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2022版高考物理一轮复习 第15章 近代物理初步 第2节 原子结构和原子核学案2022版高考物理一轮复习 第15章 近代物理初步 第2节 原子结构和原子核学案年级：姓名：- 16 -第2节原子结构和原子核一、原子结构1电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。2原子的核式结构(1)粒子散射实验：19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数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。(2)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。二、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，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。2光谱分类3氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式R，(n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10107 m1)。4光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线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。三、氢原子的能级、能级公式1玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hEmEn。(h是普朗克常量，h6.631034 Js)(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。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。2氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV。氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.53 1010m。四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1原子核的组成原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。3放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。(2)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。4原子核的衰变(1)衰变：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类衰变：XYHe如：UThHe；衰变：XYe如：ThPae；(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。五、核力和核能1核力原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量Emc2。(2)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Emc2。六、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程1重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：UnKrBa3n。(3)链式反应：重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV1思考辨析(正确的画“”，错误的画“”)(1)、三种射线中，射线的电离作用最强。()(2)半衰期与温度无关。()(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。()(4)所有元素都可以发生衰变。()(5)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。()(6)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。()2(粤教版选修35P97T2)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？()A把该元素放在低温阴凉处B把该元素密封在很厚的铅盒子里C把该元素同其他的稳定元素结合成化合物D上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率D半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关，故D正确。3(沪科版选修35P75T4改编)已知铋210的半衰期是5.0天，8 g铋210经20天后还剩下()A1 g B0.2 g C0.4 g D0.5 gD由公式mm0得m8 g0.5 g，D正确。4(人教版选修35P81例题改编)已知中子的质量是mn1.674 91027 kg，质子的质量是mp1.672 61027 kg，氘核的质量是mD3.343 61027 kg，则氘核的比结合能为()A3.511013 J B1.76 MeVC1.761013 J D2.19 MeV答案C5(粤教版选修35P97T3改编)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()AUThHe是人工核转变BNHeOH是衰变CHHHen是轻核聚变DSeKr2e是重核裂变答案C 玻尔理论和能级跃迁1对氢原子能级图的理解(1)能级图如图所示(2)能级图中相关量意义的说明相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态横线左端的数字“1,2,3，”表示量子数横线右端的数字“13.6，3.4，”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为hEmEn2两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。光子的频率。(2)受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。光照(吸收光子)：吸收光子的全部能量，光子的能量必须恰等于能级差hE。碰撞、加热等：可以吸收实物粒子的部分能量，只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。典例示法(20201月浙江选考T14改编)由玻尔原子模型求得氢原子能级如图所示，已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间，则()A氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出射线B氢原子从n3的能级向n2的能级跃迁时会辐射出红外线C处于n3能级的氢原子可以吸收任意频率的红外线并发生电离D大量氢原子从n4能级向低能级跃迁时可辐射出2种频率的可见光D氢原子从高能级向低能级跃迁时只能辐射出紫外线、可见光和红外线，而射线是原子核辐射的，选项A错误；氢原子从n3能级向n2能级跃迁时辐射出可见光，不会辐射出红外线，选项B错误；由于红外线光子能量小于处于n3能级氢原子的电离能1.51 eV，所以处于n3能级的氢原子不可以吸收任意频率的红外线并发生电离，选项C错误；大量氢原子从n4能级向低能级跃迁时可以辐射出6种不同频率的光子，其中只有从n4能级跃迁到n2能级和从n3能级跃迁到n2能级时辐射的光子能量在可见光光子能量范围内，所以可辐射出2种频率的可见光，选项D正确。1电离电离态与电离能电离态：n，E0基态电离态：E吸0(13.6 eV)13.6 eV激发态电离态：E吸0En|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。2解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hEmEn决定，波长可由公式c求得。(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n1。(3)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。用数学中的组合知识求解：NC。利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加。跟进训练1(2019全国卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()A12.09 eV B10.20 eV C1.89 eV D1.51 eVA因为可见光光子的能量范围是1.63 eV3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n3能级，要给氢原子提供的能量最少为E(1.5113.60)eV12.09 eV，即选项A正确。2(2016北京高考)处于n3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有()A1种 B2种 C3种 D4种C大量氢原子从n3能级向低能级跃迁时，能级跃迁图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种，选项C正确。3(2020永州市模拟)如图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n3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，下列说法不正确的是()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n2跃迁到n1时，氢原子的能量变大D若氢原子从能级n2跃迁到n1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n3跃迁到n1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E3E2C根据C可得从n3能级向低能级跃迁能产生C3种不同频率的光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从n3能级向n1能级跃迁时产生的，根据公式hE3E1，解得，B正确；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n2跃迁到n1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n3跃迁到n1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EkmhW0(E3E1)(E2E1)E3E2，故D正确。4(2019浙江高三月考)如图为氢原子能级图，已知可见光的光子的能量范围为1.623.11 eV，普朗克常量h6.631034 Js。下列说法不正确的是()A能量为13.0 eV的光子或者电子均可使处于基态的氢原子跃迁到激发态B处于n3能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线C锌的逸出功是3.34 eV，一群处于n3能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射锌板，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为8.75 eVD波长为60 nm的伦琴射线能使处于基态的氢原子电离A用能量为13.0 eV的光子照射，基态的氢原子若吸收13 eV的能量，则能量值为0.6 eV，氢原子没有该能级，所以不能使处于基态的氢原子跃迁，故A错误；紫外线光子的最小能量为3.11 eV，处于n3能级的氢原子的电离能为1.51 eV，所以任意频率的紫外线都能被n3能级的氢原子吸收，故B正确；一群处于n3能级的氢原子向基态跃迁时辐射光子最大能量为hmE3E112.09 eV，克服逸出功后剩余的动能最大为EkmhmW8.75 eV，故C正确；波长为60 nm的伦琴射线的光子的能量：Eh J20.7 eV13.6 eV，所以用波长为60 nm的伦琴射线照射，能使处于基态的氢原子电离出自由电子，故D正确。 原子核的衰变及半衰期1关于天然放射现象，以下叙述正确的是()A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，要经过8次衰变和6次衰变D半衰期的时间与元素的物理状态无关，若使某放射性物质的温度升高，其半衰期不变，故A错误。衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生的，故B错误。在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强，故C错误。铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，每经过一次衰变质子数少2，质量数少4；而每经过一次衰变质子数增加1，质量数不变；由质量数和核电荷数守恒，可知要经过8次衰变和6次衰变，故D正确。2(2018江苏高考)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A14 B12 C21 D41B经过2T，对A来说是2个半衰期，A的质量还剩，经过2T，对B来说是1个半衰期，B的质量还剩，所以剩有的A和B质量之比为12，选项B正确。3钍Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤Pa，同时伴随有射线产生，其方程为ThPaX，钍的半衰期为24天。下列说法正确的是()AX为质子BX是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的C射线是钍原子核放出的D1 g钍Th经过120天后还剩0.312 5 gB根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即X为电子，故A错误；发生衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，故B正确；射线是镤原子核放出的，故C错误；钍的半衰期为24天，1 g钍Th经过120天即经过5个半衰期后还剩0.031 25 g，故D错误。4(2020汕头市第二次模拟)如图所示，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UThHeBTh核和粒子的圆周轨道半径之比为451CTh核和粒子的动能之比为451DTh核和粒子在匀强磁场中旋转的方向相反A已知粒子为He，则由电荷数守恒及质量数守恒可知，衰变方程为：UThHe，故A正确；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；由动量守恒可得衰变后，则Th核和粒子的动能之比，故C错误；粒子在匀强磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，所以有Bvq，则R，所以Th核和粒子的圆周轨道半径之比，故B错误。1衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程XYHeXYe衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力射线氦核He2e4 u最强最弱射线电子ee u较强较强射线光子00最弱最强3衰变次数的计算方法若XYnHeme则AA4n，ZZ2nm解以上两式即可求出m和n。4对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。(2)根据半衰期的概念，可总结出公式N余N原，m余m原。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期。 核反应方程与核能的计算1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变容易控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变现阶段很难控制HHHen2核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。如质子(H)、中子(n)、粒子(He)、粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。3核能的计算方法(1)利用质能方程计算核能根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损m。根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能。质能方程Emc2中m的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则E的单位为“J”。Emc2中，若m的单位用“u”，则可直接利用Em931.5 MeV计算E，此时E的单位为“MeV”，即1 u1.660 61027 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的差值，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。典例示法(2020全国卷)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H2He2H2n43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.01022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9107 J,1 MeV1.61013 J，则M约为()A40 kg B100 kg C400 kg D1 000 kgC结合核反应方程知，1 kg海水中的氘核全部发生聚变反应放出的能量E43.151.61013 J1.151010 J，根据题意得MM01 kg400 kg，故A、B、D项错误，C项正确。1本题以海水中氘核的聚变反应为背景命题，强调清洁能源的发展前景，增强学生的环境意识和社会责任感。2当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，释放能量。跟进训练1(2019天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是()A核聚变比核裂变更不安全、污染环境B任何两个原子核都可以发生聚变C两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加D核聚变没有放射性污染，安全、清洁，A错。只有原子序数小的“轻”核才能发生聚变，B错。轻核聚变成质量较大的原子核、比结合能增加，总质量减小，C错，D对。2(2019全国卷)太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为4HHe2e2已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeV B16 MeV C26 MeV D52 MeVC核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确。3(2018全国卷)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：AlnX。X的原子序数和质量数分别为()A15和28B15和30C16和30 D17和31B据粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：HeAlnX，结合质量数守恒和电荷数守恒得，A427130，Z213015，原子序数等于核电荷数，故B正确。4(2020武汉质检)我国自主研发的钍基熔盐是瞄准未来2030年后核能产业发展需求的第四代核反应堆，是一种液态燃料堆，使用钍铀核燃料循环，以氧化盐为冷却剂，将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氯化盐中，携带核燃料在反应堆内部和外部进行循环。钍232不能直接使用，需要俘获一个中子后经过2次衰变转化成铀233再使用， 铀233的一种典型裂变方程是UnBa Kr3n。已知铀233的结合能为E1、钡142的结合能为E2、氪89的结合能为E3，则()A铀233 比钍232少一个质子B铀233、钡142、氪89三个核中氪89的结合能最小，比结合能却最大C铀233、钡142、氪89三个核中铀233的结合能最大，比结合能也最大D铀233的裂变反应释放的能量为EE1E2E3B设钍的电荷数为a，则钍232俘获一个中子后经过2次衰变转化成铀233，则a92290，则钍中含有中子数为23290142；铀233含有中子数为23392141；则铀233 比钍232少一个中子，选项A错误；铀233、钡142、氪89三个核中氪89质量数最小，结合能最小，因核子数较小，则比结合能却最大，选项B正确，C错误；铀233的裂变反应中释放的能量等于生成物的结合能减去反应物的结合能，选项D错误。