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第80课时原子结构和原子核[双基落实课]CONTENTS03立足“四层”·夯基础概念公式定理着眼“四翼”·探考点题型规律方法聚焦“素养”·提能力巧学妙解应用01立足“四层”·夯基础概念公式定理

如图是原子结构示意图,判断下列说法的正误:(1)原子中绝大部分是空的,原子核很小。

)√(2)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。

×

)(3)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。

)(4)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。

×

)(5)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。

×

)(6)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。

×

)×√×××02着眼“四翼”·探考点题型规律方法考点一

原子的核式结构模型

[素养自修类]1.【α粒子散射实验的现象】如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图,图中的显微镜可

在圆周轨道上转动,通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各

个角度的散射情况。下列说法中正确的是(

)A.在图中的A、B两位置分别进行观察,相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多B.在图中的B位置进行观察,屏上观察不到任何闪光C.卢瑟福选用不同重金属箔片作为α粒子散射的靶,观察到的实验结果基本相似D.α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金箔原子后产生的反弹解析:

α粒子散射实验现象:绝大多数α粒子沿原方向前进,少

数α粒子有大角度偏转,所以A处观察到的屏上的闪光次数多,B处

观察到的屏上的闪光次数少,故A、B错误;卢瑟福曾用金、铂等

箔片做实验,结果基本相似,α粒子发生散射的主要原因是受到原

子核库仑斥力的作用,故C正确,D错误。2.【原子的核式结构模型】卢瑟福指导他的助手进行了α粒子散射实验,通过显微镜观察散射

的α粒子发现,绝大多数α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来方向前

进,但少数α粒子发生了大角度偏转,极少数的角度甚至大于90°,

于是卢瑟福大胆猜想(

)A.原子半径的数量级是10-10mB.原子核内存在质子和中子C.原子内部有体积很小、质量很大的核D.造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用解析:

原子半径的数量级是通过油膜法测出来的,故A错误;

卢瑟福用α粒子轰击氮核,证实了在原子核内存在质子,查德威克

发现的中子,故B错误;从绝大多数α粒子几乎不发生偏转,可以推

测使粒子受到排斥力的核体积极小,说明原子的中心有一个体积很

小的核,极少数α粒子发生了大角度的偏转,说明原子中心的核带

有原子的全部正电和绝大部分质量,故C正确;造成α粒子偏转的主

要原因是它受到了原子中心正电荷的作用,故D错误。

1.α粒子散射实验结果分析(1)绝大多数α粒子沿直线穿过金箔,说明原子中绝大部分是

空的。(2)少数α粒子发生较大角度偏转,反映了原子内部集中存在着对

α粒子有斥力的正电荷。(3)极少数α粒子甚至被“撞了回来”,反映了个别α粒子正对

着质量比α粒子大得多的物体运动时,受到该物体很大的

斥力作用。

考点二

玻尔理论的理解及应用

[互动共研类]1.两类能级跃迁及其条件(1)自发跃迁:高能级(n)

低能级(m)→放出能量,发射

光子,hν=En-Em。(2)受激跃迁:低能级(m)

高能级(n)→吸收能量。①光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差,hν

=En-Em。②碰撞、加热等:只要入射粒子的能量大于或等于能级差即

可,E外≥En-Em。③大于电离能的光子被吸收,将原子电离。2.电离的理解(1)电离态:n=∞,E=0。(2)电离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸

收的最小能量。例如,对于氢原子:①基态→电离态:E吸=0-(-13.6eV)=13.6eV,即为基

态的电离能。②n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4eV,即为n=2激发态的电

离能。如果吸收能量足够大,克服电离能后,电离出的自由电子还

具有动能。【典例1】

氢原子的能级示意图如图所示,现有大量的氢原子处于n=4的激发态,当原子向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光,下列说法正确的是(

)A.最容易发生衍射现象的光是由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.用由n=2能级跃迁到n=1能级辐射出的光去照射逸出功为6.34eV的金属铂能发生光电效应

(1)这群氢原子辐射出的光子的最大能量为多少?答案:12.75eV

解析:氢原子由n=4能级跃迁到n=1能级辐射的光子能量

最大,ΔE=-0.85eV-(-13.6eV)=12.75eV。(2)若要电离n=4能级的氢原子,至少需要吸收多少光子的能量?答案:0.85eV

解析:若要电离n=4能级的氢原子至少需要吸收ΔE=0.85

eV的能量。(3)若一个处于n=4能级的氢原子发生跃迁,发出的光谱线最多有

几种?答案:3种解析:一个处于n=4能级的氢原子发生跃迁,最多可以发出

3种光谱线。【解题技法】确定氢原子辐射光谱线的种类的方法(1)一个氢原子跃迁发出的光谱线可能种类:最多为(n-1)种。

1.【氢原子能级跃迁的分析】(2023·湖北高考1题)2022年10月,我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用

于探测波长为121.6nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2eV)。根据如图所示的氢原子能级图,可知此谱线来源于太阳中氢原子(

)A.n=2和n=1能级之间的跃迁B.n=3和n=1能级之间的跃迁C.n=3和n=2能级之间的跃迁D.n=4和n=2能级之间的跃迁解析:

由题中氢原子的能级图可知,10.2eV的光子是由氢原子

从n=2到n=1能级跃迁产生的,A正确,B、C、D错误。2.【能级跃迁谱线种类的确定】(多选)氢原子能级图如图所示,可见光的光子能量范围为1.62~

3.11eV。根据玻尔理论判断,下列说法正确的是(

)A.一个处在n=5能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可产生4种不同频率的光B.大量处在n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可产生3种不同频率的光C.大量处在n=5能级的氢原子向低能级跃迁时,由n=5能级向n=4能级跃迁辐射出的光子的波长最长D.大量处在n=3能级的氢原子向低能级跃迁时,能产生3种不同频率的可见光解析:

一个处在n=5能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可

能发出4种不同频率的光,n=5到n=4,n=4到n=3,n=3到n=

2,n=2到n=1,故A正确;大量处在n=4能级的氢原子向低能级跃

迁时,最多可产生6种不同频率的光,故B错误;光子的频率越高,

波长越短,频率越低,波长越长,大量处在n=5能级的氢原子向低

能级跃迁时,由n=5能级向n=4能级跃迁辐射出的光子的波长最

长,故C正确;大量处在n=3能级的氢原子向低能级跃迁时,能产生3种不同频率的光子,可见光的光子能量范围为1.62~3.11eV,n=3能级到n=2能级跃迁释放的光子能量为1.89eV,在可见光范围内,其他跃迁产生的光子能量不在1.62~3.11eV范围内,不属于可见光,故D错误。考点三

原子核的衰变及半衰期

[互动共研类]1.三种射线的比较名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力α射线氦核+2e4u最强最弱β射线电子-e较强较强γ射线光子γ00最弱最强

2.α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整

体射出1个中子转化为1个质

子和1个电子衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒3.对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子

核,无半衰期可言。

4.衰变次数的计算方法先根据质量数守恒确定α衰变次数,再根据电荷数守恒确定β衰

变次数。5.两种衰变在匀强磁场中的运动轨迹的比较

α衰变

两圆外切,α粒子运动半径较大β衰变

两圆内切,β粒子运动半径较大【典例2】

(多选)有一匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外,一个原来静止在A处的原子核发生衰变放射出两个粒子,两个新核的运动轨迹如图所示,已知两个相切圆半径分别为

r1、r2。下列说法正确的是(

)A.原子核发生α衰变,根据已知条件可以算出两个新核的质量比B.衰变形成的两个粒子带同种电荷C.衰变过程中原子核遵循动量守恒定律D.衰变形成的两个粒子电荷量的关系为q1∶q2=r1∶r2

1.【三种射线的性质及特点】卢瑟福设计的一个实验如图所示:他在铅块上钻了一个小孔,孔内

放入一点镭,使射线只能从这个小孔里发出,随后他将射线引入磁

场中,发现射线立即分成三束,他把三束射线分别命名为α射线、β

射线、γ射线。基于对这三种射线的深入分析,卢瑟福获得了1907

年的诺贝尔奖。以下对这三束射线描述准确的是(

)A.α射线的穿透能力最弱,容易被物体吸收B.β射线在真空中的运动速度是光速C.γ射线本质上是波长极短的电磁波,电离能力极强D.β射线带负电,是来自镭原子的核外电子解析:

α射线穿透能力最弱,电离作用强,容易被物体吸收,故

A正确;β射线的速度约是光速的99%,故B错误;γ射线是一种波

长很短的电磁波,电离能力极弱,故C错误;β射线(高速电子束)

带负电,是由一个中子转变成一个质子后释放的,故D错误。2.【半衰期的理解及应用】

考点四

核反应方程与核能的计算

[多维探究类]1.核反应的四种类型类

型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发β衰变自发类

型可控性核反应方程典例人工转

变人工控制约里奥-居里夫妇发

现人工放射性同位素类

型可控性核反应方程典例重核裂变比较容易进行

人工控制轻核聚变很难控制2.计算核能的三种方法(1)根据ΔE=Δmc2计算,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。因1原子质量单位(u)相当

于931.5MeV的能量,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单

位是“MeV”。(3)根据核子比结合能来计算核能:原子核的结合能=核子比结

合能×核子数。考向一

核反应的类型【典例3】

能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途

径之一。下列释放核能的反应方程中,表述正确的是(

A.Z=1,A=1B.

Z=1,A=2C.Z=2,A=3D.

Z=2,A=4解析:设Y的电荷数为Z',质量数为A',由质量数守恒知A+14=A'+

17,A'+7=2A,由电荷数守恒知Z+7=Z'+8,Z'+3=2Z,解得Z=

2,A=4,故A、B、C错误,D正确。考向三

比结合能图线的理解及应用【典例5】

(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲

线,下列判断正确的有(

考向四

核能的计算

(1)写出上述核反应方程;

(2)求上述核反应放出的能量ΔE;答案:6.89MeV解析:质量亏损Δm=222.0866u-4.0026u-218.0766u=0.007

4uΔE=Δm×931MeV解得ΔE=0.0074×931MeV≈6.89MeV。(3)求α粒子的动能Ekα。答案:6.77MeV

【解题技法】对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成

正比,即E=mc2。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减

少,即ΔE=Δmc2。(3)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。03聚焦“素养”·提能力巧学妙解应用考点一

原子的核式结构模型1.根据α粒子散射实验,卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所

示是某同学画出的α粒子散射实验的图景,图中实线表示α粒子的运动轨迹,下列说法正确的是(

)A.轨迹3是正确的B.轨迹2是正确的C.少部分的α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进D.α粒子在轨迹3的电势能先减小后增大12345678910111213解析:

在α粒子散射实验结果中,绝大多数α粒子穿过金箔后仍

沿原来方向前进,极少数发生超过90°的大角度偏转,越靠近原子

核,轨迹偏转越大,而题图中轨迹2的偏转程度超过轨迹3,故轨迹

2错误,轨迹3正确;在轨迹3,原子核对α粒子先做负功再做正功,

所以α粒子电势能先增大后减小,故A正确,B、C、D错误。123456789101112132.关于α粒子散射实验,下述说法中正确的是(

)A.在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,仍沿原来方

向前进,少数发生了较大偏转,极少数偏转超过90°,有的甚至被

弹回接近180°B.使α粒子发生明显偏转的力来自带正电的核及核外电子,当α粒子接

近核时是核的排斥力使α粒子发生明显偏转,当α粒子接近电子时,

是电子的吸引力使之发生明显偏转C.实验表明原子中心有一个极小的核,它占有原子体积的极小部分,

实验事实肯定了汤姆孙的原子结构模型D.实验表明原子中心的核带有原子的全部正电及全部质量12345678910111213解析:

在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,仍

沿原来方向前进,少数发生了较大偏转,极少数偏转超过90°,有

的甚至被弹回接近180°,所以A正确;使α粒子发生明显偏转的力是

来自带正电的核,当α粒子接近核时,核的排斥力使α粒子发生明显

偏转,电子对α粒子的影响忽略不计,所以B错误;实验表明原子中

心有一个极小的核,它占有原子体积的极小部分,实验事实否定了

汤姆孙的原子结构模型,所以C错误;实验表明原子中心的核带有

原子的全部正电及绝大部分质量,所以D错误。12345678910111213考点二

玻尔理论的理解及应用3.(2023·山东高考1题)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空,对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图所示为某原子钟工作的四能级体系,原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ,然后自发辐射出频率为ν1的光子,跃迁到钟跃迁的上能级2,并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1,实现受激辐射,发出钟激光,最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率ν2为(

)A.ν0+ν1+ν3B.

ν0+ν1-ν3C.ν0-ν1+ν3D.

ν0-ν1-ν312345678910111213解析:

根据原子跃迁理论和题图所示能级图可知,EⅡ-EⅠ=

hν0,E1-EI=hν3,E2-E1=hν2,EⅡ-E2=hν1,联立解得hν0=hν1

+hν2+hν3,则ν2=ν0-ν1-ν3,D正确,A、B、C错误。123456789101112134.(2022·浙江6月选考7题)如图为氢原子的能级图。大量氢原子处

于n=3的激发态,在向低能级跃迁时放出光子,用这些光子照射逸

出功为2.29eV的金属钠。下列说法正确的是(

)A.逸出光电子的最大初动能为10.80eVB.n=3跃迁到n=1放出的光子动量最大C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应D.用0.85eV的光子照射,氢原子跃迁到n=4激发态12345678910111213

12345678910111213

12345678910111213

A.两次均为α衰变B.两次均为β衰变C.第1次为α衰变,第2次为β衰变D.第1次为β衰变,第2次为α衰变12345678910111213

12345678910111213

12345678910111213

12345678910111213考点四

核反应方程与核能的计算8.我国可控核聚变技术研发已进入快车道,预计不远将来可以实现商

用。下列相关描述正确的是(

)A.目前核电站使用的都是核聚变技术C.太阳是一个巨大的核聚变反应堆D.原子弹是利用核聚变原理制成的12345678910111213

123456789101112139.(2023·湖南高考1题)2023年4月13日,中国“人造太阳”反应堆

中科院环流器装置(EAST)创下新纪录,实现403秒稳态长脉冲高

约束模等离子体运行,为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要

的一步,下列关于核反应的说法正确的是(

)A.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多C.核聚变的核反应燃料主要是铀235D.核聚变反应过程中没有质量亏损12345678910111213解析:

相同质量的核燃料,轻核聚变要比重核裂变质量亏损更

多,根据爱因斯坦质能方程可知,轻核聚变放出的核能更多,A正

确,D错误;根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知,氘

氚核聚变的产物之一为中子,而不是电子,B错误;铀235为核裂变

的主要燃料,C错误。12345678910111213

A.衰变方程中的X等于23312345678910111213

1234567891011121311.(2023·

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