经典原子结构原子核复习

1、第 1课时原子结构基础知识归纳电子的发现：1897年英国物理学家汤姆孙，对阴极射线进行了一系列的研究，原子有复杂结构，揭开了研究原子的序幕.汤姆孙的“枣糕”模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里.2.卢瑟福的核式结构模型(1)粒子散射实验装置(2)粒子散射实验的结果：粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°.(3)核式结构模型：在原子的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，电子数，库仑引力.(

2、4)从粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为10151014m，原子大小的数量级为1010m.3.氢原子光谱(1)光谱分为两类，一类称为线光谱，另一类称为连续光谱；(2)各种原子的发射光谱都是线状光谱，都只能发出几种特定频率的光，不同原子的发光频率是不同的，因此线状光谱称为原子的特征谱线，对光谱线进行分析，就可以确定发光物质，这种方法称为光谱分析.(3)氢原子光谱可见光谱线波长可以用公式：表示，式中R称为里德伯常量，R1.1×107m1.(1)原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三

3、个假设：定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态.跃迁假设：原子从一个定态(设能量为E2)跃迁到另一定态(设能量为E1)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hE2E1.轨道量子化假设：原子的不同能量状态，因而电子可能轨道的分布也是不连续的.(2)玻尔的氢原子模型氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运动时原子的能量.氢原子中电子在第n条可能轨道上运动时，氢原子的能量En

4、和电子轨道半径rn分别为En、rnn2r1(n1、2、3).其中E1、r1为离核最近的第一条轨道(即nE113.6eV，r10.53×1010m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算).氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级.按能量的大小用图象表示出来即能级图.其中n1的定态称为基态，n2以上的定态，称为激发态.5.原子核结构(1)汤姆孙发现电子，说明原子不是最小的微粒；卢瑟福粒子散射实验，说明原子里存在一个很小的原子核；卢瑟福用粒子轰击氮原子核，获得质子，说明原子核也不是最小的微粒.(2)原子核是由质子和中子组成的；质子和中子统称为核子，原子核的核电荷数等于质子数

5、，等于原子的核外电子数；原子核的质量数等于原子核内的核子数.(3)质子数相同而中子数不同的原子核互称同位素，原子的化学性质决定于原子的核外电子数；同位素具有相同的质子数，相同的核外电子数，因而具有相同的化学性质.重点难点突破一、为什么用粒子散射实验研究原子结构原子结构无法直接观察到，要用高速粒子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而粒子有足够的能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察粒子的散射情况，所以选取粒子进行散射实验.二、氢原子怎样吸收能量由低能级向高能级跃迁此类问题可分为三种情况：，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收.2.光子照射氢原

6、子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用来使电子电离，另一部分可用来增加电子离开核的吸引后的动能.3.当粒子与原子碰撞(如电子与氢原子碰撞)时，由于粒子的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁.典例精析1.粒子散射实验与核式结构模型【例1】卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析，提出()A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的粒子的数目，提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做

7、原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A选项正确.【答案】A【思维提升】(1)关键是利用粒子散射实验的结果进行分析.(2)尽管B、C、D正确，但实验结果不能说明，不选B、C、D.【拓展1】在卢瑟福的粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是(A)A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中【解析】粒子带正电，其质量约是电子质量的7300倍.粒子碰到金原子内的电子，就像飞行中的子弹碰到尘埃一样，其运动方向不会发生明显的改变.若正

8、电荷在原子内均匀分布，粒子穿过原子时，它受到的两侧正电荷斥力有相当大一部分互相抵消，使粒子偏转的力也不会很大.根据少数粒子发生大角度偏转的现象，只能认为原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，入射的粒子中，只有少数粒子有机会很接近核，A.2.氢原子的能级跃迁【例2】假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数是处在该激发态能级上的原子总数的.现在1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是()A.2200个B.2000个C.1200个D.2400个【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别

9、为n4到n3N11200×400n3能级的原子个数为400个.n4到n2N21200×400n3到n2N3400×200n2能级的原子个数为600个.n4到n1N41200×400n3到n1N5400×200n2到n1N6600所以发出的光子总数为NN1N2N62200【答案】A【思维提升】(1)原子从低能级向高能级跃迁吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hE末E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量h大于或小于E末E初时都不能被原子吸收.(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射

10、的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差.eV时，也可以被氢原子吸收，eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能.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为N.【拓展2】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV3.11eV.下列说法错误的是(D)A.处于n3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B.大量氢原子从高能级向n3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C.大量处于n4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光D.大量处于n4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光易错门诊【例3】氢原子基态的轨道半径为0.52

11、8×1014m，量子数为n的能级的能量为EeV.(1)求电子在基态轨道上运动时的动能；(2)有一群氢原子处于量子数n，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线；(3)计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长.(其中静电力常量k9.0×109N·m2/C2，电子的电荷量e1.6×1019C，普朗克恒量h6.63×1034J·s，真空中光速c3.0×108m/s)【错解】(1)电子在基态轨道中运动时量子数n1，其动能为En13.6eV由于动能不为负值，所以Ek|EneV(2)作能级图如图，可能发出两条光谱线.(3)由于能级差最

12、小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以(E3E2)时所产生的光谱线为所求，其中E2eV3.4eVE3eV1.51eV由hE3E2及所以=m6.62×107m【错因】(1)动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与nE，它包括电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep2Ek，所以EEkEpEk，EkE13.6eV.虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的.(2)错解中把电子的发射光谱图画成了吸收光谱图.(3)不少学生把能级图上表示能级间能量差的长度线看成与谱线波长成正比了.【正解】(1)设电子的质量为m，电子在基态轨道上的速率为v1，根据牛

13、顿第二定律和库仑定律有所以EkJ2.18×1018JeV(2)当氢原子从量子数n3的能级跃迁到较低能级时，可以得到3条光谱线，如图所示.(3)波长最短的一条光谱线对应的能级差应为最大，应是从量子数为3的能级跃迁到量子数为1的能级所发出的光谱线.E3E1h1.65×107m【思维提升】正确理解能级、能级图的物理意义是避免出错的关键.第 2课时原子核基础知识归纳(1)天然放射现象：某些物质能自发发射出人眼看不见但能使照相底片感光的射线，揭示了原子核也具有复杂结构.(2)半衰期放射性元素的原子核有半数、化学状态无关，只由核内部的因素决定，不同的元素有不同的半衰期.三种射线的本质和

14、特性名称实质射出速度电离作用穿透本领云室中径迹射线高速氦核流较强小纸片即可挡住直而粗射线高速电子流较弱较强(穿透几毫米厚的铝板)细而弯曲射线高能光子流c更小强(穿透几厘米厚的铅板)一般看不到(3)放射性同位素的利用主要有两个途径：一是利用它的射线，二是作为示踪原子.过量的放射线会对环境造成污染，人们需要采取有效措施.2.原子核的变化(1)衰变：衰变：原子核放出：衰变：原子核放出：衰变：衰变或衰变时形成的新核不稳定，释放出光子.(2)人工核转变：(发现质子的核反应)(人工制造放射性同位素)(3)重核的裂变：在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，临界体积.核反应堆的构造：A.

15、核燃料用铀棒(含U,3%4%的浓缩铀).B.减速剂用石墨、重水或普通水(U只吸收慢中子).C.控制棒用镉做成(镉吸收中子的能力很强).D.冷却剂用水或液态钠(把反应堆内的热量传递出去).(4)轻核的聚变：HHHen(需要几百万度高温，所以又叫热核反应)(1)核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能是稳定状态，一定还有另外一种力把各核子紧紧地拉在一起，这种力叫做核力.核力是很强的力.核力作用范围小，只在2.0×1015m短距离内起作用.每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用.(2)核能结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一

16、定能量，这种能量叫结合能.质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损.也可以认为在核反应中，参加核反应的总质量m和核反应后生成的核总质量m之差：mmm.爱因斯坦质能方程：爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：Emc2，这就是爱因斯坦的质能方程.质能方程的另一个表达形式是：Emc2.4.粒子物理学到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成.20世纪30年代以来，人们认识了正电子、子、K介子、介子等粒子.后来又发现了各种粒子的反粒子(质量相同而电

17、荷及其他一些物理量相反).现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学.按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成.从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子.用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化.重点难点突破一、半衰期由什么决定，如何计算1.半衰期是研究衰变过程的一个重要概念.放射性元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量原子的样品，半衰期表示放射性元素的大量原子核有50%发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢，对某一个原子核而言，半衰期是无意义的，因此这个核何时发生衰变，会受到各种偶然因素的影响.同样地，当

18、样品中原子数目减少到统计规律不再起作用的时候，也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少发生衰变了，所以不能根据半衰期来推断放射性元素的样品全部衰变完所需的时间.2.决定因素：由原子核本身决定，与外部的物理条件、化学变化等因素无关.3.公式：N余N原()M余M原()式中N原、M原分别表示衰变前放射性元素的原子核个数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期.二、如何推断核衰变的次数两种衰变规律为XYHe，XYe.由此可知，衰变时其质量数、核电荷数都改变，衰变时只改变核电荷数，和衰变的问题时，必须先由质量数的变化来确定衰变的次数.三、怎样正确写出核反应方程解决这类问题的方法：一是要掌握核反应方程遵守质

19、量数守恒和电荷数守恒的规律；二是要熟悉和掌握教材中出现的重要核反应方程式，并知道其意义；三是要熟记常见的基本粒子的符号，如质子、中子、粒子、粒子、正电子、氘核、氚核等.另外，还要注意在写核反应方程时，不能无中生有，必须是确实存在、有实验基础的核反应.另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“”连接并指示反应方向，而不是用“”连接.四、三种射线在电场和磁场中偏转时有何特点三种射线在电场和磁场中偏转时有以下特点：1.不论在电场还是磁场中，射线总是做匀速直线运动，不发生偏转.2.在匀强电场中，和粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，粒子的偏移大.如图所示，粒子在电场力方向做初速度为零的匀

20、加速直线运动，位移x可表示为xat2()2.典例精析1.、三种射线的性质【例1】如图所示，x为未知放射性源，L为一薄铝片，N、S可以提供强磁场.当将强磁场移走时，计数器的计数率不变，然后铝片移开，则计数率大幅度上升，这些现象说明放射源是()【解析】铝片L已将射线挡住，故通过L的可能是射线和射线.当将强磁场移开时，由于不受强磁场的偏转作用，若含有射线，计数器的计数率增大，题意为不变，说明放射源中不含射线.将铝片移开，计数率大幅度上升，说明放射源中含粒子.【答案】D【思维提升】根据三种射线的不同特性进行判断.【拓展1】一天然放射性物质射出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示

21、)，调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线照射，下面的哪种判断是正确的(已知粒子比粒子速度小)(C)b点的一定是射线b点的一定是射线b点的一定是射线或射线b点的一定是射线【解析】射线不带电，在电场或磁场中它都不受场的作用，只能射到aE和B的大小，即可以使带正电的射线沿直线前进，也可以使带负电的射线沿直线前进.沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qEqBv已知粒子比粒子的速度小得多，当我们调节使粒子沿直线前进时，速度大的粒子向右偏转，有可能射到b点，当我们调节使粒子沿直线前进时，速度较小的粒子也将会向右偏，也可能射到b点，因此C选项正确，而A、B选项都不对.2.

22、半衰期【例2】(1)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是()C.把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的半衰期D.可以用来测定地质年代、生物年代等(2)设镭226的半衰期为1.6×103年，质量为100g的镭226经过4.8×103年后，有多少克镭发生衰变？若衰变后的镭、变为铅206，则此时镭、铅质量之比为多少？【解析】(2)经过三个半衰期，剩余镭的质量为M余M原()100×gg已衰变的镭的质量为(10012.5) g87.5g设生成铅的质量为m，则226m得mg所以镭、铅质量之比为125798【答案】(1)BDg；125798【思维提升】(1)半衰

23、期是原子核有半数发生衰变，变成新核，并不是原子核的数量、质量减少一半.(2)要理解半衰期公式中各物理量的含义.【拓展2】目前，在居家装修中经常用花岗岩、大理石等装修材料，这些岩石都不同程度含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗石会释放出放射性的惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放出、射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是(B)衰变所释放电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生。或射线产生，在这三种射线，射线的穿透能力最强，电离能力也最强D.发生衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4【例3】已知氮核质量mN53u，氧核质量m

24、054u，氦核质量mHe87u，质子质量mH15u，试判断核反应：HHeOH是吸能反应，还是放能反应？能量变化多少？【解析】先计算出质量亏损m，然后由1MeV能量代入计算即可.反应前总质量mNmHe40u反应后总质量mOmH69u因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收能量为Emc2(18.012 6918.01140)×931.5 MeV1.2MeV【思维提升】(1)根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损m的数值乘以真空中光速的平方，即Emc2.MeV，即Em×931.5 MeV.【拓展3】一个静止的U(原子质量为232.037 2 u)，放出一个粒子

25、(原子质量为4.002 60 u)后，衰变成Th(原子质量为228.028 7 u).假设放出的核能完全变成Th核和粒子的动能，试计算粒子的动能.【解析】反应中产生的质量亏损mmU(mThm9u反应中释放的核能Em×931.5 MeV5.5MeV在U核衰变过程中动量守恒、能量守恒，则0mvmThvThEmvmThv解以上两式得E(mv)2则粒子的动能EmvE×5.5 MeV5.41MeV第 3 课时单元综合提升知识网络构建经典方法指导本章知识是学习现代物理的基础，在复习时要采用系统理解、：(1)对每个概念、规律、现象有正确的理解，并弄清其来龙去脉，只有这样才能记忆深刻、明辨

26、是非、正确表达；(2)紧扣课本，重点掌握原子的核式结构理论、能级跃迁规律、反应方程中质量数和核电荷数守恒、衰变、衰变的规律；(3)对一些粒子的特性，如、等的属性要有清晰的了解，它们属于当今物理学的前沿、高能物理学的基础.2.主要解题方法本章中，最主要的解题方法有两种，其一是：枣糕模型、原子的核式结构模型、玻尔的原子模型、原子核模型、，必需弄清模型建立的实验基础或物理事实，理解模型建立的物理过程及物理条件、：衰变规律、核反应所遵循的物理规律、粒子在电磁场中运动的规律及动量和能量守恒规律，对于规律的运用，应明确规律成立的条件、适用范围，准确把握其物理意义.高考真题赏析【例1】(2009·

27、四川)氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n4的能级向n2的能级跃迁时辐射出可见光a，从n3的能级向n2的能级跃迁时辐射出可见光b，则()A.氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出射线B.氢原子从n4的能级向n3的能级跃迁时会辐射出紫外线C.在水中传播时，a光较b光的速度小D.氢原子在n2的能级可吸收任意频率的光而发生电离【考点】氢原子能级的跃迁.【解析】由题意知a光光子能量大于b光光子能量，a光频率大于b光频率，由v水，可知C正确.射线是原子核衰变而产生的，A错.E43<E32，而紫外线光子的能量大于可见光，故BeV的光才能使氢原子在n2的能级时发生电离，故D错.【答案】C【思维

28、提升】本题以氢原子能级跃迁为载体，全面考查了近代物理学中，射线的来源，水中光子频率与光速的关系以及电离的实质，是解题的关键.【例2】(2009·重庆)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为Q2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：806071以下推断正确的是()A.X是，Q2>Q1B.X是，Q2>Q1C.X是，Q2<Q1D.X是，Q2<Q1【考点】核反应方程、质能方程.【解析】由核反应中质量数、电荷守恒可确定X是m1(1.007 812.000013.005 7) u0.0021u，m2(1.007 815.0001

29、12.000 04.0026) uu，结合爱因斯坦质能方程Qmc2知Q1<Q2，故B正确.【答案】B【思维提升】本题是一道常规题，重点考查了核反应中电荷守恒、质量数守恒、质量亏损与质能方程等.【例3】(2009·江苏)在衰变中常伴有一种称为“中微子”，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中的核反应，间接地证实了中微子的存在.(1)中微子与水中的发生核反应，产生中子（）和正电子()，即中微子+可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是.(填写选项前的字母)A.0和0B.0和1C.1和0D.1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几

30、乎静止的整体后，可以转变为两个光子()，即+2已知正电子和电子的质量都为9.1×1031kg，反应中产生的每个光子的能量约为J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是.(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.【考点】核反应方程、动量守恒、能量守恒.【解析】(1)由核能反应中质量数守恒和电荷数守恒可知A正确.(2)由能量守恒有2E2mec2，所以Emec29.1×1031×(3.0×108)2J8.2×1014J反应过程中动量守恒且总动量为零.(3)粒子的动量p，物质波的波长由mn>me，知pn>pe

31、，则n<e【答案】(1)A(2)8.2×1014；遵循动量守恒(3)n>e【思维提升】本题物理情景新，核反应时仍满足动量守恒.高考试题选编1.(2009·全国)氦氖激光器能产生三种波长的激光，其中两种波长分别为10.6328 m，23.391的激光是氖原子在能级间隔为EE2表示产生波长为2的激光所对应的跃迁的能级间隔，则E2的近似值为(D)A.10.50eVB.0.98eVC.0.53eVD.0.36eV【解析】由跃迁公式得E1，E2，联立可得E2·E1eV，选项D对.2.(2009·全国)氢原子的部分能级如图所示，已知可见光的光子能量在1.

32、62 eV到3.11 eV之间.由此可推知，氢原子(AD)n1能级跃迁时发出的光的波长比可见光的短n2能级跃迁时发出的光均为可见光n3能级跃迁时发出的光的频率比可见光的高n3能级向n2能级跃迁时发出的光为可见光【解析】由Ehhn1能级跃迁时光子能量为EE2E1n2的能级跃迁时发出的光子能量为E3E2EE2，即1.89 eVE3.40n3的能级跃迁时，光子能量最高EE3n3能级向n2能级跃迁时光子能量EE3E2eV，D正确.3.(2009·天津)下列说法正确的是(BD)A.NHCHe是哀变方程B.HHHe是核聚变反应方程C.UThHe是核裂变反应方程D.HeAlPn是原子核的人工转变方程【解析】核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不同，衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现或粒子.聚变方程的左边是两个轻核反应，右边是中等原子核.裂变方程的左边是重核与中子反应，右边是中等原子核.人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反应，右边也是常见元素的原子核，由此可知B、D两选项正确.4.(200