2020年物理高考大一轮复习 第12章 波粒二象性 原子结构与原子核 第34讲 原子结构与原子核课件

第十二章波粒二象性原子结构与原子核高考总复习·物理第34讲原子结构与原子核高考总复习·物理板块一板块二板块三课时达标目录板块一︿︿[知识梳理]1．原子的核式结构：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．2．光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的___________和______分布的记录．正电荷质量波长(频率)强度3．玻尔理论(1)定态：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：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：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___________．不连续稳定Em－En不连续的不连续的4．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＝__________.(2)氢原子的半径公式：rn＝_____(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.－13.6eVn2r1(3)氢原子的能级图．[基础小练]判断下列说法是否正确(1)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的，该实验是在真空中进行的．()(2)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的．()(3)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上．()√××(4)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的．()(5)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hν＝En.()(6)如果某放射性元素的原子核有10个，经过一个半衰期后还剩5个．()(7)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量．()√×××板块二︿︿[考法精讲]考法一能级图与氢原子的跃迁1．能级图中相关量意义的说明相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数横线右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为hν＝Em－En2．两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子．光子的频率ν＝ΔEh＝E高－E低h.(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差hν＝ΔE；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；③大于电离能的光子被吸收，将原子电离．归纳总结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＝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．【自主练1】(2019·烟台高三期末)(多选)一群处于n＝5能级的氢原子在向n＝1的能级跃迁的过程中()A．放出4种频率不同的光子B．放出10种频率不同的光子C．放出的光子的最大能量为13.06eV，最小能量为0.66eVD．放出的光子有的能使逸出功为13eV的金属发生光电效应现象BD解析一群处于n＝5的能级的氢原子向低能级跃迁，共产生C25＝5×42＝10种频率不同的光子，故选项A错误，B正确；根据玻尔理论能级差越大跃迁放出的光子能量越大，故ΔEmax＝E5－E1＝－0.54eV－(－13.6eV)＝13.06eV，ΔEmin＝E5－E4＝－0.54eV－(－0.85eV)＝0.31eV，选项C错误；因ΔEmax＝13.06eV13eV，故光子的能量大于逸出功，可以使金属发光电效应，选项D正确．【自主练2】(2019·南通高三调研)(多选)已知氢原子基态能量为－13.6eV，下列说法正确的有()A．使n＝2能级的氢原子电离至少需要吸收3.4eV的能量B．氢原子由n＝3能级跃迁到n＝2能级，放出光子，能量增加C．处于基态的氢原子吸收能量为10.2eV的光子跃迁到n＝4激发态D．大量处于n＝3激发态的氢原子会辐射出3种不同频率的光子AD解析氢原子基态能量为－13.6eV，则n＝2能级为E2＝－13.622eV＝－3.4eV，因此要使处于n＝2能级氢原子电离至少需要吸收能量3.4eV，故选项A正确；氢原子由n＝3能级跃迁到n＝2能级，放出光子，能量减少，故选项B错误；处于基态的氢原子吸收能量为10.2eV的光子，能量为ΔE＝(13.6－10.2)eV＝3.4eV，因此会从n＝1能级跃迁到n＝2能级，故选项C错误；根据C23＝3，可知，大量处于n＝3能级的氢原子跃迁时能辐射出3种不同频率的光子，故选项D正确．考法二原子核的衰变半衰期1．α衰变、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＋0-1e2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子衰变实质211H＋210n→42He10n→11H＋0-1e匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2．确定α、β衰变次数的两种方法方法1：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2：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，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．3．半衰期(1)公式：N余＝N原12tτ，m余＝m原12tτ.(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．【自主练3】(2019·河北辛集中学期末)(多选)下列说法正确的是()A.23290Th经过6次α衰变和4次β衰变后，成为稳定的原子核20882PbB．发现中子的核反应方程为94Be＋42He→126C＋10nC．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱D．氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，原子能量减小ABC解析23290Th经过6次α衰变和4次β衰变后，质量数是A＝232－6×4＝208，电荷数Z＝90－2×6＋4＝82，成为稳定的原子核20882Pb，故选项A正确；发现中子的核反应方程是94Be＋42He→126C＋10n，故选项B正确；γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱，故选项C正确；根据玻尔理论可知，核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，氢原子的电势能增大，核外电子遵循ke2r2＝mv2r，据此可知电子的动能减小，再据能级与半径的关系可知，原子的能量随半径的增大而增大，故选项D错误.【自主练4】(2019·德阳高三诊断)下列核反应方程中，属于β衰变的是()A.23490Th→23491Pa＋0-1eB.23892U→23490Th＋42HeC.147N＋42He→178O＋11HD.21H＋31H→42He＋10nA解析根据质量数守恒和核电荷数守恒可知，A生成的是电子，故A为β衰变；B生成的是α粒子，故B为α衰变；聚变是轻核生成重核，属于聚变的是C、D，故选项A正确，B、C、D错误．考法三核反应类型与核反应方程1．核反应的四种类型类型可控性核反应方程α衰变自发23892U→23490Th＋42He衰变β衰变自发23490Th→23491Pa＋0-1e人工转变147N＋42He→178O＋11H(卢瑟福发现质子)42He＋94Be→126C＋10n(查德威克发现中子)2713Al＋42He→3015P＋10n3015P→3014Si＋01e(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)重核裂变人工控制23592U＋10n→14456Ba＋8936Kr＋310n23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n轻核聚变很难控制21H＋31H→42He＋10n2.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)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接．(3)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程．(4)核反应过程中质量数守恒，核电荷数守恒．【自主练5】(2019·天津滨海新区大港油田一中高三期中)(多选)下列说法正确的是()A.157N＋11H―→126C＋42He是α衰变方程B.11H＋21H―→32He＋γ是核聚变反应方程C.23892U―→23490Th＋42He是核裂变反应方程D.42He＋2713Al―→3015P＋10n是原子核的人工转变方程BD解析选项A所给式不符合α衰变规律，所以不是α衰变方程，故选项A错误．核聚变指的是两个轻核结合成质量数较大的核，故选项B正确．铀核裂变过程中一定会产生中子，所给反应方程式没有中子产生，故选项C错误．选项D中方程代表的是原子核转变为另一种原子核的过程，是人工转变方程，故选项D正确．【自主练6】(2018·天津卷)国家大科学过程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台，下列核反应中放出的粒子为中子的是()A.147N俘获一个α粒子，产生178O并放出一个粒子B.2713Al俘获一个α粒子，产生3015P并放出一个粒子C.115B俘获一个质子，产生84Be并放出一个粒子D.63Li俘获一个质子，产生32He并放出一个粒子B解析根据质量数和电荷数守恒可知四个核反应方程分别为147N＋42He→178O＋11H、2713Al＋42He→3015P＋10n、115B＋42He→84Be＋73Li，63Li＋42He→32He＋73Li，故选项B正确．考法四核能的计算1．质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2.方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少．(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，释放的能量为ΔE＝Δmc2.(3)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＝Δmc2.2．核能释放的两种途径的理解中等大小的原子核的比结合能最大，这些核最稳定．(1)使较重的核分裂成中等大小的核．(2)较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量．3．计算核能的几种方法(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．【例题1】(2017·全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电．氘核聚变反应方程是21H