4 原子结构　原子核—2021届高中物理一轮复习暑假专题学案（选修3-5）

1、一轮复习暑假专题-选修3-5学案4原子结构原子核一、基础知识1.原子的核式结构模型 (1)电子的发现:英国物理学家发现了电子。 (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前进,但有少数粒子发生了,几乎被“撞”了回来。 (3)卢瑟福提出原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的,原子几乎全部质量都集中在核里,带负电的在核外空间绕核旋转。 2.氢原子的能级结构 (1)玻尔理论a.定态:原子只能处于一系列的能量状态中,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。

2、 b.跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的决定,即h=。(h是普朗克常量,h=6.626×10-34 J·s) c.轨道:原子的不同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的。 (2)基态和激发态:原子能量最低的状态叫态,其他能量较高的状态叫态。 3.原子核的组成 (1)原子核由和组成,它们统称为。 (2)原子核的核电荷数=,原子核的质量数=质子数+中子数。 (3)同位素:具有相同质子数、不同中子数的原子。同位素在元素周期表中的

3、位置相同。4.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。的发现,说明原子核还具有复杂的结构。 (2)三种射线放射性元素放射出的射线共有三种,分别是、。其中射线是高速运动的氦核,射线是高速运动的电子流,射线是光子。 (3)半衰期a.定义:放射性元素的原子核有发生衰变所需的时间。 b.影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强)及化学状态(如单质、化合物)无关。(4)衰变和衰变的实质衰变:核内两个中子和两个质子作为一个整体从较大的原子核内抛射出来。衰变:核内的一个中子转化为一个质子,

4、同时放出一个电子。5.核力、结合能、质量亏损 (1)核力a.定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。b.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1.5×10-15 m 之内。c.每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。(2)爱因斯坦质能方程。 (3)质量亏损: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=。 6.裂变与聚变 (1)重核裂变: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。裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作。裂变的应用:原子弹、核反应堆。 

5、(2)轻核聚变:两个轻核结合成质量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。 答案：汤姆孙原来的方向大角度偏转核电子不连续辐射能量辐射或吸收能量差Em-En能量状态不连续基激发质子中子核子质子数天然放射现象射线射线射线半数E=mc2mc2临界体积热核反应二、理解玻尔模型1.氢原子能级2.光谱研究表明每种原子只能吸收或辐射特定频率的光,说明原子能量状态是不连续的,即量子化的。玻尔据此提出了玻尔模型:定态假设、跃迁假设和轨道假设。三、理解氢原子能级图及原子跃迁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“-1

6、3.6,-3.4,”表示氢原子的能量(可以发现:En=1n2E1)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h=Em-En1.对原子跃迁条件h=Em-En的说明(1)原子跃迁条件h=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时,也可以被处于基态的氢原子吸收,使氢原子电离;当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发。由于实物粒子的动能可全部

7、或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E=Em-En),均可使原子发生能级跃迁。2.跃迁中两个易混问题(1)一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,可能的情况只有一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数N=Cn2。(2)跃迁和电离处于基态或激发态的原子中的电子由于受激发而脱离原子核的束缚成为自由电子所需要的最小的能量,叫作电离能。各激发态的电离能等于各能级的能量。量子数越小

8、、电离能越大。电子电离可以通过吸收光子和与实物粒子碰撞来实现。吸收光子的能量必须不小于电离能,才会发生电离,外来粒子和原子碰撞,外来粒子的能量必须不小于电离能才会发生电离。四、衰变规律及实质1.衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变过程 ZAXZ-2A-4Y+24He ZAXZ+1AY+-10e衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出211H+201n24He1个中子转化为1个质子和1个电子 01n11H+-10e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒射线:射线经常是伴随着射线和射线产生的。其实质是放射性原子核在发生衰变、衰变的过程中,产生的

9、新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出的光子。2.确定衰变次数的方法3.半衰期半衰期的计算:根据半衰期的概念,可总结出公式。N余=N原12t,m余=m原12t,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。4.三种射线的比较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)带电荷量2e-e0质量4mpmp1836静止质量为零符号 24He -10e速度可达0.1c可达0.99cc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

10、很强较弱很弱五、核反应的四种类型比较1.几种核反应和核反应方程(1)衰变:放射性元素自发地放出射线的现象。放射出的射线共有三种,分别是射线、射线、射线,不同的放射性元素有不同的半衰期。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。(2)裂变: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。裂变会释放巨大的能量。(3)聚变:两轻核结合成质量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,聚变也会释放巨大的能量。(4)人工核反应:科学家用其他高能粒子轰击原子核产生新原子核的过程,称为人工核反应。(5)核反应方程:核反应前后质量数守恒和电荷数守恒。2.核

11、反应的四种类型比较类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发  92238U90234Th+24He衰变自发  90234Th 91234Pa+-10e人工转变人工控制14 7N+24He 817O+11H(卢瑟福发现质子) 24He+49Be 612C+01n(查德威克发现中子) 1327Al+24He1530P+01n(约里奥居里夫妇发现放射性同位素及正电子) 1530P1430Si+10e重核裂变比较容易进行人工控制  92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n  92235U+01n 54136Xe+389

12、0Sr+1001n轻核聚变除氢弹外无法控制 12H+13H24He+01n3.核反应方程式的书写注意事项(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(11H)、中子(01n)、粒子(24He)、粒子(-10e)、正电子(+10e)、氘核(12H)、氚核(13H)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。课堂练习1.(2017天津卷,1)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证,如图所示,

13、这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是()。A.12H+13H24He+01n B.714N+24He817O+11HC.24He+1327Al1530P+01n D.92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n2.(2018陕西咸阳10月模拟)以mD、mp、mn分别表示氘核、质子、中子的质量,则()A.mD=mp+mnB.mD=mp+2mn C.mD>mp+mn D.mD<mp+mn3.(2019河南郑州模拟考试)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另一半径为rb的圆轨道上,ra>rb,在此过程

14、中()。A.原子发出一系列频率的光子 B.原子要吸收一系列频率的光子C.原子要吸收某一频率的光子 D.原子要发出某一频率的光子4.(2019湖北黄石质量检测)如图所示,x为未知的放射源,L为薄铝片,若在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小,在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,则x可能是()。A.射线和射线的混合放射源B.纯射线放射源C.射线和射线的混合放射源D.纯射线放射源5.(2019四川广汉第一期质量调研)(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其中一种裂变反应为 92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n,下列说法正确的有

15、()。A.上述裂变反应中伴随着中子放出B.铀块体积对链式反应的发生无影响C.铀核的链式反应可人工控制D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响6.(2018贵州遵义12月模拟)(多选)如图所示,为氢原子能级图,A、B、C分别表示电子三种不同能级跃迁时放出的光子,其中()。A.频率最高的是BB.波长最长的是CC.频率最高的是AD.波长最长的是B一轮复习暑假专题-选修3-5学案4原子结构原子核参考答案1.A 12H+13H24He+01n是一个氘核与一个氚核结合成一个氦核,同时放出一个中子,属于聚变反应,故A项正确;714N+24He817O+11H是卢瑟福发现质子的核反应,他用粒子轰击氮原子核,产生氧的同位素氧17和一个质子,是人类第一次实现原子核的人工转变,属于人工核反应,故B项错误;24He+1327Al1530P+01n是小居里夫妇用粒子轰击铝片时发现了放射性磷(磷30),属于人工核反应,故C项错误;92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n是一种典型的铀核裂变,属于裂变反应,故D项错误。2.D 质子和中子通过聚变反应生成氘核,并释放能量,出现质量损失,所以mp+mn>mD,D项正确。3.D ra>rb,说明电子是从高能级向低能级跃迁,应向外发射能量,且所发射光子的能量等于两个能级的能量差,D项正确.4.C 在放射源和计数器