識點2.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(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(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。知識點3.核能的計算方法(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算，計算時Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV/u計算。因1原子質(zhì)量單位(1u)相當于931.5MeV，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù)。知識點4.對質(zhì)能方程的理解(1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即E＝mc2。(2)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其能量也要相應(yīng)減少，即ΔE＝Δmc2。(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Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2?？枷?核反應(yīng)生成物的分析1．(2023·全國甲卷)在下列兩個核反應(yīng)方程中：X＋eq\o\al(14,7)N→Y＋eq\o\al(17,8)O、Y＋eq\o\al(7,3)Li→2X，X和Y代表兩種不同的原子核，以Z和A分別表示X的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)，則()A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4考向2核反應(yīng)類型分析2．(2024·成都模擬)我們在地球上獲取和消耗的能量，絕大部分來自太陽內(nèi)部核聚變釋放的核能。下列核反應(yīng)方程中，屬于核聚變的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Tu＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC.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考向3放射性同位素及其衰變3．正電子發(fā)射型計算機斷層顯像(PET)的基本原理：將放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人體，eq\o\al(15,8)O在人體內(nèi)衰變放出的正電子與人體內(nèi)的負電子相遇而湮滅轉(zhuǎn)化為一對γ光子，γ光子被探測器探測后經(jīng)計算機處理產(chǎn)生清晰圖像，下列說法正確的是()A.eq\o\al(15,8)O在人體內(nèi)衰變的方程是eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)nB．正負電子湮滅的方程是eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γC．正負電子相遇而湮滅違背了能量守恒定律D．在PET中，eq\o\al(15,8)O的主要用途是參與人體的代謝過程考向4質(zhì)能方程的應(yīng)用4．(2023·全國乙卷)2022年10月，全球眾多天文設(shè)施觀測到迄今最亮伽馬射線暴，其中我國的“慧眼”衛(wèi)星、“極目”空間望遠鏡等裝置在該事件觀測中作出重要貢獻。由觀測結(jié)果推斷，該伽馬射線暴在1分鐘內(nèi)釋放的能量量級為1048J。假設(shè)釋放的能量來自于物質(zhì)質(zhì)量的減少，則每秒鐘平均減少的質(zhì)量量級為(光速為3×108m/s)()A．1019kg B．1024kgC．1029kg D．1034kg考向2質(zhì)能方程與動量守恒定律的綜合應(yīng)用5．靜止的eq\o\al(239,94)Pu核發(fā)生α衰變，產(chǎn)生的新核為eq\o\al(235,92)U，釋放出的α粒子的動能為E，假設(shè)衰變時能量全部以動能形式釋放出來，則衰變過程中總的質(zhì)量虧損是(光速為c)()A．eq\f(4E,235c2) B．eq\f(239E,235c2)C．eq\f(239E,4c2) D．eq\f(235E,4c2)考向3根據(jù)比結(jié)合能曲線分析核能6．太陽目前處于主序星階段，氫燃燒殆盡后將發(fā)生氦閃，進入紅巨星階段?！昂らW”是氦eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\o\al(4,2)He))聚變變成碳的過程,2eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(8,4)Be極不穩(wěn)定，短時間再結(jié)合一個氦變成碳，eq\o\al(8,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C，已知原子核的比結(jié)合能—質(zhì)量數(shù)的圖像如圖，eq\o\al(4,2)He的縱坐標為7.08，eq\o\al(12,6)C的縱坐標為7.69，下列說法中正確的是()A．原子核的結(jié)合能越大，原子核就越穩(wěn)定B．一次氦閃放出的核能為7.32MeVC．氦4的核子平均質(zhì)量小于碳12的核子平均質(zhì)量D．氦4的結(jié)合能為7.08MeV1．（2024·浙江·高考真題）玻爾氫原子電子軌道示意圖如圖所示，處于n=3能級的原子向低能級躍遷，會產(chǎn)生三種頻率為、、的光，下標數(shù)字表示相應(yīng)的能級。已知普朗克常量為h，光速為c。正確的是（）A．頻率為的光，其動量為B．頻率為和的兩種光分別射入同一光電效應(yīng)裝量，均產(chǎn)生光電子，其最大初動能之差為C．頻率為和的兩種光分別射入雙縫間距為d，雙縫到屏的距離為L的干涉裝置，產(chǎn)生的干涉條紋間距之差為。D．若原子n=3躍遷至n=4能級，入射光的頻率2．（2024·安徽·高考真題）大連相干光源是我國第一臺高增益自由電子激光用戶裝置，其激光輻射所應(yīng)用的玻爾原子理論很好地解釋了氫原子的光譜特征。圖為氫原子的能級示意圖，已知紫外光的光子能量大于，當大量處于能級的氫原子向低能級躍遷時，輻射不同頻率的紫外光有（

）A．1種 B．2種 C．3種 D．4種3．（2024·浙江·高考真題）氫原子光譜按頻率展開的譜線如圖所示，此四條譜線滿足巴耳末公式，n=3、4、5、6用和光進行如下實驗研究，則（）A．照射同一單縫衍射裝置，光的中央明條紋寬度寬B．以相同的入射角斜射入同一平行玻璃磚，光的側(cè)移量小C．以相同功率發(fā)射的細光束，真空中單位長度上光的平均光子數(shù)多D．相同光強的光分別照射同一光電效應(yīng)裝置，光的飽和光電流小4．（2024·海南·高考真題）人工核反應(yīng)中的X是（）A．中子 B．質(zhì)子 C．電子 D．α粒子5．（2024·北京·高考真題）已知釷234的半衰期是24天。1g釷234經(jīng)過48天后，剩余釷234的質(zhì)量為（

）A．0g B．0.25g C．0.5g D．0.75g6．（2024·甘肅·高考真題）2024年2月，我國科學家在蘭州重離子加速器國家大科學裝置上成功合成了新核素，核反應(yīng)方程如下：該方程中X是（）A．質(zhì)子 B．中子 C．電子 D．粒子7．（2024·廣東·高考真題）我國正在建設(shè)的大科學裝置——“強流重離子加速器”。其科學目標之一是探尋神秘的“119號”元素，科學家嘗試使用核反應(yīng)產(chǎn)生該元素。關(guān)于原子核Y和質(zhì)量數(shù)A，下列選項正確的是（）A．Y為 B．Y為C．Y為 D．Y為8．（2024·廣西·高考真題）近期，我國科研人員首次合成了新核素鋨（）和鎢（）。若鋨經(jīng)過1次衰變，鎢經(jīng)過1次衰變（放出一個正電子），則上述兩新核素衰變后的新核有相同的（）A．電荷數(shù) B．中子數(shù) C．質(zhì)量數(shù) D．質(zhì)子數(shù)9．（2024·河北·高考真題）鋰是新能源汽車、儲能和信息通信等新