第68讲 原子结构和原子核(讲义)（原卷版）-2025年高考物理一轮复习讲练测（新教材新高考）

第68讲原子结构和原子核目录01、考情透视，目标导航TOC\o"1-3"\h\u02、知识导图，思维引航 203、考点突破，考法探究 3考点一.原子的核式结构 3知识点一、原子的核式结构模型 3知识点二、分析原子的核式结构模型所用的规律 4考向1．α粒子散射实验现象 4考向2．α粒子散射实验分析 5考点二.玻尔理论与能级跃迁氢原子光谱 5知识点1.两类能级跃迁 5知识点2.电离 6知识点3.原子辐射光谱线数量的确定方法 6考向1氢原子的能级跃迁问题 6考向2谱线条数的确定 7考向3受激跃迁与电离 7考向4能级跃迁与光电效应的综合 7考点三.原子核的衰变与半衰期 8知识点1.α衰变和β衰变的比较 8知识点2.三种射线的比较 9知识点3.确定衰变次数的方法 9知识点4.半衰期的理解 9知识点5.原子核在磁场中衰变后运动分析 9考点四.原子核的衰变与半衰期 10知识点1.核反应的四种类型 10知识点2.核反应方程式的书写 10知识点3.核能的计算方法 10知识点4.对质能方程的理解 11考向1核反应生成物的分析 11考向2核反应类型分析 11考向3放射性同位素及其衰变 11考向4质能方程的应用 12考向2质能方程与动量守恒定律的综合应用 12考向3根据比结合能曲线分析核能 1304、真题练习，命题洞见 13考情分析2024·海南·高考物理第6题2024·北京·高考物理第4题2024·江西·高考物理第1题2024·湖南·高考物理第8题2024·江苏·高考物理第1题2024·新课标·高考物理第20题2024·浙江·高考物理第9题2024·贵州·高考物理第8题复习目标目标1.理解原子的核式结构，了解氢原子光谱，理解玻尔原子结构理论，会分析能级跃迁问题。目标2.理解原子核的衰变，会计算原子核的半衰期。目标3.理解原子核的人工转变、重核的裂变、轻核的聚变，会书写核反应方程，会计算核反应过程的核能。考点一.原子的核式结构知识点一、原子的核式结构模型1．电子的发现：英国物理学家_______发现了电子。2．α粒子散射实验(1)装置：1909年，英国物理学家_______和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验装置如图所示。(2)现象：实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿_______的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数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)3．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，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。知识点二、分析原子的核式结构模型所用的规律(1)库仑定律：F＝keq\f(q1q2,r2)，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿运动定律和圆周运动规律：可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。(3)功能关系及能量守恒定律：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。考向1．α粒子散射实验现象1.(多选)α粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一，卢瑟福通过该实验证实了原子的核式结构模型，其实验装置如图所示。下列说法正确的是()A．荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置的亮斑少B．该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上C．荧光屏在B位置的亮斑比在A位置的亮斑多D．该实验说明原子质量均匀地分布在原子内考向2．α粒子散射实验分析2.1909年，物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔，研究α粒子被散射的情况，实验用高速的α射线轰击厚度为微米级的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直线穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度较大的偏转，极少数α粒子偏转角大于90°，甚至观察到有些α粒子偏转角接近180°，其散射情境如图所示。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是()A．实验的目的是想证明原子具有核式结构模型B．实验中α粒子穿过金箔发生偏转的原因是受到电子对它的库仑力作用C．极少数α粒子发生大角度偏转，是原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等造成的D．由实验数据可以估算出金原子核的直径数量级考点二.玻尔理论与能级跃迁氢原子光谱知识点1.两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级(n)eq\o(→,\s\up7(跃迁))低能级(m)→放出能量，发射光子，hν＝En－Em。(2)受激跃迁：低能级(m)eq\o(→,\s\up7(跃迁))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，原子将电离。知识点2.电离电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV。激发态→电离态：E吸＞0－En＝|En|。若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。知识点3.原子辐射光谱线数量的确定方法(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)条。(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(n（n－1）,2)。考向1氢原子的能级跃迁问题1．2022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能级之间的跃迁考向2谱线条数的确定2．氢原子的能级图如图所示，下列说法正确的是()A．玻尔的原子理论认为电子绕原子核旋转的轨道是连续的B．用能量为11eV的光子照射处于基态的氢原子可以使之发生跃迁C．大量处于n＝3能级的氢原子，最多可向外辐射2种不同频率的光子D．一个处于n＝3能级的氢原子，最多可向外辐射2种不同频率的光子考向3受激跃迁与电离3．“北斗三号”采用星载氢原子钟，该钟数百万年到一千万年才有1s误差。氢原子的部分能级结构如图所示，则下列说法正确的是()A．用动能为14eV的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使其跃迁到激发态B．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大C．某个处于基态的氢原子可以吸收12.09eV的光子，发出3种不同频率的光D．处于基态的氢原子只能吸收13.6eV的能量实现电离考向4能级跃迁与光电效应的综合4．已知金属锌的逸出功为3.34eV，氢原子能级分布如图所示，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级可产生a光，从n＝2能级跃迁到n＝1能级可产生b光。a光和b光的波长分别为λa和λb。现用a、b光分别照射到金属锌表面均可产生光电效应，遏止电压分别为Ua和Ub。下列说法中正确的是()A．λa<λbB．Ua<UbC．a光的光子能量为3.4eVD．b光照射到金属锌表面产生的光电子的最大初动能为8.75eV考点三.原子核的衰变与半衰期知识点1.α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰变实质2个质子和2个中子结合成一个eq\o\al(4,2)He射出1个中子转化为1个质子和1个电子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒知识点2.三种射线的比较名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领α射线氦核eq\o\al(4,2)He＋2e4u最强最弱β射线电子eq\o\al(0,－1)e－eeq\f(1,1837)u较强较强γ射线光子γ00最弱最强知识点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。知识点4.半衰期的理解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。知识点5.原子核在磁场中衰变后运动分析静止原子核在匀强磁场中自发衰变，如果产生的新核和放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直，则它们的运动轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律有m1v1＝m2v2，又r＝eq\f(mv,qB)，则半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表：α衰变eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He匀强磁场中轨迹：两圆外切，α粒子半径大β衰变eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e匀强磁场中轨迹：两圆内切，β粒子半径大考点四.原子核的衰变与半衰期知识点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eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰变自发eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工转变人工控制eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(卢瑟福发现质子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克发现中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e重核裂变比较容易进行人工控制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)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n轻核聚变很难控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n知识点2.核反应方程式的书写(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：质量数守恒，电荷数守恒。(3)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。知识点3.核能的计算方法(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/u计算。因1原子质量单位(1u)相当于931.5MeV，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。知识点4.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。考向1核反应生成物的分析1．(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中：X＋eq\o\al(14,7)N→Y＋eq\o\al(17,8)O、Y＋eq\o\al(7,3)Li→2X，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则()A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4考向2核反应类型分析2．(2024·成都模拟)我们在地球上获取和消耗的能量，绝大部分来自太阳内部核聚变释放的核能。下列核反应方程中，属于核聚变的是()A.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Tu＋eq\o\al(4,2)HeB.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)nC.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考向3放射性同位素及其衰变3．正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理：将放射性同位素eq\o\al(15,8)O注入人体，eq\o\al(15,8)O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子，γ光子被探测器探测后经计算机处理产生清晰图像，下列说法正确的是()A.eq\o\al(15,8)O在人体内衰变的方程是eq\o\al(15,8)O→eq\o\al(15,7)N＋eq\o\al(0,1)nB．正负电子湮灭的方程是eq\o\al(0,1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γC．正负电子相遇而湮灭违背了能量守恒定律D．在PET中，eq\o\al(15,8)O的主要用途是参与人体的代谢过程考向4质能方程的应用4．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048J。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108m/s)()A．1019kg B．1024kgC．1029kg D．1034kg考向2质能方程与动量守恒定律的综合应用5．静止的eq\o\al(239,94)Pu核发生α衰变，产生的新核为eq\o\al(235,92)U，释放出的α粒子的动能为E，假设衰变时能量全部以动能形式释放出来，则衰变过程中总的质量亏损是(光速为c)()A．eq\f(4E,235c2) B．eq\f(239E,235c2)C．eq\f(239E,4c2) D．eq\f(235E,4c2)考向3根据比结合能曲线分析核能6．太阳目前处于主序星阶段，氢燃烧殆尽后将发生氦闪，进入红巨星阶段。“氦闪”是氦eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\o\al(4,2)He))聚变变成碳的过程,2eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(8,4)Be，eq\o\al(8,4)Be极不稳定，短时间再结合一个氦变成碳，eq\o\al(8,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C，已知原子核的比结合能—质量数的图像如图，eq\o\al(4,2)He的纵坐标为7.08，eq\o\al(12,6)C的纵坐标为7.69，下列说法中正确的是()A．原子核的结合能越大，原子核就越稳定B．一次氦闪放出的核能为7.32MeVC．氦4的核子平均质量小于碳12的核子平均质量D．氦4的结合能为7.08MeV1．（2024·浙江·高考真题）玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示，处于n=3能级的原子向低能级跃迁，会产生三种频率为、、的光，下标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为h，光速为c。正确的是（）A．频率为的光，其动量为B．频率为和的两种光分别射入同一光电效应装量，均产生光电子，其最大初动能之差为C．频率为和的两种光分别射入双缝间距为d，双缝到屏的距离为L的干涉装置，产生的干涉条纹间距之差为。D．若原子n=3跃迁至n=4能级，入射光的频率2．（2024·安徽·高考真题）大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于，当大量处于能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有（

）A．1种 B．2种 C．3种 D．4种3．（2024·浙江·高考真题）氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示，此四条谱线满足巴耳末公式，n=3、4、5、6用和光进行如下实验研究，则（）A．照射同一单缝衍射装置，光的中央明条纹宽度宽B．以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖，光的侧移量小C．以相同功率发射的细光束，真空中单位长度上光的平均光子数多D．相同光强的光分别照射同一光电效应装置，光的饱和光电流小4．（2024·海南·高考真题）人工核反应中的X是（）A．中子 B．质子 C．电子 D．α粒子5．（2024·北京·高考真题）已知钍234的半衰期是24天。1g钍234经过48天后，剩余钍234的质量为（

）A．0g B．0.25g C．0.5g D．0.75g6．（2024·甘肃·高考真题）2024年2月，我国科学家在兰州重离子加速器国家大科学装置上成功合成了新核素，核反应方程如下：该方程中X是（）A．质子 B．中子 C．电子 D．粒子7．（2024·广东·高考真题）我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应产生该元素。关于原子核Y和质量数A，下列选项正确的是（）A．Y为 B．Y为C．Y为 D．Y为8．（2024·广西·高考真题）近期，我国科研人员首次合成了新核素锇（）和钨（）。若锇经过1次衰变，钨经过1次衰变（放出一个正电子），则上述两新核素衰变后的新核有相同的（）A．电荷数 B．中子数 C．质量数 D．质子数9．（2024·河北·高考真题）锂是新能源汽车、储能和信息通信等新