专题十六原子结构和原子核

专题十六原子结构和原子核高考物理浙江专用考点一原子结构考点清单考点基础一、电子的发现阴极射线产生在研究气体导电的玻璃管内有阴、阳两极。当两极间加一定

电压时,阴极便发出一种射线,这种射线为阴极射线

特点轰击荧光物质时能使其发光

组成电子流二、α粒子散射实验与卢瑟福核式结构电子质量9.1093897×10-31kg

电荷量1.60217733(49)×10-19C

比荷1.8×1011C/kg

发现1897年,英国物理学家汤姆孙测出了阴极射线粒子的比荷,断定

它是带负电的粒子,后来被称为电子

意义电子是人类发现的第一个比原子小的粒子。电子的发现,打破了原子不可再分的传统观念,使人们认识到原子不是组成物质的最小微粒,原子本身也有内部

结构。从此,原子物理学飞速发展,人们对物质结构的认识进入了一个新时代

密立根实验电子电荷的精确测定是在1909—1913年间由美国科学家密立根通过著名的“油滴实验”测出的

密立根实验更重要的发现是:电荷是量子化的,即任何带电体所带电荷量只能是e的整数倍时间1909—1911年人员英国物理学家卢瑟福及其学生装置

现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但少数α粒子发生了较大角度的偏转,并且有极少数α粒子的偏转超过了90°

三个关键词:“绝大多数”“少数”“极少数”实验基础α粒子散射实验模型理论在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转模型特点(1)核很小,原子直径的数量级约为10-10m,而核直径的数量级只有10-15m(2)核很重,原子的质量几乎全部集中在核里(3)库仑力提供电子绕核旋转的向心力意义明确了原子结构的空间分布、质量分布、电荷分布

按照核式结构模型,由于原子核很小,大部分α粒子穿过金箔时都离核很远,受到的斥力很小,它们的运动几乎不受影响;只有极少数α粒子从原子核附近飞过,明显地受到原子核的库仑斥力作用而发生大角度的偏转

三、氢原子光谱氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线,这些光谱线可用一个统一的公

式表示:

=R

式中R叫做里德伯常量,实验值为R=1.10×107m-1,m=1,2,3,…,对每一个m,有n

=m+1,m+2,m+3,…,构成一个谱线系。说明

氢光谱是线状的、不连续的,波长只能是分立的值。概念在玻尔原子模型中,原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应

的能量也是不连续的。这些能量值叫做能级

基态与激发态各状态的标号1,2,3,…,叫做量子数,通常用n表示。能量最低的状

态叫做基态,其他状态叫做激发态。基态和各激发态的能量分别

用E1,E2,E3,…,代表。基态与离核最近的轨道相对应,量子数n=1。激发态对应的量子数依次为n=2,3,4,…,分别称之为第二能级、第

三能级、第四能级……或第一激发态、第二激发态、第三激发

态……,相应状态下离核距离增大

四、能级能级图用水平线表示能级,水平线间距离表示能级差大小的图示称为能

级图

氢原子能级图

备注每一条水平线代表一个定态左端数字“n”表示量子数,右端数字E表示能级n越大时相邻能级间差值越小竖直带箭头的线段表示一种跃迁方式跃迁概念原子由一个能量态变为另一个

能量态的过程称为跃迁

辐射与激发从高能级向低能级的跃迁过程,以释放光子的形式释放能量,称为辐射。hν=E初-E终

从低能级向高能级的跃迁过程称为激发,始末能级差的绝对值等于所吸收的能量,ΔE=E终-E初考向突破考向玻尔的原子模型一、氢原子的能级及相关物理量在氢原子中,电子围绕原子核运动,如将电子的运动看作轨道半径为r的圆

周运动,则原子核与电子之间的库仑力提供电子做匀速圆周运动所需的向

心力,那么由库仑定律和牛顿第二定律,有

=me

,则①电子运动速率v=

;②电子的动能Ek=

mev2=

;③电子运动周期T=

=2π

;④电子在半径为r的轨道上所具有的电势能Ep=-ke2/r;⑤等效电流I=

。由以上各式可见,电子绕核运动的轨道半径越大,电子的运行速率越小,动

能越小,电子运动的周期越大,在轨道上具有的电势能越大。例1

(2018浙江名校协作联考,14)(多选)下列说法正确的是

()A.德布罗意指出微观粒子的动量越大,其对应的波长就越小B.γ射线是频率极高的电磁波,其在云室中穿过会留下清晰的径迹C.根据玻尔原子模型,氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能将增大D.太阳辐射能量的主要来源与核电站发生的核反应一样,都是重核裂变解析依据德布罗意波长公式λ=

可知,微观粒子的动量越大,其对应的波长就越短,故A正确;γ射线是频率极高的电磁波,其在云室中穿过不会留下

清晰的径迹,选项B错误;根据玻尔原子模型,氢原子辐射光子后,原子的能

级降低,电子的轨道半径减小,则电子绕核运动的动能将增大,选项C正确;

太阳辐射能量的主要来源是轻核聚变,而核电站发生的是重核裂变,选项D

错误。故选A、C。答案

AC二、跃迁与电离跃迁根据玻尔理论,当原子从低能级向高能级跃迁时,必须吸收光子才能实现;相反,当原子从高能级向低能级跃迁时,必须辐射光子才能实现。跃迁时不管是吸收还是辐射光子,其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差电离原子一旦电离,原子结构将被破坏,而不再遵守有关原子结构理论,如基态氢原子的电离能为13.6eV,只要能量大于或等于13.6eV的光子,都能被基态的氢原子吸收而使之发生电离,只不过入射光子的能量越大,原子电离后产生的自由电子的动能就越大,不论原子处于什么状态,只要入射光子的能量大于该状态电离所需要的能量就可使之电离例2

(2018浙江宁波诺丁汉大学附中期末)如图所示为氢原子能级的示意

图,现有大量的氢原子处于n=4的激发态,当向低能级跃迁时辐射出若干种

不同频率的光。关于这些光,下列说法正确的是

()A.波长最大的光是由n=4能级跃迁到n=1能级产生的B.频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的C.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D.从n=2能级跃迁到n=1能级电子动能增加解析氢原子从高能级n向低能级m跃迁时,辐射的光子能量ΔE=En-Em=hν,

故能级差越大,光子的能量也越大,即光子的频率越大,根据ν=c/λ可知频率

越大,波长越小。由n=4能级跃迁到n=1能级产生的光子频率最高,波长最

短,A错误;频率最小的即能量最低的光是由n=4能级跃迁到n=3能级产生

的,B错误;当氢原子从n=4能级向低能级跃迁时,可以辐射光的种类为

=

=6种,故C错误;从n=2能级跃迁到n=1能级,核外电子运动半径变小,库仑力做正功,电子动能增加,D正确。答案

D考点二原子核考点基础一、天然放射现象天然放射现象概念

放射性元素自发地放出射线的现象

发现者及时间

1896年,由法国物理学家贝可勒尔发现

意义

使人们认识到原子核也有复杂的结构

二、原子核的组成质子发现1919年,由英国物理学家卢瑟福发现

实质氢原子核

质量1.6726231×10-27kg

电荷正电,一个元电荷

符号p或

H中子发现1932年,由卢瑟福的学生查德威

克发现

质量1.6749286×10-27kg

电荷电中性,不带电

符号n或

n备注核子质子与中子的统称

三个整数核子数:质子和中子质量差别非常微小,两者统称为核子,所以质

子数和中子数之和叫核子数

核电荷数(Z):原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫做原子核的电荷数

质量数(A):原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个整数叫做原子核的质量数备注两个等式核电荷数=质子数=元素的原子序数=核外电子数

质量数(A)=核子数=质子数+中子数

同位素具有相同质子数不同中子数的原子核,在元素周期表中处于同一位置,因而互称同位素

原子核的质子数决定了核外电子的数目,也决定了电子在核外的分布情况,进而决定了这种元素的化学性质。同位素的化学性质相同三、原子核的衰变天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出α粒子或β粒子,放

出后就变成新的原子核,这种变化称为原子核的衰变。但这并不表明原子

核内有α粒子或β粒子(β粒子是电子,而原子核内不可能有电子存在)。1.衰变规律:原子核衰变时的电荷数和质量数都守恒。2.衰变方程α衰变

X

Y

He。β衰变

X

Y

e。3.两个重要的衰变

U

Th

He

Th

Pa

e。(1)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中反应前后的总

质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。(2)当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生α衰变,有的发生β衰

变,同时伴随着γ辐射。四、半衰期不同元素的半衰期是不一样的,用τ表示半衰期,m0与N0表示衰变前的质量

和原子核数,m和N表示衰变后的质量和原子核数,n表示半衰期数,则m=

=m0·

,N=

=N0·

。五、核反应1.核力原子核由质子和中子组成,质子和中子是靠强大的核力结合在一起的。核力:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。核力的特点:(1)核力是强相互作用力,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。(2)核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内。在大于0.8×10-15m

时,核力表现为引力,超过1.5×10-15m时核力急剧下降几乎消失;在小于0.8×

10-15m时核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。(3)每个核子只跟相

邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。无论是质子间、中

子间、质子和中子间均存在核力。自然界中的四种基本相互作用力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱

相互作用力。2.结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开也需要

能量。核反应中为把核子分开而需要的能量称为原子核的结合能。3.质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫做质

量亏损。4.质能方程:E=mc2;ΔE=Δmc2。5.核反应:(1)核反应过程中遵守质量数和电荷数守恒,但并不能仅根据此两

点而随意书写核反应方程,具体书写时一定要尊重反应的实际。(2)核反应通常不可逆,方程只能用单向箭头连接。(3)核反应中用来轰击原子核的基本粒子通常为α粒子,反应后放出的基本

粒子通常为

H

n

e和

e等。6.裂变(1)重核的裂变:重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量核的反应过程

(释放能量)。(2)链式反应:重核裂变时放出几个中子,再引起其他重核裂变而使裂变反

应不断自动进行下去(原子弹原理)。为使裂变的链式反应容易发生,最好

利用铀235。(3)反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层。7.聚变:把轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为聚变,又称热

核反应。考向一放射性元素的改变一、衰变1.定义:放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变。2.衰变规律:电荷数和质量数都守恒。(1)α衰变

X

Y

He,α衰变的实质是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)。(2)β衰变

X

Y

e,β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。(3)γ辐射:γ辐射是伴随α衰变或β衰变同时发生的。γ辐射不改变原子核的

电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时,产生的

某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。考向突破3.确定衰变次数的方法:设放射性元素

X经过n次α衰变m次β衰变后,变成稳定的新元素

Y,则表示核反应的方程为

X

Y+

He+

e。根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m两式联立得n=

,m=

+Z'-Z由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。例1(多选)

Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变,变成

Pb(铅),下列说法正确的是

()A.铅核比钍核少8个质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变解析设α衰变次数为x,β衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x90=82+2x-y解得x=6,y=4,C错、D对。铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对。铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对。答案

ABD二、半衰期定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间,叫做这种元素的半

衰期。说明(1)半衰期是由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的,跟原子

所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关。(2)半衰期只对大量原子核衰变才有意义,因为放射性元素的衰变规律是统

计规律,对少数原子核衰变不再起作用。例2约里奥·居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔

化学奖。他们发现的放射性元素

P衰变成

Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是

P是

P的同位素,被广泛应用于生物示踪技术。1mg

P随时间衰变的关系如图所示,请估算4mg的

P经多少天的衰变后还剩0.25mg?解析写出衰变方程

P

Si

e,故这种粒子为

e(正电子)。由m-t图知

P的半衰期为14天,由m余=m原

得,0.25mg=4mg×

,故t=56天。答案正电子(

e)56天考向二核力与结合能一、核能的计算根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘

真空中光速的平方。即ΔE=Δmc2。根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量,用核子结合成原子核时质量

亏损的原子质量单位数乘931.5MeV。即ΔE=Δm×931.5MeV。二、原子核的人工转变及其三大发现1.原子核的人工转变用人工方法使一种原子核变成另一种原子核的变化。2.原子核人工转变的三大发现(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应:

N

He

O

H(2)1932年查德威克发现中子的核反应:

Be

He

C

n(3)1934年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应:

Al

He

P

n

P

Si+

e例3已知氦原子的质量为MHe,电子的质量为me,质子的质量为mp,中子的质

量为mn,以上质量的单位都为原子质量单位u,且由爱因斯坦质能方程E=mc2

可知:1u对应于931.5MeV的能量,若取光速c=3×108m/s,则两个质子和两

个中子聚变成一个氦核,释放的能量为

()A.[2×(mp+mn)-MHe]×931.5MeVB.[2×(mp+mn+me)-MHe]×931.5MeVC.[2×(mp+mn+me)-MHe]×c2(J)D.[2×(mp+mn)-MHe]×c2(J)解析核反应方程为

H+

n→

He,质量亏损Δm=2×(mp+mn)