2025版高考物理全程一輪復習第十六章波粒二象性原子結構原子核第2講原子結構氫原子光譜學案

第2講原子結構氫原子光譜課程標準1.了解人類探索原子結構的歷史．2．知道原子核式結構模型．3．通過對氫原子光譜的分析，了解原子的能級結構．4．了解原子核的組成和核力的性質(zhì)．知道四種基本相互作用．能根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應方程．5．了解放射性和原子核衰變．知道半衰期及其統(tǒng)計意義．了解放射性同位素的應用，知道射線的危害與防護．6．認識原子核的結合能和比結合能，了解核裂變反應．關注核技術應用對人類生活和社會發(fā)展的影響．素養(yǎng)目標物理觀念：(1)知道原子的核式結構和氫原子光譜．(2)理解放射性和元素衰變、半衰期、同位素的概念；知道核裂變和核聚變的區(qū)別．科學思維：(1)掌握氫原子光譜的規(guī)律，并利用規(guī)律進行解題．(2)利用原子核的結構模型解釋與核物理有關的問題．會利用質(zhì)能方程計算核能．科學探究：了解人類探索原子及其結構的歷史、人類對物質(zhì)結構的探索歷程．考點一原子的核式結構模型●———【必備知識·自主落實】———●1．電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學家湯姆孫研究________發(fā)現(xiàn)了電子，證明了原子可以再分．2．原子的核式結構：(1)α粒子散射實驗[注意關鍵詞語“絕大多數(shù)”“少數(shù)”等]：1909～1911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，實驗發(fā)現(xiàn)________α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了________偏轉，偏轉的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來．(如圖所示)(2)原子的核式結構模型：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，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉．●———【關鍵能力·思維進階】———●1．[2024·上海浦東新統(tǒng)考]關于盧瑟福的原子核式結構模型，下列說法正確的是()A.在原子中心有一很小的帶負電的核B.原子的全部質(zhì)量都集中在原子核里C.電子在核外不停地繞核運動D.電子繞核運動的向心力由核力提供2．如圖所示是α粒子散射實驗裝置的示意圖．從α粒子源發(fā)射的α粒子射向金箔，利用觀測裝置觀測發(fā)現(xiàn)，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，但有少數(shù)α粒子(約占八千分之一)發(fā)生了大角度偏轉，極少數(shù)α粒子偏轉的角度甚至大于90°.下列說法正確的是()A.α粒子束是快速運動的質(zhì)子流B.實驗結果說明原子中的正電荷彌漫性地均勻分布在原子內(nèi)C.α粒子發(fā)生大角度偏轉是金箔中的電子對α粒子的作用引起的D.α粒子散射實驗裝置的內(nèi)部需要抽成真空3．[2023·黑龍江哈爾濱哈師大附中?？既在α粒子散射實驗中，下列圖景正確的是()考點二氫原子光譜、氫原子能級圖及原子躍遷●———【必備知識·自主落實】———●1．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(頻率)展開，獲得光的________(頻率)和強度分布的記錄，即光譜．(2)光譜分類(3)氫原子光譜的實驗規(guī)律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式1λ＝R(122－1n2)(n＝3，4，5，…，R是里德伯常量，R(4)光譜分析：____________________譜和____________________光譜都對應某種元素，都可以用來進行光譜分析．在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學元素上有著重大的意義．2．玻爾理論的三條假設(1)定態(tài)假設：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)躍遷假設：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)軌道假設：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．原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是________的．3．氫原子的能量和能級躍遷(1)氫原子的能極圖：如圖所示．(2)能級和半徑公式：①氫原子的能級公式：En＝E1n2(n＝1，2，3，…)，其中E1為基態(tài)能量，②氫原子核外電子的軌道半徑公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，r1＝0.53×10－10m．●———【關鍵能力·思維進階】———●1．定態(tài)間的躍遷——滿足能級差(1)從低能級(n)躍遷高能級(m)→吸收能量，hν＝Em－En.(2)從高能級(m)躍遷低能級(n)→放出能量，hν＝Em－En.2．電離(1)電離態(tài)：n＝∞，E＝0.(2)基態(tài)→電離態(tài)：E吸>0－(－13.6eV)＝13.6eV.(3)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．3．譜線條數(shù)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).(2)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．①用數(shù)學中的組合知識求解：N＝Cn2＝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．例1“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＋ν3B．ν0＋ν1－ν3C．ν0－ν1＋ν3D．ν0－ν1－ν3例2[2024·廣東深圳一模]有些金屬原子受激后，從某激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時，會發(fā)出特定顏色的光．圖甲所示為鈉原子和鋰原子分別從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)的能級差值，鈉原子發(fā)出頻率為5.09×1014Hz的黃光，可見光譜如圖乙所示．鋰原子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)發(fā)光顏色為()A.紅色B.橙色C.綠色D.青色例3(多選)如圖所示，能級間的躍遷產(chǎn)生不連續(xù)的譜線，從不同能級躍遷到某一特定能級就形成一個線系，比如：巴耳末系就是氫原子從n＝3，4，5…能級躍遷到n＝2能級時輻射出的光譜，其波長λ遵循以下規(guī)律：1λ＝R(122A．公式中n只能取整數(shù)值，故氫光譜是線狀譜B．氫原子從n＝3能級躍遷到n＝2能級，該氫原子放出光子，其核外電子的動能增大C．氫原子從n＝3能級躍遷到n＝2能級時輻射出的光子，在巴耳末系中波長最短D．用能量為14.0eV的光子去照射一群處于基態(tài)的氫原子，受照射后，氫原子能躍遷到n＝4的能級考點三原子核的衰變及半衰期●———【必備知識·自主落實】———●1．原子核的組成：原子核是由________和中子組成的，原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的________．2．天然放射現(xiàn)象放射性元素________地發(fā)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________具有復雜的結構．3．三種射線的比較名稱構成符號電荷量質(zhì)量電離能力穿透能力α射線____核2＋2e4u最____最____β射線______?－e11837較強較強γ射線光子γ00最____最____4.原子核的衰變(1)衰變：原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，變成另一種________的變化稱為原子核的衰變．(2)α衰變、β衰變(3)γ射線：γ射線經(jīng)常是伴隨著α衰變或β衰變同時產(chǎn)生的．5．半衰期(1)公式：N余＝N原(eq\f(1,2))eq\s\up6(\f(t,T1/2))，m余＝m原(eq\f(1,2))eq\s\up6(\f(t,T1/2)).(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由____________________決定的，跟原子所處的外部條件(如溫度、壓強)和化學狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)________(選填“有關”或“無關”).6．放射性同位素的應用與防護(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)應用：工業(yè)測厚、放射治療、作為________等．(3)防護：防止放射性物質(zhì)對環(huán)境的污染和對人體組織的傷害．●———【關鍵能力·思維進階】———●4．[2023·重慶卷]原子核eq\o\al(235,92)U可以經(jīng)過多次α和β衰變成為穩(wěn)定的原子核eq\o\al(207,82)Pb，在該過程中，可能發(fā)生的β衰變是()A．eq\o\al(223,87)Fr→eq\o\al(223,88)Ra＋eq\o\al(0,－1)eB．eq\o\al(213,84)Bi→eq\o\al(213,83)Po＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(225,88)Ra→eq\o\al(225,89)Ac＋eq\o\al(0,－1)eD．eq\o\al(218,84)Po→eq\o\al(218,85)At＋eq\o\al(0,－1)e5．[2023·浙江6月]“玉兔二號”裝有核電池，不懼漫長寒冷的月夜．核電池將eq\o\al(238,94)Pu衰變釋放的核能一部分轉換成電能．eq\o\al(238,94)Pu的衰變方程為eq\o\al(238,94)Pu→eq\o\al(X,92)U＋eq\o\al(4,2)He，則()A．衰變方程中的X等于233B．eq\o\al(4,2)He的穿透能力比γ射線強C．eq\o\al(238,94)Pu比eq\o\al(X,92)U的比結合能小D．月夜的寒冷導致eq\o\al(238,94)Pu的半衰期變大6．[2023·浙江1月]宇宙射線進入地球大氣層與大氣作用會產(chǎn)生中子，中子與大氣中的氮14會產(chǎn)生以下核反應：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋eq\o\al(1,1)H，產(chǎn)生的eq\o\al(14,6)C能自發(fā)進行β衰變，其半衰期為5730年，利用碳14的衰變規(guī)律可推斷古木的年代．下列說法正確的是()A．eq\o\al(14,6)C發(fā)生β衰變的產(chǎn)物是eq\o\al(15,7)NB．β衰變輻射出的電子來自于碳原子的核外電子C．近年來由于地球的溫室效應，引起eq\o\al(14,6)C的半衰期發(fā)生微小變化D．若測得一古木樣品的eq\o\al(14,6)C含量為活體植物的eq\f(1,4)，則該古木距今約為11460年考點四核反應及核能的計算●———【必備知識·自主落實】———●1．核反應的四種類型2.核反應方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應方程的基礎．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．核力和核能(1)核力：原子核內(nèi)部，________間所特有的相互作用力．(2)結合能：原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們________需要的能量，叫作原子的結合能，也叫核能．(3)比結合能：原子核的結合能與________之比，叫作比結合能，也叫平均結合能．__________越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定．(4)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其對應的能量ΔE＝________．原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質(zhì)量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝________．●———【關鍵能力·思維進階】———●7．[2023·北京卷]下列核反應方程中括號內(nèi)的粒子為中子的是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋()B．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋()C．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()D．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋()8．[2023·天津卷]關于太陽上進行的核聚變，下列說法正確的是()A．核聚變需要在高溫下進行B．核聚變中電荷不守恒C．太陽質(zhì)量不變D．太陽上進行的核反應為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)n9．2023年8月24日，日本政府正式向海洋排放福島第一核電站的核污水．核污水中的eq\o\al(210,84)Po發(fā)生衰變時的核反應方程為eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(206,82)Pb＋X，該核反應過程中放出的能量為Q.設eq\o\al(210,84)Po的結合能為E1，eq\o\al(206,82)Pb的結合能為E2，X的結合能為E3，已知光在真空中的傳播速度為c，則下列說法正確的是()A．eq\o\al(206,82)Pb的比結合能小于eq\o\al(210,84)Po的比結合能B．該核反應過程中放出的能量Q＝206E2＋4E3－210E1C．該核反應過程中的質(zhì)量虧損可以表示為m＝Qc2D.衰變過程中放出的光子是因為新原子核從高能級向低能級躍遷產(chǎn)生的思維提升核能的計算方法(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計算．因1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．(3)根據(jù)核子比結合能來計算核能：原子核的結合能＝核子比結合能×核子數(shù)．第2講原子結構氫原子光譜考點一必備知識·自主落實1．陰極射線2．（1）盧瑟福絕大多數(shù)大角度（2）正電荷質(zhì)量關鍵能力·思維進階1．解析：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，故A、B錯誤；帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉，故C正確；電子繞核運動的向心力由庫侖力提供，故D錯誤．故選C.答案：C2．解析：α粒子是氦的原子核，因此不是質(zhì)子流，選項A錯誤；實驗結果說明占原子質(zhì)量絕大部分的帶正電的物質(zhì)集中在很小的空間范圍，選項B錯誤；α粒子發(fā)生大角度偏轉是金箔中的帶正電的原子核對α粒子的庫侖斥力引起的，選項C錯誤；為避免空氣分子的影響，內(nèi)部需要抽成真空，選項D正確．故選D.答案：D3．解析：當α粒子進入原子區(qū)域后，離帶正電的原子核遠的受到的庫侖斥力小，運動方向改變小．只有極少數(shù)粒子在穿過時距離正電荷很近，受到很強的庫侖斥力，發(fā)生大角度散射，故A錯誤，B正確；由庫侖定律和原子核式結構模型可知，電子的質(zhì)量只有α粒子的eq\f(1,7300)，它對α粒子速度的大小和方向的影響，完全可以忽略，α粒子偏轉主要是帶正電的原子核造成的，故C、D錯誤；故選B.答案：B考點二必備知識·自主落實1．（1）波長（4）線狀吸收2．（1）不連續(xù)穩(wěn)定（2）Em－En（m>n）（3）不連續(xù)關鍵能力·思維進階例1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.答案：D例2解析：由波爾理論結合普朗克的量子假說，即E＝hν，根據(jù)圖甲可得ENa＝hνNa，ELi＝hνLi代入數(shù)據(jù)可得νLi≈4.48×1014Hz對照圖乙可知，鋰原子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)發(fā)光顏色為紅光．答案：A例3答案：AB考點三必備知識·自主落實1．質(zhì)子質(zhì)子數(shù)2．自發(fā)貝克勒爾原子核3．氦強弱電子弱強4．（1）原子核（2）電荷數(shù)5．（2）核內(nèi)部自身的因素無關6．（1）天然人工（2）示蹤原子關鍵能力·思維進階4．解析：原子核eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U衰變成為穩(wěn)定的原子核eq\o\al(\s\up1(207),\s\do1(82))Pb質(zhì)量數(shù)減小了28，則經(jīng)過了7次α衰變，中間生成的新核的質(zhì)量數(shù)可能為231，227，223，219，215，211，則發(fā)生β衰變的原子核的質(zhì)量數(shù)為上述各數(shù)，則BCD都不可能，根據(jù)核反應的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，選項A反應正確．故選A.答案：A5．解析：根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，衰變方程為eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He即衰變方程中的X＝234，故A錯誤；eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He是α粒子，穿透能力比γ射線弱，故B錯誤；比結合能越大越穩(wěn)定，由于eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu衰變成為了eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U，故eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U比eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu穩(wěn)定，即eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu比eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U的比結合能小，故C正確；半衰期由原子本身的特點決定，與溫度等外部因素無關，故D錯誤．故選C.答案：C6．解析：由題意可知eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C能自發(fā)進行β衰變，則其核反應方程為eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C→eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e＋eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N，所以產(chǎn)物為eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N，A錯誤；β衰變輻射出的電子是核內(nèi)的中子轉變成質(zhì)子的同時向外釋放的，B錯誤；eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C的半衰期不受外界因素的影響，與環(huán)境的壓強、溫度等無關，因此溫室效應不會引起eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C的半衰期發(fā)生變化，C錯誤；若測得一古木樣品的eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C含量為活體植物的eq\f(1,4)，由m＝m0·（eq\f(1,2)）n可知n＝2，則經(jīng)過了兩個半衰期，即11460年，D正確．答案：D考點四必備知識·自主落實1.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8))Oeq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))Peq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(＋1))e10eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))neq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He3．（1）核子（2）分開（3）核子數(shù)比結合能（4）Δmc2Δmc2關鍵能力·思維進階7．解析：根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知，核反應方程為eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋（3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n），故A符合題意；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知，核反應方程為eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋（eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He），故B不符合題意；根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知，核反應方程為eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8)