2022届高三物理(沪科版)一轮复习教案：原子结构-原子核-Word版含解析.docx

第3课时原子结构原子核知 识 梳 理学问点一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式1原子的核式结构(1)电子的发觉：英国物理学家汤姆生发觉了电子。(2)粒子散射试验：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试验，试验发觉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。(3)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。2光谱(1)光谱用光栅或棱镜可以把光按波长开放，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。(3)氢原子光谱的试验规律巴耳末线系是氢原子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，n为量子数。3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，它辐射或吸取肯定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差打算，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。4氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图1所示图1(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r10.531010 m。学问点二、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自然放射现象(1)自然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发觉。自然放射现象的发觉，说明原子核具有简单的结构。(2)放射性和放射性元素物质放射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是射线、射线、射线。(4)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有自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。应用：消退静电、工业探伤、作示踪原子等。防护：防止放射性对人体组织的损害。3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衰变：XYe(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打算，跟原子所处的物理、化学状态无关。学问点三、核力、结合能、质量亏损1核力(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。(2)特点：核力是强相互作用的一种表现；核力是短程力，作用范围在1.51015m之内；每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。2结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸取的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。3比结合能(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越坚固，原子核越稳定。4质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必定比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能Emc2。学问点四、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：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代连续下去的过程。(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：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必需在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV思维深化推断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)粒子散射试验说明白原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。()(2)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，氢原子辐射的光子能量为hEn。()(3)氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就剩下一个原子核了。()(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒。()(5)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化。()答案(1)(2)(3)(4)(5)题 组 自 测题组一原子的核式结构模型1(多选)关于原子结构，下列说法正确的是()A玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的试验规律B卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性C卢瑟福的粒子散射试验表明原子内部存在带负电的电子D卢瑟福的粒子散射试验否定了汤姆生关于原子结构的“西瓜模型”解析玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的试验规律；卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性；卢瑟福的粒子散射试验表明原子具有核式结构，否定了汤姆生关于原子结构的“西瓜模型”，故A、D正确，B、C错误。答案AD2在卢瑟福粒子散射试验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个粒子经受金箔散射过程的径迹，其中正确的是()解析金箔中的原子核与粒子都带正电，粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错误；由原子核对粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件，知曲线轨迹的凹侧应指向受力一方，选项B错、C对。答案C题组二氢原子能级及能级跃迁3.图2所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是()图2A原子A可能辐射出3种频率的光子B原子B可能辐射出3种频率的光子C原子A能够吸取原子B发出的光子并跃迁到能级E4D原子B能够吸取原子A发出的光子并跃迁到能级E4解析原子A从激发态E2跃迁到E1，只辐射一种频率的光子，A错。原子B从激发态E3跃迁到基态E1可能辐射三种频率的光子，B对。由原子能级跃迁理论可知，原子A可能吸取原子B由E3跃迁到E2时放出的光子并跃迁到E3，但不能跃迁到E4，C错。A原子发出的光子能量EE2E1大于E4E3，故原子B不行能跃迁到能级E4，D错。答案B4.依据玻尔原子结构理论，氦离子(He)的能级图如图3所示。电子处在n3轨道上比处在n5轨道上离氦核的距离_(选填“近”或“远”)。当大量He处在n4的激发态时，由于跃迁所放射的谱线有_条。图3解析依据玻尔原子理论，量子数n越小，轨道越靠近原子核，所以n3比n5的轨道离原子核近，大量处于n4激发态的原子跃迁一共有6种情形，即产生6条谱线。答案近6题组三原子核的衰变及核反应方程5(多选)在下列4个核反应方程中，X表示粒子的是()A.PSiX B.UThXC.AlXMgH D.AlXPn解析依据质量数守恒和电荷数守恒可知，四个选项中的X分别代表：e、He、n、He，选项B、D正确。答案BD6.U经过m次衰变和n次衰变，变成Pb，则()Am7，n3 Bm7，n4Cm14，n9 Dm14，n18解析衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒。写出核反应方程：UPbmHene依据质量数守恒和电荷数守恒列出方程2352074m,92822mn解得m7，n4，故选项B正确，选项A、C、D错误。答案B7恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108 K时，可以发生“氦燃烧”。完成“氦燃烧”的核反应方程：He_Be。Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.61016s。肯定质量的Be，经7.81016s后所剩Be占开头时的_。解析由质量数、电荷数守恒HeHeBe在t7.81016s时间内，原子核衰变的次数n3故mm0答案He(或)或(12.5%)题组四质量亏损及核能的计算8(多选)2021新课标全国卷，35(1)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和肯定大于原来重核的结合能C铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D比结合能越大，原子核越不稳定E自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能解析由原子核的结合能定义可知，原子核分解成自由核子时所需的最小能量为原子核的结合能，选项A正确；重原子核的核子平均质量大于轻原子核的平均质量，因此原子核衰变产物的结合能之和肯定大于衰变前的结合能，选项B正确；铯原子核的核子数少，因此其结合能小，选项C正确；比结合能越大的原子核越稳定，选项D错误；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E错误。答案ABC9当前，发电站温室气体排放问题引起了越来越多的关注，相比煤炭等传统能源，核电能够大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等物质的排放，已成为世界快速进展的电力工业。经宽敞科技工作者的不懈努力，我国的核电技术已进入世界的先进行列，世界各地现在正在兴建的核电反应堆达到57座，我国以20座名列第一。核电站的最核心部分是核反应堆，核反应堆中的燃料U产生裂变，在短时间内释放出大量的核能可供人类利用。核反应堆中的镉棒起_作用，核反应方程应为U_KrBa3n。若其质量分别为mU390.313 91027 kg，mn1.674 91027 kg，mBa234.001 61027 kg，mKr152.604 71027 kg，核反应中释放的能量为E_ J。解析把握中子数可以把握反应速度；mmUmnmBamKr3mn0.357 81027 kg，Emc23.221011 J。答案吸取中子把握核反应速度n3.221011考点一氢原子能级及能级跃迁1定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n小)高能级(n大)吸取能量。hEn大En小(2)从高能级(n大)低能级(n小)放出能量。hEn大En小2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电离能。n2电离态：E吸0E23.4 eV如吸取能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。【例1】(多选) (2022山东卷，39)氢原子能级如图4，当氢原子从n3跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656 nm。以下推断正确的是()图4A氢原子从n2跃迁到n1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n1跃迁到n2的能级C一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n2跃迁到n3的能级解析由玻尔的能级跃迁公式EmEnhh得：E3E2h，E2E1h，又1656 nm，结合能级图上的能级值解得2122 nm656 nm，故A、B均错，D对；依据C3可知，一群处于n3能级氢原子向低级跃迁，辐射的光子频率最多3种，故C对。答案CD解答氢原子能级图与原子跃迁问题应留意：(1)能级之间发生跃迁时放出(吸取)光子的频率由hEmEn求得。若求波长可由公式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。用数学中的组合学问求解：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状况一一画出，然后相加。【变式训练】1(多选)已知金属钙的逸出功为2.7 eV，氢原子的能级图如图5所示，一群氢原子处于量子数为n4的能级状态，则下列说法中正确的是()图5A氢原子可能辐射6种频率的光子B氢原子可能辐射5种频率的光子C有3种频率的辐射光子能使钙发生光电效应D有4种频率的辐射光子能使钙发生光电效应解析从n4能级跃迁可能产生的光子为6种；若产生光电效应，则光子的能量需要大于2.7 eV，此时只有第4能级跃迁到第1能级、第3能级跃迁到第1能级、第2能级跃迁到第1能级，这3种频率的光子能使钙发生光电效应。答案AC考点二原子核的衰变及半衰期1衰变规律及实质(1)衰变和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中子转化为质子和电子2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒(2)射线：射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的。2半衰期半衰期的计算：依据半衰期的概念，可总结出公式。N余N原t/，m余m原t/。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。3衰变次数的确定方法由于衰变对质量数无影响，可先由质量数的转变确定衰变的次数，然后再依据衰变规律确定衰变的次数。【例2】(多选)(2022新课标全国卷，35)关于自然放射性，下列说法正确的是()A全部元素都可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透力量最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线解析只有原子序号超过83的元素才能发生衰变，选项A错；半衰期由原子核内部的结构打算，与外界温度无关，选项B对；放射性来自于原子核内部，与其形成的化合物无关，选项C对；、三种射线中，射线能量最高，穿透力量最强，选项D对；一个原子核在一次衰变中要么是衰变、要么是衰变，同时伴随射线的产生，选项E错。答案BCD【变式训练】2.U衰变为Rn要经过m次衰变和n次衰变，则m、n分别为()A2、4 B4、2 C4、6 D16、6解析由质量数守恒和电荷数守恒得：2382224m，92862mn，联立解得：m4，n2。答案B考点三核反应方程及核反应类型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人工转变人工把握NHeOH(卢瑟福发觉质子)HeBeCn(查德威克发觉中子)AlHePn约里奥居里夫妇发觉放射性同位素，同时发觉正电子PSie重核裂变比较简洁进行人工把握UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变很难把握HHHen【例3】(2022上海卷，2)核反应方程BeHe6CX中的X表示()A质子 B电子 C光子 D中子解析设X的质子数为m，质量数为n。则有42m6,9412n，所以m0，n1，即X为中子，故A、B、C错误，D正确。答案D【变式训练】3(多选)能源是社会进展的基础，进展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A.HHHen是核聚变反应B.HHHen是衰变C.92Un56BaKr3n是核裂变反应D.92Un54XeSr2n是衰变解析衰变时释放出电子(01e)，衰变时释放出氦原子核(He)，可知选项B、D错误；选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应；选项C中一个U 235原子核吸取一个中子，生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应，A、C正确。答案AC考点四质量亏损及核能的计算1核能(1)核子在结合成原子核时消灭质量亏损m，其能量也要相应削减，即Emc2。(2)原子核分解成核子时要吸取肯定的能量，相应的质量增加m，吸取的能量为Emc2。2核能释放的两种途径的理解(1)使较重的核分裂成中等大小的核。(2)较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量。【例4】(2022北京卷，14)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)()A(m1m2m3)c B(m1m2m3)cC(m1m2m3)c2 D(m1m2m3)c2解析由质能方程知，该反应释放核能Emc2(m1m2m3)c2，故C对，A、B、D均错。答案C应用质能方程解题的流程图(1)依据Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”。(2)依据Em931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”。【变式训练】4一个静止的钚核Pu自发衰变成一个铀核U和另一个原子核X，并释放出肯定的能量。其核衰变方程为：PuUX。(1)方程中的“X”核符号为_；(2)钚核的质量为239.052 2 u，铀核的质量为235.043 9 u，X核的质量为4.002 6 u，已知1 u相当于931 MeV，则该衰变过程放出的能量是_MeV；(3)假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X核的动能，则X核与铀核的动能之比是_。解析(1)依据质量数、电荷数守恒，得X核的质量数为2392354，核电核数为94922，故“X”核为氦核，符号为He。(2)钚核衰变过程中的质量亏损m239.052 2 u235.043 9 u4.002 6 u0.005 7 u，依据爱因斯坦质能方程，得出衰变过程中放出的能量E0.005 7931 MeV5.31 MeV。(3)钚核衰变成铀核和X核，依据动量守恒定律，两者动量大小相等，依据Ekmv2，得X核和铀核的动能之比58.7。答案(1)He(2)5.31(3)58.7