（江苏专版）2020版高考物理第十一章第3节原子结构与原子核讲义（含解析）.docx

原子结构与原子核(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小。()(2)核式结构学说是卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出的。()(3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。()(4)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱。()(5)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。()(6)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。()(7)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。()(8)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。()(9)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。()突破点(一)原子的核式结构1汤姆孙原子模型(1)电子的发现：1897年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。电子的发现证明了原子是可再分的。(2)汤姆孙原子模型：原子里面带正电荷的物质均匀分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在球内。2粒子散射实验(1)粒子散射实验装置(2)粒子散射实验的结果：绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但少数粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，极少数粒子甚至被“撞了回来”。3原子的核式结构模型(1)粒子散射实验结果分析核外电子不会使粒子的速度发生明显改变。汤姆孙模型不能解释粒子的大角度散射。绝大多数粒子沿直线穿过金箔，说明原子中绝大部分是空的；少数粒子发生较大角度偏转，反映了原子内部集中存在着对粒子有斥力的正电荷；极少数粒子甚至被“撞了回来”，反映了个别粒子正对着质量比粒子大得多的物体运动时，受到该物体很大的斥力作用。(2)原子的核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外绕核旋转。(3)核式结构模型的局限性卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释粒子散射实验现象，但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性。题点全练1在粒子散射实验中，电子对粒子运动的影响可以忽略。这是因为与粒子相比，电子的()A电量太小B速度太小C体积太小 D质量太小解析：选D在粒子散射实验中，由于电子的质量太小，电子的质量只有粒子的，它对粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。故D正确，A、B、C错误。2多选如图所示是英国物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔的实验装置。下列关于该实验的描述正确的是()A粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成B粒子的散射实验揭示了原子核有复杂的结构C实验结果表明绝大多数粒子穿过金箔后没有发生散射D粒子从金原子内部穿出后携带了原子内部结构的信息解析：选ACD当粒子穿过原子时，电子对粒子影响很小，影响粒子运动的主要是原子核，离核远则粒子受到的库仑斥力很小，运动方向改变小。只有当粒子与核十分接近时，才会受到很大库仑斥力，而原子核很小，所以粒子接近它的机会就很少，所以只有极少数大角度的偏转，而绝大多数基本按直线方向前进，粒子轰击金箔的实验需在真空条件下完成，故A正确；粒子的散射实验揭示了原子具有复杂的核式结构，故B错误；实验结果表明绝大多数粒子穿过金箔后没有发生散射，故C正确；粒子从金原子内部穿出后携带了原子内部的信息，故D正确。3如图所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下述说法中正确的是()A放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最少B放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多C放在C位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少D放在D位置时，屏上观察不到闪光解析：选C放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，说明大多数射线基本不偏转，故A错误；放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数较放在A位置时少，故B错误；放在C位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少，说明极少数射线较大偏转，可知原子内部带正电的那部分物质体积小且质量大，故C正确；放在D位置时，屏上可以观察到闪光，只不过很少很少，说明很少很少射线发生大角度的偏转，故D错误。突破点(二)原子能级跃迁规律1对氢原子能级图的理解(1)能级图如图所示。(2)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hEmEn2两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。光子的频率。(2)受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差hE。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E。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。3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(n1)。(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。用数学中的组合知识求解：NC。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。题点全练1多选(2019连云港模拟)如图是氢原子的能级示意图，当氢原子从n5的能级跃迁到n2的能级时，辐射紫色光，光的波长为434 nm。下列判断正确的是()A跃迁过程中电子的轨道是连续变小的B氢原子从n5能级跃迁到n3能级时，辐射光的波长大于434 nmC辐射的紫色光能使处于n4能级的氢原子电离D大量处于n5能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射6种不同谱线解析：选BC根据玻尔理论，原子只能处于一系列不连续的轨道状态，故A错误；从n5能级跃迁到n2能级时，辐射光的波长为434 nm，即有：h(0.54 eV)(3.4 eV)2.86 eV，而从n5能级跃迁到n3能级时，辐射能量减小，则光的波长增大，故B正确；从n5能级跃迁到n2能级时，辐射光的能量为2.86 eV，处于n4能级的氢原子电离所需要的能量为0(0.85 eV)0.85 eV，所以辐射的紫色光可以使处于n4能级的氢原子电离，故C正确；根据数学组合C10，可知一群n5能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生10种谱线，故D错误。2(2018宿迁期末)如图所示为氢原子的能级图，n为量子数，电子处在n3轨道上比处在n2轨道上离氢核的距离_ (选填“近”或“远”)。若氢原子由n3能级跃迁到n2能级的过程释放出的光子恰好能使某种金属产生光电效应，该金属的逸出功是_eV；一群氢原子从n4能级跃迁到基态形成的谱线中有_种频率的光照射该金属不能发生光电效应。解析：量子数越大，轨道半径越大，距离原子核越远，电子处在n3轨道上比处在n2轨道上离氢核的距离远；因为氢原子由n3能级跃迁到n2能级的过程中释放出的光子恰好能使某种金属产生光电效应，即逸出功W0E3E2(1.51 eV)(3.4 eV)1.89 eV；从n4能级跃迁到n1、2能级，从n3能级跃迁到n1、2能级，从n2能级跃迁到n1能级辐射的光子能量大于等于逸出功，则有5种频率的光子能使该金属产生光电效应。从n4能级跃迁到n3能级辐射的光子能量小于逸出功，只有1种频率的光不能使该金属发生光电效应。答案：远1.8913(2019盐城一模)氦原子的一个核外电子被电离，形成类氢结构的氦离子。如图所示是氦离子能级的示意图。现有氦离子从n4能级跃迁到n_能级辐射出的光子能量为10.2 eV；用该光照射逸出功为2.29 eV的金属钠，光电子产生的最大初动能为_ eV。解析：根据氢原子能级跃迁时吸收或放出的能量等于两能级差，即hEmEn，由题意可知，10.2 eV(3.4 eV)En，解得En13.6 eV，所以n2；根据爱因斯坦光电效应方程EkhW0可知，Ek10.2 eV2.29 eV7.91 eV。答案：27.91突破点(三)原子核的衰变规律1放射性元素具有放射性的元素称为放射性元素，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线，它们放射出来的射线共有射线、射线、射线三种。2三种射线的比较种类射线射线射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2ee0质量4mp，mp1.671027 kg静止质量为零速度0.1c0.99cc(光速)在电磁场中偏转与射线反向偏转不偏转贯穿本领最弱，用纸能挡住较强，能穿透几毫米厚的铝板最强，能穿透几厘米厚的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱3衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程XYHeXYe衰变实质2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2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒4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X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为XYnHeme。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程AA4nZZ2nm由以上两式联立解得n，mZZ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：因为衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变的次数，然后根据衰变规律确定衰变的次数。5对半衰期的理解(1)半衰期公式：N余N原，m余m原。(2)半衰期的物理意义：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差别很大。(3)半衰期的适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变。题点全练1(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()A14B12C21 D41解析：选B根据衰变规律，经过2T后A剩有的质量mAm0m0，B剩有的质量mBm0m0，所以，故选项B正确。2天然放射现象的发现，证明了原子核具有复杂的结构。关于原子核，下列说法正确的是()A射线是原子的核外电子电离后形成的电子流B某原子核经过一次衰变后，核内质子数减少4个C增大压强不能改变原子核衰变的半衰期D射线的贯穿作用很强，可用来进行金属探伤解析：选C射线是原子核内的中子转化为质子同时生成一个电子形成的，故A错误；衰变是原子核自发放射粒子的核衰变过程，粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核，质子数等于电荷数2，所以“核内质子数减少4个”是错误的，则B错误；原子核的半衰期由其自身决定，与所处的物理、化学等外界环境无关，故改变压强不能改变半衰期，C正确；射线的贯穿作用很强，可用来进行金属探伤，射线的电离本领最强，D错误。3多选(2019南京六校联考)氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。下列说法正确的是()A氡222衰变成钋218，其衰变方程为RnPoeB氡222衰变成钋218，其衰变方程为RnPoHeC已知氡222的半衰期是3.8天，经过19天32 g的Rn衰变后还剩1 gD已知氡222的半衰期是3.8天，经过15.2天32 g的Rn 衰变后还剩1 g解析：选BC根据质量数和电荷数守恒可得该衰变方程为 RnPoHe，A错误，B正确；根据mm0可得321，解得5，故t19天，C正确，D错误。突破点(四)核反应方程与核能计算1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发92U90ThHe衰变自发90Th91Pae人工转变人工控制7NHe8OH(卢瑟福发现质子)HeBe6Cn(查德威克发现中子)AlHe Pn(约里奥居里夫妇发现人工放射性)PSie重核裂变比较容易进行人工控制92Un56BaKr3n92Un54XeSr10n轻核聚变很难控制HHHen2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(H)、中子(n)、粒子(He)、粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)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对质能方程的理解(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Emc2。方程的含义：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m，其能量也要相应减少，即Emc2。(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m，吸收的能量为Emc2。4核能的计算方法(1)根据Emc2计算时，m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”。(2)根据Em931.5 MeV计算时，m的单位是“u”，E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。典例(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料。U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生_个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。(2)取质子的质量mp1.672 61027 kg，中子的质量mn1.674 91027 kg，粒子的质量m6.646 71027 kg，光速c3.0108 m/s。请计算粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)解析(1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：92Un 56BaKr3n，即产生3个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。(2)组成粒子的核子与粒子的质量差m(2mp2mn)m结合能Emc2代入数据得E4.31012 J。答案(1)3大于(2)4.31012 J方法规律核能求解的思路方法(1)应用质能方程解题的流程图：(2)在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示。(3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能。集训冲关1(2016江苏高考)贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。下列属于放射性衰变的是()A.CNe B.UnIY2nC.HHHen D.HeAlPn解析：选A放射性元素自发地放出射线的现象叫天然放射现象。A选项为衰变方程，B选项为重核裂变方程，C选项为轻核聚变方程，D选项为原子核的人工转变方程，故选A。2多选(2017江苏高考)原子核的比结合能曲线如图所示。根据