第2节原子结构与原子核

第2节原子结构与原子核教材梳理·自主预习真题试做·模拟演练考点研析·感悟提升一、原子结构1.电子的发现:英国物理学家

发现了电子.2.原子的核式结构(1)α粒子散射实验:1909～1911年,英籍物理学家

和他的学生进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了大角度偏转,偏转的角度甚至大于90°,也就是说它们几乎被“撞了回来”.(如图所示)知识梳理教材梳理·自主预习汤姆孙卢瑟福(2)原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的

和几乎全部

都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转.正电荷质量二、氢原子光谱1.光谱:用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开,获得光的波长(频率)和强度分布的记录,即光谱.2.光谱分类连续吸收特征4.光谱分析:利用每种原子都有自己的

,可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分,且灵敏度很高.在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义.线状谱和吸收光谱都对应某种元素,都可以用来进行光谱分析.特征谱线三、氢原子的能级、能级公式1.玻尔理论(1)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

的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量.(2)跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,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hν=

.(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s).(3)轨道:原子的不同能量状态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不连续的.不连续稳定Em-En2.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示②氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10-10m.四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1.原子核的组成:原子核是由

和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的质子数.2.天然放射现象元素自发地发出

的现象,首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构.3.放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素:有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同.(2)应用:消除静电、工业探伤、做

原子等.(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害.质子射线示踪4.原子核的衰变(1)衰变:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种

的变化.(3)核反应方程:质量数守恒、电荷数守恒,但不是总质量守恒.(4)半衰期:放射性元素的原子核有

发生衰变所需的时间.半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的化学状态和外部条件无关.原子核半数自主探究铀238核放出一个α粒子后,成为一个新核钍234核,钍234核也具有放射性,它能放出一个β粒子而变成镤234核,衰变后情景如图所示.自主探究(1)写出铀238的α衰变方程,α粒子是什么物质?(2)写出钍234的β衰变方程,β粒子是什么物质?(3)已知钍234的半衰期是24天,1g钍经过48天后还剩多少?五、核力和核能1.核力原子核内部,

所特有的相互作用力.核子数越多,结合能越大,比结合能不一定越大.2.核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其对应的能量ΔE=

.(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2.质能方程表明质量和能量有着紧密联系,但不能相互转化.核子间Δmc2六、裂变反应和聚变反应1.重核裂变(1)定义: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.(3)链式反应:重核裂变产生的

使裂变反应一代接一代继续下去的过程.(4)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生链式反应的

体积及其相应的质量.(5)裂变的应用:原子弹、核电站.(6)反应堆构造:核燃料、慢化剂、

、防护层.中子最小镉棒2.轻核聚变(1)定义: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

下进行,因此又叫热核反应.高温小题检测1.思考判断(1)原子中绝大部分是空的,原子核很小.(

)√(2)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的.(

)(3)如果某放射性元素的原子核有100个,经过一个半衰期后还剩50个.(

)(4)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量.(

)(5)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的.(

)×××√2.卢瑟福通过α粒子散射实验,判断出原子中心有一个很小的核,并由此提出了原子的核式结构模型.如图所示的平面示意图中①③两条线表示α粒子运动的轨迹,则沿②所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹是(

)A.轨迹a B.轨迹bC.轨迹c D.轨迹dA解析:α粒子带正电,因此α粒子靠近核时,与核间有斥力,沿方向②射向原子核的α粒子比沿方向①的α粒子离核近,与核的作用强,因此α粒子沿方向②进入后与核作用向外侧散射的偏转角应该比沿①的大,故A正确.3.(2019·河北衡水检测)氦原子被电离出一个核外电子,形成类氢结构的氦离子.已知基态的氦离子能量E1=-54.4eV,氦离子的能级示意图如图所示,在具有下列能量的光子或者电子中,不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是(

)A.42.8eV(光子) B.43.2eV(电子)C.41.0eV(电子) D.54.4eV(光子)A解析:由于光子能量不可分,因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收,A项中光子不能被吸收,D项中光子能被吸收,此时刚好使氦离子发生电离;而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级差,其部分能量可被吸收用来使氦离子跃迁至更高能级,B,C两项中的电子均能被吸收.ABD解析:X原子核中的核子数为210-4=206(个),B项正确;中子数为206-(84-2)=124个,A项正确;γ射线的电离能力很弱,C项错误;经过两个半衰期,剩余的钋的质量为原来的四分之一,则已衰变的质量为原来的四分之三,D项正确.考点一原子的核式结构考点研析·感悟提升1.α粒子散射实验(1)实验装置:α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏.(2)实验现象:①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进.②少数α粒子发生了大角度偏转.③极少数α粒子的偏转角度大于90°,甚至有极个别α粒子几乎被“撞了回来”.(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型.2.核式结构模型1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,叫原子核.它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动.3.原子核的电荷与尺度A[例1]关于原子结构,下列说法正确的是(

)A.玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律B.卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性C.卢瑟福的α粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子D.卢瑟福的α粒子散射实验肯定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”解析:玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律;卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性;卢瑟福的α粒子散射实验表明原子具有核式结构,否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”,故A正确,B,C,D错误.[针对训练]

如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹,M,N,P,Q是轨迹上的四点,在散射过程中可以认为重金属原子核静止.图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(

)A.M点 B.N点 C.P点 D.Q点C解析:α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电,互相排斥,加速度方向与α粒子所受斥力方向相同.带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧,故只有选项C正确.考点二氢原子能级及原子跃迁1.能级图中相关因素的说明因素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“-13.6,-3.4,…”表示氢原子的能量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自发地向较低能级跃迁2.两类能级跃迁(2)受激跃迁:由低能级跃迁到高能级,吸收能量.①光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级差hν=ΔE.②碰撞、加热等:只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外≥ΔE.③大于电离能的光子被吸收,将原子电离.3.电离电离态:n=∞,E=0;基态→电离态:E吸=0-(-13.6eV)=13.6eV(电离能).n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4eV;如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还携带动能.[例2]

(多选)如图是氢原子的能级图,一群氢原子处于n=3能级,下列说法中正确的是(

)A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的光B.这群氢原子发出的光子中,能量最大为10.2eVC.从n=3能级跃迁到n=2能级时发出的光波长最长D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁AC规律总结解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项(1)一个处于第n能级的氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n-1.②利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加.1.(2019·山西模拟)(多选)如图所示为氢原子的能级示意图,锌的逸出功是3.34eV,那么对氢原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是(

)A.用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板一定不能产生光电效应现象B.一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时,能放出3种不同频率的光C.用能量为10.3eV的光子照射,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态D.用能量为14.0eV的光子照射,可使处于基态的氢原子电离题组训练BD解析:当氢原子从高能级向低能级跃迁时,辐射出光子的能量有可能大于3.34eV,锌板有可能产生光电效应现象,A项错误;由跃迁关系可知,一群处于n=3能级的氢原子可以向n=1与n=2能级跃迁,然后处于n=2能级的原子又可以再向n=1能级跃迁,能放出3种不同频率的光,B项正确;氢原子在吸收光子能量时须满足光子的能量恰等于两能级间的能量差,由于-3.4eV-(-13.6eV)<10.3eV<-1.51eV-(-13.6eV),故不能使处于基态的氢原子跃迁到激发态,因此C项错误;由于14.0eV>13.6eV,故可以使处于基态的氢原子电离,D项正确.2.(多选)如图所示为氢原子的能级图,用光子能量为13.06eV的光照射一群处于基态的氢原子,下列说法正确的是(

)A.氢原子可以辐射出连续的各种波长的光B.氢原子可辐射出10种不同波长的光C.氢原子从n=4的能级向n=3的能级跃迁时辐射光的波长最短D.辐射光中,光子能量为0.31eV的光波长最长BD1.三种射线的比较考点三原子核的衰变、半衰期速度0.1c0.99cc(光速)在电磁场中偏转与α射线的偏转方向相反不偏转穿透本领最弱,用纸能挡住较强,能穿透几毫米的铝板最强,能穿透几厘米的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱2.α衰变、β衰变的比较3.确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响,所以先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数.(2)半衰期的影响因素放射性元素衰变的快慢由原子核内部自身因素决定,与原子所处的物理状态或化学状态无关.(3)半衰期的适用条件半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变.[例3]

(2019·湖南岳阳二模)(多选)关于天然放射现象,以下叙述正确的是()CD[针对训练]

(2019·湖南长沙月考)(多选)碘131是放射性同位素,衰变时会发出β射线与γ射线,碘131被人摄入后,会危害身体健康,由此引起了全世界的关注.下列关于核辐射的相关知识,说法正确的是(

)A.人类无法通过改变外部环境来改变碘131衰变的快慢B.若碘131的半衰期为8.3天,则4个碘原子核经16.6天后就一定剩下一个原子核C.β射线与γ射线都是电磁波,但γ射线穿透本领比β射线强D.碘131发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的AD考点四核反应类型与核反应方程1.核反应方程的四种类型(2)核反应过程一般都不是可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接.(3)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据质量数守恒、电荷数守恒凭空杜撰出生成物来写核反应方程.[例4](2019·湖南岳阳二模)(多选)关于核衰变和核反应的类型,下列表述正确的有()AC解析:B项是卢瑟福发现质子的核反应方程;D项是β衰变,A,C两项正确.D

考点五核力与核能核反应中释放核能的计算(1)根据ΔE=Δmc2计算时,Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”.(2)根据ΔE=Δm×931.5MeV计算时,Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”.(3)根据核子比结合能计算,即ΔE等于(反应后核子比结合能-反应前核子比结合能)×核子数.[例5]

(2019·湖南长沙一模)(多选)太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为一个氦核的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳能的来源.已知mp=1.0073u,mα=4.0015u,me=0.00055u,1u相当于931.5MeV,太阳的质量为2×1030kg,则下列说法中正确的是()ABD方法技巧核能求解的思路方法(2)在用粒子轰击原子核或原子核自发地分裂过程中,动量保持守恒.①在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示.②核反应中我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能.题组训练1.(结合能与比结合能)(2019·重庆期末)(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是()ABC解析:结合能是把核子分开所需的最小能量,A项正确;一重原子核衰变成α