高考物理总复习名师学案原子和原子核（23页WORD）147388doc高中物理

2022高考物理总复习名师学案--原子和原子核（23页WORD）●考点指要知识点要求程度1.α粒子散射实验.原子的核式构造.Ⅰ2.氢原子的能级构造.Ⅱ3.氢原子的电子云.光子的发射和吸收.Ⅰ4.天然放射现象.α射线、β射线、γ射线.半衰期.Ⅰ5.原子核的人工转变.原子核的组成.核反响方程，放射性同位素及其应用.Ⅰ6.放射性污染和防护.Ⅰ7.核能、质量亏损.爱因斯坦的质能方程.Ⅱ8.核反响堆.核电站.Ⅰ9.重核的裂变.链式反响.轻核的聚变.Ⅰ10.可控热核反响.Ⅰ●复习导航本章以人们认识微观世界的过程为线索，介绍了历史上著名的实验及根据实验得出的关于原子构造和原子核组成的根底知识.高考对该局部知识要求较低，但每年均有试题涉及.其中以原子能级、核反响方程和质能方程等命题频率较高.其次对物理学史、著名实验和重要的物理学理论等，近几年高考中也时有出现.其他知识点，试题呈交替出现情况.因此，对本章的复习应注意既突出重点，又不丢细节.本章知识分成两个单元组织复习：(Ⅰ)原子构造.能级;(Ⅱ)原子核反响.核能.第Ⅰ单元原子构造·能级●知识聚焦一、原子的核式构造1.α粒子散射现象绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进，少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎到达180°.2.原子的核式构造卢瑟福对α粒子散射实验结果进展了分析，于1911年提出了原子的核式构造学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转.原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数.原子的半径大约是10-10m，原子核的大小约为10-15m～10-14m.二、玻尔的原子模型1.玻尔假说提出的背景：经典电磁理论在解释原子构造时碰上了无法抑制的困难，原子为什么是稳定的？原子光谱为什么不是连续光谱？玻尔假说的奉献，就是成功解释了经典理论无法解释的这些问题.玻尔假说的核心，是引入了量子化理论，从而找到了描绘微观世界的一条重要规律.2.玻尔假说的内容：(1)轨道量子化：原子核外电子的可能轨道是某些分立的数值.(2)能量状态量子化；原子只能处于与轨道量子化对应的不连续的能量状态中，在这些状态中，原子是稳定的，不辐射能量.(3)跃迁假说：原子从一种能级向另一种能级跃迁时，吸收（或辐射）一定频率的光子，光子能量E=hν=E2-E1.三、氢原子能级氢原子在各个能量状态下的能量值，叫做它的能级.最低的能级状态，即电子在离原子核最近的轨道上运动的状态叫做基态，处于基态的原子最稳定.其他能级叫激发态.四、原子光谱及应用23/23\n1.原子光谱：元素在稀薄气体状态下的光谱是分立的线状谱，由一些特定频率的波组成，又叫原子光谱.2.原子光谱的应用：每种元素的原子光谱都有自己的一组特定谱线，应用光谱分析可以确定物质成分.五、电子云玻尔模型引入了量子化观点，但不完善.在量子力学中，核外电子并没有确定的轨道，玻尔的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的地方.把电子的概率分布用图象表示时，用小黑点的稠密程度代表概率的大小，其结果如同电子在原子核周围形成云雾，称为“电子云”.●疑难辨析1.氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和.由En＝和E1＝-13.6eV可知，氢原子各定态的能量值均为负值.因此，不能根据氢原子的能级公式En＝得出氢原子各定态能量与n2成反比的错误结论.2.原子的跃迁条件：hν＝E初－E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用而使原子电离，那么不受此条件的限制.如基态氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大.3.原子处于激发态是不稳定的，会自发地向基态或其他较低能级跃迁.由于这种自发跃迁的随机性，一个原子会有多种可能的跃迁.假设是一群原子处于激发态，那么各种可能跃迁都会发生，所以我们会同时得到该种原子的全部光谱线.●典例剖析［例1］在α粒子穿过金箔发生大角度散射的过程中，以下的哪些说法是正确的A.α粒子一直受到金原子核的斥力作用B.α粒子的动能不断减小C.α粒子的电势能不断增大D.α粒子发生散射，是与电子碰撞的结果【解析】α粒子一直受到原子核的斥力作用，动能先减小后增大，电势能先增大后减小.α粒子的质量M远大于电子质量mｅ（M＝4×1837me)，与电子相碰后运动状态根本保持不变.所以，应选答案A.【思考】(1)只有很少的一局部α粒子发生大角度散射的事实，说明了原子具有什么样的构造?(2)图15—1—1为该实验中金原子核和两个α粒子的径迹，哪幅图是正确的?图15—1—1(3)假设将实验中的金箔改为铝箔，而其他条件不变，α粒子的散射角如何变化?【思考提示】（1）原子有一个很小的核.（2）A图正确.（3）同等情况的α粒子的散射角将变小.【设计意图】通过本例说明α粒子的散射规律.23/23\n［例2］已知氢原子基态的电子轨道半径为r1＝0.53×10-10m，基态的能级值为E1＝-13.6eV.(1)有一群氢原子处于量子数n=3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线.(2)计算这几条光谱线中最长的波长.图15—1—2【解析】(1)由于这群氢原子的自发跃迁辐射，会得到三条光谱线，如能级图15—1—2中所示.(2)三条光谱线中波长最长的光子能量最小，发生跃迁的两个能级的能量差最小，根据氢原子能级的分布规律可知，氢原子一定是从n=3的能级跃迁到n=2的能级.设波长为λ，由ｈ＝E3－E2得λ＝m＝6.58×10-7m【说明】(1)原子物理中的计算问题数据较为冗繁，运算很易出错.这里的计算问题在高考题中一般是以填空题的形式出现.所以在运算中一定既要细心又要有耐心才行，不然就可能因为最后结果有误而前功尽弃.(2)注意公式中各量的单位，计算频率、波长时，能量单位“电子伏(eV)”要化成“焦(J)”.【设计意图】通过本例说明氢原子能级及利用该能级计算氢原子从一能级跃迁到另一能级时吸收或放出光子的能量、频率、波长的方法.●反响练习★夯实根底1.对α粒子散射实验装置的描述①主要实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜②金箔的厚薄对实验无影响③如果改用铝箔就不能发生散射现象④实验装置放在真空中以上说法正确的选项是A.①②B.③④C.①④D.②③【解析】α粒子散射实验是指用α粒子轰击很薄的金箔（或铝箔）物质层，通过观察α粒子穿过物质层后的偏转情况，获得原子构造的信息.为准确观察α粒子偏转情况，荧光屏和显微镜能够围绕金箔转动，且整个装置放在真空容器中.【答案】C2.在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是A.原子的绝大局部质量和全部正电荷集中在一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处在一系列不连续的能量状态中23/23\n【解析】由于原子的全部正电荷和绝大局部质量都集中在一个很小的核上，当α粒子穿过原子时，接近或正碰原子核的时机极少，所以只能有少数的α粒子发生大角度偏转.【答案】A3.氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，以下判断正确的选项是A.电子绕核旋转的半径增大B.电子的动能减少C.氢原子的电势能增大D.氢原子的能级减小【解析】氢原子辐射出一个光子是由绕核运转的电子由外层轨道向内层轨道跃迁产生的，即由高能级向低能级跃迁产生的，故A、C错D对.由ke2/rn2＝mvn2/rn得：Ekn=mvn2=ke2/2rn，B错.【答案】D4.氢原子从第4能级跃迁到第2能级发出蓝光，那么，当氢原子从第5能级跃迁到第2能级应发出A.Ｘ射线B.红光C.黄光D.紫光【解析】由于E5－E2＞E4－E2，所以该光子的能量比蓝光的大.【答案】D图15—1—35.氢原子能级图的一局部如图15—1—3所示，a、b、c分别表示氢原子在不同能级之间的三种跃迁途径，设在a、b、c三种跃迁过程中，放出光子的能量和波长分别是Ea、Eb、Ec和λa、λb、λc，那么①λb=λa+λc②③λb=λa·λc④Eb=Ea+Ec以上关系正确的选项是A.①③B.②④C.只有①D.③④【解析】由玻尔理论知，Eb=Ea+Ec,又因为h得，.故②④对，选B.【答案】B6.用经典的电磁理论解释卢瑟福的原子核式构造，会产生的错误结论是：(1)_________，(2)_______.【答案】（1）原子应是不稳定的（2）原子光谱应为连续光谱★提升能力7.玻尔模型给出氢原子核外电子的两个可能轨道的半径之比为r1∶r2＝1∶23/23\n4，那么两轨道上电子的周期之比T1∶T2＝______，线速度大小之比为______.【解析】电子绕核运动时应有k·r①k②由①式可得T1∶T2＝1∶8，由②式可得v1∶v2=2∶1【答案】1∶82∶18.欲使处于基态的氢原子激发，以下措施可行的是①用10.2eV的光子照射②用11eV的光子照射③用14eV的光子照射④用11eV的电子碰撞A.①②B.②③C.①③④D.②③④【解析】由原子的跃迁条件知①对，根本氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子能量越大，原子电离后的自由电子的动能越大，故③对.对于入射粒子和原子碰撞情况，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，也可以使原子受激发而向较高能级跃迁，故④对,应选C.【答案】C9.已知钠的极限频率为6.00×1014Hz，今用一群处于n＝4的激发态的氢原子的发射光谱照射钠，试通过计算说明，氢光谱中有几条谱线可使钠发生光电效应?【解析】钠的逸出功W=hν=6.63×10-34×6.00×1014J=2.49eV氢原子n=1至n=4的能级：n=1,E1＝－13.6eVn=2,E2＝＝-3.4eVn=3,E3＝＝-1.51eVn=4,E4＝＝-0.85eV由n=4，跃迁到n=1放出的光子的能量E4,1＝－0.85eV－（－13.6）eV＝12.75eV＞2.49eV同理，E3,1＝－1.51eV－（－13.6）eV＝12.09eV＞2.49eVE2,1＝－3.4eV－（－13.6）eV＝10.2eV＞2.49eV23/23\nE4,2＝－0.85eV－（－3.4）eV＝2.55eV＞2.49eVE3,2＝－1.51eV－（－3.4）eV＝1.89eV＜2.49eVE4,3＝－0.85eV－（－1.51）eV＝0.66eV＜2.49eV所以，处于n=4的激发态的氢原子的光谱中，只有E4,1、E3,1、E2,1、E4,2四条谱线可使钠发生光电效应.【答案】有四条谱线可使钠发生光电效应第Ⅱ单元原子核反响·核能●知识聚焦核反响虽然有成千上万，但是根据其特点可分为四种根本类型：衰变、人工转变、轻核聚变和重核裂变.一、衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变.放射性元素衰变时放出的射线共有三种：α射线、β射线和γ射线，其射线的本质和性质如下表：种类本质电离本领穿透本领α射线He最强最弱(空气中几厘米或一张薄纸)β射线e较弱很强(几毫米的铝板)γ射线光子最弱最强(几厘米的铅板)按照衰变时放出粒子不同又分为α衰变和β衰变，其核反响方程如：U→Th＋He（α衰变）Th→Pa＋e（β衰变)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间.它表示放射性元素衰变的快慢.半衰期是由核本身的因素决定的，与它所处的物理状态或化学状态无关.不同的放射性元素半衰期不同.二、人工转变原子核在其他粒子作用下变成另一种原子核的变化称为人工转变.利用原子核的人工转变，人们发现了质子、中子，认清了原子核的构造，并且制造了上千种放射性同位素，在工业、农业、医疗和科研的许多方面得到广泛的应用.著名的方程式如：N＋He→O＋H（卢瑟福，发现质子）Be＋He→6C＋U(查德威克，发现中子)三、重核裂变重核裂变：是重核分裂成中等质量的核的反响过程.如：U＋U→54Xe＋Sr＋10n.由于中子的增值使裂变反响能持续地进展的过程称为链式反响.发生链式反响的条件是：裂变物质的体积＞临界体积.裂变的应用：原子弹、原子反响堆.四、轻核聚变轻核聚变是轻核结合成质量较大的核的反响过程.如：H＋H→He＋U.23/23\n发生聚变反响的条件是：超高温(几百万度以上)——热核反响.聚变的应用：氢弹、可控热核反响.五、核能1.核力：为核子间作用力.其特点为短程强引力：作用范围为2.0×10-15m，只在相邻的核子间发生作用.2.核能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系，一个量的变化必然伴随着另一个量的变化.核子在结合成原子核时放出核能，因此，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2；反之，由核能也可求出核反响过程的质量亏损.●疑难辨析1.原子核既然是由质子和中子组成的，那么为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子?实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的.α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的.所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的.2.质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反响方程的重要依据，但要以核反响的事实为根底，不能仅仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反响方程.另外，核反响通常是不可逆的，方程中只能用箭头“→”连接并指示反响方向，而不能用等号“＝”连接.相当于3.ΔΕ＝Δmc2是计算核能的常用方法.在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位的换算.假设质量单位取原子质量单位u，那么：931.5MeV——该结论亦可在计算中直接应用.1u＝1.66×10-27kg另外，在无光子辐射的情况下，核反响中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能.因而在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒来计算核能.●典例剖析［例1］Th（钍）经过一系列α和β衰变，变成Pb（铅），以下说法正确的选项是A.铅核比钍核少8个质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变【解析】由于β衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为：x==6再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足：2x-y=90-82=8所以y=2x-8=4即答案D是正确的.【思考】（1）每发生一次α衰变或β衰变，生成的新核与衰变前的核相比在元素周期表中的位置如何变化？（2）某种放射性元素发生β衰变后，其化学性质是否发生变化？23/23\n（3）如何利用磁场和电场确定α射线和β射线？【思考提示】（1）发生一次α衰变，质子数减2，产生的新核在元素周期表中向前移两位.发生一次β衰变，质子数增1，产生的新核在元素周期表中向后移一位.（2)发生β衰变后元素变成了另外一种元素，化学性质发生了变化.(3)α射线垂直进入电场后沿着电场方向偏转，γ射线垂直进入电场后，逆着电场方向偏转.α射线、β射线垂直进入磁场后，可根据左手定那么确定.【设计意图】通过本例说明α衰变和β衰变的规律.［例2］已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，He核的质量为3.0150u.(1)写出两个氘核聚变成He的核反响方程.(2)计算上述核反响中释放的核能.(3)假设两氘核以相等的动能0.35MeV做对心碰撞即可发生上述核反响，且释放的核能全部转化为机械能，那么反响中生成的He核和中子的动能各是多少?【解析】应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反响方程为：H＋H→He＋n由题给条件可求出质量亏损为：Δm＝2.0136u×2－（3.0150＋1.0087）u＝0.0035u所以释放的核能为ΔE＝Δmc2＝931.5×0.0035MeV＝3.26MeV.因为该反响中释放的核能全部转化为机械能——即转化为He核和中子的动能.假设设He核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，那么由动量守恒及能的转化和守恒定律，得m1v1－m2v2＝0Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE解方程组，可得：Ek1＝（2Ek0＋ΔE）＝×（2×0.35＋3.26）MeV＝0.99MeV，Ek2＝（2Ek0＋ΔE）＝×（2×0.35＋3.26）MeV＝2.97MeV.【说明】此题是一个综合性的题目，它涉及到核反响方程的书写、核能的计算、动量守恒定律和能量守恒定律等内容，另外此类题目计算繁杂，单位换算也较多，运算过程应细心慎重.23/23\n【设计意图】通过本例说明综合应用质量方程及有关的力学规律分析计算原子核反响过程中的核能的方法.●反响练习★夯实根底1.如图15—2—1所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，那么此时磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线与实验相符的有图15—2—1磁场方向到达O点射线到达P点射线ABCD竖直向上竖直向下垂直纸面向内垂直纸面向外β射线α射线γ射线γ射线α射线β射线β射线γ射线【解析】由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转.故D错.α、β射线垂直进入磁场发生偏转，由左手定那么知，A、B错.【答案】C图15—2—22.如图15—2—2所示，x为一未知放射源，P为薄铝箔，当x放射源稳定时，计数器的计数率（单位时间内的承受射线的次数）稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走P，那么计数器的计数率大幅上升，说明x为A.纯β粒子放射源B.纯γ粒子放射源C.α粒子和β粒子的混合放射源D.α粒子和γ粒子的混合放射源【答案】D3.联合国环境公署对科索沃地区的调查说明，北约对南联盟进展的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹.贫铀是从金属中提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍，杀伤力极大，而且残留物可长期危害环境.以下关于其残留物长期危害环境的理由正确的选项是①由于爆炸后的弹片存在放射性，对环境产生长期危害②爆炸后的弹片不会对人体产生危害③铀238的衰变速率很快④铀的半衰期很长A.①②B.③C.①④D.②④【解析】贫铀弹主要成分为铀238，是放射性元素，且半衰期长.故①、④对，选C.【答案】C4.1938年美国的贝特和德国的魏扎克研究发现，太阳在高温和高速运动的条件下内部进展着热核反响.太阳里的这种热核反响现在已经能在地球上通过人工的方法来完成，那就是氢弹的制造.氢弹就是模仿太阳里热核反响制造的.其反响原理为：H＋H→He＋U，使用氘(H)和氚(23/23\nH)在极高的温度下使这两个氢原子核聚变成氦原子(He)，并放出一个中子(U)，同时产生数百倍于原子弹的能量①氘和氚是质量数不同、质子数相同的氢的两种元素②通常所说的氢元素是指H③H、H、H是氢的三种同位素，是同一元素的三种原子④H与H的化学性质几乎完全相同以上说法正确的选项是A.①②B.①③C.①④D.②③④【解析】同位素是指同一元素中质量数（中子数）不同的原子.【答案】D5.一个原子核经一次α衰变和一次β衰变生成稳定的核Z，其衰变过程为，下面关系式中，正确的选项是①a=e+4②c=e③d=f-1④b=f+2A.①②③B.②③④C.①③④D.①②④【解析】α衰变：,β衰变：知，a=e+4,c=e,d=f-1,b=f+1【答案】A6.2000年8月12日，俄罗斯“库尔斯克”号多功能核动力潜艇在巴伦支海域遇难，艇上118名官兵全部葬身海底，消息传出后全世界为之震惊.该艇重达1.4×104t,长150m，属于949级（“奥斯卡级”），是对付编队航母的主要舰艇，是世界上最大的核潜艇之一.（1）该潜艇的动力来源为A.放射性元素衰变释放的能量B.中子击中铀238的人工转变放出的能量C.重核裂变释放的能量D.轻核聚变释放的能量(2)下式为核动力反响堆中的一个反响式，请完成该反响方程式：U＋n→Nd+Zr+n+e+(中为反中微子，质量和电荷数均为零）【解析】核反响方程遵守质量数，电荷数守恒.【答案】(1)C(2)Zr7.关于核力，以下说法中正确的选项是①原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用②核力既可能是引力，又可能是斥力③核力对核子做正功，原子核要释放核能④原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用A.①③B.②④C.①②D.③④【解析】核力是把原子核内各核子紧紧地拉在一起的引力，故②错.核力只在2.0×1023/23\n-15m短距离起作用，所以①对④错.核力结合成原子核时，核力对核子做正功，放出一定的能量，③对，选A.【答案】A8.匀强磁场中有一个静止的氮核N，被与磁场方向垂直、速度为v的α粒子击中形成复合核，然后沿相反方向释放出一个速度也为v的质子，那么①质子与反冲核的动能之比为17∶25②质子与反冲核的动量大小之比为1∶5③质子与反冲核的动量大小之比为8∶17④质子与反冲核在磁场中旋转频率之比为17∶8以上说法正确的选项是A.①②B.③④C.①③D.②④【解析】粒子轰击N形成复合核，再释放一质子形成反冲核的过程中动量守恒，故②对，由Ek=知，①对，由T=知④错.【答案】A9.图15—2—3所示为云室内用α粒子轰击氮核发现质子时拍摄的照片.那么______是发生核反响前α粒子的径迹，______是质子的径迹，______是新核的径迹；核反响方程为______.图15—2—3【解析】由发现质子的核反响方程：N+He→O+H知，α粒子碰后径迹不再存在，分叉前径迹b为α粒子碰前径迹.因氧核质量大，故其径迹短粗.H质量小，故其径迹细长.所以a为新核径迹，c为质子径迹.【答案】bcaHｅ＋N→H＋O10.如图15—2—4所示为卢瑟福用α粒子轰击氮原子核实验的示意图，容器C中充进_______，F为铝箔，S为荧光屏，M为显微镜，通过显微镜，看到荧光屏上出现的闪光是______击中荧光屏产生的，容器中除了充入物质外，还有_______.23/23\n图15—2—4【解析】卢瑟福发现质子的核反响方程：N+He→O+H【答案】氮气质子放射性物质★提升能力11.现在科学家们正在设法探寻“反物质”.所谓“反物质”是由“反粒子”组成，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和电量，但电荷的符号相反，例如正电子就是电子的“反粒子”.据此，假设有反质子存在，它的质量数应为_______，元电荷的电量是1.60×10-19C，那么反质子的带电量为_______.【解析】质子的质量数为1，带电量为1.6×10-19C,所以反质子的质量数为1，带电量也为1.6×10-19C,电性相反.【答案】11.60×10-19C12.铀核(U)裂变生成钡（Ba）和氪（Kr），已知U、Ba、Kr和中子的质量分别是235.0439u,140.9139u,91.8973u和1.0087u.（1）写出铀裂变反响方程，并计算一个铀235裂变时放出的能量；（2）我国秦山核电站功率为3×105kW，假设铀235能够完全裂变，其中一半的核能转化为电能，以上述裂变反响来估算电站一年消耗多少铀235？【解析】（1）U＋n→Ba+Kr+3n,由质能方程：ΔE＝Δmc2可计算出一个铀235裂变放出能量为3.2×10-11J.（2）由N×3.2×10-11J=Pt,m=2.3×102kg【答案】（1）U＋n→Ba+Kr+3n3.2×10-11J（2）2.3×102kg※图15—2—513.在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线源，从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图15—2—5所示，在与射线源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印像纸(比一般纸厚且坚韧的涂有感光药的纸)，经射线照射一段时间后把两张印像纸显影.(1)上面的印像纸有几个暗斑?各是什么射线的痕迹?23/23\n(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比?(3)假设在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，那么两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少?(已知：mα=4u,mβ＝ｕ，vα＝，vβ＝c)【解析】(1)2个暗斑，分别是β、γ射线的痕迹，因这两种射线穿透性强.(2)由h=v0ts＝at2a=所以sα∶sβ＝5∶84(3)qBv=qE所以【答案】（1）两个暗斑；分别是β、γ射线的痕迹（2）5∶84(3)章末综合讲练●知识网络●高考试题一、原子构造1.（2022年新课程理科综合）下面列出的是一些核反响方程P→Si+XBe+H→B+Y23/23\nHe+He→Li+Z其中A.X是质子，Y是中子，Z是正电子B.X是正电子，Y是质子，Z是中子C.X是中子，Y是正电子，Z是质子D.X是正电子，Y是中子，Z是质子【解析】由核反响方程中电荷数守恒和质量数守恒可知选项D正确.【答案】D2.（2022年上海高考）卢瑟福原子核式构造理论的主要内容有A.原子的中心有个核，叫原子核B.原子的正电荷均匀分布在整个原子中Ｃ.原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里Ｄ.带负电的电子在核外绕着核旋转【解析】卢瑟福原子核式构造理论的主要内容是：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是集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕核旋转，故B错ACD对.【答案】ACD3.(2022年全国高考)按照玻尔理论，以下关于氢原子的论述正确的选项是A.第m个定态和第n个定态的轨道半径rm和rn之比为rm∶rn＝m2∶n2B.第m个定态和第n个定态的能量Em和En之比为Em∶En＝n2∶m2Ｃ.电子沿某一轨道绕核运动，假设其圆周运动的频率是ν，那么其发光频率也是νＤ.假设氢原子处于能量为E的定态，那么其发光频率为ν＝【解析】由氢原子核外电子轨道半径公式：rn=n2r1知，rm∶rn=m2∶n2，A正确.氢原子的能量公式：En=E1,所以Em∶En=n2∶m2,B正确，根据玻尔理论，只有核外电子发生能级跃迁时，才可能发射某一频率的光，所以CD错.【答案】AB4.(2022年广东、广西、河南高考）处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为λ1、λ2、λ3的三种单色光，且λ1＞λ2＞λ3，那么照射光的波长为A.λ1B.λ1+λ2+λ3C.D.【答案】D二、原子核5.(1999年全国高考)以下说法正确的选项是A.Ra衰变为RU要经过1次α衰变和1次β衰变B.U衰变为Pa要经过1次α衰变和1次β衰变23/23\nC.Th衰变为Ｐb要经过6次α衰变和4次β衰变D.U衰变为RU要经过4次α衰变和4次β衰变【解析】先根据质量数的变化规律确定α衰变的次数，然后再确定β衰变的次数.【答案】C6.（2022年全国高考）目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成.u夸克带电量为e,d夸克带电量为-e,e为基元电荷.以下论断可能正确的选项是A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成【答案】B图15—17.（2022年上海高考）图15—1中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的选项是A.a为α射线，b为β射线B.a为β射线，b为γ射线C.b为γ射线，c为α射线D.b为α射线，c为γ射线【答案】BC8.（1998年上海高考）以下核反响过程中正确的选项是A.U→Th＋HB.Be＋He→Ｃ＋UC.Th→Pa＋eＤ.→Si＋e【解析】根据核反响所遵从的规律质量守恒、电荷数守恒，可得正确答案应为B.【答案】B9.（2022年春季高考）下面是一核反响方程H+H→He+X用c表示光速，那么A.X是质子，核反响放出的能量等于质子质量乘c2B.X是中子，核反响放出的能量等于中子质量乘c2C.X是质子，核反响放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘c2D.X是中子，核反响放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘c2【答案】D23/23\n10.（2022年上海高考）完成核反响方程：Th→Pa+_______.Th衰变为Pa的半衰期是1.2min，那么64g90Th经过6min还有_______g尚未衰变.【答案】e;211.(2022年全国高考)在以下四个方程中，x1、x2、x3和x4各代表某种粒子.①U＋→Sr＋Xe＋3x1②H＋x2→He＋U　③U→Th＋x3　④Mg＋He→Al＋x4以下判断中正确的选项是A.x1是中子B.x2是质子Ｃ.x3是α粒子Ｄ.x4是氘核【解析】首先根据核电荷数守恒算出x1,x2,x3,x4的核电荷数分别为0、1、2、1，从而确定粒子的名称分别为中子、氢、氦、氢，然后再根据质量数守恒确定x1代表中子，x2代表氘核，x3代表α粒子，x4代表质子，故A、C正确.【答案】AC12.(2000年全国高考)最近几年，原子核科学家在超重元素岛的探测方面取得重大进展.1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反响时，发现生成的超重元素的核Ｘ经过6次α衰变后的产物是Fm.由此，可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是A.124、259B.124、265C.112、265D.112、277【解析】核反响方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，这个核反响方程是Ｘ→6He＋Fm所以A＝6×4＋253＝277，Z＝6×2＋100＝112【答案】Ｄ13.(2000年全国高考)裂变反响是目前核能利用中常用的反响.以原子核U为燃料的反响堆中，当U俘获一个慢中子后发生的裂变反响可以有多种方式，其中一种可表示为U+n→Xe+Sr+3n235.04391.0087138.917893.9154反响方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位).已知123/23\nｕ的质量对应的能量为9.3×102　MeV，此裂变反响释放出的能量是_______MeV.【解析】裂变前后的质量亏损是Δm＝（235.0439＋1.0087－138.9178－93.9154－3×1.0087）ｕ.由质能方程E＝mc2有ΔE＝Δmc2，ΔE＝Δm×9.3×102　MeV＝1.8×102　MeV【答案】1.8×10214.(2022年广东、广西、河南高考)如下一系列核反响是在恒星内部发生的，p+C→NN→C+e++νp+C→Np+N→OO→N+e++νp+NC+α其中p为质子，α为α粒子，e+为正电子，ν为一种中微子.已知质子的质量为mp=1.672648×10-27kg,α粒子的质量为mα=6.644929×10-27kg，正电子的质量为me=9.11×10-31kg，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速c=3.00×108m/s.试计算该系列核反响完成后释放的能量.【解析】为求出系列反响后释放的能量，将题中所给的诸核反响方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反响最终等效为4p→a+2e++2ν设反响后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得4mpc2=mαc2+2mec2+Q,代入数值可得Q=3.95×10-12J.【答案】3.95×10-12J15.（2022年理科综合）太阳现正处于主序星演化阶段.它主要是由电子和H、He等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反响，核反响方程是2e＋4H→He＋释放的核能，这些核能最后转化为辐射能，根据目前关于恒星演化的理论，假设由于聚变反响而使太阳中的H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和H核组成.(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M，已知地球半径R＝6.4×106m，地球质量m＝6.0×1024kg，月地中心的距离r＝1.5×1011m，地球外表处的重力加速度g＝10m/s2，1年约为3.2×107s.试估算目前太阳的质量M.(2)已知质子质量mp＝1.6726×10-27kg，He质量mα＝6.6458×10-27kg，电子质量mｅ＝0.9×1023/23\n-30kg，光速c＝3×108m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反响所释放的核能.(3)又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能W＝1.35×103J／m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命.(估算结果只要求一位有效数字.)【解析】（1）地球绕太阳的运动近似认为是圆周运动.由GM太＝,又因为g=所以M太＝.M太=2×1030kg(2)由ΔE＝Δmc2=（2me＋4mp－mα）c2＝4.2×10-12J(3)太阳中H减小10%放出总能量E＝×ΔE每秒太阳辐射的总能量E′=4πr2×W太阳保持在主序星阶段寿命t＝t＝1010年【答案】（1）2×1030kg(2)ΔE=4.2×10-12J(3)1010年●素质能力过关检测一、选择题（每题中只有一个选项符合题目要求）1.近几年，我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀，治疗患者5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最正确仪器，令人惊奇的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”.据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，即将进入各大医院为患者效劳，问：γ刀治疗脑肿瘤主要是利用①γ射线具有很强的贯穿本领②γ射线具有很强的电离作用③γ射线具有很高的能量④γ射线能很容易绕过阻碍物到达目的地A.①②③B.②③C.①③D.②③④【解析】根据γ射线的本质和性质来判定.【答案】C2.以下表达中，符合物理学史实的是A.汤姆生发现了电子，并由此提出了原子的核式构造学说B.卢瑟福做了α粒子散射实验，并据此了解了原子核的组成C.约里奥·居里夫人用α粒子轰击铝核，发现了中子和正电子D.贝克勒耳首先发现了天然放射现象，揭开了人们认识、研究原子核构造的序幕【解析】23/23\n汤姆生发现了电子，提出了“枣糕式”原子模型，故A错.卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了“核式”原子构造模型.故B错.约里奥·居里夫人用α粒子轰击铝核，发现了人工放射性同位素，故C错.【答案】D3.氢原子从能级A跃迁到能级B吸收频率为ν1的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率为ν2的光子，ν2＞ν1,那么当它从能级C跃迁到能级B时A.放出频率为ν2-ν1的光子B.放出频率为ν2+ν1的光子C.吸收频率为ν2-ν1的光子D.吸收频率为ν2+ν1的光子【答案】D4.某原子核A经过一次β衰变形成原子核B，又经过一次α衰变形成原子核C，以下正确的选项是A.核A的中子数比核C的中子数多3个B.核A的中子数等于核B的中子数C.核A的核子数比核C的核子数多3个D.核B的质子数比核C的质子数多1个【答案】A5.同学们根据中学物理知识讨论“随着岁月的流逝，地球绕太阳公转的周期、日地间的平均距离和地球承受太阳的辐射能的变化的趋势”的问题时，有以下结论，请你判断哪个结论正确①太阳内部进展剧烈的热核反响，辐射大量光子，太阳质量应不断减小②日地间距离应不断增大，地球公转速度应不断减小，公转周期将不断增大③日地间距离应不断减小，地球公转速度应不断增大④地球外表单位面积平均承受的太阳辐射能将不断减小A.①②③B.①③④C.①②④D.②③④【解析】根据爱因斯坦的质能方程知道，太阳向外辐射能量，其质量一定减小，太阳与地球之间的引力将变小，太阳与地球之间的距离R变大，由v=,T=知，v变小，T变大.假设每秒太阳辐射总能量为E，那么地球外表单位面积平均承受的太阳辐射能为.【答案】C二、填空题6.完成以下核反响方程，并说明反响类型：(1)Rn→Po+_______,属__________.(2)H+H→_______n,属______.(3)Al+n→_______+H,属_______.(4)U+n→Xe+Sr+_______,属_______.【解析】23/23\n根据电荷数守恒和质量数守恒来完成核反响方程.核反响四种根本类型：衰变，人工转变，轻核聚变和重核裂变.【答案】（1）Heα衰变（2）He轻核聚变（3）Mg人工转变（4）2n重核裂变7.某原子序数为Z，质量数为A的原子核，假设用mx表示该原子核的质量，mp表示质子的质量，mn表示中子的质量，c表示真空中的光速，那么核子结合成该原子核时的质量亏损Δm＝_______，释放的核能ΔE＝______；平均每个核子释放的核能为＝______.【解析】根据E＝mc2知，ΔE=Δmc2来计算.【答案】Zmp＋（A－Z）mn-mx；［Zmp＋（A－Z）mn-mx］c2；［Zmp＋（A－Z）mn-mx］c2/A8.在匀强磁场中，一个原先静止的原子核，由于放射出一个粒子而得到一张∞字形径迹照片.经测定字形的两个圆半径之比为44∶1，那么放射性元素的原子序数为_______.【答案】909.在匀强电场中逆电场线运动的铀核（U）速度减为零时发生α衰变.衰变时vα与电场线垂直，衰变后当α粒子沿E的方向移动位移为ΔL时，残核在与电场线平行的方向上位移ΔL′为_____ΔL，ΔL′与ΔL方向_________.【解析】U→Th+e(α衰变)、Th和He在电场中做类平抛运动.根据a=知：aTh∶aα=90∶117所以ΔL′∶ΔL=90∶117,ΔL′=ΔL.【答案】相同三、计算题10.为确定爱因斯坦质能联系方程ΔE＝Δmc2的正确性，设计了如下实验：用动能为E1＝0.9MeV的质子去轰击静止的锂核Li，生成两个α粒子，测得这两个α粒子的动能之和为E＝19.9MeV.(1)写出该核反响方程.(2)计算核反响过程中释放出的能量ΔE.(3)通过计算说明ΔE＝Δmc2的正确性.(计算中质子、α粒子和锂核Li的质量分别取：mp＝1.0073u，mα＝4.0015u，mLi＝7.0160u)【解析】(1)H＋Li→2He(2)Δm=(1.0073+7.0160-2×4.0015)u=0.0203uΔE＝0.0203×931.5MeV=18.9MeV23/23\n(3)反响前后系统总动能的增加为E－E1＝19.9MeV-0.9MeV=19.0MeV这与核反响释放的核能在误差允许范围内近似相等，说明ΔE=Δmc2是正确的.【答案】（1）H＋Li→2He；(2)18.9MeV(3)略11.一个静止的氮核N俘获一个速度为2.3×107m/s的中子生成一个复核A，A又衰变成B、Ｃ两个新核，设B、C的速度方向与中子速度方向相同，B的质量是中子的11倍，速度是106m/s，B、C在同一匀强磁场中做圆周运动的半径比RB∶RC＝11∶30.求：(1)C核的速度大小；(2)根据计算判断C核是什么?(3)写出核反响方程式.【解析】(1)由动量守恒定律：Mnvn=mBvB+mcvC所以vC==m/s=3×106m/s(2)由qvB=m得R=RB＝,RC＝所以又因为qC＋qB＝7所以qC＝2，而mC=4所以C核是He(3)N＋n→B＋He【答案】（1）3×106m/s(2)He(3)N+n→B+He23/23\n12.1920年，质子已被发现，英国物理学家卢瑟福曾预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫做中子.1930年发现，在真空条件下用α射线轰击铍(Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子.经过研究发现，这种不知名射线具有如下的特点：①在任意方向的磁场中均不发生偏转；②这种射线的速度小于光速的十分之一；③用它轰击含有氢核的物质，可以把氢核打出来；用它轰击含有氮核的物质，可以把氮核打出来.并且被打出的氢核的最大速度vH和被打出的氮核的最大速度vN之比近似等于15∶2.假设该射线中的粒子均具有相同的能量，与氢核和氮核碰前氢核和氮核可认为静止，碰撞过程中没有机械能损失.已知氢核的质量MH与氮核的质量MN之比等于1∶14.（1）写出α射线轰击铍核的核反响方程；（2）试根据上面所述的各种情况，通过具体分析说明该射线是不带电的，但它不是γ射线，而是由中子组成.【解析】（1）核反响方程是Be+He→C+n（2）由①可知，由于该射线在任何方向的磁场中都不发生偏转，因此该射线不带电，是由电中性的粒子流组成的.由②可知，由于γ射线是光子流，而该射线速度不到光速的十分之一，因此它不是γ射线.设组成该射线的粒子质量为m，轰击氢核和氮核时速度为v.由于碰撞过程中没有机械能损失，当被打出的氢核和氮核的速度为最大值时，说明该粒子与氢核及氮核的碰撞为弹性正碰，设与氢核发生弹性正碰后粒子速度为v1，与氮核发生弹性正碰后粒子速度变为v2.根据动量守恒和机械能守恒，在打出氢核的过程中，有mv=mv1+MHvHmv2=mv12+MHvH2解得vH=同理，在打出氮核的过程中，有mv=mv2+MNvNmv2=mv22+MNvN2解得vN=根据vH、vN的表达式及≈，，解得m≈MH【答案】（1）Be+He→C+n；（2）略●教学建议23/23\n1.单元Ⅰ中涉及的以下物理学史应该让学生记住：(1)汤姆生发现电子，说明了原子是可分的；(2)卢瑟福α粒子散射实验的结果否认了关于原子构造的汤姆生模型，卢瑟福提出了关于原子的核式构造学说，并估算出原子核直径的数量级10-15m～10-14m;(3)玻尔提出关于原子构造模型(玻尔理论)成功地解释了氢光谱.2.单元Ⅱ涉及的以下重要的物理学史实应该让学生记住：(1)贝克勒耳发现天然放射现象，说明了原子核是可分的，也是可变的.(2)卢瑟福用α粒子轰击氮核，实现了原子核的人工转变，并发现了质子.要记住这个核反响的方程.(3)查德威克用α粒子轰击铍核，发现了中子.这个核反响方程也要记住.3.高考已不要求计算有关半衰期的问题.譬如，习题中常见的计算古木年龄、计算水库容量之类的问题已不再要求.但对半衰期的概念仍要理解.4.要让学生记准一些常用粒子的符号.如质子H、中子U、电子e、正电子e、α粒子He、氘核H等.5.应用质能方程计算核能或质量亏损是单元Ⅱ的重点.学生在此处常犯的错误是：(1)对反响前后的总质量混淆不清；(2)运算中丢三落四，造成结果错误，如按ΔΕ＝Δmc2计算核能.教师应要求学生耐心细致地进展计算，培养他们良好的心理素质.23/23