2020年新课标高考物理第二讲-原子结构-原子核考点考向

1、基础复习课第二讲原子结构原子核一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式1原子的核式结构(1)电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子(2)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(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)光谱分类有些

2、光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫作线状谱有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫作连续谱(3)氢原子光谱的实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

3、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r10.531010m.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(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(Z)质子数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

4、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(2)放射性和放射性元素物质发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、作示踪原子等防护：防止放射性对人体组织的伤害3原子核的衰变(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：

5、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决定，跟原子所处的物理状态、化学状态无关三、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至少要吸收的能量，叫作原子核的结合能，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，称作比结合能，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

6、牢固，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Emc2.四、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不断进行下去的过程(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

7、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 MeV小题快练1判断题(1)粒子散射实验说明了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Enh.( )(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( )2(2015天津卷)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上下列说法

8、正确的是( A )A天然放射现象说明原子核内部是有复杂结构的B电子的发现使人们认识到原子具有核式结构C粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的3(多选)(2015广东卷)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV.下列表述正确的有( AD )AX是中子BY的质子数是3，中子数是6C两个核反应都没有质量亏损D氘和氚的核反应是核聚变反应4. 如图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( B )A原子A可能辐

9、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能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4D原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4考点一氢原子能级的跃迁 (自主学习)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如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能11.氢原子跃迁问题(2019河北武邑中学考试)如图所示为氢原子的能级示意图，大量氢原子处于n3

10、的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为2.29 eV的金属钠，下列说法中正确的是()A这些氢原子能发出两种不同频率的光子B从n3跃迁到n2所发出光子的波长最短C金属钠发出的光电子的最大初动能为9.80 eVD从n3跃迁到n1所发出的光子频率最低解析：大量氢原子处于n3的激发态向较低能级跃迁的过程中向外发出光子数为C3种，选项A错误；从n3跃迁到n2能级差最小，所发出光子的频率最小，波长最长，选项B错误；从n3跃迁到n1能级差最大，所发出的光子频率最高，选项D错误；从n3跃迁到n1所发出的光子的能量最大，其值为(1.51)(13.6)12.09 eV，则金属钠发出的

11、光电子的最大初动能为12.09 eV2.29 eV9.80 eV，选项C正确答案：C12.跃迁规律的分析根据玻尔原子结构理论，氦离子(He)的能级图如图所示电子处在n3轨道上比处在n5轨道上离氦核的距离 (填“近”或“远”)当大量He处在n4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有 条解析：量子数越大，轨道半径越大，电子处在n3轨道上比处在n5轨道上离氦核的距离要近；处在n4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有C6条答案：近6反思总结解答氢原子能级与原子跃迁问题的注意事项1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2一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)3

12、一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法(1)用数学中的组合知识求解：NC.(2)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，然后相加考点二原子核的衰变 (自主学习)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XYHeXAZ1Ye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(2)射线：射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的(3)衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为XYnHeme.根据质量数守恒和电荷数

13、守恒可列方程AA4n，ZZ2nm由以上两式联立解得n，mZZ，由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组方法二：因为衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变的次数，然后根据衰变规律确定衰变的次数2三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领射线氦核He2 e4 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.半衰期的理解半衰期的公式：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21.衰变次数的计算U衰变为Rn要经过m次衰变和n次衰变，则m、n分

14、别为()A2、4B4、2C4、6 D16、6答案：B22.半衰期的计算(2018江苏卷)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 B12C21 D41解析：根据半衰期公式mm0，经过2T，A剩有的质量为mAm0， B剩有的质量为mBm0，故mAmB12，选项B正确答案：B考点三核反应方程及类型 (自主学习)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

15、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31.衰变反应(2015北京卷)下列核反应方程中，属于衰变的是()A.NHeOHB.UThHeC.HHHenD.ThPae答案：B32.核反应类型的判断(多选)能源是社会发展的基础，发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.UnBaKr3n是核裂变反应D.UnXeSr2n是衰变答案：AC考点四质量亏损及核能的计算 (自主学习)1对质能方程的理解(1)一定的能量和一

16、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Emc2.2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41.质量亏损问题(多选)(

17、2019青岛初调)“超导托卡马克”(俗称“人造太阳”)是我国自行研制的可控热核反应实验装置设该实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c.下列说法中正确的是()A这种装置中发生的核反应方程式是HHHenB该核反应类型为核裂变反应C由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4D核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2解析：可控热核反应装置中发生的核反应方程式是：HHHen，故A正确；这种装置的核反应是核聚变，B错误；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，故C错误；核反应过程中的质量亏损mm1

18、m2m3m4，释放的核能Emc2(m1m2m3m4)c2，故D正确答案：AD42.核能的计算一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)(已知：原子质量单位1 u1.671027 kg，1 u相当于931 MeV)(1)写出核衰变反应方程；(2)算出该核衰变反应中释放出的核能；(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？解析：(1) UThHe(2)质量亏损：m0.005 9 uEmc20.005 9931 MeV5.50 MeV.(3)系统动量守恒，钍核

19、和粒子的动量大小相等，即EkThEkaE所以钍核获得的动能EkThEE0.09 MeV.答案：(1) UThHe(2)5.50 MeV(3)0.09 MeV1(多选)以下说法符合物理学史的是( AC )A普朗克引入能量子的概念，得出黑体辐射的强度按波长分布的公式，与实验符合得非常好，并由此开创了物理学的新纪元B康普顿效应表明光子具有能量C德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，认为实物粒子也具有波动性D汤姆孙通过粒子散射实验，提出了原子具有核式结构2(2018广东茂名一模)铝核Al被粒子击中后产生的反应生成物是磷P，同时放出一种粒子，关于这种粒子的下列说法中正确的是( B )A这种粒子在电场中

20、可以被加速或发生偏转B这种粒子在磁场中一定不受磁场力作用C这种粒子在真空中的速度等于3108 m/sD在碳14核内有6个这种粒子解析：根据质量数和电荷数守恒可知放出的粒子质量数为1，电荷数为0，故该粒子为中子，中子不带电不会在电场中加速或偏转，也不会受到磁场力作用，故A错误，B正确；该粒子的速度小于光速，故C错误；碳14核的电荷数为6，中子数为1468个，故D错误3(2019江苏高级中学检测)静止在匀强磁场中Li俘获一个速度v07.7104 m/s的中子而发生核反应，生成一个He和一个未知粒子X，若已知He的速度v12.0104 m/s，其方向与反应前中子的方向相同，试求：(1)写出核反应方程

21、式并求X粒子元素符号和x，y；(2)求出未知粒子X的速度大小和方向解析：(1)根据电荷数守恒、质量数守恒可得核反应方程为：LinHHe，故未知粒子为H.(2)设中子、未知粒子和He质量分别为m、3m和4m，未知粒子的速度为v2，把核反应等效为对心正碰，由动量守恒定律有：mv04mv13mv2，解出：v21 000 m/s，方向与v0相反。答案：(1)LinHHe，未知粒子为H(2) v21 000m/s，方向与v0相反4约里奥居里夫妇因发现人工放射性而获得了1935年的诺贝尔化学奖他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子，这种粒子是 .P是P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1

22、mg P随时间衰变的关系如图所示，请估算4 mg的P经 天的衰变后还剩0.25 mg.解析：核反应方程式为：PSiX，由质量数守恒知X的质量数为0，由电荷数守恒知X的电荷数为1，所以X为正电子；由图象知半衰期大约为14天，公式mm原代入数据得0.254可得t56天答案：正电子56A组基础题1(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( B )A15和28B15和30C16和30 D17和31解析：根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的电荷数为21315，质量数为427130，根据原子核的电荷数等于

23、原子序数，可知X的原子序数为15，质量数为30，选项B正确2下列说法正确的是( B )A光子只具有能量，不具有动量B玻尔认为，氢原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的C将由放射性元素组成的化合物进行高温分解，会改变放射性元素的半衰期D原子核的质量大于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损3人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系下列关于原子结构和核反应的说法错误的是( C )A由图可知，原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损，要放出能量B由图可知，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能C已知原子核A裂变成原子核B和C

24、时放出的射线能使某金属板逸出光电子，若增加射线强度，则逸出光电子的最大初动能增大D在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了控制核反应速度4(多选)下列的若干叙述中正确的是( AB )A用加温加压或改变其化学状态的方法都不能改变原子核的半衰期B对于同种金属产生光电效应时逸出光电子的最大初动能Ek与照射光的频率呈线性关系C一块纯净的放射性元素的矿石经过一个半衰期后它的总质量仅剩下一半D按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子的能量也减小了5(2018天津卷)国家大科学工程中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多

25、领域的研究和工业应用提供先进的研究平台，下列核反应中放出的粒子为中子的是( B )A.N俘获一个粒子，产生O并放出一个粒子B.Al俘获一个粒子，产生P并放出一个粒子C.B俘获一个质子，产生Be并放出一个粒子D.Li俘获一个质子，产生He并放出一个粒子解析：根据质量数和核电荷数守恒可得：NHeOH，选项A错误；AlHePn，选项B正确；BHBeHe，选项C错误；LiHHeHe，选项D错误B组能力题6(多选)(2018浙江名校联考)关于轻核聚变和重核裂变，下列说法正确的是( BD )A聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积B发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能C我国已建成生产的秦山和大亚湾

26、核电站，前者是利用核聚变释放核能，后者是利用核裂变释放核能D一个质子和两个中子聚变成一个氚核，已知质子质量为1.007 3 u，中子质量为1.008 7 u，氚核质量为3.018 0 u，则该反应中释放的核能约为6.24 MeV(1 u931.5 MeV)解析：由核聚变的条件为需要高温，发生核聚变时不需要达到临界体积，A错误；发生聚变反应时， 要求两核子应能达到较近的距离，故应使原子核有足够大的动能，B正确；目前的核电站均采用核裂变；聚变的应用尚在试验阶段，C错误；该核反应中质量亏损m1.007 3 u21.008 7 u3.018 0 u0.006 7 u，则释放的核能Emc20.006 7

27、931.5 MeV6.24 MeV，D正确7. (2019天津滨海一中期中)如图为氢原子的能级示意图，锌的逸出功是3.34 eV，那么对氢原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是( C )A用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板一定不能产生光电效应B一群处于n4能级的氢原子向基态跃迁时，能放出3种不同频率的光C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用能量为10.3 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态解析：氢原子从高能级向基态跃迁时发出的光子的最小能量为10.2 eV，大于锌的逸出功，照射金属锌

28、板一定能产生光电效应现象，故A错误；一群处于n4能级的氢原子向基态跃迁时，能放出C6种不同频率的光，选项B错误；氢原子从n3的能级向基态跃迁时发出的光子的能量最大为Em1.5113.612.09 eV，因锌的逸出功是3.34 eV，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为Ekm12.093.348.75 eV，故C正确；能量10.3 eV不等于任何两个能级的能级差，故D错误8(2019郑州实验中学月考)下列说法正确的是( C )A原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律B射线、射线、射线都是高速运动的带电粒子流C氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子D发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关解析：原子核发生衰变时，电荷守恒，但会有质量亏损，遵循的是爱因斯坦的质能方程而非质量守恒规律，故A错误；射线和射线分别是带正电的氦核流和带负电的电子流，而射线不带电，故B错误；根据玻尔氢原子模型的相关理论，电子轨道和能量都是量子化的，而在“跃迁”过程中要遵循hEmEn，故只能辐射特定频率的光子，故C正确；由光电