高考原子物理

一、知识脉络按照原子物理学发展史，以原子结构的三个认识（汤姆孙模型、核式结构模型、玻尔理工转变、裂变、聚变）为节点，形成原子物理学的知识链。汤姆孙模型粒子散射实验玻尔理论核反应方程质能方程核能的计算核能的利用二、命题特点高考原子物理试题总体体现新课改的理念和要求,遵循“来源于教材,不拘泥于教材”的原则,注重基础,着重考查学生的能力，是每年高考必考的内容。命题集中在原子核式结构与结合能与核能计算等方面。试题呈现方式多数以选择、填空为主。能力考查方式是以识记理解为主兼顾分析推理。11、原子核式结构与α粒子散射实验：例1、（2013高考福建理综第30(1)在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是____解析：粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核。αα粒子散射的原因是原子核对其有库仑斥力的作用，离核越近，斥力越大，偏转越明显，由于α粒子带正电，受到原子核的排斥，两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是C。2、玻尔原子理论与原子能级跃迁：(2013高考江苏物理第12B题)根据玻尔原子结构理论，氦离子（He电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上+离氦核的距离___▲____当大量He处在+n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有___▲____条。解析：电子处在n=3轨道上比处在n=5轨道上离氦核的距离近。当大量He处在n=4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有+3+2+1=6条。答案为：近63、原子核衰变与半衰期（2013全国高考大纲版理综第16题）放射性元素氡（）经α衰变成为钋Po，半衰期为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石，其原因是（）A．目前地壳中的主要来自于其它放射元素的衰变B．在地球形成的初期，地壳中元素的含量足够高C．当衰变产物Po积累到一定量以后，Po的增加会减慢的衰变进程D．主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期解析：目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素的矿石，其原因是目前地壳中的主要来自于其它放射元素的衰变，选项A正确。4、核反应方程与反应类型（2013高考重庆理综第2反应：Unab2n则a+b可能是2359210102A．XeKrB．BaKrC．BaD．Xe1405493361415692361415693381405438解析：由核反应遵循的质量数守恒可知a+b的质量数之和为234，由核反应遵循的电荷数守恒可知a+b的电荷数为92，所以a+b可能是Xe，选项D正确。14054385、结合能与核能计算（2012全国新课理综第35题）氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量，该反应方程为：H＋H→He＋x，式中x是某种粒子。已知：H、H、He和粒子x的质量分别为2131422131422.0141、3.0161、4.0026u和1.0087；1u＝931.5MeV，由上述反应方程和数据可知，粒子x是________，该反应释放出的能量为________MeV(结果保留3位有效数字)．Emc解析热核聚变的核反应方程为H＋H→He＋n，所以x为n(或中子)。＝2＝2131421010(2.0141＋3.0161－4.0026－1.0087)×931.5MeV＝17.6MeV。三、复习指要1.把握好知识的宽度及深度看出，原子结构部分要求掌握氢原子的结构及能级公式，但高考试题中仍然把原子核式结构与α粒子散射实验作为考试热点，在复习中应引起重视。原子核部分要求：①知道某些原子核会发生衰变，会用半衰期表示衰变的速度，了解衰变的应用。②知道α射线、β射线、γ射线及其特性，知道射线对生物体的作用，列举射线的主要应用，知道射线的危害和防护。③初步了解放射性同位素概念以及应用。④知道核裂变和链式反应，初步了解反应堆的类型和工作原理，知道核电站的工作模式。⑤知道核聚变，关注可控聚变反应的研究进展。原子核部分与原高考相比增加了核力与结合能两个知识点，2012年的江苏物理卷与2013全国新课标理综II能力的考查点以识记为主。2.重要考点和难点分析高考原子物理部分的重要考点有：人类探索原子和原子核结构的物理学史，卢瑟福α粒子散射实验，原子核式结构，玻尔原子理论与能级跃迁，原子核的组成，α射线、β射线、γ射线及其特性，原子核衰变与半衰期，放射性同位素概念以及应用，核反应方程与反应类型，核力与结合能，质能方程与核能计算，核裂变和链式反应，核聚变与可控热核反应。高考原子物理的难点有：汤姆孙模型、核式结构模型、玻尔模型的对比，对氢原子能级及跃迁的理解，α射线、β射线、γ射线的比较，理解半衰期，掌握核反应的守恒规律和核能计算。3.突出重点、突破难点的有效策略（1）关于原子的结构与原子核。要注意人类对原子结构的认识过程和先后顺序,可用列3表或箭头推理形式复习。三个原子模型的对比,,,,究（2）关于玻尔理论对氢光谱的解释。玻尔理论的实质是经典理论加量子理论,即把量子假说用于原子核式模型上。E当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子电势能减小，电子动能增大，原子总能量p减小，反之，轨道半径增大时，原子电势能增大，电子动能减小，原子能量增大。（3）对跃迁的理解①氢原子从低能级向高能级跃迁：吸收一定频率的光子，当光子的能量满足νE＝－末4E时，才能被某一个原子吸收，否则不能吸收。初②氢原子从高能级向低能级跃迁：以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时两能级间的能量差。③电离：当光子能量大于或等于原子所在处的能级时，也可以被氢原子吸收，使氢原子电离，多余的能量作为电子的初动能。n④光谱线条数：一群氢原子处于量子数为的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为Nn(n＝C22n被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能量差值，均可使原子发生能级跃迁。（4）三种射线的性质比较：（5）α衰变和β衰变的比较：（6）关于α衰变和β衰变次数的确定(1)方法一：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数。xy(2)方法二：设α衰变次数为，β衰变次数为，根据质量数和核电荷数守恒列方程求解。5（7）对半衰期的理解及应用t半衰期指放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。①公式：1，式中m2mM为该元素的剩余质量，M为该元素原来的质量，t为经过的时间，τ为半衰期。半衰期反映了核衰变过程的统计快慢程度，公式只适用于大量某种放射性元素的核。②特征：只由核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态和化学状态无关。（8）核反应和核反应方程(质量亏损)且释放出核能．遵循电荷数守恒．原子核反应一般可分为四类：天然放射性现象αβγ(衰变、衰变、衰变)、人工转变、重核裂变、轻核聚变．不管是哪一种核反应，都遵从质量数(或核子数)守恒和电荷数(或质子数)守恒，这是书写和检验核反应方程式的原则．（1）原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应，核反应包括天然xyX＋→Y＋，AZ′′xy其中X是靶核的符号，为入射粒子的符号，Y是新生核的符号，是放射出的粒子的符号．AZ′′（2）核反应遵循下列规律①电荷守恒：反应前后的电荷数不变．②质量数守恒：反应前后的总质量数不变(反应前后的总质量可能发生变化)．③动量守恒：反应前后系统的总动量不变．④能量守恒：反应前后系统的能量形式可以发生变化，但总能量(包括和质量相联系的能量)不变．注意：核反应过程一般是不可逆的，所以核反应方程只能用单箭头表示反应方向，不能用等号连接；写核反应方程一定要以实验为基础，不能只依据守恒规律凭空杜撰出生成物来写核反应方程．（3）几个重要的核反应方程：卢瑟福发现质子的方程：N＋He→O＋H；查德威克发1474217811现中子的方程：Be＋He→C＋n；约里奥－居里夫妇发现人工放射性的方程(发现正电子)：944212610Al＋He→P＋nP→Si＋271342301510301530140＋1（9）核力和核能（1）核力：原子核内的核子间存在相互作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。特点：①核力是强相互作用力的一种表现．②核力是短程力，作用范围在1.5×10m之内。③每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和－15性。（2）核能：①结合能：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能。比结合能：原子核的结合能与核子数之比．比结合能越大，表示原6子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。②核能的计算：根据爱因斯坦质能方程，用核子mEmc结合成原子核时质量亏损(Δ)乘以真空中光速的平方．即Δ＝Δ.计算核能时要注意：2mEmcm若Δ以kg为单位，则按Δ＝Δ计算；若Δ原子质量以u为单位，则按Δ＝Δ×Em2m931.5MeV计算．(Δ为反应前后质量亏损)。③核能的获得：a．重核的裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程．重核裂变的同时放出几个中子，并释放大量核能．为使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积．常用核反应：U＋n→Ba＋Kr＋3nb．轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释235921014156923610放大量的核能．要使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万开尔文以上的高温，所以聚变反应又叫热核反应．常用核反应：H＋H→He＋n＋17.60MeV。④应用：重核裂变：原子弹，21314210原子反应堆；轻核聚变：氢弹、可控热核反应．关于核能的计算(1)方法一：根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损(Δ)的千克mcEmc数乘以真空中光速(＝3×10m/s)的平方，即：Δ＝Δ(焦耳)。28(2)方法二：根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量，用核子结合成Em原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV，即Δ＝Δ×931.5MeV。(3)方法三：如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能。4.复习备考的有效策略（1）精读教材，熟练掌握教材内容，加强对基本概念和规律的理解。抓住原子结构和原子核反应两条主线，对原子部分复习时，突出原子核式结构模型、玻尔的原子跃迁理论等知识；复习原子核部分时，突出原子核衰变、核反应方程等知识，对衰变、半衰期、原子核的人工转变、核裂变、核聚变、质能方程、核反应中质量数和核电荷数守恒等知识要加强记忆。（2）关注科技前沿的知识，对与现代科技相联系的题目，应足够重视。（3）关注高考热点，理解与记忆相结合。对氢原子能级结构和公式、核反应方程的书写、质能方程、玻尔理论、光电效应等要适度深入复习，注意综合题目的分析思路、强化典型题目的训练四、典例选析知道原子核的组成。知道放射性和原子核的衰变。会用半衰期描述衰变速度，知道半衰期的统计意义。了解放射性同位素的应用。知道射线的危害和防护。知道裂变反应和聚变反了解常用裂变反应堆的类型。知道核电站的工作模式。会根据质量数守恒和电荷守恒写出核认识原子核的结合能。通过核能的利用，思考科学技术与社会的关系。71.（2013全国新课标理综第35题）关于原子核的结合能，下列说法正确的是（A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量）B．一重原子核变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．铯原子核（Cs）的结合能小于铅原子核（Pb）的结合能1335520882D．比结合能越大，原子核约不稳定E．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量小于该原子核的结合能解析：比结合能越大，原子核约稳定，选项D错误。自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E错误。选项ABC正确。能力。对于了解知道类选择题，可应用知道的知识分析各个选项，迅速得出答案。2.（2013高考上海物理第7题）在一个U原子核衰变为一个原子核的过程中，发生β衰变的次数为（）(A)6次(B)10次(C)22次(D)32次解析：一个U原子核衰变为一个原子核的过程中，发生α衰变的次数为（238-206）÷4=8次，发生β衰变的次数为2×8-(92-82)=6次，选项A正确。n3.如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外辐射出光子，用这些光子照射逸出功为2.49eV的金属钠，下列说法中正确的是()nA.这群氢原子能辐射出三种频率不同的光，其中从＝3能n级跃迁到＝2能级所发出的光波长最短B.这群氢原子在辐射光子的过程中电子绕核运动的动能减小，电势能增大C.能发生光电效应的光有三种D.金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为9.60eVnn解析本题考查了氢原子能级跃迁、光电效应方程．从＝3能级跃迁到＝2能级所发出的光频率最小，波长最大，选项A错；氢原子在辐射光子的过程后，轨道半径减小，动能n增大，电势能减小，总能量减小，选项B错；从＝3的激发态向较低能级跃迁的过程中向外辐射出光子的能量分别为：1.89eV、12.09eV、10.2eV，能发生光电效应的只有两种，选项C错；辐射光子的最大能量为12.09eV，所以金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为(12.09－2.49)eV＝9.60eV，选项D正确．84.（2013高考山东理综第38题）恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应。当温度达到10K时，可以发生“氦燃烧”。8①完成“氦燃烧”的核反应方程：He+4→Be+γ。824②Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10s。一定质量的Be，经7.8×10s84-1684-16后所剩Be占开始时的8。4答案：He1/8或12.5%42解析：①由核反应满足的质量数守恒和电荷数守恒可得“氦燃烧”的核反应方程：He+He→Be+γ。424284②经7.8×10s即三个半衰期后所剩Be占开始时的（1/2）=1/8。-1684352013高考天津理综物理第1题）下列说法正确的是（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.α射线、β射线、γ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：原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量数守恒的规律，衰变，放出能量，有质量亏损，质量不守恒，选项A错误。α射线、β射线都是高速运动的带电粒子流，而γ射线是电磁波，选项B错误。根据波尔理论，氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子，选项C正确。发生光电效应时光电子的动能与入射光的强度无关，只与入射光的频率有关，选项D错误。6.（2013高考广东理综第17题）铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应nBaKr3n，下列说法正确的有（）U921144568936100A．上述裂变反应中伴随着中子放出C．铀核的链式反应可人工控制B．铀块体积对链式反应的发生无影响D．铀核的半衰期会受到环境温度的影响解析：根据题给裂变反应方程，可知上述裂变反应中伴随着中子放出，选项A正确，铀块体积对链式反应的发生有影响，只有铀块体积大于临界体积时才能发生链式反应，选项B错误。铀核的链式反应可人工控制，铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，选项C正确D错误。故AC选项正确。五、命题趋势探讨趋势分析：2014技成果进行考查，分值在6分左右，难度不会太大。“联系实际，联系生活，联系高科技”已成为高考命题的趋势，考查内容体现时代气息，用新名词包装的试题增加．试题越来越重视知识的联系，体现学科的综合性．近年近代物理试题中出现不少中学教材中设有的新知识9背景，如超重元素、双电荷交换反应、俄歇效应、原子内层空位产生的内转换机制、μ氢原子等．在训练学生读题时，要引导他们尽力将新情境中的问题与已学过的知识联系起来，在还是考查课本上的知识点，只是对学生的能力要求提高了，要真正理解才能变通．热点预测：近代物理部分相对独立，主干知识是原子的量子化结构和核能，复习时要围绕玻尔理论、衰变规律和爱因斯坦质能方程等重点知识进行．模块内的综合主要是近代物理知识与动量守恒定律的综合．利用碰撞探究微观粒子的规律是高能物理常用的研究手段，如α粒子散射实验．α粒子与氮、铍、铝的碰撞分别发现了质子、中子和放射性同位素，加速器、对撞机等都是研究核物理的常用工具．1、氢原子的能级如图6－10所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV～3.11eV，下列说法错误的是(．．)图6－10A．处于＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离nnB．大量氢原子从高能级向＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应nC．大量处于＝4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nD．大量处于＝4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2现有三个核反应：①→＋____；②＋→n＋＋____；③＋→＋____．U9236HH24112412235921014156213142完成上述核反应方程，并判断下列说法正确的是(A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变)3[2009年高考〃重庆理综卷]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Q1Q2＋→＋＋