第十二章 近代物理初步 第2讲 原子和原子核 大一轮复习讲义 NEIRONGSUOYIN 内容索引 过好双基关 研透命题点 课时作业 回扣基础知识 训练基础题目 细研考纲和真题 分析突破命题点 限时训练 练规范 练速度 过好双基关 一 原子物理 1 原子的核式结构 1 1909 1911年 英籍物理学家 进行了 粒子散射实验 提出了原子核 式结构模型 2 粒子散射实验的结果 绝大多数 粒子穿过金箔后 基本上仍沿原来的方向前进 但有 粒子发生了大 角度偏转 偏转的角度甚至大于90 也就是说它们几乎 被 撞了回来 如图1所示 3 原子的核式结构模型 原子中带正电部分的体积 但几乎占有全部 电子在正电体的外面运动 图1 卢瑟福 少数 很小 质量 2 氢原子光谱 1 光谱 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开 获得光的 频率 和强度分布的记录 即光谱 2 光谱分类 波长 吸收 连续 特征 4 光谱分析 利用每种原子都有自己的 可以用来鉴别物质和确定物 质的组成成分 且灵敏度很高 在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义 特征谱线 3 玻尔理论 1 定态 原子只能处于一系列 的能量状态中 在这些能量状态中原子 是 的 电子虽然绕核运动 但并不向外辐射能量 2 跃迁 电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时 会放出 能量为h 的光子 这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定 即h h是普朗克常量 h 6 63 10 34 J s 3 轨道 原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应 原子 的定态是 因此电子的可能轨道也是 不连续 稳定 Em En 不连续的不连续的 4 氢原子的能量和能级变迁 1 能级和半径公式 能级公式 En n 1 2 3 其中E1为基态能量 其数值为E1 eV 半径公式 rn n 1 2 3 其中r1为基态轨道半径 又称玻尔半径 其数值为r1 0 53 10 10 m 13 6 n2r1 2 氢原子的能级图 如图2所示 图2 自测测1 多选 如图3所示为 粒子散射实验装置的示意图 荧光屏和显微镜一起 分别放在图中的A B C D四个位置时观察到的现象 下述说法中正确的是 A 放在A位置时 相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B 放在B位置时 相同时间内观察到屏上的闪光次数只比 A位置时稍少些 C 放在C D位置时 屏上观察不到闪光 D 放在D位置时 屏上仍能观察到一些闪光 但次数极少 图3 解析 根据 粒子散射现象 绝大多数 粒子沿原方向前进 少数 粒子发生较 大偏转 A B D正确 自测测2 一个氢原子从n 3能级跃迁到n 2能级 该氢原子 A 放出光子 能量增加 B 放出光子 能量减少 C 吸收光子 能量增加 D 吸收光子 能量减少 二 天然放射现现象和原子核 1 天然放射现象 1 天然放射现象 元素 地放出射线的现象 首先由 发现 天然放射现象的发现 说明原子核具有 的结构 2 放射性同位素的应用与防护 放射性同位素 有 放射性同位素和 放射性同位素两类 放射性 同位素的化学性质相同 应用 消除静电 工业探伤 做 等 防护 防止放射性对人体组织的伤害 自发贝可勒尔 复杂 天然人工 示踪原子 2 原子核的组成 1 原子核由质子和中子组成 质子和中子统称为 质子带正电 中子不 带电 2 基本关系 核电荷数 Z 质子数 元素的原子序数 原子的 质量数 A 质子数 中子数 3 X元素的原子核的符号为 其中A表示 Z表示核电荷数 3 原子核的衰变 半衰期 1 原子核的衰变 原子核放出 粒子或 粒子 变成另一种 的变化称为原子核的衰变 核子 核外电子数 核子数 质量数 原子核 分类 当放射性物质连续发生衰变时 原子核中有的发生 衰变 有的发生 衰变 同时伴随着 辐射 两个典型的衰变方程 2 半衰期 定义 放射性元素的原子核有 发生衰变所需的时间 影响因素 放射性元素衰变的快慢是由核 自身的因素决定的 跟原子 所处的化学状态和外部条件没有关系 3 公式 N余 N原 m余 m原 半数 内部 4 核力和核能 1 原子核内部 所特有的相互作用力 2 核子在结合成原子核时出现质量亏损 m 其对应的能量 E 3 原子核分解成核子时要吸收一定的能量 相应的质量增加 m 吸收的能量 为 E 核子间 mc2 mc2 自测测3 2018 全国卷 14 1934年 约里奥 居里夫妇用 粒子轰击铝核 Al 产生了第一个人工放射性核素X Al n X X的原子序数和质量数分别为 A 15和28 B 15和30 C 16和30 D 17和31 研透命题点 1 定态间的跃迁 满足能级差 1 从低能级 n 高能级 m 吸收能量 h Em En 2 从高能级 m 低能级 n 放出能量 h Em En 命题题点一 玻尔理论论和能级跃级跃 迁 2 电离 电离态与电离能 电离态 n E 0 基态 电离态 E吸 0 13 6 eV 13 6 eV 激发态 电离态 E吸 0 En En 若吸收能量足够大 克服电离能后 获得自由的电子还携带动能 例1 多选 2018 湖南省永州市三模 如图4所示是玻尔为解释氢原子光谱画出 的氢原子能级示意图 大量处于n 3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率 的光子 设普朗克常量为h 下列说法正确的是 A 能产生3种不同频率的光子 B 产生的光子的最大频率为 C 当氢原子从能级n 2跃迁到n 1时 氢原子的能量变大 D 若氢原子从能级n 2跃迁到n 1时放出的光子恰好能使某金 属发生光电效应 则当氢原子从能级n 3跃迁到n 1时放出的光子照到该金 属表面时 逸出的光电子的最大初动能为E3 E2 图4 从高能级向低能级跃迁 释放光子 氢原子能量变小 C错误 若氢原子从能级n 2跃迁到n 1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应 则当氢原子从能级n 3跃迁到n 1时放出的光子照到该金属表面时 逸出的光 电子的最大初动能为Ekm h W E3 E1 E2 E1 E3 E2 故D正确 变变式1 多选 2018 山东省烟台市上学期期末 如图5 一群处于n 5能级的氢 原子在向n 1的能级跃迁的过程中 A 放出4种频率不同的光子 B 放出10种频率不同的光子 C 放出的光子的最大能量为13 06 eV 最小能量为0 66 eV D 放出的光子有的能使逸出功为13 eV的金属发生光电效 应现象 图5 根据玻尔理论知能级差越大 跃迁时放出的光子能量越大 故 Emax E5 E1 0 54 eV 13 6 eV 13 06 eV Emin E5 E4 0 54 eV 0 85 eV 0 31 eV C项错误 因 Emax 13 06 eV 13 eV 故有的光子的能量大于逸出功可以使逸出功为13 eV的金属发出光电效应 D项正确 变变式2 2019 四川省成都市调研 氢原子能级图如图6所示 当氢原子从n 3的 能级跃迁到n 2的能级时 辐射光的波长为656 nm 下列判断正确的是 A 氢原子从n 2的能级跃迁到n 1的能级时 辐射光的波长 大于656 nm B 当氢原子从n 4的能级跃迁到n 2的能级时 辐射出的光 子不能使逸出功为2 25 eV的钾发生光电效应 C 一个处于n 4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生6 种谱线 D 用能量为1 0 eV的光子照射处于n 4能级的氢原子 可以使氢原子电离 图6 从n 4的能级跃迁到n 2的能级时辐射出的光子能量为2 55 eV 大于金属钾 的逸出功 能使钾发生光电效应 故B错误 一个处于n 4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线 故C错误 当处于n 4能级的氢原子吸收的能量大于或等于0 85 eV时 将会被电离 故D 正确 命题题点二 原子核的衰变变及半衰期 1 衰变规律及实质 1 衰变 衰变的比较 匀强磁场中轨迹形状 衰变规律电荷数守恒 质量数守恒 动量守恒 2 射线 射线经常伴随着 衰变或 衰变同时产生 其实质是放射性原子核 在发生 衰变或 衰变的过程中 产生的新核由于具有过多的能量 原子核处 于激发态 而辐射出光子 2 确定衰变次数的方法 因为 衰变对质量数无影响 所以先由质量数的改变确定 衰变的次数 然后再 根据衰变规律确定 衰变的次数 3 半衰期 1 公式 N余 N原 m余 m原 2 影响因素 放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的 跟原子 所处的物理状态 如温度 压强 或化学状态 如单质 化合物 无关 例2 2017 全国卷 15 一静止的铀核放出一个 粒子衰变成钍核 衰变方程为 下列说法正确的是 A 衰变后钍核的动能等于 粒子的动能 B 衰变后钍核的动量大小等于 粒子的动量大小 C 铀核的半衰期等于其放出一个 粒子所经历的时间 D 衰变后 粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 解析 静止的铀核在 衰变过程中 满足动量守恒的条件 根据动量守恒定律 得pTh p 0 即钍核的动量和 粒子的动量大小相等 方向相反 选项B正确 半衰期的定义是统计规律 对于一个 粒子不适用 选项C错误 铀核在衰变过程中 伴随着一定的能量放出 即衰变过程中有一定的质量亏 损 故衰变后 粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量 选项D错误 变变式3 多选 2018 河南省濮阳市第二次模拟 关于原子和原子核 下列说法正 确的是 A 粒子散射实验表明 原子是可分的 B 原子核发生 衰变 原子核的质子数会增加 C 外界的温度越高 原子半衰期越短 D 根据玻尔理论可知 氢原子从高能级向低能级跃迁时 可以辐射各种不同频 率的光子 解析 卢瑟福由 粒子散射实验提出了原子核式结构模型 在原子的中心有一 个很小的核 叫原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核 里 带负电的电子在核外空间绕着核旋转 即原子是可分的 A正确 经过一次 衰变 电荷数多1 质量数不变 质子数等于电荷数 则质子数增 加1个 B正确 原子的半衰期与外界因素无关 C错误 据玻尔理论可知 氢原子从高能级向低能级跃迁时 可以辐射特定频率的光 子 D错误 变变式4 多选 2018 广东省汕头市第二次模拟 如图7 静止的 U核发生 衰变 后生成反冲Th核 两个产物都在垂直于它们速度方向的匀强磁场中做匀速圆周 运动 下列说法正确的是 A 衰变方程可表示为 B Th核和 粒子的圆周轨道半径之比为1 45 C Th核和 粒子的动能之比为1 45 D Th核和 粒子在匀强磁场中旋转的方向相反 图7 Th核和 粒子都带正电荷 则在题图匀强磁场中都是逆时针旋转 故D错误 命题题点三 核反应应及核反应类应类 型 1 核反应的四种类型 重核 裂变 容易 控制 轻核 聚变 很难控制 例3 2016 全国卷 35 1 在下列描述核过程的方程中 属于 衰变的是 属于 衰变的是 属于裂变的是 属于聚变的是 填正确答案标 号 C ABEF 裂变是指一些质量非常大的原子核 如铀 钍和钚等在吸收一个中子后分裂成 两个或更多质量较小的原子核 同时放出多个中子和很大能量的过程 只有E 项符合要求 聚变是指由两个轻原子核 一般是氘核和氚核 结合成较重原子核 氦核 并放出大 量能量的过程 F项符合要求 根据质量数守恒 y 210 4 206 X的中子个数为206 82 124 故C错误 命题题点四 质质量亏损损及核能的计计算 1 利用质能方程计算核能 1 根据核反应方程 计算出核反应前与核反应后的质量亏损 m 2 根据爱因斯坦质能方程 E mc2计算核能 质能方程 E mc2中 m的单位用 kg c的单位用 m s 则 E的单位为 J 3 E mc2中 若 m的单位用 u 则可直接利用 E m 931 5 MeV计 算 E 此时 E的单位为 MeV 即1 u 1 660 6 10 27 kg 相当于931 5 MeV 这个结论可在计算中直接应用 2 利用比结合能计算核能 原子核的结合能 核子的比结合能 核子数 核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结 合能之差 就是该核反应所释放 或吸收 的核能 解析 根据质