2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第12章近代物理初步第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)和原子核教案

1、第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)和原子核一、原子結(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原子的核式結(jié)構(gòu)(1)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粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數(shù)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。(2)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)。3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展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類 (3)氫原子光

2、譜的實驗規(guī)律：巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式r，(n3,4,5，r是里德伯常量，r1.10107 m1)。(4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(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(xué)元素上有著重大的意義。4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hemen。(h是普朗克常量，h6.631034 js)(3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周

3、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。5氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖所示(2)氫原子的能級和軌道半徑氫原子的能級公式：ene1(n1,2,3)，其中e1為基態(tài)能量，其數(shù)值為e113.6 ev。氫原子的半徑公式：rnn2r1(n1,2,3)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r10.53 1010m。二、天然放射現(xiàn)象和原子核1原子核的組成原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。2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)。3放射性同位素的應(yīng)用與防護(1

4、)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。(2)應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。(3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。4原子核的衰變(1)衰變：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類衰變：xyhe如：uthhe；衰變：xye如：thpae。(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)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)。5核力和核能(1)核力原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。(2)核能核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損m，其對應(yīng)的能量emc2。原子核分解成核子時要吸收

5、一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加m，吸收的能量為emc2。6裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)、裂變反應(yīng)堆、核反應(yīng)方程(1)重核裂變定義：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。典型的裂變反應(yīng)方程：unkrba3n。鏈式反應(yīng)：重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。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。(2)輕核聚變定義：兩個輕核結(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)。典型的聚變反應(yīng)方程：hhhen17.6 mev。一、思考辨析(正確的畫“”，錯誤的畫“”)1、三種射線中，射線的電離作用最強。()2

6、半衰期與溫度無關(guān)。()3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。()4所有元素都可以發(fā)生衰變。()5核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒，故沒有質(zhì)量虧損。()6質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量。()二、走進教材1(滬科版選修35p75t4改編)已知鉍210的半衰期是5.0天，8 g鉍210經(jīng)20天后還剩下()a1 gb0.2 g c0.4 gd0.5 gd由公式mm0得m8 g0.5 g，d正確。2(人教版選修35p81例題)(多選)已知中子的質(zhì)量是mn1.674 91027 kg，質(zhì)子的質(zhì)量是mp1.672 61027 kg，氘核的質(zhì)量是md3.343 61027 kg，則

7、氘核的比結(jié)合能為()a3.511013 jb1.10 mevc1.761013 jd2.19 mev答案bc3(粵教版選修35p97t3)(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的是()authhe是衰變bnheoh是衰變chhhen是輕核聚變dsekr2e是重核裂變答案ac 玻爾理論和能級躍遷1對氫原子能級圖的理解(1)能級圖如圖所示。(2)能級圖中相關(guān)量意義的說明。相關(guān)量意義能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)定態(tài)橫線左端的數(shù)字“1,2,3”表示量子數(shù)橫線右端的數(shù)字“13.6，3.4”表示氫原子的能量相鄰橫線間的距離表示相鄰的能量差，量子數(shù)越大，相鄰的能量差越小，距離越小帶箭頭的豎

8、線表示原子由較高能級向較低能級躍遷，原子躍遷的條件為hemen2.(1)自發(fā)躍遷：高能級(m)低能級(n)放出能量，發(fā)射光子：hemen。(2)受激躍遷：低能級(n)高能級(m)吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必須恰好等于能級差hemen。碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，e外emen。大于電離能的光子被吸收，將原子電離。3電離(1)電離態(tài)：n，e0(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：對于氫原子基態(tài)電離態(tài)，e吸0(13.6 ev)13.6 ev，即為基態(tài)的電離能。n2電離態(tài)：e吸0e23.4 ev，即為n2激發(fā)態(tài)的電離能。如吸收

9、能量足夠大，克服電離能后，電離出的自由電子還具有動能。典例示法1(20201月浙江選考t14)由玻爾原子模型求得氫原子能級如圖所示，已知可見光的光子能量在1.62 ev到3.11 ev之間，則()a氫原子從高能級向低能級躍遷時可能輻射出射線b氫原子從n3的能級向n2的能級躍遷時會輻射出紅外線c處于n3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線并發(fā)生電離d大量氫原子從n4能級向低能級躍遷時可輻射出2種頻率的可見光cd氫原子從高能級向低能級躍遷時只能輻射出紫外線、可見光和紅外線，而射線是原子核輻射的，選項a錯誤；氫原子從n3能級向n2能級躍遷時輻射出可見光，不會輻射出紅外線，選項b錯誤；由于紫外線光子能

10、量大于處于n3能級氫原子的電離能1.51 ev，所以處于n3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線并發(fā)生電離，選項c正確；大量氫原子從n4能級向低能級躍遷時可以輻射出6種不同頻率的光子，其中只有從n4能級躍遷到n2能級和從n3能級躍遷到n2能級時輻射的光子能量在可見光光子能量范圍內(nèi)，所以可輻射出2種頻率的可見光，選項d正確。確定氫原子輻射光譜線的數(shù)量的方法典例示法2處于激發(fā)態(tài)的原子，如果在入射光子的電磁場的影響下，從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時兩個狀態(tài)之間的能量差以光子的形式輻射出去，這種輻射被稱為受激輻射。原子發(fā)生受激輻射時，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)射方向等都跟入射光子完全一樣，這樣使光得到加強，這就

11、是激光產(chǎn)生的機理。發(fā)生受激輻射時，產(chǎn)生激光的原子的總能量en、電子的電勢能ep、電子的動能ek的變化情況是()aen減小、ep增大、ek減小ben減小、ep減小、ek增大cen增大、ep減小、ek減小den增大、ep增大、ek增大b原子發(fā)生受激輻射時，向外輻射能量，可知原子總能量en減小。根據(jù)玻爾理論可知，氫原子的高能級軌道距離原子核比較遠，所以氫原子發(fā)生輻射時，電子的運動軌道半徑變小。由于原子核對電子的庫侖力做正功，故電子的電勢能ep減小、動能ek增大，故b項正確。氫原子躍遷前后電子的能量分析根據(jù)玻爾理論的軌道量子化假設(shè)可知氫原子的能級越高，則電子距離原子核越遠，如圖所示。則氫原子由高能級躍

12、遷到低能級時電子能量變化：動能ek的變化情況因為庫侖力的作用，電子圍繞原子核做圓周運動，根據(jù)庫侖力提供向心力可得km，且ekmv2，所以ekk，即電子在半徑小的軌道上動能大。由圖可知，當(dāng)氫原子由高能級躍遷到低能級時，電子的運動軌道半徑變小，故動能ek變大。電勢能ep的變化情況方法一：根據(jù)氫原子能級躍遷規(guī)律可知，氫原子由高能級向低能級躍遷時，向外輻射光子，能量減小。氫原子的能量主要是電子的動能與電勢能之和，氫原子的能量減小，電子的動能增大，故電勢能ep減小。方法二：原子核對電子的庫侖力做正功，則電子的電勢能ep減小。1(2019全國卷)氫原子能級示意圖如圖所示。光子能量在1.633.10 ev的

13、光為可見光。要使處于基態(tài)(n1)的氫原子被激發(fā)后可輻射出可見光光子，最少應(yīng)給氫原子提供的能量為()a12.09 evb10.20 evc1.89 evd1.51 eva因為可見光光子的能量范圍是1.633.10 ev，所以氫原子至少要被激發(fā)到n3能級，要給氫原子提供的能量最少為e(1.5113.60)ev12.09 ev，即選項a正確。2(2016北京高考)處于n3能級的大量氫原子，向低能級躍遷時，輻射光的頻率有()a1種b2種 c3種d4種c大量氫原子從n3能級向低能級躍遷時，能級躍遷圖如圖所示，有3種躍遷情況，故輻射光的頻率有3種，選項c正確。3(多選)如圖所示是玻爾為解釋氫原子光譜畫出的

14、氫原子能級示意圖。大量處于n3能級的氫原子向低能級躍遷放出若干頻率的光子，設(shè)普朗克常量為h，下列說法正確的是()a能產(chǎn)生3種不同頻率的光子b產(chǎn)生的光子的最大頻率為c當(dāng)氫原子從能級n2躍遷到n1時，氫原子的能量變大d若氫原子從能級n2躍遷到n1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則當(dāng)氫原子從能級n3躍遷到n1時放出的光子照到該金屬表面時，逸出的光電子的最大初動能為e3e2abd根據(jù)c可得從n3能級向低能級躍遷能產(chǎn)生c3種不同頻率的光子，a正確；產(chǎn)生的光子有最大能量的是從n3能級向n1能級躍遷時產(chǎn)生的，根據(jù)公式he3e1，解得，b正確；從高能級向低能級躍遷，釋放光子，氫原子能量變小，c錯誤；若

15、氫原子從能級n2躍遷到n1時放出的光子恰好能使某金屬發(fā)生光電效應(yīng)，則當(dāng)氫原子從能級n3躍遷到n1時放出的光子照到該金屬表面時，逸出的光電子的最大初動能為ekmhw0(e3e1)(e2e1)e3e2，故d正確。 原子核的衰變及半衰期1衰變、衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變方程xyhexye衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2h2nhenhe衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒2.三種射線的成分和性質(zhì)名稱構(gòu)成符號電荷量質(zhì)量電離作用穿透能力射線氦核he2e4 u最強最弱射線電子ee u較強較強射線光子00最弱最強3.衰變次數(shù)的計算方法若xynheme則aa

16、4n，zz2nm解以上兩式即可求出m和n。4對半衰期的理解(1)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。(2)根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式n余n原，m余m原。式中n原、m原表示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，表示半衰期。(2020全國卷t19)1934年，約里奧居里夫婦用粒子轟擊鋁箔，首次產(chǎn)生了人工放射性同位素x，反應(yīng)方程為healxn。x會衰變成原子核y，衰變方程為xye。則()ax的質(zhì)量數(shù)與y的質(zhì)量數(shù)相等bx的電荷數(shù)比y的電荷數(shù)少1cx的電荷數(shù)比al的電荷數(shù)多2dx的質(zhì)量數(shù)與al的

17、質(zhì)量數(shù)相等ac根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可知healxn方程中x的質(zhì)量數(shù)為30，電荷數(shù)為15，再根據(jù)xye方程可知y的質(zhì)量數(shù)為30，電荷數(shù)為14，故x的質(zhì)量數(shù)與y的質(zhì)量數(shù)相等，x的電荷數(shù)比y的電荷數(shù)多1，x的電荷數(shù)比al的電荷數(shù)多2，x的質(zhì)量數(shù)比al的質(zhì)量數(shù)多3，選項a、c正確，b、d錯誤。原子核的衰變1(多選)天然放射性元素th(釷)經(jīng)過一系列衰變和衰變之后，變成pb(鉛)。下列判斷中正確的是()a衰變過程共有6次衰變和4次衰變b鉛核比釷核少8個質(zhì)子c衰變所放出的電子來自原子核外d釷核比鉛核多24個中子ab由于衰變不會引起質(zhì)量數(shù)的減少，故可先根據(jù)質(zhì)量數(shù)的減少確定衰變的次數(shù)，x6，再結(jié)合核電

18、荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來判定衰變的次數(shù)，2xy90828，y2x84，釷232核中的中子數(shù)為23290142，鉛208核中的中子數(shù)為20882126，所以釷核比鉛核多16個中子，鉛核比釷核少8個質(zhì)子，由于物質(zhì)的衰變與元素的化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，所以衰變所放出的電子來自原子核內(nèi)，所以a、b正確。半衰期的理解與計算2(2018江蘇高考)已知a和b兩種放射性元素的半衰期分別為t和2t，則相同質(zhì)量的a和b經(jīng)過2t后，剩有的a和b質(zhì)量之比為()a14b12 c21d41b經(jīng)過2t，對a來說是2個半衰期，a的質(zhì)量還剩，經(jīng)過2t，對b來說是1個半衰期，b的質(zhì)量還剩，所以剩有的a和b質(zhì)量之比為12，選項b正確。衰變

19、中的動量守恒3.(多選)如圖所示，靜止的u核發(fā)生衰變后生成反沖th核，兩個產(chǎn)物都在垂直于它們速度方向的勻強磁場中做勻速圓周運動，下列說法正確的是()a衰變方程可表示為uthhebth核和粒子的圓周軌道半徑之比為145cth核和粒子的動能之比為145dth核和粒子在勻強磁場中旋轉(zhuǎn)的方向相反ab已知粒子為he，則由電荷數(shù)守恒及質(zhì)量數(shù)守恒可知，衰變方程為：uthhe，故a正確；th核和粒子都帶正電荷，則在題圖勻強磁場中都是逆時針旋轉(zhuǎn)，故d錯誤；由動量守恒可得衰變后，則th核和粒子的動能之比，故c錯誤；粒子在勻強磁場中運動，洛倫茲力提供向心力，所以有bvq，則r，所以th核和粒子的圓周軌道半徑之比，故

20、b正確。 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)方程典例衰變衰變自發(fā)uthhe衰變自發(fā)thpae人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂苙heoh(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)hebecn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)alhepn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psie重核裂變?nèi)菀卓刂苪nbakr3nunxesr10n輕核聚變現(xiàn)階段很難控制hhhen2.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(h)、中子(n)、粒子(he)、粒子(e)、正電子(e)、氘核(h)、氚核(h)等。(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，由

21、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。(3)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。3核能的計算方法(1)利用質(zhì)能方程計算核能根據(jù)核反應(yīng)方程，計算出核反應(yīng)前與核反應(yīng)后的質(zhì)量虧損m。根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程emc2計算核能。質(zhì)能方程emc2中m的單位用“kg”，c的單位用“m/s”，則e的單位為“j”。emc2中，若m的單位用“u”，則可直接利用em931.5 mev計算e，此時e的單位為“mev”，即1 u1.660 61027 kg，相當(dāng)于931.5 mev，這個結(jié)論可在計算中直接應(yīng)用。(2)利用比結(jié)合能計算核能原子核的結(jié)合能核子的比結(jié)合能核子數(shù)。核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子

22、核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能的差值，就是該核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能。(多選)科學(xué)家使用核反應(yīng)獲取氚，再利用氘和氚的核反應(yīng)獲得能量，核反應(yīng)方程分別為：xyheh4.9 mev和hhhex17.6 mev，下列表述正確的有()ax是中子by的質(zhì)子數(shù)是3，中子數(shù)是6c兩個核反應(yīng)都沒有質(zhì)量虧損d氘和氚的核反應(yīng)是核聚變反應(yīng)ad核反應(yīng)方程遵守核電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，則由hhhex17.6 mev知x為n，由xyheh4.9 mev知y為li，其中y的質(zhì)子數(shù)是3，中子數(shù)也是3，選項a正確，選項b錯誤。兩個核反應(yīng)都釋放出核能，故都有質(zhì)量虧損，選項c錯誤。xyheh4.9 mev是原子核的

23、人工轉(zhuǎn)變，hhhen17.6 mev為輕核聚變，選項d正確。1本題以海水中氘核的聚變反應(yīng)為背景命題，體現(xiàn)清潔能源的發(fā)展前景，增強學(xué)生的環(huán)境意識和社會責(zé)任感。2當(dāng)比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時，釋放能量。四類核反應(yīng)1(多選)能源是社會發(fā)展的基礎(chǔ)，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列釋放核能的反應(yīng)方程，表述正確的有()ahhhen是核聚變反應(yīng)bhhhen是衰變cunbakr3n是核裂變反應(yīng)dunxesr2n是衰變ac衰變時釋放出電子(e)，衰變時釋放出氦原子核(he)，可知選項b、d錯誤；一個氚核和一個氘核結(jié)合成一個氦核并釋放出一個中子是典型的核聚變反應(yīng)，a正確；重核被中子轟擊后分裂成兩個中等質(zhì)量的原子核并放出若干個中子的反應(yīng)為核裂變反應(yīng)，c正確。結(jié)合能與比結(jié)合能的理解2(多選)