2020年新课标高考物理第二讲-原子结构-原子核考点考向

基础复习课第二讲原子结构原子核一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式1．原子的核式结构(1)电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子．(2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福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原来方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来．(3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转．2．光谱(1)光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．(2)光谱分类有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫作线状谱．有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫作连续谱．(3)氢原子光谱的实验规律巴耳末线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＝1.10×107m－1，n为量子数．3．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．(2)跃迁：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＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)轨道：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不连续的．4．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径①氢原子的能级公式：En＝1n2E1(n＝1,2,3…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV.②氢原子的半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10m.二、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1．原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．质子带正电，中子不带电．(2)基本关系①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数．②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．(3)X元素的原子核的符号为AZX，其中A表示质量数，Z表示核电荷数．2．天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现．天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构．(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性．具有放射性的元素叫放射性元素．(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线．(4)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同．②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等．③防护：防止放射性对人体组织的伤害．3．原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．(2)分类α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42He.β衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e.(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理状态、化学状态无关．三、核力、结合能、质量亏损1．核力(1)定义原子核内部，核子间所特有的相互作用力．(2)特点①核力是强相互作用的一种表现．②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内．③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用．2．结合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至少要吸收的能量，叫作原子核的结合能，亦称核能．3．比结合能(1)定义原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能．(2)特点不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2，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＝Δmc2.四、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程1．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程．(2)典型的裂变反应方程：23592U＋10n→8936Kr＋14456Ba＋310n.(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应不断进行下去的过程．(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量．(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆．(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层．2．轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程．轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应．(2)典型的聚变反应方程：21H＋31H→42He＋10n＋17.6MeV[小题快练]1．判断题(1)α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上．(√)(2)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，氢原子辐射的光子能量为En＝hν.(×)(3)氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就剩下一个原子核了．(×)(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒．(√)(5)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化．(×)2．(2015·天津卷)物理学重视逻辑，崇尚理性，其理论总是建立在对事实观察的基础上．下列说法正确的是(A)A．天然放射现象说明原子核内部是有复杂结构的B．电子的发现使人们认识到原子具有核式结构C．α粒子散射实验的重要发现是电荷是量子化的D．密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的3．(多选)(2015·广东卷)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→42He＋31H＋4.9MeV和21H＋31H→42He＋X＋17.6MeV.下列表述正确的有(AD)A．X是中子B．Y的质子数是3，中子数是6C．两个核反应都没有质量亏损D．氘和氚的核反应是核聚变反应4.如图所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是(B)A．原子A可能辐射出3种频率的光子B．原子B可能辐射出3种频率的光子C．原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4D．原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4考点一氢原子能级的跃迁(自主学习)1．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n小)――→跃迁高能级(n大)―→吸收能量．hν＝En大－En小(2)从高能级(n大)――→跃迁低能级(n小)―→放出能量．hν＝En大－En小2．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV电离能．n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4eV如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能．1－1.[氢原子跃迁问题](2019·河北武邑中学考试)如图所示为氢原子的能级示意图，大量氢原子处于n＝3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向外发出光子，用这些光照射逸出功为2.29eV的金属钠，下列说法中正确的是()A．这些氢原子能发出两种不同频率的光子B．从n＝3跃迁到n＝2所发出光子的波长最短C．金属钠发出的光电子的最大初动能为9.80eVD．从n＝3跃迁到n＝1所发出的光子频率最低解析：大量氢原子处于n＝3的激发态向较低能级跃迁的过程中向外发出光子数为C23＝3种，选项A错误；从n＝3跃迁到n＝2能级差最小，所发出光子的频率最小，波长最长，选项B错误；从n＝3跃迁到n＝1能级差最大，所发出的光子频率最高，选项D错误；从n＝3跃迁到n＝1所发出的光子的能量最大，其值为(－1.51)－(－13.6)＝12.09eV，则金属钠发出的光电子的最大初动能为12.09eV－2.29eV＝9.80eV，选项C正确．答案：C1－2.[跃迁规律的分析]根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图所示．电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离(填“近”或“远”)．当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有条．解析：量子数越大，轨道半径越大，电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离要近；处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有C24＝6条．答案：近6[反思总结]解答氢原子能级与原子跃迁问题的注意事项1．能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．2．一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．3．一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＝C2n＝nn－12.(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．考点二原子核的衰变(自主学习)1．衰变规律及实质(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AZX→A－4Z－2Y＋42HeAZX→AZ＋1Y＋0－1e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211H＋210n→42He10n→11H＋0－1e(2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．(3)衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则表示该核反应的方程为AZX→A′Z′Y＋n42He＋m0－1e.根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m由以上两式联立解得n＝A－A′4，m＝A－A′2＋Z′－Z，由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组．方法二：因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数．2．三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领α射线氦核42He＋2e4u最强最弱β射线电子0－1e－e11837u较强较强γ射线光子γ00最弱最强3.半衰期的理解半衰期的公式：N余＝N原12，m余＝m原12.式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．2－1.[衰变次数的计算]23892U衰变为22286Rn要经过m次α衰变和n次β衰变，则m、n分别为()A．2、4B．4、2C．4、6D．16、6答案：B2－2.[半衰期的计算](2018·江苏卷)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A．1∶4B．1∶2C．2∶1D．4∶1解析：根据半衰期公式m＝m012，经过2T，A剩有的质量为mA＝m012，B剩有的质量为mB＝m012，故mA∶mB＝1∶2，选项B正确．答案：B考点三核反应方程及类型(自主学习)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(11H)、中子(10n)、α粒子(42He)、β粒子(0－1e)、正电子(01e)、氘核(21H)、氚核(31H)等．(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，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)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒．3－1.[α衰变反应](2015·北京卷)下列核反应方程中，属于α衰变的是()A.147N＋42He→178O＋11HB.23892U→23490Th＋42HeC.21H＋31H→42He＋10nD.23490Th→23491Pa＋0－1e答案：B3－2.[核反应类型的判断](多选)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，表述正