2024届高考物理一轮复习（新教材鲁科版）第十六章原子结构和波粒二象性原子核第2讲原子结构原子核课件

原子结构　原子核第2讲目标要求1.知道原子的核式结构，了解氢原子光谱，掌握玻尔理论及能级跃迁规律.2.了解原子核的组成及核力的性质，了解半衰期及其统计意义.3.认识原子核的结合能，了解核裂变及核聚变，能根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程. 内容索引考点一　原子结构和氢原子光谱考点二　玻尔理论　能级跃迁考点三　原子核的衰变及半衰期考点四　核反应及核能的计算课时精练 考点一原子结构和氢原子光谱 1.原子结构(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：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，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿_____方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来.(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，带负电的电子在核外空间绕核旋转.梳理必备知识卢瑟福原来J·J·汤姆孙正电荷质量 2.氢原子光谱(1)光谱：用棱镜或光栅可以把光按波长(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：①线状谱是一条条的.②连续谱是连在一起的.波长亮线光带 (3)氢原子光谱的实验规律：②氢光谱在红外和紫外光区的其他谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式. 1.在α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度偏转是由于它跟金原子中的电子发生了碰撞.()2.原子中绝大部分是空的，原子核很小.()3.核式结构模型是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的.()4.发射光谱可能是连续谱，也可能是线状谱.()×√√√ 例1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√ 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. 考点二玻尔理论　能级跃迁 1.玻尔理论(1)定态假设：电子只能处于一系列的能量状态中，在这些能量状态中电子绕核的运动是的，电子虽然绕核运动，但并不产生电磁辐射.(2)跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道(其能量记为En)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为Em，m<n)时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)轨道量子化假设：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，因此电子的可能轨道也是.梳理必备知识不连续稳定En－Emk不连续的不连续的 2.能级跃迁(1)能级和半径公式：①能级公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝eV.②半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，其数值为r1＝0.53×10－10m.－13.6 (2)氢原子的能级图，如图所示 1.处于基态的氢原子可以吸收能量为11eV的光子而跃迁到高能级.()2.氢原子吸收或辐射光子的频率条件是hν＝En－Em(m<n).()3.氢原子各能级的能量指电子绕核运动的动能.()4.玻尔理论能解释所有元素的原子光谱.()×√×× 1.两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发射光子.提升关键能力(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量.①吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν＝ΔE.(注意：当入射光子能量大于该能级的电离能时，原子对光子吸收不再具有选择性，而是吸收以后发生电离)②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥ΔE. 2.光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－1.3.电离(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：氢原子从基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV(3)若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能. 例2(2022·重庆卷·6)如图为氢原子的能级示意图.已知蓝光光子的能量范围为2.53～2.76eV，紫光光子的能量范围为2.76～3.10eV.若使处于基态的氢原子被激发后，可辐射蓝光，不辐射紫光，则激发氢原子的光子能量为A.10.20eVB.12.09eVC.12.75eVD.13.06eV√ 由题知使处于基态的氢原子被激发后，可辐射蓝光，不辐射紫光，则由蓝光光子能量范围可知氢原子从n＝4能级向低能级跃迁可辐射蓝光，不辐射紫光，即从n＝4跃迁到n＝2辐射蓝光，则需激发氢原子到n＝4能级，则激发氢原子的光子能量为ΔE＝E4－E1＝12.75eV，故选C. 例3(2022·浙江6月选考·7)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放出的光电子动量最大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√ 从n＝3跃迁到n＝1放出的光电子能量最大，根据Ek＝E－W0，可得此时最大初动能为Ek＝9.8eV，故A错误；大量氢原子从n＝3的激发态跃迁到基态能放出＝3种频率的光子，其中从n＝3跃迁到n＝2放出的光子能量为ΔE1＝－1.51eV－(－3.4eV)＝1.89eV<2.29eV，不能使金属钠发生光电效应，其他两种均可以，故C错误； 由于从n＝3跃迁到n＝4需要吸收的光子能量为ΔE2＝1.51eV－0.85eV＝0.66eV，所以用0.85eV的光子照射，不能使氢原子跃迁到n＝4激发态，故D错误. 考点三原子核的衰变及半衰期 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.梳理必备知识质子质子数自发贝可勒尔原子核 3.三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____核＋2e4u最___最____β射线_____－e较强较强γ射线光子γ00最___最____氦电子强弱弱强 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衰变原子核衰变类型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中子转化为质子和电子衰变规律________守恒、质量数守恒电荷数 (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，m余＝m原.(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”).核内部自身的因素无关 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：放射治疗、培优、保鲜、做等.(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害.天然人工示踪原子 1.三种射线按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线.()2.β衰变中的电子来源于原子核外电子.()3.发生β衰变时，新核的电荷数不变.()4.如果现在有100个某放射性元素的原子核，那么经过一个半衰期后还剩50个.()√××× 23 根据质量数守恒和电荷数守恒，可知Z＝1－(－1)＝2，A＝3. 例5(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√√ 衰变后两个新核速度方向相反，受力方向也相反，根据左手定则可判断出两个粒子带同种电荷，所以衰变是α衰变，衰变后的新核由洛伦兹力提供向心力，衰变过程遵循动量守恒定律，即mv相同，所以电荷量与半径成反比，有q1∶q2＝r2∶r1，但无法求出质量比，故A、D错误，B、C正确. 考点四核反应及核能的计算 1.核反应的四种类型梳理必备知识类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发β衰变自发人工转变人工控制(卢瑟福发现质子)(查德威克发现中子) 人工转变人工控制约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子重核裂变容易控制轻核聚变现阶段很难控制 2.核反应方程式的书写(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＝.核子分开核子数比结合能Δmc2Δmc2 1.核力就是库仑力.()2.原子核的结合能越大，原子核越稳定.()3.核反应中，出现质量亏损，一定有核能产生.()×√× 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.提升关键能力 例6下列说法正确的是√ 根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，A选项反应中的X质量数为4，电荷数为2，为α粒子，核反应类型为α衰变，选项A错误；B选项反应中的Y质量数为1，电荷数为0，为中子，核反应类型为轻核聚变，选项B错误；C选项反应中的K质量数总数为10，电荷数为0，则K为10个中子，核反应类型为重核裂变，选项C正确；D选项反应中的Z质量数为1，电荷数为1，为质子，核反应类型为人工转变，选项D错误. B.核反应前后的总质子数不变C.核反应前后总质量数不同D.中微子νe的电荷量与电子的相同√ 中微子不带电，则中微子νe的电荷量与电子的不相同，D错误. A.8MeVB.16MeVC.26MeVD.52MeV√因电子质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计，核反应质量亏损Δm＝4×1.0078u－4.0026u＝0.0286u，释放的能量ΔE＝0.0286×931MeV≈26.6MeV，选项C正确. 例9花岗岩、砖砂、水泥等建筑材料是室内氡的最主要来源.人呼吸时，氡气会随气体进入肺脏，氡衰变放出的α射线像小“炸弹”一样轰击肺细胞，使肺细胞受损，从而引发肺癌、白血病等.一静止的氡核发生一次α衰变生成新核钋(Po)，此过程动量守恒且释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能.已知m氡＝222.0866u，mα＝4.0026u，m钋＝218.0766u,1u相当于931MeV的能量.(结果均保留3位有效数字)(1)写出上述核反应方程； 根据质量数和电荷数守恒有 (2)求上述核反应放出的能量ΔE；答案6.89MeV质量亏损Δm＝222.0866u－4.0026u－218.0766u＝0.0074u，ΔE＝Δm×931MeV，解得ΔE≈6.89MeV (3)求α粒子的动能Ekα.答案6.77MeV设α粒子、钋核的动能分别为Ekα、Ek钋，动量分别为pα、p钋，由能量守恒定律得ΔE＝Ekα＋Ek钋由动量守恒定律得0＝pα＋p钋，故Ekα∶Ek钋＝218∶4解得Ekα≈6.77MeV. 五课时精练 1.(2022·湖南卷·1)关于原子结构和微观粒子波粒二象性，下列说法正确的是A.卢瑟福的核式结构模型解释了原子光谱的分立特征B.玻尔的原子理论完全揭示了微观粒子运动的规律C.光电效应揭示了光的粒子性D.电子束穿过铝箔后的衍射图样揭示了电子的粒子性123456789101112√基础落实练 玻尔的原子理论成功地解释了氢原子的分立光谱，但不足之处是它保留了经典理论中的一些观点，如电子轨道的概念，还不能完全揭示微观粒子的运动规律，A、B错误；光电效应揭示了光的粒子性，C正确；电子束穿过铝箔后的衍射图样，证实了电子的波动性，D错误.123456789101112 2.(2022·北京卷·1)氢原子从某激发态跃迁到基态，则该氢原子A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少123456789101112√氢原子从某激发态跃迁到基态，则该氢原子放出光子，且放出光子的能量等于两能级之差，能量减少，故选B. √123456789101112 123456789101112根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为1，为，选项A、B错误；该反应释放的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，选项C错误，D正确. 123456789101112√√ 123456789101112半衰期是一个统计规律，对于大量原子核衰变是成立的，个数较少时规律不成立，故D错误. 5.(2022·广东卷·5)目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子.氢原子第n能级的能量为En＝，其中E1＝－13.6eV.图是按能量排列的电磁波谱，要使n＝20的氢原子吸收一个光子后，恰好失去一个电子变成氢离子，被吸收的光子是A.红外线波段的光子B.可见光波段的光子C.紫外线波段的光子D.X射线波段的光子123456789101112√ 123456789101112要使处于n＝20的氢原子吸收一个光子后恰好失去一个电子变成氢离子，则需要吸收光子的能量为E＝0－()eV＝0.034eV，结合题图可知被吸收的光子是红外线波段的光子，故选A. 6.如图所示为氢原子能级图，以及从n＝3、4、5、6能级跃迁到n＝2能级时辐射的四条光谱线.则下列叙述正确的有A.Hα、Hβ、Hγ、Hδ的频率依次增大B.可求出这四条谱线的波长之比，Hα、Hβ、Hγ、Hδ的波长依次增大C.处于基态的氢原子要吸收3.4eV的能量才能被电离D.如果Hδ可以使某种金属发生光电效应，Hβ一定可以使该金属发生光电效应√123456789101112 根据hν＝Em－En(m>n，m、n都只能取正整数)，可以判定Hα、Hβ、Hγ、Hδ的频率依次增大，波长依次减小，123456789101112且能定量地计算出频率或波长的大小之比，故A正确，B错误；处于基态的氢原子至少要吸收13.6eV的能量才能被电离，故C错误；Hδ的频率大于Hβ的频率，根据光电效应产生的条件可以判定，Hδ可以使某种金属发生光电效应，Hβ不一定可以使该金属发生光电效应，故D错误. 123456789101112正电子2.5 123456789101112根据衰变方程、质量数守恒和电荷数守恒可知X的电荷数为1，质量数为0，所以X为正电子； 8.(多选)(2022·浙江1月选考·14)2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年，核电站累计发电约6.9×1011kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨.为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热.下列说法正确的是A.秦山核电站利用的是核聚变释放的能量B.秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6kgC.核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度√123456789101112√能力综合练 123456789101112秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量，故A错误；由题知原子核亏损释放的能量一部分转化为电能，一部分转化为内能，原子核亏损的质量大于27.6kg，故B错误；核电站反应堆中需要用镉棒能吸收中子的特性，通过控制中子的数量控制链式反应的速度，故C正确； 123456789101112√√ 123456789101112根据质量数守恒和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，为中子，A正确，B错误； 12345678910111210.(2020·全国卷Ⅱ·18)氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示.海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107J,1MeV＝1.6×10－13J，则M约为A.40kgB.100kgC.400kgD.1000kg√ 123456789101112 11.(2023·福建泉州市模拟)静止在真空匀强电场中的某原子核发生衰变，其衰变粒子与反冲核的初速度方向均与电场方向垂直，且经过相等的时间后形成的轨迹如图所示(a、b表示长度).原子核重力不计，则该衰变方程可能是123456789101112√ 123456789101112由轨迹弯曲方向可以看出，反冲核与衰变粒子的受力方向均与电场强度方向相同，均带正电，C、D错误；设运动时间为t，上边轨迹粒子电荷量为q1，质量为m1，下轨迹粒子电荷量为q2，质量为m2，由动量守恒有m1v1＝m2v2， 123456789101112素养提升练12.(多选)(2023·福建省福州第一中学模拟)1899年，物理学家列别捷夫首先从实验上证实了“光射到物体表面上时会产生压力”，我们将光对物体单位面积的压力叫作压强或光压.已知频率为ν的光子的动量为，式中h为普朗克常量(h＝6.63×10－34J·s)，c为光速(c＝3×108m/s)，某激光器发出的激光功率为P＝1000W，该光束垂直射到某平整元件上，其光束截面积为S＝1.00mm2，该激光的波长λ＝500nm， 123456789101112下列说法正确的有A.该激光器单位时间内发出的光子数可表示为B.该激光一定能使金属钨(截止频率为1.095×1015Hz)发生光电效应C.该激光不能使处于第一激发态的氢原子(E2＝－3.4eV＝－5.44×10－19J)电离D.该光束可能产生的最大光压约为6.67Pa√√ 123456789101112激光的光子能量为E＝hν≈4×10－19J，光子能量小于处于第一激发态的氢原子的电离能，不能使其电离，故C正确； 123456789101112