高考物理复习第十二章第2讲原子结构和原子核讲义（含解析）新人教版.docx

第2讲原子结构和原子核基础知识填一填知识点1原子结构光谱和能级跃迁1电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”2原子的核式结构(1)19091911年，英国物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型(2)粒子散射实验实验装置：如下图所示；实验结果：粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90，甚至被弹回(3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，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核旋转3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4玻尔理论和能级跃迁(1)玻尔理论定态：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hEm-En.(h是普朗克常量，h6.631034 Js)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)氢原子的能级图(如图所示)(3)氢原子的能级和半径公式能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E1-13.6 eV.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.判断正误，正确的划“”，错误的划“”(1)氢原子光谱是由不连续的亮线组成的()(2)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱()(3)按照玻尔理论，核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上()(4)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.()知识点2原子核核反应和核能1原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电(2)基本关系核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数.质量数(A)核子数质子数中子数(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数2天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可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(2)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：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应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等防护：防止放射性对人体组织的伤害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，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变分类衰变：XYHe.衰变：XYe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衰变：UThHe衰变：ThPae.(2)半衰期定义：放射性元素的原子核有半数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内部自身的因素决定的，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4核力和核能(1)原子核内部，核子间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Emc2.(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Emc2.5核反应、核裂变、核聚变(1)核反应规律：在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒(2)重核裂变定义：使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，一种典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子，核反应方程为：UnBaKr3n.链式反应：由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做核裂变的链式反应链式反应的条件：a.要有足够浓度的U；b.铀块体积需大于临界体积，或铀块质量大于临界质量(3)轻核聚变定义：两个轻核结合成较重的核，这样的核反应叫聚变.聚变发生的条件：使物体达到几百万度的高温判断正误，正确的划“”，错误的划“”(1)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()(2)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()(3)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()(4)三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是射线、射线、射线()(5)原子核越大，它的结合能越大，原子核中核子结合得越牢固()教材挖掘做一做1(人教版选修35 P65思考与讨论改编)如图，放射性元素镭衰变过程中释放出、三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()A表示射线，表示射线B表示射线，表示射线C表示射线，表示射线D表示射线，表示射线解析：C由于在放射现象中，射线带正电，射线带负电，射线不带电，所以，可判断C正确，A、B、D错误2(人教版选修35 P63第3题改编)(多选)如图是氢原子的能级图，一群氢原子处于n3能级，下列说法中正确的是()A这群氢原子跃迁时能够发生3种不同频率的波B这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2 eVC从n3能级跃迁到n2能级时发出的光波长最长D这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁答案：AC根据C3知，这群氢原子能够发出3种不同频率的光子，故A正确；由n3跃迁到n1，辐射的光子能量最大，E(13.61.51) eV12.09 eV，故B错误；从n3跃迁到n2辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故C正确；一群处于n3能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故D错误3(人教版选修35 P85图19.66改编)如图是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是()A铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些解析：B快中子容易与轴235擦肩而过，快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D都错误考点一原子的核式结构玻尔理论考点解读1对氢原子的能级图的理解(1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态(2)横线左端的数字“1,2,3”表示量子数，右端的数字“13.6，3.4”表示氢原子的能级(3)相邻横线间的距离不相等，表示相邻的能级差不等，量子数越大，相邻的能级差越小(4)带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hEmEn.2定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n小)高能级(n大)吸收能量hEn大En小(2)从高能级(n大)低能级(n小)放出能量hEn大En小3两类能级跃迁(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)：光子的能量必须恰等于能级差，hE.碰撞、加热等：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4谱线条数的确定方法(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)(2)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，然后相加典例赏析典例1(2019北京东城区一模)如图是氢原子的能级图一个氢原子从n4的能级向低能级跃迁，则以下判断正确的是( )A该氢原子最多可辐射出6种不同频率的光子B该氢原子跃迁到基态时需要吸收12.75 eV的能量C该氢原子只有吸收0.85 eV的光子时才能电离D该氢原子向低能级跃迁时，向外辐射的光子的能量是特定值解析D本题研究的是单个氢原子，单个处于n能级的氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出n1条不同频率的光子，故该氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出3种不同频率的光子，选项A错误；该氢原子跃迁到基态时需要释放0.85 eV(13.6 eV)12.75 eV的能量，选项B错误；只要吸收的光子的能量大于0.85 eV，该氢原子就能电离，选项C错误；氢原子向低能级跃迁时，向外辐射的光子的能量等于两能级的能量差，此能量差为一特定值，选项D正确1能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的2能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hEmEn求得若求波长可由公式c求得题组巩固1(多选)氢原子能级如图，当氢原子从n3跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下判断正确的是( )A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：CD根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，当氢原子从n2能级跃迁到n1能级时，辐射光的波长一定小于656 nm，因此选项A错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率的光子，可知选项B错误，D正确；一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，所以选项C正确2(多选)如图所示为氢原子的能级图氢原子从n5的能级跃迁到n3的能级时辐射出a光子，从n4的能级跃迁到n2的能级时辐射出b光子下列说法正确的是( )Aa光子的能量比b光子的能量大B若a、b两种光在同一种均匀介质中传播，则a光的传播速度比b光的传播速度大C若b光能使某种金属发生光电效应，则a光一定能使该金属发生光电效应D若用同一双缝干涉装置进行实验，用a光照射双缝得到相邻亮条纹的间距比用b光照射双缝得到的相邻亮条纹的间距大解析：BD据题意，氢原子从n5的能级跃迁到n3的能级释放的光子能量为Ea0.97 eVha，氢原子从n4的能级跃迁到n2的能级释放的光子能量为Eb2.55 eVhb，则知b光光子的能量大，频率也大，在同一种均匀介质中，频率越大的光传播速度越慢，A错误，B正确如果b光能使某种金属发生光电效应，则a光不一定能使其发生光电效应，C错误a光频率较小，则a光波长较大，所以在做双缝干涉实验时，用a光照射双缝时得到的干涉条纹较宽，D正确考点二原子核的衰变规律考点解读1放射性元素具有放射性的元素称为放射性元素，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线，它们放射出来的射线共有射线、射线、射线三种2三种射线的比较4.确定衰变次数的方法因为衰变对质量数无影响，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5半衰期(1)公式：N余N原，m余m原.(2)半衰期的物理意义：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差别很大(3)半衰期的适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变典例赏析典例2某核电站遭受严重破坏，产生了严重的核泄漏，从核电站周围一定范围内的空气中和核电站排出的废水中分别检测出了放射性物质碘131和钚239，严重危及了人们的生命安全已知该核电站采用的是重水反应堆，用U(铀)吸收中子后生成Pu(钚)，碘131的半衰期为8天，下列说法正确的是( )A排出的废水中的钚239是铀核裂变的生成物B若U吸收中子后变成U，U很不稳定，则经过2次衰变后变成PuC核电站的核废料可直接堆放在露天垃圾场D碘131的半衰期只有8天，因此16天后会全部消失解析B裂变是重核生成几个中等质量原子核的过程，铀238的质量数比钚239的小，因此钚不是铀核裂变的生成物，选项A错误；发生衰变时质量数不发生改变，根据电荷数守恒可知U发生2次衰变后变成Pu，选项B正确；核电站的核废料中具有很多的放射性物质，不可以直接堆在露天垃圾场，选项C错误；碘131的半衰期是8天，它是一个统计规律，大量的碘131在8天后会剩一半，16天后会剩四分之一，因此选项D错误题组巩固1(2017全国卷)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为UThHe.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：B静止的原子核在衰变前后动量守恒，由动量守恒定律得0m1v1m2v2，可知m1v1m2v2，故衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小，选项B正确；而动能Ek，由于钍核的质量(m1)大于粒子的质量(m2)，故其动能不等，选项A错误；铀核的半衰期是大量的铀核半数发生衰变所用的时间，而不是放出一个粒子所经历的时间，选项C错误；原子核衰变前后质量数守恒，衰变时放出核能，质量亏损，选项D错误22018年6月7日，全球核能投资峰会(GNIS)在伦敦召开，探讨新能源时代全球背景下，新核电面对的新挑战与新机遇下列说法正确的是()A放射性同位素的半衰期与地震、风力等外部环境有关B.Th发生衰变后，新核与原来的原子核相比，中子数减少C铀核(U)衰变为铅核(Pb)要经过8次衰变和10次衰变D一块纯净的由放射性元素组成的矿石经过一个半衰期以后它的总质量仅剩下一半解析：B放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，A错误；衰变的实质在于核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，故新核的中子数减少1，B正确；衰变过程中电荷数减少10，质量数减少32，由质量数守恒知经过8次衰变，再由电荷数守恒知经过6次(8210)衰变，C错误；一块纯净的由放射性元素组成的矿石经过一个半衰期后，有一半质量的原子核发生衰变，产生新核，导致剩下的总质量大于原质量的一半，D错误考点三核反应方程与核能计算考点解读1核反应的四种类型2.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对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即Emc2.方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其能量也要相应减少，即Emc2.(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Emc2.4核能的计算方法(1)根据Emc2计算时，m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”(2)根据Em931.5 MeV计算时，m的单位是“u”，E的单位是“MeV”(3)根据核子比结合能来计算核能原子核的结合能核子比结合能核子数典例赏析典例3现有两动能均为E00.35 MeV的H在一条直线上相向运动，两个H发生对撞后能发生核反应，得到He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为He和新粒子的动能已知H的质量为2.014 1 u，He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV(如果涉及计算，结果保留整数)则下列说法正确的是( )A核反应方程为HHHeHB核反应前后不满足能量守恒定律C新粒子的动能约为3 MeVD.He的动能约为4 MeV解析C由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知HHHen，则新粒子为中子n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，亏损的质量转变为能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知E(2.014 1 u23.016 0 u1.008 7 u)931 MeV/u3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHeEkn2E0E，根据核反应中系统的动量守恒有pHepn0，由Ek，可知，解得EkHe(2E0E)1 MeV，Ekn(2E0E)3 MeV，所以C正确，D错误核能求解的思路方法1应用质能方程解题的流程图：2在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示3核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能题组巩固1(2017全国卷)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电氘核聚变反应方程是：HHHen.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A3.7 MeVB3.3 MeVC2.7 MeV D0.93 MeV解析：B氘聚变反应中的质量亏损为m(22.013 63.015 01.008 7) u0.003 5 u，则释放的核能为Emc20.003 5931 MeV/c2c23.3 MeV，B正确2(2017江苏卷)(多选)原子核的比结合能曲线如图所示根据该曲线，下列判断正确的有()A.He核的结合能约为14 MeVB.He核比Li核更稳定C两个H核结合成He核时释放能量D.U核中核子的平均结合能比Kr核中的大解析：BC由题意可知，He的比结合能为7 MeV，因此它的结合能为7 MeV428 MeV，A项错误；比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合题图可知B项正确；两个比结合能小的H核结合成比结合能大的He时，会释放能量，C项正确；由题图可知，U的比结合能(即平均结合能)比Kr的小，D项错误思想方法(二十三)两类核衰变在磁场中的径迹方法阐述1.静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆，衰变时两圆外切，衰变时两圆内切，根据动量守恒m1v1m2v2和r知，半径小的为新核，半径大的为粒子或粒子，其特点对比如下表：2.当静止的原子核在匀强磁场中发生衰变时，大圆轨道一定是释放出的带电粒子(粒子或粒子)的，小圆轨道一定是反冲核的衰变时两圆外切，衰变时两圆内切如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断绕行方向是顺时针还是逆时针