（天津专用）2020届高考物理一轮复习 专题十六 原子物理与原子核物理教师用书（PDF，含解析）

十六　原子物理与原子核物理１３９　　专题十六原子物理与原子核物理对应学生用书起始页码Ｐ２３１考点一原子结构　　一、卢瑟福原子核式结构学说１．α粒子散射实验实验装置实验现象实验结论绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了较大角度的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了９０°，有的甚至几乎达到１８０°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全部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　　２．卢瑟福原子核式结构学说原子由原子核和核外电子组成，原子核对核外电子的库仑引力提供电子绕核做圆周运动的向心力。　　从宏观现象中总结出来的经典物理学规律不一定都能适用于微观体系。但是在某些问题中利用经典物理学规律也能得到与实际比较相符合的结论。例如，玻尔建立的氢原子模型，仍然把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动。他认为，氢原子中的电子在库仑力的作用下，绕原子核做匀速圆周运动。已知电子质量为ｍ，元电荷为ｅ，静电力常量为ｋ，氢原子处于基态时电子的轨道半径为ｒ１。ａ．氢原子处于基态时，电子绕原子核运动，可等效为环形电流，求此等效电流值。ｂ．氢原子的能量等于电子绕原子核运动的动能、电子与原子核系统的电势能的总和。已知当取无穷远处电势为零时，点电荷电场中离场源电荷ｑ为ｒ处的各点的电势φ＝ｋｑｒ。求处于基态的氢原子的能量。解析　ａ．电子绕原子核做匀速圆周运动ｋｅ２ｒ２１＝ｍｖ２１ｒ１Ｔ＝２πｒ１ｖ１解得Ｔ＝２πｅｍｒ３１ｋ电子绕原子核运动的等效电流Ｉ＝ｅＴＩ＝ｅ２２πｋｍｒ３１ｂ．由ａ可知，处于基态的氢原子的电子的动能Ｅｋ１＝１２ｍｖ２１＝ｋｅ２２ｒ１取无穷远处电势为零，距氢原子核为ｒ１处的电势φ＝ｋｅｒ１处于基态的氢原子的电子的电势能Ｅｐ１＝－ｅφ＝－ｋｅ２ｒ１所以，处于基态的氢原子的能量Ｅ１＝Ｅｋ１＋Ｅｐ１＝－ｋｅ２２ｒ１答案　ａ．ｅ２２πｋｍｒ３１　ｂ．－ｋｅ２２ｒ１　　二、玻尔原子理论１．氢原子的能级图和光谱其中，巴耳末系的部分谱线处于可见光区。２．对跃迁的理解（１）从低能量状态向高能量状态跃迁———吸收能量（２）从高能量状态向低能量状态跃迁———放出能量原子处于激发态时是不稳定的，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。若是一群原子处于激发态，则各种可能跃迁都会发生，所以我们会同时得到该原子的全部光谱线，辐射出的光谱线条数为Ｎ＝Ｃ２ｎ＝ｎ（ｎ－１）２。（３）跃迁时能量的变化从高能态跃迁到低能态时，电子的动能增大，电势能减小，原子总能量减小；反之，电子的动能减小，电势能增大，原子总能量增大。（４）入射光子与氢原子跃迁、电离关系①入射光子的能量大于氢原子的电离能时，氢原子直接电离。②入射光子的能量小于氢原子的电离能，且恰好等于氢原子的能级差的数值时，氢原子能够吸收光子，发生跃迁。此时存在关系ｈν＝Ｅｍ－Ｅｎ（ｍ＞ｎ）。③入射光子的能量小于氢原子的电离能，且不等于氢原子的能级差的数值时，氢原子不吸收光子，不发生跃迁。（５）入射实物粒子（如电子）与氢原子跃迁、电离关系①入射实物粒子的动能大于氢原子电离能时，氢原子发生􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋１４０　　５年高考３年模拟Ｂ版（教师用书）电离。②入射实物粒子的动能小于氢原子电离能时，只要大于氢原子最小的能级差的数值，则氢原子会吸收部分能量发生跃迁，吸收的能量为ΔＥ＝Ｅｍ－Ｅｎ（ｍ＞ｎ）。　　如图所示为氢原子的能级示意图，大量氢原子处于ｎ＝３能级的激发态，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能级跃迁到ｎ＝２能级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能级跃迁到ｎ＝１能级所发出的光子频率最低解析　大量处于ｎ＝３能级的氢原子能发出Ｃ２３＝３种不同频率的光子，Ａ错；从ｎ＝３能级跃迁到ｎ＝１能级，能级差最大，发出光子的频率最大，波长最短，故选项Ｂ、Ｄ均错；从ｎ＝３能级跃迁到ｎ＝１能级发出的光子的能量最大，为－１．５１ｅＶ－（－１３．６ｅＶ）＝１２．０９ｅＶ，用此光子照射金属钠时，逸出的光电子初动能最大，为１２．０９ｅＶ－２．２９ｅＶ＝９．８０ｅＶ，选项Ｃ正确。答案　Ｃ１．二十世纪初，为了研究物质内部的结构，物理学家做了大量的实验，揭示了原子内部的结构，发现了电子、中子和质子。图是（　　）Ａ．卢瑟福的α粒子散射实验装置Ｂ．卢瑟福发现质子的实验装置Ｃ．汤姆孙发现电子的实验装置Ｄ．查德威克发现中子的实验装置１．答案　Ａ　由图可知，该装置是卢瑟福的α粒子散射实验装置，故Ａ正确。２．氢原子辐射出一个光子后，下列说法正确的是（　　）Ａ．电子绕核旋转半径增大Ｂ．电子的动能增大Ｃ．氢原子的电势能增大Ｄ．原子的能级增大２．答案　Ｂ　根据玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，电子应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道。跃迁过程中，电场力对电子做正功，故电势能减小。根据经典物理理论可知，电子绕核做匀速圆周运动的向心力由核对电子的库仑力提供，即ｋｅ２ｒ２＝ｍｖ２ｒ，则Ｅｋ＝ｍｖ２２＝ｋｅ２２ｒ，电子的轨道半径减小，其动能增大。由能量守恒定律可知，氢原子放出光子，辐射能量，所以原子的能级减少。故Ｂ正确。３．已知金属钾的逸出功为２．２２ｅＶ，氢原子的能级图如图所示，一群处在ｎ＝３能级的氢原子向低能级跃迁时，能够从金属钾的表面打出光电子的光波共有（　　）Ａ．一种Ｂ．两种Ｃ．三种Ｄ．四种３．答案　Ｂ　要从金属钾的表面打出光电子，入射光的能量应大于金属钾的逸出功，一群处在ｎ＝３能级的氢原子向低能级跃迁时，只有从３能级向１能级跃迁或从３能级先向２能级跃迁再向１能级跃迁时发出的光子能量大于金属钾的逸出功，因此选Ｂ。４．物理学家在微观领域发现了“电子偶素”这一现象。所谓“电子偶素”就是由一个负电子和一个正电子绕它们连线的中点做匀速圆周运动形成相对稳定的系统。类比玻尔的原子量子化模型可知：两电子做圆周运动的可能轨道半径的取值是不连续的，所以“电子偶素”系统对应的能量状态（能级）也是不连续的。若规定两电子相距无限远时该系统的引力势能为零，则该系统的最低能量值为Ｅ（Ｅ＜０），称为“电子偶素”的基态，基态对应的电子运动的轨道半径为ｒ。已知正、负电子的质量均为ｍ，电荷量大小均为ｅ，静电力常量为ｋ，普朗克常量为ｈ。则下列说法中正确的是（　　）Ａ．“电子偶素”系统处于基态时，一个电子运动的动能为ｋｅ２８ｒＢ．“电子偶素”系统吸收特定频率的光子发生能级跃迁后，电子做圆周运动的动能增大Ｃ．处于激发态的“电子偶素”系统向外辐射光子的最大波长为－ｈｃＥＤ．处于激发态的“电子偶素”系统向外辐射光子的最小频率为－Ｅｈ４．答案　Ａ　电子做匀速圆周运动，正、负电子之间的引力充当向心力，有ｋｅ２（２ｒ）２＝ｍｖ２ｒ，故一个电子的动能Ｅｋ＝１２ｍｖ２＝ｋｅ２８ｒ，Ａ正确；“电子偶素”系统吸收光子跃迁时，引力做负功，动能减小，Ｂ错误；电子由激发态跃迁到基态辐射光子的最大能量为－Ｅ＝ｈν，因此辐射光子的最大频率ν＝－Ｅｈ，又因为ν＝ｃλ，所以－Ｅ＝ｈｃλ，辐射光子的最小波长λ＝－ｈｃＥ，故Ｃ、Ｄ均错误。考点二原子核物理　　一、天然放射现象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ＭＺＸ→Ｍ－４Ｚ－２Ｙ＋４２ＨｅＭＺＸ→　ＭＺ＋１Ｙ＋０－１ｅ衰变实质２个质子和２个中子结合成一个整体中子转化为质子和电子２１１Ｈ＋２１０ｎ→４２Ｈｅ１０ｎ→１１Ｈ＋０－１ｅ衰变规律电荷数守恒、质量数守恒􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋􀪋十六　原子物理与原子核物理１４１　　　　２．三种射线的本质和特性名称本质射出速度电离作用穿透本领α射线高速氦核流１１０ｃ较强弱（小纸片即可挡住）β射线高速电子流９９％ｃ较弱较强（穿透几毫米厚的铝板）γ射线高能光子流ｃ更小强（穿透几厘米厚的铅板）　　如图所示，放射性元素镭衰变过程中放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是（　　）Ａ．①表示γ射线，③表示α射线Ｂ．②表示β射线，③表示α射线Ｃ．④表示α射线，⑤表示γ射线Ｄ．⑤表示β射线，⑥表示α射线解析　α射线实质为高速氦核流，带正电，β射线为电子流，带负电，γ射线为高频电磁波。根据电荷所受电场力特点，正电荷向负极板偏转，负电荷向正极板偏转，不带电的粒子不偏转，可知①为β射线，②为γ射线，③为α射线。三种射线在磁场中垂直磁场运动，根据左手定则，α射线受到洛伦兹力向左偏，β射线受到洛伦兹力向右偏，γ射线不受洛伦兹力，不偏转，故④为α射线，⑤为γ射线，⑥为β射线。故Ｃ项正确。答案　Ｃ　　二、原子核的人工转变、裂变和聚变核反应名称核反应方程实际意义或作用人工转变４２Ｈｅ＋１４７Ｎ→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２３５９２Ｕ＋１０ｎ→１４４５６Ｂａ＋８９３６Ｋｒ＋３１０ｎ２３５９２Ｕ＋１０ｎ→１３６５４Ｘｅ＋９０３８Ｓｒ＋１０１０ｎ原子弹、核电站原理轻核聚变２１Ｈ＋３１Ｈ→４２Ｈｅ＋１０ｎ氢弹原理　　三、核能的释放１．爱因斯坦质能方程：Ｅ＝ｍｃ２，方程揭示出质量与能量之间的密切关系。２．核能的释放：ΔＥ＝Δｍｃ２，说明核反应中释放的能量与质量亏损成正比。１原子质量单位（１ｕ）相当于９３１ＭｅＶ。　　太阳的能量来自下面的反应：四个质子（氢核）聚变成一个α粒子，同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子νｅ。若太阳辐射能量的总功率为Ｐ，质子１１Ｈ、氦核４２Ｈｅ、正电子０１ｅ的质量分别为ｍｐ、ｍＨｅ、ｍｅ，真空中的光速为ｃ。（１）写出核反应方程式。（２）求核反应所释放的能量ΔＥ。（３）求在ｔ时间内参与上述热核反应的质子数。解析　（１）核反应方程式为４１１Ｈ➝４２Ｈｅ＋２０１ｅ＋２νｅ（２）质量亏损Δｍ＝４ｍｐ－ｍＨｅ－２ｍｅ，根据爱因斯坦质能方程得ΔＥ＝Δｍｃ２，核反应释放的能量ΔＥ＝（４ｍｐ－ｍＨｅ－２ｍｅ）ｃ２（３）设时间ｔ内参与热核反应的质子数为Ｎ依据能量关系Ｐｔ＝ＮΔＥ４有Ｎ＝４Ｐｔ（４ｍｐ－ｍＨｅ－２ｍｅ）ｃ２。答案　见解析１．关于天然放射性，下列说法正确的是（　　）Ａ．天然放射现象说明原子是可分的Ｂ．放射性元素的半衰期与外界的温度有关，温度越高半衰期越短Ｃ．放射性元素发生β衰变时所释放出的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的Ｄ．机场、车站进行安检时，能发现箱内危险物品，是利用了α射线较强的穿透能力１．答案　Ｃ　天然放射现象说明原子核可分，Ａ错。半衰期与外界温度无关，Ｂ错。机场、车站利用Ｘ射线穿透物品进行安检，Ｄ错误。易错警示　放射性元素发生β衰变时所释放的电子是核内中子转化为质子时产生的。２．下列核反应方程中，属于核聚变的是　　（　　）Ａ．２３８９２Ｕ→２３４９０Ｔｈ＋４２ＨｅＢ．２３４９０Ｔｈ→２３４９１Ｐａ＋０－１ｅＣ．２１Ｈ＋３１Ｈ→４２Ｈｅ＋１０ｎＤ．２３５９２Ｕ＋１０ｎ→１４４５６Ｂａ＋８９３６Ｋｒ＋３１０ｎ２．答案　Ｃ　Ａ项属于α衰变，Ｂ项属于β衰变，Ｄ项属于核裂变。解题关键　聚变是质量小的核结合成质量大的核。裂变是质量大的核分裂成质量小的几个核。３．下列核反应方程中，属于β衰变的是　　（　　）Ａ．２３４９０Ｔｈ→２３４９１Ｐａ＋０－１ｅＢ．２１Ｈ＋３１Ｈ→４２Ｈｅ＋１０ｎＣ．２３８９２Ｕ→２３４９０Ｔｈ＋４２ＨｅＤ．１４７Ｎ＋４２Ｈｅ→１７８Ｏ＋１１Ｈ３．答案　Ａ　Ａ是β衰变方程。Ｂ是轻核聚变方程。Ｃ是α衰