（江苏专用）2021版高考物理一轮复习 第15章 近代物理初步 第2节 原子结构和原子核教案

第2节原子结构和原子核一、原子结构1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。2．原子的核式结构(1)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。(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。二、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3．氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢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)。4．光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。三、氢原子的能级、能级公式1．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。2．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。四、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．原子核的组成原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2．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。3．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。4．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如：23892U→23490Th＋42He；β衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e如：23490Th→23491Pa＋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、化学状态无关。五、核力和核能1．核力原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2．核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2。(2)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。六、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：重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(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：两个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＋17.6MeV1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强。(√)(2)半衰期与温度无关。(√)(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。(×)(4)所有元素都可以发生衰变。(×)(5)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。(×)(6)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(×)2．(粤教版选修3－5P97T2)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？()A．把该元素放在低温阴凉处B．把该元素密封在很厚的铅盒子里C．把该元素同其他的稳定元素结合成化合物D．上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率D[半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关，故D正确。]3．(沪科版选修3－5P75T4改编)已知铋­210的半衰期是5.0天，8g铋­210经20天后还剩下()A．1gB．0.2gC．0.4gD．0.5gD[由公式m＝m012Tτ得m＝8×12205g＝0.5g，D正确。]4．(人教版选修3－5P81例题)(多选)已知中子的质量是mn＝1.6749×10－27kg，质子的质量是mp＝1.6726×10－27kg，氘核的质量是mD＝3.3436×10－27kg，则氘核的比结合能为()A．3.51×10－13JB．1.10MeVC．1.76×10－13JD．2.19MeV[答案]BC5．(粤教版选修3－5P97T3)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()A.23892U→23490Th＋42He是α衰变B.147N＋42He→178O＋11H是β衰变C.21H＋31H→42He＋10n是轻核聚变D.8234Se→8236Kr＋20－1e是重核裂变[答案]AC玻尔理论和能级跃迁[依题组训练]1.(2019·全国卷Ⅰ)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63eV～3.10eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为()A．12.09eVB．10.20eVC．1.89eVD．1.51eVA[因为可见光光子的能量范围是1.63eV～3.10eV，所以氢原子至少要被激发到n＝3能级，要给氢原子提供的能量最少为E＝(－1.51＋13.60)eV＝12.09eV，即选项A正确。]2．(2016·北京高考)处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有()A．1种B．2种C．3种D．4种C[大量氢原子从n＝3能级向低能级跃迁时，能级跃迁图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种，选项C正确。]3．(多选)(2019·永州市模拟)如图所示是玻尔为解释氢原子光谱画出的氢原子能级示意图。大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，设普朗克常量为h，下列说法正确的是()A．能产生3种不同频率的光子B．产生的光子的最大频率为E3－E1hC．当氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时，氢原子的能量变大D．若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E3－E2ABD[根据C2n可得从n＝3能级向低能级跃迁能产生C23＝3种不同频率的光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从n＝3能级向n＝1能级跃迁时产生的，根据公式hν＝E3－E1，解得ν＝E3－E1h，B正确；从高能级向低能级跃迁，释放光子，氢原子能量变小，C错误；若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为Ekm＝hν－W0＝(E3－E1)－(E2－E1)＝E3－E2，故D正确。]4．(多选)(2019·浙江高三月考)如图为氢原子能级图，已知可见光的光子的能量范围为1.62～3.11eV，普朗克常量h＝6.63×10—34J·s。下列说法正确的是()A．能量为13.0eV的光子或者电子均可使处于基态的氢原子跃迁到激发态B．处于n＝3能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线C．锌的逸出功是3.34eV，一群处于n＝3能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射锌板，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为8.75eVD．波长为60nm的伦琴射线能使处于基态的氢原子电离BCD[用能量为13.0eV的光子照射，基态的氢原子若吸收13eV的能量，则能量值为－0.6eV，氢原子没有该能级，所以不能使处于基态的氢原子跃迁，故A错误；紫外线光子的最小能量为3.11eV，处于n＝3能级的氢原子的电离能为1.51eV，所以任意频率的紫外线都能被n＝3能级的氢原子吸收，故B正确；一群处于n＝3能级的氢原子向基态跃迁时辐射光子最大能量为hνm＝E3－E1＝12.09eV，克服逸出功后剩余的动能最大为Ekm＝hνm－W＝8.75eV，故C正确；波长为60nm的伦琴射线的光子的能量：E＝hν＝hcλ＝6.63×10－34×3.0×10860×10－9J＝20.7eV13.6eV，所以用波长为60nm的伦琴射线照射，能使处于基态的氢原子电离出自由电子，故D正确。]1．原子的两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子。(2)受激跃迁：通过光照、撞击或加热等，低能级→高能级，当吸收的能量大于或等于原子所处能级的|En|，原子将发生电离。(3)原子在两个能级之间发生跃迁时，放出(或吸收)光子的频率是一定的，可由hν＝Em－En求得。若求波长可由公式c＝λν求得。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。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．解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En决定，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。原子核的衰变及半衰期[依题组训练]1．(多选)关于天然放射现象，以下叙述正确的是()A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B．β衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强D．铀核(23892U)衰变为铅核(20682Pb)的过程中，要经过8次α衰变和6次β衰变CD[半衰期的时间与元素的物理状态无关，若使某放射性物质的温度升高，其半衰期不变，故A错误。β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生的，故B错误。在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强，故C正确。铀核(23892U)衰变为铅核(20682Pb)的过程中，每经过一次α衰变质子数少2，质量数少4；而每经过一次β衰变质子数增加1，质量数不变；由质量数和核电荷数守恒，可知要经过8次α衰变和6次β衰变，故D正确。]2．(2018·江苏高考)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∶1B[经过2T，对A来说是2个半衰期，A的质量还剩14，经过2T，对B来说是1个半衰期，B的质量还剩12，所以剩有的A和B质量之比为1∶2，选项B正确。]3．(多选)钍23490Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤23491Pa，同时伴随有γ射线产生，其方程为23490Th→23491Pa＋X，钍的半衰期为24天。下列说法正确的是()A．X为质子B．X是钍核