高考物理复习原子结构

1、2008高考物理复习原子结构教学目的：1、使学生了解电子发现的意义、了解“粒子的散射实验结论和卢瑟福原子核式结构模型、了解原子核的电荷和大小、使学生了解玻尔的原子理论的内容、了解氢原子的轨道半径和能级、了解氢光谱的规律，玻尔原子理论对氢光谱的解释【学习指导】、原子结构模型是依据一定的实验事实想像出来的，但它合理地包含了当时所有已知的 原子信息。进一步获得的原子信息否定原有模型后，建立新的模型，不断迫近乃至完全正确地反映原子本身状况。、卢瑟福作a粒子散身实验，开始是想验证他的老师汤姆生的枣糕模型，并想获得更多 的原子内部信息，结果出现了他“一生中最难于置信的事”，“这就像你发射一颗 15英寸口径

2、的炮弹射向一张薄薄的香烟纸时，却被那张纸弹回来而打在你身上一样不可置信。”实验事实动摇了汤姆生模型。卢瑟福综合实验现象深思熟虑后，才提出他的核式结构模型。、卢瑟福实验用的金箔厚度大约是i0-7m这是根据金箔面积、质量、密度算得的。根据质量，还可算出金箔所包含的原子数，推算得金箔的厚度约为 400个金原子排列而成。金原子质量约是a粒子的50倍，实验中却只有少数 a粒子偏离原来路径，绝大部分 a粒子穿过400 层原子仍沿原运动方向且动能不变，并且有约占万分之一左右的a粒子偏转角大于 90。按常理，即使是子弹穿过稻草也要对其运动产生一些影响但决不会反弹。这只能表明原子内部必有很宽广的空隙，原子中应该

3、有一个体积很小、质量很大的核心。由此可见，物理模型的建立 必须以实验（或经验）为依据，并受到实验的验证。4、卢瑟福原子模型与玻尔模型的比较共同点：原子有带正电的核，原子质量几乎全部集中在核上。带负电的电子在核外绕 核运转。2不同点：卢瑟福模型中，电子绕核运转只需符合条件F =m（F为由库仑力提供的向心r力），r的取值是任意的，玻尔模型认为电子绕核运转的轨道半径r不是任意的，只能取某些不连续的数值。5、从汤姆生原子模型到卢瑟福原子模型，是认识上的质的飞跃。卢瑟福原子模型不能解 释氢光谱规律，按卢瑟福模型，核外电子不断辐射能量（加速运动），将沿螺线形轨道运动，约在10-11S时间内即掉入原子核。1

4、C、根据玻尔理论，氢原子某一定态能量对应其电子轨道半径r n,且En =吃E1, rn = n2r1。n原子各个定态的能量值是相对的，而能级间的能量差值是定值。在原子能级跃迁的同时，电子轨道在作相应的改变。当然，电子轨道的改变，也可反映出原子能级的跃迁。原子能级跃迁时伴随着发射（或吸收）某一频率的光子，两能级间能量差E =Em -En =hv即v=m或儿=-c h hE原子吸收能量（光子）实现能级跃迁时，只吸收能量值与原子某能级差值相等的光子，否则则不予理睬。但是，光子能量超过了原子电离所需能量时，则原子吸收其电离所需能量，余下 的能量转变成电子摆脱原子束缚后的动能。7、玻尔理论由于引入量子概

5、念，所以能很好的解释氢原子光谱，这是其成功之处。但对 比较复杂的原子，玻尔理论与实际出入很大， 这是由于过多保留了经典物理理论造成的。这是玻尔理论的局限之处。8、电子云是量子力学描述原子概况的一种形象化表达方法。量子力学才客观地反映原子 概貌，并使玻尔理论由假设变成理论推导的必然结果。【疑难辨析】1、原子能和原子能级原子能是指在核结构发生变化时释放出的能量。原子能非常巨大，是开辟新能源的一条主要途径。原子能级是指原子处于稳定状态下所具有的能量是指原子各部分、各种形式的能量的总 和。由于原子的稳定状态（定态）是不连续的。只能处于某几个特定的状态下，所以它们对应的能量值也是不连续的，形成“级”。原

6、子从一个能级变到另一能级状态时，只能“跃迁”而不 是渐变。2、氢原子的电子能级与原子能级氢原子只有一个质子和一个核外电子，由于原子核（质子）的质量比电子质量大得多， 可以认为原子核是静止的，这样氢原子的总能量就是核与电子间的相互电子间的相互作用势能和电 子绕核运转的动能之和。 原子中的电子处在不同的运动状态下，对应着这些状态， 电子便具有不同的势能和动能，即具有不同的能量值，这就是电子能级，在认为原子核不动的前提下，不 计核的能量，电子能量的变化也就是原子总能量的变化。所以可以将氢原子的电子能级当作原子的能如3、为什么氢原子的能级是负值？计算两位置间的电势能之差时，与零电势能点的选择是无关的，

7、但在具体选择零势能时， 都是有一定的含意的。在计算氢原子核与电子间相互作用的势能时，取电子离核无穷远处为零势能点。设某一时刻电子绕核转动的轨道半径为2rn =n r1 ,并设这时电子运转速度为vn ,因为电子的向心力所以这时电子的动能为Ek12 ke2=-mvn =一22rnke22n2 rl电子的电势能为Epke2n2rlke22n2riEv二 h1.89 1.6 10,96.63 10国Hz =4.561 1014 Hz真空中的波长c 3 108v 4.561 1014m =6.578 10 m这时氢原子所具有能量为 E=EK+&=彗:一万2n r1 n r1用具体数据代入，计算结果氢原子

8、的能量总是负值。【典型例题分析】例1、a粒子散射实验是让 a粒子射向金箔去碰撞金原子，结果发现：绝大部分a粒子穿过金箔后不发生偏转，少数 a粒子发生偏转，有的偏转角度很大。(1)为什么有的a粒子会发生大角度的偏转？ ( 2)当a粒子距金原子核中心1.0M10,2m时，受到的库仑力多大？(已知金原 子核所带电荷为79e)。分析与解答：(1)按照卢瑟福原子模型可知， 原子中全部正电荷和几乎全部质量都集中在很小的体积内，即原子核内，核外分布着带负电的电子。当 a粒子穿过金原子时，如果离核较 远，受到原子核的库仑斥力就很小，运动方向的改变就很小。但是，其中很小一部分a粒子在穿过金原子时，可以很靠近原子

9、核，这些a粒子受到核的库存仑斥力就较大，所以它们的偏转角度也较大。(2)金原子核所带电荷 q1=79e, a粒子所带电荷q2=2e,当它们相距r= 1.0父10,2 m时， “粒子所受的库仑斥力为：qn79e 2e 9 79 2 (1.6 10,9)2F=k+：2=k 2=9 109(12 2 ) N =3.64Nr2r2(1.0 10 )2例2、当氢原子从第三能级跃迁到第二能级时，氢原子发出光子的频率和在真空中的波长 是多少？分析与解答：从氢原子能级图上可得E =E3 -E2 =一1.51(3.4)ev=1.89ev光子能量hv=E1。故光子的频率例3、氢光谱中a、b两条谱线的波长分别为 h

10、=6.564父10二m和友=4.34M10m。电子质量为m=9 1 M10kg ,普朗克常量取h=6 63M10&J求：当氢原子发出波长等于入a时它从哪一个能级跃迁到哪一个能级?(2)当用波长等于入的光照射时，能使氢原子从哪一个能级跃迁到哪一个能级?(3)要使处于基态的氢原子的核外电子成为自由电子需要一次供给它多少能量？(4)如果把13.6ev的能量供给处于第二能量级的氢原子，使它的电子摆脱原子核束缚成为自由电子，此自由电子具有多大动能 ？分析与解答:(1)氢原子辐射光子的能量Ea =也=ha aJ =1.89ev6.63 10 聿 3 1086.654 107从氢原子能级图中可知，第 2,第

11、3能级间的差值恰是 Ea ,又因为是辐射能量，因而氢 原子从第3流能级跃迁到第 2能级。氢原子吸收光子的能量 Eb为cEb =hvb =h ,bJ =4.58 10,9J=2.86ev6.63 10勿 3.0 1084.340 10 1从氢原子能级图中可知第2、5能级间的差值恰 E。因为是吸收能量，所以这样的光子使氢原子从第2业能级跃迁到第5能级。处于基态的电子要成为自由电子需从第1能级跃到n=8能级，故应一次至少供给他能量 13.6ev。处于第2能级的氢原子的电子挣脱氢核束缚需吸收的能量为3.40ev,剩余能量转变成电子动能，因而电子动能Ek =(13.60 -3.40)ev=10.20ev

12、例4、氢原子处于n=1能级时，核外电子轨道半径r1 =0.53M10/m ,已知电子质量me =9.1父1041 kg ,电子电量=1.6X109C ,求在能级n=3时电子轨道半径 y 在n=3时, 电子绕核运转的速度 v3,动量P3和周期T3。分析与解答：由公式 rn =n2rl得3 =32rl =9M0.53M10/m=4.8M10/0m电子在n=3的轨道上作匀速圆周运动的向心力为核对它的库仑力, . v e2所以有me 一 二 k 33由此得n=3能级时，电子的速度、动量、周期分别:V3I至I 9当09(1.吧,9)2 m，/ =7 3 M 1。5 m/me3. 9.1 10* 4.8

13、10 40 ssP3际丫3= 9.1 父1031M7.3父015kg ms =6.6父1044kgT32飞丫32 34 4.8510 0 s=4.1 10%7.3 1015【同步练习】1、卢瑟福a粒子散射实验中有少数 a粒子发生较大角度的偏转，这说明A、少数a粒子大角度偏转是实验误差所致B、a粒子带正电荷C、原子的全部正电荷都集中在很小的核上D、原子内部的正电荷是均匀分布的2、a粒子散射实验的意义在于（）A、发现电子BC、为原子的核式结构奠定了实验基础、否定了汤姆生模型D、可估算出原子核的大小3、根据玻尔理论，在氢原子中，量子数A电子轨道半径越小BC、原子能级的能量越小Dn越大则（）、核外电子

14、速度减小、原子的电势能减小4、如图是a粒子散射的示意图,M, N是原子核的等势面，A、B两点分别位于不同等势面上。下面分析正确的是（）A 、a粒子在A处的速率比B处大B、在A、B两处，a粒子的加速度方向都不可能与速度方向一致C、系统的电势能在 A处大于B处D、散射中系统的总能量守恒5、氢原子从基态跃迁到n=2的能级时吸收的光了频率为v,则它从n=2的能级跃迁到 n=3的能级时所吸收的光子频率是（）1r1A、- v B 、一 v346、玻尔理论成功的解释下列光谱中的A、氢原子的发射光谱和吸收光谱C、各种吸收光谱D15C 、 v D 、v927（）B 、各种明线光谱、连续光谱7、一个氢原子处于第

15、3能级时，外面射来一个波长为6.63父10，m的光子，下列说法正确的是（）A、氢原子不吸收这个光子，光子穿过氢原子B、氢原子被电离，电离后电子的动能是0.36evC、氢原子被电离，电离后电子的动能为零D、氢原子吸收光子，但不电离8、已知氢原子的Ei = 13.6ev,E2 =3.4ev, E3 =-1.51ev,处于基态的氢原子必须吸收能量AE后才能发射出巴耳末线系中的第1条谱线H”则AE的值为（）A、1.98ev B 、10.02ev C 、12.09ev D 、13.60ev9、氢原子核外电子从外层轨道向内层轨道跃迁时，电子动能增量为AEk ,电子电势能的增量为AEp,则下列结论中正确的是

16、（）A、三0,生 p0, g+岭=。 B 、g 0,阻+AEp =0C、AEk 0, iEp 0 D 、EE 0, AEp 0, AEk+AEp bc这三个能极间，跃迁发射的光子频率分别为Vab,V ac,V bc,所对应的波长分别为 1b , Zac , Zbc ,则三个频率间的数量关系是Vac=三个波长间的数量关系是 Zab =。15、按照玻尔理论，氢原子处于量子数n-2和n-3激发态时，其相应的原子能量的数值之比为 E2:E3=.【练习答案I1、C 2、C 3、B 4、A, B 5、D 6、A 7、B 8、C 9、D10、10-10, 10-15-10-14,万亿11、6, 4, 1,

17、4, 3,帕邢12、电势能，动能，负，增大，减少，增大，吸收13、10.2, 1.218 10，ab bc14、Vab +Vbc ;-ab bc15 、9:4高三原子物理（第2讲）主讲教师：许逢梅主审教师：王溢然【教学内容、目标】教学内容：原子核教学目的：1、了解天然放射现象和放射性元素的衰变规律；2、半衰期及其计算；3、了解质子、中子的发现过程和核反应方程；4、了解结合能和平均结合能的概念；5、了解质能方程和质量亏损，并能进行有关计算。【学习指导】1 、放射性元素：不管是单质形式还是化合形式存在，都可发出射线。且放射性强度不受 物理作用和化学作用的影响。2、三种射线的比较符号组成带电量质鱼穿

18、透物 质本领对气体电禺 作用在电、磁场中偏折 情况a射线24He氨核也e4u取习习最强偏折3射线%电子-e1 u 1840较强次之偏折较大丫射线丫00最强取习习不偏折3 、衰变规律：若用 X、Y分别表示衰变前后元素的原子核用M Z分别代表衰变前的核质量数和核电荷数，则“衰变时：MXTHYHe3 衰变时：M X-ZMY+je丫衰变只能伴衰变时出现，不会单独出现，它仅是在a衰变或3衰变时放出的一份能量，不改变核的质量数和核电荷数。无论是a衰变和3衰变，衰变前后都遵循电荷守恒，质量数守恒等物理规律。 这也是今后接触到的其他核反应方程所遵循的一般规律。t4 、根据半共期的意义，由数学知识可得经过时间

19、t剩余的未技变的原子数 N =N0 (-)T ,式中T为半衰期，N为原有原子数。因为每个相同原子的质量是相等的，故由上式可得未衰变工质量数为m =m0(，T 。2微观现象的规律是统计规律，半衰期表明的是大量原子衰变的平均速率，它并不表示个别原子经过多长时间将要衰变。5、放射现象使人们意识到原子核有复杂结构、卢瑟福实现原子核的人工转变，打开原子核的神秘大门，并发现质子，大量实验证明质子是原子核的组成部分。6、卢瑟福根据核质量数和核电荷数假说中子，这个预言被查德威克实验所证实。原子核 的组成从此得到圆满解决。7、根据库仑斥力未能拆散原子核而提出核力假说，得到实验证实，核力的本质则还在探 索之中。8

20、、核反应方程是根据实验所确定的实际反应来写的，并不是简单地只要质量数守恒和电 荷数守恒就可随心所欲地写。反过来，实际的核反应则一定遵循质量数和电荷数守恒以及能量 守恒等基本规律。在应用质量数和电荷数守恒时：（1）根据核反应方程两边电荷相等可推算出未知核（或粒子）的电荷数，从而确定该元 素的原子序数。（2）根据核反应方程两边的质量数相等，可推算出未知数（或粒子）的质量数（3）由元素周期表或基本粒子特征，可确定未知元素，（或粒子）完成核反应方程的平衡。9、同位素指在元素周期表上处于同一位置的元素，从原子核组成上看，质子数（核电荷 数）相同而中子数不同的原子互称同位素。10、放射性同位素用途很广，

21、现已形成一门独立的应用放射学。主要利用它的射线利用它作示踪原子。11、半径很小的原子核中聚集着带正电荷的质子，质子间的库仑斥力并没有把原子核拆散而显得相当稳定，说明核子间存在着比库仑力强得多的另一种力一一核力。强大的核力使原子核的分解和聚合都伴随着巨大的能量变化。这是核能研究的前提。12、爱因斯坦的相对论揭示了物体的质量和它蕴藏着的能量之间，有E=m（2的关系，这就是著名的质能方程。质能方程打破了物体质量一成不变的传统观念，建立了质量随能量变化的新理论、由它可得到：原子核向外释放核能后，原子核的质量也相应有所减少。核反应中的质 量亏损，为研究核能提供了依据。13、将一个微观粒子放在加速器中，不

22、断向它提供能量，使它的能量增加到某一值。根据 质能方程，它的质量也相就增加到某一值。这是质能方程所揭示的质量和能量间的对应关系， 并不是“质量的产生”。相反，也不存在“质量的消灭”。14、使用质能方程时，如果质量单位取千克，光速单位取米/秒，则能单位为焦，而具体计算时，能的单位常用电子伏特，1电子伏特6。-19焦。15、原子核受到入射粒子轰击时，能产生的核反应过程往往不止一种。例如铀核的裂变， 有时裂变成氤和锯，有时裂变成钢和氟，也有时裂变成睇和铝，同时放出几个中子。如：235u+0n15461Ba+92Kr 以n235U Jn 15：Xe 90Sr 10jn个别情况下，铀核还可以分裂成三部分

23、甚至四部分。必须指出的是，所有的核反应方程都有一定的实验依据，切不可不顾事实杜撰核反应方程。16、链式反应产生的条件： 原子核裂变时放出的这些中子在碰到另外原子核之前不能跑到反应物块外面去（即反应物块小于临界体积），这是内因，外因是开始时要有轰击反应物原子核的中子激发。17、核反应堆是控制链式反应的装置，是核电站的核心。铀棒是核燃料，石墨是使快中子 变成慢中子（有利反应）的减速剂，镉棒是用来吸收中子控制反应速度的。18、轻核聚变可释放更多的能量，但它必须在几百万度高温下进行，这样才能使原子的核外电子全部脱离，并且一部分原子核具有足够的动能克服库仑斥力，靠近到聚合距离，从而发生聚变。控制热核反应

24、是目前世界科学研究的前沿阵地，一旦付诸实用，这将是一次重大的能源革命。【典型例题分析】例1、29oTh ）经过一系列“和3衰变，变成28；8 Pb （铅）（）A、铅核比社核少8个质子B、铅核比社核少16个中子C、共经过4次a衰变和6次3衰变D、共经过6次a衰变和4次3衰变分析与解答：根据核电荷数等于质子数，中子数等于质量数减去质子数，知A、B正确,又根据a、3衰变规律知 D正确。例2、若元素A的半衰期为4d,元素B的半衰期为5d,则相同质量 A和B,经过20d后,剩下的质量之比mA : mB 为分析与解答:,1、20/4由mA = mA （一） 二 mA21 20/5mB =mB （-）g）5

25、1 4mB（2）相比得mA:mB =1:2例3、A、B原子核静止在同一匀强磁场中，一个放出 a粒子，另一个放出3粒子，运动方向均跟磁场垂直，它们在磁场中的运动径迹及两个反冲核的运动径迹几图（ 为a粒子的运动径迹 为3粒子径迹。1）,则可以判定图1分析与解答：因反冲核与放出粒子的运动方向相反，所以形成两外切圆的为 a粒子，两内2切圆的为放出3粒子因反冲核和放出粒子在磁场中作圆周运动时，由 Bqr =mv-得R=mV ,rBq衰变中反冲核与放出粒子动量等值，故 Roc-,于是知1为“粒子径迹，3为3粒子径迹。q例4、已知质子质量是1.007277U ,中子质量是1.008665u , ：Be的质量

26、是9.012186u ,试计算质子和中子结合成一个9Be释放的能量是多少？(已知 1u=1.660566 X107 kg)分析与解答：核反应方程应为4；H刊z：Be反应过程中质量亏损和释放的能量分别为. ：m=(4 1.007277 5 1.0086659.012186)u =0.060219u =9.999762 1029kg _ 2J?98 2E = m C =9.999762 10(3 10 ) J =56MeV当然，也可利用每个原子单位质量1u对应的能量为931MeV进行计算。例5、被核和一个a粒子结合成一个碳核，同时以辐射一粒子光子的形式释放能量。已知 被核，a粒子和碳核的质量依次为

27、m, 你和m3,真空中光速为 C,普朗克常数为h,那么所辐射的光子在真空中的波长为 。分析与解答：据核反应释放能量AE=(m1 +m2 -m3)C2 ,光子能量E =曳，得波长九h_八一2 (m1 m2 -m3)C例6、已知笊核质量为2.0136u ,中子质量为1.0087u,氨核质量为3.0150u。(1)写出两 个笊核聚变成氨核的方程。(2)若释放的核能有37%专化为机械能，且两核是以相等的动能 0.3 兆电子伏对心碰撞，求在反应后产生拟核及中子各具有多少功能。分析与解答：(1)核反应方程：2H+2HT 3He+0n所=(2父2.0136 -3.0150 -1.0087)u =0.0035

28、u释放的核能.正=.:mC2 =0.0035uC2 =0.0035 931MeV =3.26MeV两核相互作用时的总机械能E0 =（3.26 37% 0.3 2）MeV ： 1.8MeV设反应后氢核和中子的速度分别为V1, V2,由反应中动量守恒，机械能守恒得 TOC o 1-5 h z 、，、， L1、，21、，2m)HeV1 =mnV2, E0 =-mHeV1-mnV222则 V2=3%，代入得 Eo =4 1mHeV12mn2所以反应后氨核和中子的动能分别为EKHe =1mHeV12 =E0 =0.45MeV ,2412E Kn = mnV2 = E0 EKHe =1.35MeV 2【同

29、步练习】1、一个原子核X经过“衰变和3衰变后变成稳定的核Z,其衰变过程为 aXOCY feZ ,下面关系式中，正确的是（）A、a=c+4B c=e+1C、f=d+1D b=f+12、下面对某原子核衰变的描述中，正确的是（）A、放出一个3粒子后，它的中子数减少 1 ,原子序数减少1B、放出一个a粒子后，它的中子数和质子数都减少2C、放出一个3粒子后，它的质量数不变，它的质子数增加1D、放出一个a粒子后，它的质量数减少 4,它的中子数减少 23、原有甲、乙两种放射性元素，质量分别为m甲、m乙、甲的半衰期为15天，乙的半衰期为30天。经过60天后，两种元素的质量相等，那么原有的质量m甲与m乙的比为（

30、）A、4:1B 1:4C、2:14、两静止的匀强磁场中的放射性元素核，其中一个发生衰变和3衰变+运动方向均垂直磁场, 动轨迹，则下列判断正确的是a、b、c、分别表不D、1:2a衰变，另一个发生 3衰变。” a粒子+ 3粒子及另两反冲核的运A、a为 B、b为 C、a为 D、b为粒子轨迹,粒子轨迹,粒子轨迹,粒子轨迹,【 ）c为3粒子轨迹c为3粒子轨迹 d为3粒子轨迹 d为3粒子轨迹乙5、下列核反应方程中,哪些是平衡的？（A、1：B+（a粒子）t；N十；HB、（质子）t 0n+_HeC、1；N+4h-1O+（质子） TOC o 1-5 h z D、2；Al+（中子）T27Mg+；H I w I -

31、J 1 r t -I6、中子比质子较易贯穿原子核，其主要原因是（）A、中子比质子体积小日中子比质子运动快C、中子比质子能量小D中子不带电7、氢、笊、瓶是同位素，因为它们（）A、具有相同的质量已具有相等的中子数C、具有相等的质子数D具有相同的化学性质8、一个笊核和一个瓶核结合成一个氨核时，释放 17.6MeV的能量，则2g和3g瓶完成聚 变后释放的能量是（No为阿佛加德罗常数）（）A、5M17.6MeVB 2No x17.6 MeVC、No 17.6 MeVD 5No 17.6 MeV9、氢核、中子、笊核的质量分别是m、m、m,那么笊核的结合能是（）A、mC2B （m1+m）C T282Bi+e属于C、（m3-m1-m2）C2D （m1+m-m3）C210、当一个中子和一个质子结合成笊核时，产生丫光子辐射，对这一实验事实，下列说法正确的是（）A、核子结合成原子核时，要放出能量B、原子核分裂成核子时，要吸收能量C、丫光子的质量为零，笊核质量等于中子与质子质量之和D、丫光子具有一定的能量，笊核质量小于中子与质子量之和11、首先发现放射性现象的科学家是 ,发现放射性元素针和镭的科学 日 豕 o12、238U 寅期成234Th时释放出粒子。234Th亮期成234 Pa时释放出92 U90 Th 口C 干/|H J