2021高考物理一轮复习第十四章近代物理初步第2讲原子结构与原子核学案新人教版

1、第2讲原子结构与原子核zhi shi shu li zi ce gong gu知识梳理自测巩固 一、原子结构光谱和能级跃迁知识点1原子的核式结构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：观察上面两幅图，完成以下空格：(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)粒子散射实验的结果：绝大多数粒子穿过金箔后，基本上_仍沿原来的方向前进_，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)原子的结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，

2、原子的_几乎全部质量和全部正电荷_都集中在原子核里，带负电的电子在_核外空间运动_。知识点2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。知识点3玻尔理论能级1玻尔的三条假设(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

3、，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h_emen_。(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基态和激发态原子能量最低的状态叫_基态_，其他能量较高的状态叫_激发态_。3氢原子的能级和轨道半径(1)氢原子的能级公式：e0_e1_(n1,2,3，)，其中e1为基态能量，其数值为e1_13.6_ev_。(2)氢原子的半径公式：rn_n2r1_(n1,2

4、,3，)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010 m。4氢原子的能级图二、原子核核反应和核能知识点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_。(2)原子核的核电荷数_质子_数，原子核的质量数_质子数中子数_，质子和中子都为一个单位质量。(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。知识点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_还具有复杂的结构。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_

5、。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。4三种射线的比较射线名称比较项目射线射线射线组成高速氦核流_高速电子流_光子流(高频电磁波)带电量_2e_e0质量4mp静止质量为零符号_he_01e速度可达0.1c可达0.99c_c_垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转_不偏转_贯穿本领最弱较强_最强_对空气的电离作用很强较弱_很弱_5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。知识点3原子核的衰变半衰期1原

6、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：xy_he_。衰变：xy_e_。辐射：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。(3)两个典型的衰变方程：衰变：uthhe；衰变：thpae。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)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。知识点4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

7、围在1.51015 m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_。思维诊断：(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小。()(2)核式结构学说是卢瑟福在粒子散射

8、实验的基础上提出的。()(3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。()(4)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。()(5)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。()(6)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。()(7)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。()(8)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。()(9)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。()自测巩固zi ce gong gu1太阳光谱是吸收光谱，这是因为太阳内部发出的白光(a)a经过太阳大气层时某些特定频率的光子被

9、吸收后的结果b穿过宇宙空间时部分频率的光子被吸收的结果c进入地球的大气层后，部分频率的光子被吸收的结果d本身发出时就缺少某些频率的光子解析太阳光谱是一种吸收光谱，是因为太阳发出的光穿过温度比太阳本身低得多的太阳大气层，而在这大气层里存在着从太阳里蒸发出来的许多元素的气体，太阳光穿过它们的时候跟这些元素的特征谱线相同的光都被这些气体吸收掉了。2(2020江西南昌外国语学校模拟)关于原子结构，下列说法错误的是(c)a汤姆孙根据气体放电管实验断定阴极射线是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷b卢瑟福粒子散射实验表明：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量c射线是原子的核外电子电离后形成的电

10、子流d玻尔在原子核式结构模型的基础上，结合普朗克的量子概念，提出了玻尔的原子模型解析本题考查原子物理学史相关知识。汤姆孙通过研究求出了阴极射线的比荷，明确阴极射线是电子，选项a正确；粒子散射实验中由于极少数粒子发生了大角度偏转，表明原子全部正电荷和几乎所有质量都集中在原子中很小的体积内，选项b正确；射线是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来形成的电子流，选项c错误；玻尔在原子核式结构模型的基础上，结合普朗克的量子概念，提出了玻尔的原子模型，选项d正确。3(2019河南重点高中联考)根据玻尔理论可知，处于基态的氢原子吸收一个光子后跃迁到高能级，下列说法正确的是(c)a核外电子

11、的动能增加b氢原子的电势能减少c氢原子的能量增加d氢原子更加稳定解析本题考查玻尔能级跃迁理论、原子的能量变化。根据玻尔理论可知，氢原子吸收一个光子后，能量增加，c正确；氢原子从基态跃迁到激发态，稳定性减小，d错误；氢原子吸收光子后，核外电子绕原子核做圆周运动的轨道半径增大，静电力做负功，动能减小，电势能增大，a、b错误。4(2020安徽合肥质检)原子核x俘获一个中子，生成一个核y并释放一个质子。由此可知(d)aa13z6ba13z7ca14z6da14z7解析本题考查核反应过程中的电荷数守恒和质量数守恒。核反应方程为xnyh，则a115，z61，即a14，z7，故选d。he xin kao d

12、ian zhong dian tu po核心考点重点突破 考点一氢原子能级及原子跃迁1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)：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

13、级差即可，e外e。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。3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。例1(2019福建福州月考)(多选)氢原子能级如图所示，已知可见光光子的能量在1.613.10 ev范围内，则下列说法正确的是(bd)a氢原子能量状态由n2能级跃迁到n1能级，放出的光子为可见光b大量氢原子处于n4能级时，向低能级跃迁能发出6种不同频率的光子c处于基态的氢原子电离需要释放13.6 ev的能

14、量d氢原子处于n2能级时，可吸收2.86 ev能量的光子跃迁到高能级解析由n2能级跃迁到n1能级产生的光子能量为e3.4 ev(13.6) ev10.2 ev，不在可见光的能量范围内，故放出的光子不是可见光，故a错误；大量处于n4能级的激发态氢原子向低能级跃迁时，能产生c6种不同频率的光子，故b正确；处于基态的氢原子电离需要吸收13.6 ev的能量，故c错误；氢原子处于n2能级吸收能量为2.86 ev的光子，能量变为0.54 ev，即将跃迁到n5能级，故d正确。方法技巧：氢原子能量分析氢原子在各个不同的能量状态对应不同的电子轨道，电子绕核做圆周运动的动能和系统的电势能之和即为原子的能量，即ee

15、keeph。电子绕核做圆周运动由库仑力提供向心力，有k，电子的动能ekemv；系统的电势能根据库仑力做功来判断：靠近核，库仑力对电子做正功，系统电势能减小，远离核，库仑力对电子做负功，系统的电势能增大。类题演练1(2019广西三市调研)氢原子能级图如图所示，大量处于n3激发态的氢原子向低能级状态跃迁辐射出的光子中，发现有两种频率的光子能使金属a产生光电效应，则下列说法正确的是(b)a大量处于n3激发态的氢原子向低能级状态跃迁时，只辐射两种频率的光子b从n3激发态直接跃迁到基态时放出的光子一定能使金属a发生光电效应c一个氢原子从n3激发态跃迁到基态时，该氢原子能量增大d一个氢原子从n3激发态跃迁

16、到基态时，该氢原子核外电子动能减小解析本题考查玻尔氢原子能级跃迁理论的综合应用。大量处于n3激发态的氢原子向低能级状态跃迁时，有31,32,21，三种情况，所以跃迁过程中将释放出3种频率的光子，故a错误；由题可知，大量处于n3激发态的氢原子向低能级跃迁所放出的光子中，有两种频率的光子能使金属a发生光电效应，从n3跃迁到基态辐射的光子频率最大，则一定能使金属a发生光电效应，故选项b正确；根据玻尔理论，氢原子从激发态跃迁到基态时，放出能量，电子的动能增大，电势能减小，原子总能量减小，故选项c、d错误。考点二原子核的衰变半衰期1确定衰变的种类及衰变次数的方法不稳定的原子核自发地放出粒子或粒子后，转变

17、为新核的变化称为原子核的衰变。判断衰变的种类及衰变次数要掌握几个要点。(1)知道粒子和粒子的表示符号粒子实质是氦原子核，符号是he，其中4表示氦的质量数，2表示氦的电荷数。粒子实质是电子，符号是e，其中0表示电子的质量数，1表示电子的电荷数。(2)知道衰变和衰变满足两种“守恒”衰变过程中，电荷数和质量数都守恒。(3)弄清确定衰变次数的方法设元素x经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素y，则表示核反应的方程为：xynheme。根据质量数守恒和电荷数守恒可得aa4nzz2nm两式联立解得n，mzz可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。(4)衰变和衰变的实质衰变：xyhe，衰变的实质是

18、某元素的原子核放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)。新核比原核的质量数减少4，核电荷数减少2，在元素周期表中的位置要前移两位。衰变：xye，衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变为一个质子时放射出一个电子。新核与原核质量数相同，核电荷数增加1，在元素周期表中的位置要后移一位。注意：射线是伴随衰变或衰变产生的。放出射线后，原子核的电荷数和质量数都不变，其实质是放射性元素的原子核在发生衰变或衰变时，由于产生的某些新核具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴有射线产生，这时可连续放出三种射线。2对半衰期的理解(1)根

19、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核数和质量，n余、m余表示衰变后的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期。(2)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。例2(2020山东济宁一模)日本福岛核事故是世界上最大的核事故之，2019年2月13日首次“触及”到了该核电站内部的核残渣，其中部分残留的放射性物质的半衰期可长达1 570万年。下列有关说法正确的是(d)a.u衰变成pb要经过4次衰变和7次衰变b天然放射现象中产生的射线的速度与光速相当，穿透能力很强

20、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放射性元素发生衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的解析本题考查天然放射性的几种衰变。设经x次衰变和y次衰变u衰变成pb，根据质量数守恒和电荷数守恒得2382064x,92822xy，解得x8，y6，故要经过6次衰变和8次衰变，故a错误；射线是速度为0.1c的氦核流，穿透能力最弱；射线的穿透能力最强且速度与光速相当，故b错误；半衰期具有统计规律，只对大量的原子核适用，且半衰期的大小由原子核内部因素决定，与所处的物理环境和化学状态无关，故c错误；衰变放出的电子是来自原子核内的中子转化为质子时产生的，故d正确。类题演

21、练2(2020北京西城区一模)已知氡222的半衰期为3.8天。那么4 g放射性物质氡222经过7.6天，还剩下没有发生衰变的质量为(b)a2 gb1 gc0.5 gd0 g解析本题考查的是放射性元素的半衰期。根据衰变的半衰期公式mm0()n，其中m04 g，n为经历的半衰期的个数，n2，联立可得m4()2 g1 g，故选b。考点三核反应类型及核反应方程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重核裂变比较容易进

22、行人工控制unbakr3nunxesr10n轻核聚变目前无法控制hhhen2核反应过程一般是不可逆的，书写核反应方程不能用等号，只能使用单向箭头“”连接，并表示反应方向。3核反应过程遵循质量数守恒，而不是质量守恒，核反应过程中伴随着能量的巨大变化，反应前后质量会变化，一般质量会亏损。4核反应过程中遵循电荷数守恒原理。例3(2019安徽安庆二模)人类和平利用核能始于20世纪50年代，核能的开发和应用是解决能源问题的重要途径之一。下列关于核反应的描述或判断正确的是(d)authhe是核聚变bthpae是衰变chhhen是衰变dunbakr3n是核裂变解析本题考查对几种核反应方程的认识。衰变放出的是

23、氦核，a选项中核反应为衰变，故a错误；衰变放出的是电子，b选项中核反应为衰变，故b错误；几个原子核聚合成一个原子核的过程为核聚变，c选项中为氢原子核聚变为氦原子核，故c错误；核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化，d选项中核反应为裂变反应，故d正确。方法技巧：四种核反应的快速区分(1)衰变反应：反应方程左边只有一个原子核，右边有两项且其中包含一个氦核或电子。(2)人工核反应：核反应方程左边有一个原子核和粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个，右边有一个新核，也可能包括另一个粒子。(3)重核的裂变：左边为重核与中子，右边为两个以上的核并放出若干个粒子。方程两边中子数不可抵消。(4)轻核的聚变：左

24、边为轻核，右边为质量数较大的核。例如氘核和氚核聚变成氦核的反应。类题演练3(2018天津理综，1)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)an俘获一个粒子，产生o并放出一个粒子bal俘获一个粒子，产生p并放出一个粒子cb俘获一个质子，产生be并放出一个粒子dli俘获一个质子，产生he并放出一个粒子解析根据质量数守恒、电荷数守恒，各选项核反应方程如下：a错：nheoh。b对：alhepn。c错：bhbehe。d错：lihhehe。考点四核能的计算1质能方程的理

25、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。方程的含义是：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核能释放的两种途径的理解中等大小的原子核的比结合能最大，这些核最稳定。(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。3核反应过程中的综合问题(1)两个守恒定律的应用若两原子核发生核

26、反应生成两种或两种以上的新生原子核过程中满足动量守恒的条件，则m1v1m2v2m3v3m4v4若核反应过程中释放的核能全部转化为新生原子核的动能，由能量守恒得m1vm2vem3vm4v(2)原子核衰变过程中，粒子、粒子和新生原子核在磁场中的轨迹。衰变中，粒子和新生原子核在磁场中的轨迹外切，如图(甲)所示。衰变中，粒子和新生原子核在磁场中的轨迹内切，如图(乙)所示。(3)计算核能的方法根据爱因斯坦质能方程，用核反应过程中质量亏损的千克数乘以真空中光速的平方，即emc2；根据1原子质量单位(u)相当于931.5 mev的能量，得e质量亏损的原子质量单位数931.5 mev。根据平均结合能来计算核能

27、原子核的结合能平均结合能核子数。有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p22mek的应用。例4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，新粒子的质量约为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(c)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

28、mev解析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。类题演练4(2017江苏)(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断中正确的有(bc)a.he核的结合能约为1

29、4 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核中的大解析由题图可知，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。2 nian gao kao mo ni xun lian2年高考模拟训练 1(2019全国卷，14)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

30、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(a)a12.09 evb10.20 evc1.89 evd1.51 ev解析可见光光子能量范围为1.63 ev3.10 ev，则氢原子能级差应该在此范围内，可简单推算如下：2、1能级差为10.20 ev，此值大于可见光光子的能量；3、2能级差为1.89 ev，此值属于可见光光子的能量，符合题意。氢原子处于基态，要使氢原子达到第3能级，需提供的能量为1.51 ev(13.60 ev)12.09 ev，此值也是提供给氢原子的最少能量，选项a正确。2(2019全国卷，15)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(c)a8 mevb16 mevc26 mevd52 mev解析因电子的质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计。质量亏损m4mpm由质能方程得emc2(41.007 84.002 6)931 mev26.6 mev。3(2019天津，6)(多选)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