高考物理一轮复习第十二章第2讲原子结构原子核教案新人教版

第2讲原子结构原子核考点1玻尔理论能级跃迁1．对氢原子的能级图的理解(如图所示)(1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态．(2)横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能级．(3)相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小．2．两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子．光子的频率ν＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(E高－E低,h).(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．①光照(吸收光子)：吸收光子的全部能量，光子的能量必须恰等于能级差hν＝ΔE.②碰撞、加热等：可以吸收实物粒子的部分能量，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．(多选)如图所示是氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出6种不同频率的光子，其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n＝2能级跃迁时释放的光子，则()A．6种光子中波长最长的是n＝4激发态跃迁到基态时产生的B．6种光子中有2种属于巴耳末系C．使n＝4能级的氢原子电离至少要0.85eV的能量D．若从n＝2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应，则从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子也一定能使该金属板发生光电效应[审题指导]激发态的氢原子向低能级跃迁时，能级差越大，发射光子的频率越大；而巴耳末系是高能级向n＝2能级跃迁时发射的光子，可看出有2种．【解析】根据跃迁假说，在跃迁的过程中释放光子的能量等于两能级之差，故从n＝4跃迁到n＝3时释放光子的能量最小，频率最小，波长最长，所以A错误；由题意知6种光子中有2种属于巴耳末系，它们分别是从n＝4跃迁到n＝2和从n＝3跃迁到n＝2时释放的光子，故B正确；E4＝－0.85eV，故n＝4能级的电离能等于0.85eV，所以C正确；由题图知，从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子的能量小于n＝2能级跃迁到基态释放的光子的能量，所以D错误．【答案】BC1．(2019·湖南师大附中摸底)如图所示为氢原子的能级图，则下列说法正确的是(A)A．若已知可见光的光子能量范围为1.61eV～3.10eV，则处于n＝4能级状态的氢原子，向低能级跃迁时辐射的光谱线在可见光范围内有2条B．当氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，氢原子的电势能增加，电子的动能增加C．处于n＝3能级状态的氢原子，向低能级跃迁时辐射出波长分别为λ1、λ2、λ3(λ1>λ2>λ3)的三条谱线，则λ1＝λ2＋λ3D．若处于n＝2能级状态的氢原子向低能级跃迁时辐射出的光能使某金属板发生光电效应，则从n＝5能级跃迁到n＝2能级时辐射出的光也一定能使此金属板发生光电效应解析：根据hν＝E初－E末计算可知，处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时辐射的光谱线在可见光范围内有2条，A正确．氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，轨道半径减小，原子能量减小，向外辐射光子，根据keq\f(e2,r2)＝meq\f(v2,r)知轨道半径越小，动能越大，故电子的动能增大，电势能减小，B错误．根据heq\f(c,λ3)＝heq\f(c,λ2)＋heq\f(c,λ1)得λ3＝eq\f(λ2λ1,λ2＋λ1)，C错误．因为从n＝5能级跃迁到n＝2能级时发射出的光的频率小于处于n＝2能级状态的氢原子向低能级跃迁时发射出的光的频率，故不一定发生光电效应，D错误．2．(2019·天津静海调研)如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为2.49eV的金属钠．下列说法正确的是(D)A．这群氢原子能发出3种不同频率的光，其中从n＝3能级跃迁到n＝2能级所发出的光波长最短B．这群氢原子能发出6种不同频率的光，其中从n＝3能级跃迁到n＝1能级所发出的光频率最小C．这群氢原子发出不同频率的光，只有一种频率的光可使金属钠发生光电效应D．金属钠表面发出的光电子的最大初动能为9.60eV解析：一群氢原子处于n＝3能级的激发态，可能发出Ceq\o\al(2,3)＝3种不同频率的光子，n＝3能级和n＝2能级间能级差最小，所以从n＝3能级跃迁到n＝2能级发出的光子频率最低，波长最长，选项A错误．因为n＝3能级和n＝1能级间能级差最大，所以氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级发出的光子频率最高，故B错误．当入射光频率大于金属钠的极限频率时，金属钠能发生光电效应，即入射光的能量大于钠的逸出功2.49eV时就能产生光电效应．根据能级图可知，从n＝3能级跃迁到n＝2能级所发出的光能量为－1.51eV－(－3.4)eV＝1.89eV<2.49eV，不能使金属钠的表面发生光电效应．从n＝2能级跃迁到n＝1能级所发出的光能量为－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV>2.49eV，能使金属钠的表面发生光电效应，从n＝3能级跃迁到n＝1能级发出的光子频率最高，发出的光子能量为ΔE＝12.09eV，根据光电效应方程Ek＝hν－W0得，最大初动能Ek＝12.09eV－2.49eV＝9.60eV，故C错误，D正确．1能级越高，量子数越大，轨道半径越大，电子的动能越小，但原子的能量肯定随能级的升高而变大.2原子跃迁发出的光谱线条数，是对于一群氢原子而言，而不是一个.考点2天然放射现象衰变1．α衰变、β衰变的比较(1)放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期．(2)半衰期表示放射性元素衰变的快慢，不同的放射性元素其半衰期不同．(3)半衰期描述的对象是大量的原子核，不是单个原子核，这是一个统计规律．(4)一种元素的半衰期与这种元素是以单质形式还是以化合物形式存在无关，且加压、增温均不会改变．(5)要理解半衰期表达式中各物理量的含义，在表达式中，m是指剩余的原子核的质量，而不是衰变的质量．(1)原子核eq\o\al(238,92)U经放射性衰变①变为原子核eq\o\al(234,90)Th，继而经放射性衰变②变为原子核eq\o\al(234,91)Pa，再经放射性衰变③变为原子核eq\o\al(234,92)①、②和③依次为()A．α衰变、β衰变和β衰变B．β衰变、α衰变和β衰变C．β衰变、β衰变和α衰变D．α衰变、β衰变和α衰变(2)法国科学家贝可勒尔(H.A.Becquerel)在1896年发现了天然放射现象．如图反映的是放射性元素铀核衰变的特性曲线．由图可知，铀的半衰期为________年；请在下式的括号中，填入铀在衰变过程中原子核放出的粒子的符号．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋()[审题指导](1)由电荷数守恒、质量数守恒确定核反应方程，从而进一步推断各是什么衰变．(2)结合题图，由半衰期的定义判断铀的半衰期．由质量数守恒和电荷数守恒确定核反应方程中的粒子符号．【解析】(1)衰变过程中电荷数、质量数守恒，由题意可得衰变方程分别为：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e，eq\o\al(234,91)Pa→eq\o\al(234,92)U＋eq\o\al(0,－1)e，所以A对．(2)根据半衰期的定义，由题图坐标轴数据可知，铀的半衰期为1620年；由核反应所遵循的电荷数守恒和质量数守恒可知，衰变过程中放出的粒子的电荷数为Z＝92－90＝2，质量数为A＝238－234＝4，符号为eq\o\al(4,2)He.【答案】(1)A(2)1620eq\o\al(4,2)He3．(2019·江西上饶一联)PET(正电子发射型计算机断层显像)的基本原理是：将放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人体，参与人体的代谢过程.eq\o\al(15,8)O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图象．根据PET的基本原理，下列说法正确的是(B)A.eq\o\al(15,8)O衰变的方程式为eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,9)F＋eq\o\al(0,－1)eB．将放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人体，eq\o\al(15,8)O的主要用途是作为示踪原子C．一对正负电子湮灭后也可能只生成一个光子D．PET中所选的放射性同位素的半衰期应较长解析：由质量数守恒和电荷数守恒可知，eq\o\al(15,8)O衰变的方程式为eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)e，故A错误；将放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人体，eq\o\al(15,8)O的主要用途是作为示踪原子，故B正确；一对正负电子湮灭后生成两个光子，故C错误；PET中所选的放射性同位素的半衰期应较短，故D错误．4．(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为441，如图所示，则(ABC)A．α粒子与反冲粒子的动量大小相等，方向相反B．原来放射性元素的原子核电荷数为90C．反冲核的核电荷数为88D．α粒子和反冲粒子的速度之比为188解析：微粒之间相互作用的过程遵循动量守恒定律，由于初始总动量为零，则末动量也为零，即α粒子和反冲核的动量大小相等，方向相反．由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动，由qvB＝eq\f(mv2,R)，得R＝eq\f(mv,qB).若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对α粒子：R1＝eq\f(p1,B·2e)；对反冲核：R2＝eq\f(p2,BQ－2e).由于p1＝p2，R1R2＝441，所以Q＝90.α粒子和反冲核的速度大小与质量成反比，但质量大小未知，故D错误．(1)一个区别静止的原子核在磁场中发生α衰变和β衰变时的轨道不同，分别为相外切圆和相内切圆．(2)两个结论①原子核发生衰变时遵循电荷数守恒和质量数守恒．②因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．考点3核反应类型与核反应方程1．核反应类型(1)熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础．如质子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正电子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等．(2)掌握核反应方程遵循的规律是正确书写核反应方程式或判断某个核反应方程是否正确的依据．由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向．(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒．(2018·天津卷)国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台．下列核反应中放出的粒子为中子的是()A.eq\o\al(14,7)N俘获一个α粒子，产生eq\o\al(17,8)O并放出一个粒子B.eq\o\al(27,13)Al俘获一个α粒子，产生eq\o\al(30,15)P并放出一个粒子C.eq\o\al(11,5)B俘获一个质子，产生eq\o\al(8,4)Be并放出一个粒子D.eq\o\al(6,3)Li俘获一个质子，产生eq\o\al(3,2)He并放出一个粒子[审题指导]根据核反应过程中质量数和电荷数均守恒的原则，写出核反应方程，同时应熟记几种常用的微观粒子的表示方法．【解析】本题考查核反应方程．由核反应过程中遵循质量数、电荷数均守恒的原则，可写出选项中的四个核反应方程.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H，选项A错误.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，选项B正确.eq\o\al(11,5)B＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(8,4)Be＋eq\o\al(4,2)He，选项C错误.eq\o\al(6,3)Li＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(4,2)He，选项D错误．【答案】B5．(2019·广东五校一联)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑．下列有关核反应说法错误的是(D)A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B．重核裂变反应中一定有质量亏损C.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)Xe＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n，式中d＝2D．铀核裂变后生成的新核比铀核的比结合能小解析：目前世界上的核潜艇都是利用重核裂变提供动力，A正确．重核裂变释放能量一定存在质量亏损，B正确．由核反应中质量数守恒可知d＝2，C正确．铀核裂变后生成的新核的比结合能比铀核的大，D错误．6．我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献．下列核反应方程中属于聚变反应的是(A)A.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HC.eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)nD.eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n解析：本题考查核反应类型．选项A是质量小的核结合成质量较大的核，属于核聚变．选项B是卢瑟福发现质子的人工转变方程．选项C是约里奥·居里夫妇发现人工放射性同位素的人工转变方程．选项D是铀核在中子轰击下分裂为中等质量的核的过程，属于核裂变．四种核反应的快速区分(1)衰变反应：反应方程左边只有一个原子核，右边有两个且其中包含一个氦核或电子．(2)人工核反应：核反应方程左边有一个原子核和α粒子、中子、质子、氘核等粒子中的一个，右边有一个新核，还可能放出一个粒子．(3)重核的裂变：左边为重核与中子，右边为两个以上的核并放出若干个粒子．方程左右两边中子数不可抵消．(4)轻核的聚变：左边为轻核，右边为质量较大的核．例如氘核和氚核聚变成氦核的反应．考点4结合能质量亏损质能方程1．对结合能的理解(1)原子核核子数越多，其结合能越大，即把原子核分解为核子所需的能量越多．(2)比结合能指平均每个核子吸收(或释放)的能量，比结合能越大，原子核结合越牢固，越稳定．(3)比结合能小的原子核变为比结合能大的原子核，要释放能量．2．对质能方程的理解(1)物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量．(2)质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少．(3)在核反应中遵循能量守恒定律；(4)质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度．3．核能的计算方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，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，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．(3)根据核子比结合能来计算：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数．(4)根据动量守恒和能量守恒计算：在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能．在此情况下可依据动量守恒和能量守恒来计算核能．(2019·北京师大附中模拟)太阳中含有大量的氘核，氘核不断发生核反应放出核能，以光和热的形式向外辐射．已知两个氘核发生核反应可以产生一个新核，并放出一个中子．该新核质量为3.0150u，氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u,1u的质量相当于931.5MeV的能量，则：(1)写出该核反应方程式；(2)求核反应中释放的核能为多少MeV(结果保留三位有效数字)；(3)若两氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞，假设核能全部转化为机械能，求反应后新核的动能．(结果保留两位有效数字)[审题指导](1)根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程．(2)根据能量守恒，释放的核能及两核的动能全部转化为两个新核的动能．【解析】(1)由质量数守恒和核电荷数守恒，写出核反应方程为eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.(2)反应过程中质量减少了Δm＝2×2.0136u－1.0087u－3.0150u＝0.0035u反应过程中释放的核能ΔE＝0.0035×931.5MeV≈3.26MeV(3)设eq\o\al(1,0)n核和eq\o\al(3,2)He的动量分别为p1和p2，由动量守恒定律得0＝p1＋p2由此得p1和p2大小相等由动能和动量关系E＝eq\f(p2,2m)及eq\o\al(3,2)He核和eq\o\al(1,0)n质量关系得：中子的动能E1是eq\o\al(3,2)He核动能E2的3倍，即E1E2＝31由能量守恒定律得E1＋E2＝ΔE由以上可以算出E2＝0.99MeV.【答案】(1)eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n(2)3.26MeV(3)0.99MeV7．(2018·全国卷Ⅲ)1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝核eq\o\al(27,13)Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋eq\o\al(27,13)Al→n＋X.X的原子序数和质量数分别为(B)A．15和28 B．15和30C．16和30 D．17和31解析：本题考查核反应方程．在核反应过程中，质量数和电荷数分别守恒，则X的原子序数为2＋13＝15，X的质量数为4＋27－1＝30，选项B正确．8．(2019·安徽江淮十校联考)关于质量亏损和原子核的结合能，以下说法正确的是(B)A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子释放的能量B．一重原子核衰变成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．核子结合成原子核时会出现质量亏损，亏损的质量转化为释放