2025版高考物理全程一轮复习第十六章波粒二象性原子结构原子核第2讲原子结构氢原子光谱学案

第2讲原子结构氢原子光谱课程标准1.了解人类探索原子结构的历史．2．知道原子核式结构模型．3．通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构．4．了解原子核的组成和核力的性质．知道四种基本相互作用．能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程．5．了解放射性和原子核衰变．知道半衰期及其统计意义．了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护．6．认识原子核的结合能和比结合能，了解核裂变反应．关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响．素养目标物理观念：(1)知道原子的核式结构和氢原子光谱．(2)理解放射性和元素衰变、半衰期、同位素的概念；知道核裂变和核聚变的区别．科学思维：(1)掌握氢原子光谱的规律，并利用规律进行解题．(2)利用原子核的结构模型解释与核物理有关的问题．会利用质能方程计算核能．科学探究：了解人类探索原子及其结构的历史、人类对物质结构的探索历程．考点一原子的核式结构模型●———【必备知识·自主落实】———●1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙研究________发现了电子，证明了原子可以再分．2．原子的核式结构：(1)α粒子散射实验[注意关键词语“绝大多数”“少数”等]：1909～1911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，实验发现________α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数α粒子发生了________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)(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．●———【关键能力·思维进阶】———●1．[2024·上海浦东新统考]关于卢瑟福的原子核式结构模型，下列说法正确的是()A.在原子中心有一很小的带负电的核B.原子的全部质量都集中在原子核里C.电子在核外不停地绕核运动D.电子绕核运动的向心力由核力提供2．如图所示是α粒子散射实验装置的示意图．从α粒子源发射的α粒子射向金箔，利用观测装置观测发现，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(约占八千分之一)发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°.下列说法正确的是()A.α粒子束是快速运动的质子流B.实验结果说明原子中的正电荷弥漫性地均匀分布在原子内C.α粒子发生大角度偏转是金箔中的电子对α粒子的作用引起的D.α粒子散射实验装置的内部需要抽成真空3．[2023·黑龙江哈尔滨哈师大附中校考三模]在α粒子散射实验中，下列图景正确的是()考点二氢原子光谱、氢原子能级图及原子跃迁●———【必备知识·自主落实】———●1．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(频率)展开，获得光的________(频率)和强度分布的记录，即光谱．(2)光谱分类(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R(122－1n2)(n＝3，4，5，…，R是里德伯常量，R(4)光谱分析：____________________谱和____________________光谱都对应某种元素，都可以用来进行光谱分析．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义．2．玻尔理论的三条假设(1)定态假设：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)跃迁假设：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)轨道假设：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________的．3．氢原子的能量和能级跃迁(1)氢原子的能极图：如图所示．(2)能级和半径公式：①氢原子的能级公式：En＝E1n2(n＝1，2，3，…)，其中E1为基态能量，②氢原子核外电子的轨道半径公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，r1＝0.53×10－10m．●———【关键能力·思维进阶】———●1．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n)跃迁高能级(m)→吸收能量，hν＝Em－En.(2)从高能级(m)跃迁低能级(n)→放出能量，hν＝Em－En.2．电离(1)电离态：n＝∞，E＝0.(2)基态→电离态：E吸>0－(－13.6eV)＝13.6eV.(3)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．3．谱线条数的确定方法(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1).(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法．①用数学中的组合知识求解：N＝Cn2＝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．例1“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－ν3例2[2024·广东深圳一模]有些金属原子受激后，从某激发态跃迁回基态时，会发出特定颜色的光．图甲所示为钠原子和锂原子分别从激发态跃迁回基态的能级差值，钠原子发出频率为5.09×1014Hz的黄光，可见光谱如图乙所示．锂原子从激发态跃迁回基态发光颜色为()A.红色B.橙色C.绿色D.青色例3(多选)如图所示，能级间的跃迁产生不连续的谱线，从不同能级跃迁到某一特定能级就形成一个线系，比如：巴耳末系就是氢原子从n＝3，4，5…能级跃迁到n＝2能级时辐射出的光谱，其波长λ遵循以下规律：1λ＝R(122A．公式中n只能取整数值，故氢光谱是线状谱B．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子放出光子，其核外电子的动能增大C．氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级时辐射出的光子，在巴耳末系中波长最短D．用能量为14.0eV的光子去照射一群处于基态的氢原子，受照射后，氢原子能跃迁到n＝4的能级考点三原子核的衰变及半衰期●———【必备知识·自主落实】———●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________．2．天然放射现象放射性元素________地发出射线的现象，首先由____________发现．天然放射现象的发现，说明________具有复杂的结构．3．三种射线的比较名称构成符号电荷量质量电离能力穿透能力α射线____核2＋2e4u最____最____β射线______−－e11837较强较强γ射线光子γ00最____最____4.原子核的衰变(1)衰变：原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种________的变化称为原子核的衰变．(2)α衰变、β衰变(3)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．5．半衰期(1)公式：N余＝N原(eq\f(1,2))eq\s\up6(\f(t,T1/2))，m余＝m原(eq\f(1,2))eq\s\up6(\f(t,T1/2)).(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由____________________决定的，跟原子所处的外部条件(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)________(选填“有关”或“无关”).6．放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有________放射性同位素和________放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同．(2)应用：工业测厚、放射治疗、作为________等．(3)防护：防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害．●———【关键能力·思维进阶】———●4．[2023·重庆卷]原子核eq\o\al(235,92)U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核eq\o\al(207,82)Pb，在该过程中，可能发生的β衰变是()A．eq\o\al(223,87)Fr→eq\o\al(223,88)Ra＋eq\o\al(0,－1)eB．eq\o\al(213,84)Bi→eq\o\al(213,83)Po＋eq\o\al(0,－1)eC．eq\o\al(225,88)Ra→eq\o\al(225,89)Ac＋eq\o\al(0,－1)eD．eq\o\al(218,84)Po→eq\o\al(218,85)At＋eq\o\al(0,－1)e5．[2023·浙江6月]“玉兔二号”装有核电池，不惧漫长寒冷的月夜．核电池将eq\o\al(238,94)Pu衰变释放的核能一部分转换成电能．eq\o\al(238,94)Pu的衰变方程为eq\o\al(238,94)Pu→eq\o\al(X,92)U＋eq\o\al(4,2)He，则()A．衰变方程中的X等于233B．eq\o\al(4,2)He的穿透能力比γ射线强C．eq\o\al(238,94)Pu比eq\o\al(X,92)U的比结合能小D．月夜的寒冷导致eq\o\al(238,94)Pu的半衰期变大6．[2023·浙江1月]宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子，中子与大气中的氮14会产生以下核反应：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋eq\o\al(1,1)H，产生的eq\o\al(14,6)C能自发进行β衰变，其半衰期为5730年，利用碳14的衰变规律可推断古木的年代．下列说法正确的是()A．eq\o\al(14,6)C发生β衰变的产物是eq\o\al(15,7)NB．β衰变辐射出的电子来自于碳原子的核外电子C．近年来由于地球的温室效应，引起eq\o\al(14,6)C的半衰期发生微小变化D．若测得一古木样品的eq\o\al(14,6)C含量为活体植物的eq\f(1,4)，则该古木距今约为11460年考点四核反应及核能的计算●———【必备知识·自主落实】———●1．核反应的四种类型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．3．核力和核能(1)核力：原子核内部，________间所特有的相互作用力．(2)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们________需要的能量，叫作原子的结合能，也叫核能．(3)比结合能：原子核的结合能与________之比，叫作比结合能，也叫平均结合能．__________越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．(4)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝________．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＝________．●———【关键能力·思维进阶】———●7．[2023·北京卷]下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是()A．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋()B．eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋()C．eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()D．eq\o\al(14,6)C→eq\o\al(14,7)N＋()8．[2023·天津卷]关于太阳上进行的核聚变，下列说法正确的是()A．核聚变需要在高温下进行B．核聚变中电荷不守恒C．太阳质量不变D．太阳上进行的核反应为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)n9．2023年8月24日，日本政府正式向海洋排放福岛第一核电站的核污水．核污水中的eq\o\al(210,84)Po发生衰变时的核反应方程为eq\o\al(210,84)Po→eq\o\al(206,82)Pb＋X，该核反应过程中放出的能量为Q.设eq\o\al(210,84)Po的结合能为E1，eq\o\al(206,82)Pb的结合能为E2，X的结合能为E3，已知光在真空中的传播速度为c，则下列说法正确的是()A．eq\o\al(206,82)Pb的比结合能小于eq\o\al(210,84)Po的比结合能B．该核反应过程中放出的能量Q＝206E2＋4E3－210E1C．该核反应过程中的质量亏损可以表示为m＝Qc2D.衰变过程中放出的光子是因为新原子核从高能级向低能级跃迁产生的思维提升核能的计算方法(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．第2讲原子结构氢原子光谱考点一必备知识·自主落实1．阴极射线2．（1）卢瑟福绝大多数大角度（2）正电荷质量关键能力·思维进阶1．解析：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，故A、B错误；带负电的电子在核外空间里绕着核旋转，故C正确；电子绕核运动的向心力由库仑力提供，故D错误．故选C.答案：C2．解析：α粒子是氦的原子核，因此不是质子流，选项A错误；实验结果说明占原子质量绝大部分的带正电的物质集中在很小的空间范围，选项B错误；α粒子发生大角度偏转是金箔中的带正电的原子核对α粒子的库仑斥力引起的，选项C错误；为避免空气分子的影响，内部需要抽成真空，选项D正确．故选D.答案：D3．解析：当α粒子进入原子区域后，离带正电的原子核远的受到的库仑斥力小，运动方向改变小．只有极少数粒子在穿过时距离正电荷很近，受到很强的库仑斥力，发生大角度散射，故A错误，B正确；由库仑定律和原子核式结构模型可知，电子的质量只有α粒子的eq\f(1,7300)，它对α粒子速度的大小和方向的影响，完全可以忽略，α粒子偏转主要是带正电的原子核造成的，故C、D错误；故选B.答案：B考点二必备知识·自主落实1．（1）波长（4）线状吸收2．（1）不连续稳定（2）Em－En（m>n）（3）不连续关键能力·思维进阶例1解析：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时有EⅡ－EⅠ＝hν0且从激发态能级Ⅱ向下跃迁到基态Ⅰ的过程有EⅡ－EⅠ＝hν1＋hν2＋hν3联立解得ν2＝ν0－ν1－ν3故选D.答案：D例2解析：由波尔理论结合普朗克的量子假说，即E＝hν，根据图甲可得ENa＝hνNa，ELi＝hνLi代入数据可得νLi≈4.48×1014Hz对照图乙可知，锂原子从激发态跃迁回基态发光颜色为红光．答案：A例3答案：AB考点三必备知识·自主落实1．质子质子数2．自发贝克勒尔原子核3．氦强弱电子弱强4．（1）原子核（2）电荷数5．（2）核内部自身的因素无关6．（1）天然人工（2）示踪原子关键能力·思维进阶4．解析：原子核eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U衰变成为稳定的原子核eq\o\al(\s\up1(207),\s\do1(82))Pb质量数减小了28，则经过了7次α衰变，中间生成的新核的质量数可能为231，227，223，219，215，211，则发生β衰变的原子核的质量数为上述各数，则BCD都不可能，根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，选项A反应正确．故选A.答案：A5．解析：根据质量数和电荷数守恒可知，衰变方程为eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He即衰变方程中的X＝234，故A错误；eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He是α粒子，穿透能力比γ射线弱，故B错误；比结合能越大越稳定，由于eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu衰变成为了eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U，故eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U比eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu稳定，即eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(94))Pu比eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(92))U的比结合能小，故C正确；半衰期由原子本身的特点决定，与温度等外部因素无关，故D错误．故选C.答案：C6．解析：由题意可知eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C能自发进行β衰变，则其核反应方程为eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C→eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e＋eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N，所以产物为eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N，A错误；β衰变辐射出的电子是核内的中子转变成质子的同时向外释放的，B错误；eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C的半衰期不受外界因素的影响，与环境的压强、温度等无关，因此温室效应不会引起eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C的半衰期发生变化，C错误；若测得一古木样品的eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(6))C含量为活体植物的eq\f(1,4)，由m＝m0·（eq\f(1,2)）n可知n＝2，则经过了两个半衰期，即11460年，D正确．答案：D考点四必备知识·自主落实1.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8))Oeq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))Peq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(＋1))e10eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))neq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He3．（1）核子（2）分开（3）核子数比结合能（4）Δmc2Δmc2关键能力·思维进阶7．解析：根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋（3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n），故A符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋（eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He），故B不符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq\o\al(\s\up1(14),\s\do1(7))N＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(17),\s\do1(8)