（课标通用版）2020版高考物理总复习第十二章02第2讲原子结构与原子核课件.pptx

第2讲原子结构与原子核,一原子的核式结构,二玻尔理论,三天然放射现象、原子核的组成,基础过关,四原子核的衰变和半衰期,五核力、结合能、质量亏损、核反应,考点一原子结构玻尔理论和氢原子的光谱分析,考点二原子核的衰变半衰期,考点三核反应方程与核能计算,考点突破,一、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,提出了核式结构模型。(2)粒子散射实验a.实验装置:如图所示。,基础过关,b.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。,二、玻尔理论(1)玻尔理论,(2)几个概念a.能级:在玻尔理论中,原子各个状态的能量值。b.基态:原子能量最低的状态。c.激发态:在原子能量状态中除基态之外的其他较高的状态。d.量子数:原子的状态是不连续的,用于表示原子状态的正整数。(3)氢原子的能级和轨道半径a.氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,),其中E1为基态能量,E1=-13.6eV。,b.氢原子的轨道半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态轨道半径,r1=0.5310-10m。,三、天然放射现象、原子核的组成1.天然放射现象(1)放射性:物质放射出射线的性质。(2)放射性元素:具有放射性的元素。(3)同位素:具有相同质子数和不同中子数的原子核。,c.防护:防止放射性对人体组织的伤害。,(4)放射性同位素的应用与防护a.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。b.应用:消除静电、工业探伤、做示踪原子等。,2.原子核的组成(1)原子核:由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。(2)核电荷数(Z):等于核内质子数,也等于核外电子数,还等于元素周期表中的原子序数。(3)核质量数(A):等于核内的核子数,即质子数与中子数之和。,四、原子核的衰变和半衰期1.原子核的衰变(1)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。,2.半衰期(1)定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。(2)衰变规律:N=N0、m=m0。(3)影响因素:由原子核内部因素决定,跟原子所处的化学状态和外部条件无关。,五、核力、结合能、质量亏损、核反应1.核力,2.结合能(1)结合能:核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫做原子核的结合能。(2)比结合能a.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。b.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牢固,原子核越稳定。,3.质量亏损爱因斯坦质能方程E=mc2。原子核的质量必然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E=mc2。,4.核反应(1)重核裂变.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。.特点:a.裂变过程中能够放出巨大的能量。b.裂变的同时能够放出23(或更多)个中子。c.裂变的产物不是唯一的。典型的裂变方程92UnKrBa+n。,(2)轻核聚变.定义:两个轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程。.特点:a.聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3倍多。b.聚变反应比裂变反应更剧烈。c.对环境污染较小。d.自然界中聚变反应原料丰富。.典型的聚变方程HHHen。,1.判断下列说法对错。(1)原子中绝大部分是空的,原子核很小。()(2)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。()(3)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。()(4)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。()(5)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。(),2.1995年科学家“制成”了反氢原子,它是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成的,反质子和质子有相同的质量,带有等量异种电荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布,氢原子能级如图所示,则下列说法中正确的是(B),A.反氢原子光谱与氢原子光谱不相同B.基态反氢原子的电离能为13.6eVC.基态反氢原子能吸收11eV的光子而发生跃迁D.大量处于n=4能级的反氢原子向低能级跃迁时,从n=2能级跃迁到基态辐射的光子的波长最短,3Th经过一系列衰变和衰变后变成Pb,则Pb比Th少(A)A.16个中子,8个质子B.8个中子,16个质子C.24个中子,8个质子D.8个中子,24个质子,考点一原子结构玻尔理论和氢原子的光谱分析,考点突破,1.对氢原子的能级图的理解(1)氢原子的能级图(如图所示),(2)氢原子能级图的意义,2.两类能级跃迁(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,h=E。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。,3.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律:(1)原子能量变化规律:En=Ekn+Epn=(n=1,2,3,),随n增大而增大,随n的减小而减小,其中E1=-13.6eV。(2)电子动能变化规律从公式上判断。电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力即k=m,所以Ek=,随r增大而减小。从库仑力做功上判断。当轨道半径增大时,库仑引力做负功,故电子动能减小;反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,故电子动能增大。,(3)原子的电势能的变化规律通过库仑力做功判断。当轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的电势能增大;反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小。利用原子能量公式En=Ekn+Epn判断。当轨道半径增大时,原子能量增大,电子动能减小,故原子的电势能增大;反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子动能增大,故原子的电势能减小。,考向1对原子核式结构的理解1.如图所示是粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹,M、N、P、Q是轨迹上的四点,在散射过程中可以认为重金属原子核静止。图中所标出的粒子在各点处的加速度方向正确的是(C)A.M点B.N点C.P点D.Q点,解析粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电,互相排斥,加速度方向与粒子所受斥力方向相同。粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧。故只有选项C正确。,考向2能级图的理解2.(多选)(2018山东淄博二模)氢原子的能级图如图所示,现有大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁,下列说法正确的是(),A.这些氢原子可能发出6种不同频率的光B.已知钾的逸出功为2.22eV,则氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子可以从金属钾的表面打出光电子C.氢原子从n=2能级跃迁到n=1能级释放的光子能量最小D.氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时,氢原子能量减小,电子的动能增加,答案AD解析大量的氢原子处于n=4的激发态,可能发出光的频率的种数n=6,故A正确;氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级,释放的光子能量为1.89eV,小于钾的逸出功2.22eV,故不能产生光电效应,故B错误;由题图可知,氢原子由n=2能级跃迁到n=1能级释放的光子能量不是最小的,光的频率不是最小的,故C错误;氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时,放出能量,故氢原子能量减小,同时电子向原子核靠近,库仑引力做正功,故电子动能增加,选项D正确。,考向3氢原子的能量及变化3.(2018福建三明模拟)按照玻尔理论,一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上,已知rarb,则在此过程中(),A.原子要发出某一频率的光子,电子的动能增大,原子的电势能减小,原子的能量也减小B.原子要吸收某一频率的光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原子的能量也减小C.原子要发出一系列频率的光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原子的能量也减小D.原子要吸收一系列频率的光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,原子的能量也增大,答案A解析由玻尔理论知,电子轨道半径越大,原子能量越大,当电子从ra直接跃迁到rb时,原子能量减小,放出某一频率的光子;在电子跃迁过程中,库仑力做正功,电子的动能增大,原子的电势能减小。综上所述可知A正确。,方法总结,考点二原子核的衰变半衰期,1.衰变、衰变的比较,2.三种射线的比较,例1(2017课标,15,6分)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(B)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,解析本题考查天然放射现象、半衰期、动量守恒。静止的原子核在衰变前后动量守恒,由动量守恒定律得0=m1v1+m2v2,可知m1v1=-m2v2,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。,考向1衰变射线的性质1.研究放射性元素射线性质的实验装置如图所示。两块平行放置的金属板A、B分别与电源的两极a、b连接,放射源发出的射线从其上方小孔向外射出。则(B),A.a为电源正极,到达A板的为射线B.a为电源正极,到达A板的为射线C.a为电源负极,到达A板的为射线D.a为电源负极,到达A板的为射线,解析从题图可以看出,到达两极板的粒子做类平抛运动,到达A板的粒子的竖直位移小于到达B板的粒子的竖直位移,粒子在竖直方向做匀速直线运动,则据公式x=v0t=v0可知,两个粒子初速度v0相同,两板间电压U一定,放射源与两板的距离也相同,而电子的小,所以电子的竖直位移小,故达到A板的是射线,A板带正电,a为电源的正极,故选项B正确。,考向2半衰期的应用2.碘131的半衰期约为8天。若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(C)A.B.C.D.,解析设剩余质量为m剩,则由m剩=m(,得m剩=m(=,C正确。,考向3衰变次数的计算392U经过m次衰变和n次衰变,变成82Pb,则(B)A.m=7,n=3B.m=7,n=4C.m=14,n=9D.m=14,n=18,解析衰变方程为92U82Pb+He+e,由质量数、电荷数守恒得:m=7,n=4,因而B项正确。,方法总结,考点三核反应方程与核能计算,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)掌握核反应方程遵循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)根据E=mc2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)根据E=m931.5MeV计算。因1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV,所以计算时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。,例2(1)(2018课标,14,6分)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:Aln+X。X的原子序数和质量数分别为()A.15和28B.15和30C.16和30D.17和31(2)现有四个核反应:AHHHenBUnXKr+nCNaMgeDHeBeCn,是发现中子的核反应方程,是研究原子弹的基本核反应方程,是研究氢弹的基本核反应方程。B中X的质量数为,中子数为。,答案(1)B(2)DBA14488,解析(1)在核反应过程中,质量数和电荷数分别守恒,则X的原子序数为2+13=15,X的质量数为4+27-1=30,选项B正确。(2)D为查德威克发现中子的核反应方程;B是研究原子弹的基本核反应方程;A是研究氢弹的基本核反应方程。X的质量数为:(235+1)-(89+3)=144X的质子数为:92-36=56X的中子数为:144-56=88。,1.(2017课标,17,6分)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:Hn。已知H的质量为2.0136uHe的质量为3.0150un的质量为1.0087u,1u=931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为(B)A.3.7MeVB.3.3MeVC.2.7MeVD.0.93MeV,解析聚变反应中的质量亏损为m=(22.0136-3.0150-1.0087)u=0.0035u,则释放的核能为E=mc2=0.0035931MeV3.3MeV,B正确。,2.2016课标,35(1),5分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)A6C7N+0-1eBPS+0-1eC92U90ThHeD7NHe8OHE92Un54XeSr+nFHHHen,答案CABEF,解析天然放射性元素自发地放出粒子(即氦核He)的衰变属于衰