高考物理一轮复习近代初步讲原子核课件人教版

第73讲原子和原子核自主·夯实基础

自主预习轻松过关

名师点金

复习本讲的内容时，一方面要抓住α粒子散射实验与核式结构、质量亏损及质能方程等重点内容；另一方面最好能记住那些典型的衰变方程和核反应方程.

知识梳理

一、汤姆生的原子模型

1.电子的发现：1897年英国物理学家汤姆生通过对阴极射线的研究发现了电子，从而说明了电子是原子的组成部分，即原子是可分的.

2.汤姆生的原子模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣一样镶嵌在原子里，电子的总电荷量和原子核带的正电荷的电荷量相等.

二、卢瑟福的原子核式结构模型

1.α粒子散射实验

(1)实验装置：如图73-1所示.

(2)实验条件：金箔很薄，厚度接近单原子的直径；全部设备在真图73-1空环境中，因为α粒子很容易使气体电离，在空气中只能前进几个厘米；显微镜可在底盘上旋转，可在360°的角度范围内进行观察.

(3)实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子沿原来的方向前进或是偏转角度很小，但是有少数α粒子发生较大角度偏转.极少数的α粒子大角度散射现象否定了汤姆生的原子模型.

2.核式结构模型

(1)核式结构：原子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内，带负电的电子在核外空间绕核旋转.原子半径的数量级为10-10m，原子核半径的数量级为10-15m.

(2)卢瑟福的原子核式结构学说比较成功地解释了α粒子散射现象，初步建立了原子结构的图景.如图73-2所示，影响α粒子运动的主要是原子核，α粒子受到核的库仑力作用，离原子核较远时斥力小、运动方向改变小；离原子核较图73-2近时斥力大、运动方向改变大；与原子核正碰则反弹回来.

三、原子核

1.原子核的组成

(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.

(2)原子核的核电荷数等于其中的质子数，原子核的质量数等于质子数和中子数之和，质子和中子都可以取一个单位质量.

2.同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子，因为有相同的化学性质，在元素周期表中的位置相同，故互称同位素，如氢的同位素有、.

基础自测

1.（2009年北京理综卷）下列现象中,与原子核内部变化有关的是(

)

A.α粒子散射现象B.天然放射现象

C.光电效应现象D.原子发光现象

【解析】α粒子散射实验表明了原子内部有一个很小的核,并没有涉及到核内部的变化,故A项错误；天然放射现象是原子核内部发生变化自发的放射出α粒子或电子,从而发生α衰变或β衰变,故B项正确；光电效应是原子核外层电子脱离原子核的束缚而逸出,没有涉及到原子核的变化,故C项错误；原子发光是原子跃迁形成的，也没有涉及到原子核的变化,故D项错误.

【答案】B

2.（2009年杭州学军中学模拟）下列对α粒子散射实验装置的描述正确的有(

)

A.实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜

B.金箔的厚度对实验无影响

C.如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象

D.实验装置放在空气中和真空中都可以

【解析】实验所用的金箔的厚度极小,可至1μm,虽然很薄,但1μm厚的金箔仍包含3300多个原子层,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,选项B错误.如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大α粒子的质量,散射现象仍然发生,选项C错误.空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,选项D错误，选项A正确．

【答案】A

3.（2009年随州一中单元检测）卢瑟福和他的同事们做了α粒子散射实验，其装置示意图如图73-3所示，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法正确的是（）

A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多

B.相同时间内放在B位置时观察到屏图73-3上的闪光次数只比放在A位置时稍少些

C.放在C、D位置时屏上观察不到闪光

D.放时在D位置屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少

【解析】由α粒子散射实验可知，α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，因此相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多，故选项A正确；少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，因此选项D正确，B、C错误.

【答案】AD创新·方法探究提炼方法展示技巧

题型方法

关于α粒子散射实验、核式结构例（2006年上海物理卷）卢瑟福通过对α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α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，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部的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，故选项A、C正确.

【答案】AC

方法概述近代物理知识多数是以实验为基础的,α粒子散射实验中是从“极少数的α粒子发生了大的偏转”推断出核式结构的.

变式训练

在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是（）

A.原子的全部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】由于原子的全部正电荷和绝大部分质量都集中在一个很小的核上，使得整个原子内部十分“空旷”.当α粒子穿过原子时，接近或正碰原子核的机会极少，所以只能有少数的α粒子发生大角度偏转.

【答案】A

体验成功

1.（2009年合肥部分学校抽检）氢有三种同位素,分别是氕11H、氘21H、氚31H，则下列说法正确的是（）

A.它们的质子数相等

B.它们的核外电子数相等

C.它们的核子数相等

D.它们的中子数相等

【答案】AB

2.（2009年宁夏重点高中联考）下列说法正确的是（）

A.玛丽·居里首先提出了原子的核式结构模型

B.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子

C.查德威克在原子核人工转变的实验中发现了中子

D.爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说

【解析】玛丽·居里首先发现了放射性元素镭，而不是提出原子的核式结构模型，故选项A错误；卢瑟福在α粒子散射实验中并没有发现电子，故选项B错误；根据物理学史可知选项C、D正确.

【答案】CD

3.（2009年达州一诊）为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”（AMS）将在太空中寻找“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”构成的.“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反.由此可知反氢原子是(

)

A.由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成

B.由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成

C.由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成

D.由1个不带电的中子和1个带正电荷的正电子构成

【解析】氢原子由一个电子和一个质子组成，根据“反物质”和“反粒子”的概念，可知反氢原子由一个带负电荷的反质子和一个带正电荷的正电子组成，故选项B正确.

【答案】B

4.（2009年天津和平区一模）卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型.如图73-4所示,虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹.在α粒子从a点运动到b点再运动到c点的过程中，下列说法正确的是(

)

A.动能先增大，后减小

B.电势能先减小，后增大

C.电场力先做负功，后做正功，总功为零

D.加速度先变小，后变大图73-4

【解析】α粒子从a点运动到b点的过程中电场力做负功，动能减小，电势能增大；从b点运动到c点的过程中电场力做正功，动能增大，电势能减小，故选项A、B错误；a与c在同一等势面上，故a→c的过程中电场力做的总功为零，故选项C正确；越靠近原子核，α粒子受到的电场力越大，加速度越大，故选项D错误.

【答案】C

5.（2009年上海金山区检测）卢瑟福通过________实验，推断原子中间有一个很小的核，并由此提出了原图73-5甲子的核式结构模型.图73-5甲中的四条线表示α粒子运动的可能轨迹，请在图中完成中间两条α粒子的运动轨迹.

【解析】乙在卢瑟福的α粒子散射实验中，观察到了离原子核较近的那些α粒子的运动方向发生了很大改变，有的甚至图73-5乙完全反弹.由此，卢瑟福提出原子中间存在聚集着全部正电荷和几乎所有的原子质量的核式结构.中间两条α粒子的运动轨迹如图73-5乙所示.

【答案】α粒子散射如图73-5乙所示金典·预测演练经典创新展望高考

1.在α粒子散射实验中，α粒子可以表示为，则中的4和2分别表示（）

A.4为核子数，2为中子数

B.4为质子数和中子数之和，2为质子数

C.4为核外电子数，2为中子数

D.4为中子数，2为质子数

【答案】B

2.关于物质的波粒二象性，下列说法错误的是（）

A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微观粒子都具有波粒二象性

B.高速运动的微观粒子跟光子一样，它们都不会发生衍射现象

C.波粒二象性中的波动性，是大量光子或大量高速运动的微观粒子的行为，这种波动性与机械波在本质上是完全不相同的

D.波动性和粒子性在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观现象中是统一的

【解析】在微观领域，各种粒子均具有波粒二象性，即出现各个位置的概率不同，均会出现加强区和减弱区，形成干涉、衍射现象；从z公式E=hν可知，微观粒子的波动性和粒子性是统一的，故选项A、C、D正确.

【答案】B

3.在光电效应实验中，下列结果正确的是（）

A.当光照时间增大为原来的两倍时，光电流强度也增大为原来的两倍

B.当入射光频率增大为原来的两倍时，光电子的最大初动能也增大为原来的两倍

C.当入射光的强度增大为原来的两倍时，可能不产生光电效应

D.当入射光的波长增大为原来的两倍时，单位时间内发射光电子的数量也增大为原来的两倍

【解析】电流是瞬时量，与时间的积累无关，故选项A错误；由Ek=hν-W逸可知，Ek′=h·2ν-W逸，故选项B错误；当入射光的频率小于极限频率时，无论入射光的强度多大都不会发生光电效应，故选项C正确；当入射光的波长增大为原来的两倍时，有可能不发生光电效应，故选项D错误.

【答案】C

4.在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一金原子核附近的运动轨迹如图中的实线所示.图中P、Q是轨迹上的两点，虚线是经过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域.不考虑其他原子核和α粒子的作用，则原子核的位置（）

A.一定在①区B.可能在②区

C.可能在③区D.一定在④区

【解析】原子核和α粒子的库仑力沿两者连线方向，以P和Q两点为例，库仑力又应指向轨迹曲线“凹”的一侧，满足要求的只有①区.

【答案】A

5.分别用波长为λ和的单色光照射同一金属板，发出的光电子的最大初动能之比为1∶2，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，则此金属板的逸出功为(

)

A.

B.

C.

D.

【解析】由光电效应方程得：解得：

【答案】B

6.如图所示，a、b、c分别表示氢原子不同能级间的三种跃迁，发生a、b、c三种跃迁时，释放光子的波长分别是λa、λb、λc，则下列说法正确的是（）

A.从n=3能级跃迁到n=1能级时，释放光子的波长可表示为

B.从n=3能级跃迁到n=2能级时，核外电子的电势能减小，动能也减小

C.若用波长为λa的光照射某金属恰好能发生光电效应,则波长为λc的光照射该金属时也一定能发生光电效应

D.若用11eV的光子照射时，至少可以使处于某一能级上的氢原子吸收光子而发生跃迁

【解析】由波尔理论可知

可得：故选项A正确.从n=3能级跃迁到n=2能级电子的电势能减小，动能增大，总能量减小，故选项B错误.，故波长为λc的光不一定能使该金属发生光电效应，故选项C错误.氢原子任意两能级之差都不等于11eV，故11eV的光子不能使任一能级的氢原子发生跃迁，选项D错误.

【答案】A

7.使氢原子能级受激发跃迁有两种途径——光照和实物粒子撞击.氢原子辐射能量时每个原子的每一次跃迁辐射一个光子.欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是（）（）

A.用10.2eV的光子照射

B.用11eV的光子照射

C.用14eV的光子照射

D.用11eV的电子碰撞

【解析】氢原子能级跃迁时，只能吸收能量值刚好等于某两能级之差的光子，故选项A正确.对于14eV的光子，其能量大于氢原子的电离能(13.6eV)，足以使氢原子电离，故选项C正确.用电子去碰撞氢原子时，入射电子的动能可全部或部分被氢原子吸收，所以只要入射电子的动能大于或等于基态和某个激发态量的能量之差，也可使氢原子激发，故选项D正确.

【答案】ACD

8.氦原子被电离一个核外电子，形成类似氢结构的氦离子.已知基态的氦离子能量E1=-54.4eV，氦离子能级的示意图如图所示.在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是（）

A.40.8eV

B.43.2eV

C.51.0eV

D.54.4eV

【解析】大于等于基态能级的绝对值或等于两能级差的光子能被吸收，选B.

【答案】B

9.某同学采用了如图所示的实验装置来研究光电效应现象.当用某单色光照射光电管的阴极K时,会发生光电效应现象.闭合开关S,在阳极A和阴极K之间加上反向电压,通过调节滑动变阻器的滑片逐渐增大电压,直至电流计中电流恰为零,此电压表的电压值U称为反向截止电压,根据反向截止电压,可以计算到光电子的最大初动能Ekm.现分别用频率为ν1和ν2的单色光照射阴极,测量到反向截止电压分别为U1和U2,设电子的质量为m,电荷量为e,则下列关系式正确的是(

)

A.频率为ν1的光照射时,光电子的最大初速度

B.阴极K金属的逸出功W=hν1-eU1

C.阴极K金属的极限频率

D.普朗克常数

【解析】反向截止电压的物理意义为恰好使具有最大初动能的光电子不能达到A极,由此得

.故选项A、B正确.又因为金属的逸出功W=hν0,故有:

eU1=hν1-hν0

eU2=hν2-hν0解得:

故选项C错误、D正确.

【答案】ABD

10.氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV~3.11eV，下列说法错误的是（）

A．处于n=3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n=3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应

C．大量处于n=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

D．大量处于n=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

【解析】处于n=3能级的氢原子吸收光子而发生电离的最小能量是1.51eV，又因紫外线的频率大于可见光的频率，所以紫外线的光子能量E≥3.11eV，故选项A正确.由能级跃迁理论知，氢原子由高能级向n=3能级跃迁时，发出光子的能量E≤1.51eV，所以发出光子能量小于可见光的光子能量.由E=hν知，发出光子频率小于可见光的光子频率，发出光子为红外线，具有较强的热效应，故选项B正确.由能级跃迁理论知，n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可发出6种不同频率的光子，故选项C正确.由能级跃迁理论知，大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时，发出光子的能量分别为：0.66eV(4→3)，2.55eV(4→2)，12.75eV(4→1)，1.89eV(3→2)，12.09eV(3→1)，10.2eV(2→1)，所以只有3→2和4→2跃迁时发出的2种频率的光子属于可见光，故选项D错误.

【答案】D

11.德国物理学家弗兰克林和赫兹进行过气体原子激发的实验研究.如图甲所示,他们在阴极射线管中充入要考察的汞蒸气，阴极发射出的电子经阴极K和栅极R之间的电压UR加速,电子到达栅极R时,电场力做的功为eUR.此后电子通过栅极R和阳极A之间的减速电压UA.通过阳极的电流如图乙所示,随着加速电压增大,阳极电流在短时间内也增大,但是电压达到一个特定的值UR后,观察到电流突然减小.在这个电压值上,电子的能量刚好能够激发和它们碰撞的原子.而参加碰撞的电子放出能量,速度减小,因此到达不了阳极,阳极电流减小.eUR即为基态气体原子的激发能.得到汞原子的各个能级比基态高以下能量值:4.88eV,6.68eV,8.87eV,10.32eV.由此可知图乙中的U1=_______V,U2=_______V.甲乙

【解析】由题意知，eUR