2020版高考物理复习第十二章第2讲原子和原子核讲义（含解析）教科版.docx

第2讲原子和原子核一、原子物理1.原子的核式结构(1)19091911年，英籍物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验，提出了原子核式结构模型.(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，但有少数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”，如图1所示.图1(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动.2.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：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式R()(n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10107m1).(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.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：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为h的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hEmEn.(h是普朗克常量，h6.631034Js)(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.氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式：能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6eV.半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010m.(2)氢原子的能级图，如图2所示图2自测1(多选)如图3所示为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四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是()图3A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D.放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少答案ABD解析根据粒子散射现象，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，A、B、D正确.自测2一个氢原子从n3能级跃迁到n2能级，该氢原子()A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少答案B二、天然放射现象和原子核1.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，首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构.(2)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：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.应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.防护：防止放射性对人体组织的伤害.2.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)基本关系核电荷数(Z)质子数元素的原子序数原子的核外电子数.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X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数.3.原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.分类衰变：XYHe衰变：XYe当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随着辐射.两个典型的衰变方程衰变：UThHe衰变：ThPae.(2)半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系.(3)公式：N余N原()，m余m原().4.核力和核能(1)原子核内部，核子间所特有的相互作用力.(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量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.自测3(2018全国卷14)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：AlnX.X的原子序数和质量数分别为()A.15和28B.15和30C.16和30D.17和31答案B解析将核反应方程式改写成HeAlnX，由电荷数和质量数守恒知，X应为X.命题点一玻尔理论和能级跃迁1.定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n)高能级(m)吸收能量.hEmEn(2)从高能级(m)低能级(n)放出能量.hEmEn.2.电离电离态与电离能电离态：n，E0基态电离态：E吸0(13.6eV)13.6eV.激发态电离态：E吸0En|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.例1(多选)(2018湖南省永州市三模)如图4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n3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()图4A.能产生3种不同频率的光子B.产生的光子的最大频率为C.当氢原子从能级n2跃迁到n1时，氢原子的能量变大D.若氢原子从能级n2跃迁到n1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n3跃迁到n1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E3E2答案ABD解析根据C可得从n3能级向低能级跃迁能产生C3种不同频率的光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从n3能级向n1能级跃迁时产生的，根据公式hE3E1，解得，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n2跃迁到n1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n3跃迁到n1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EkmhW(E3E1)(E2E1)E3E2，故D正确.变式1(多选)(2018山东省烟台市上学期期末)如图5，一群处于n5能级的氢原子在向n1的能级跃迁的过程中()图5A.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答案BD解析一群处于n5能级的氢原子向低能级跃迁时，共产生C10种频率不同的光子，故A项错误，B项正确；根据玻尔理论知能级差越大，跃迁时放出的光子能量越大，故EmaxE5E10.54eV(13.6eV)13.06eV，EminE5E40.54eV(0.85eV)0.31eV，C项错误；因Emax13.06eV13eV，故有的光子的能量大于逸出功可以使逸出功为13eV的金属发出光电效应，D项正确.变式2(2019四川省成都市调研)氢原子能级图如图6所示，当氢原子从n3的能级跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656nm，下列判断正确的是()图6A.氢原子从n2的能级跃迁到n1的能级时，辐射光的波长大于656nmB.当氢原子从n4的能级跃迁到n2的能级时，辐射出的光子不能使逸出功为2.25eV的钾发生光电效应C.一个处于n4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生6种谱线D.用能量为1.0eV的光子照射处于n4能级的氢原子，可以使氢原子电离答案D解析氢原子从n2的能级跃迁到n1的能级时，辐射光的能量大于氢原子从n3的能级跃迁到n2的能级时辐射光的能量，根据E可知，氢原子从n2的能级跃迁到n1的能级时，辐射光的波长一定小于656nm，故A错误；从n4的能级跃迁到n2的能级时辐射出的光子能量为2.55eV，大于金属钾的逸出功，能使钾发生光电效应，故B错误；一个处于n4的能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线，故C错误；当处于n4能级的氢原子吸收的能量大于或等于0.85eV时，将会被电离，故D正确.命题点二原子核的衰变及半衰期1.衰变规律及实质(1)衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变过程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)射线：射线经常伴随着衰变或衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子.2.确定衰变次数的方法因为衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定衰变的次数，然后再根据衰变规律确定衰变的次数.3.半衰期(1)公式：N余N原()，m余m原().(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.例2(2017全国卷15)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为UThHe，下列说法正确的是()A.衰变后钍核的动能等于粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D.衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pThp0，即钍核的动量和粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；根据Ek可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个粒子不适用，选项C错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项D错误.变式3(多选)(2018河南省濮阳市第二次模拟)关于原子和原子核，下列说法正确的是()A.粒子散射实验表明，原子是可分的B.原子核发生衰变，原子核的质子数会增加C.外界的温度越高，原子半衰期越短D.根据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射各种不同频率的光子答案AB解析卢瑟福由粒子散射实验提出了原子核式结构模型：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绕着核旋转，即原子是可分的，A正确；经过一次衰变，电荷数多1，质量数不变，质子数等于电荷数，则质子数增加1个，B正确；原子的半衰期与外界因素无关，C错误；据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射特定频率的光子，D错误.变式4(多选)(2018广东省汕头市第二次模拟)如图7，静止的U核发生衰变后生成反冲Th核，两个产物都在垂直于它们速度方向的匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法正确的是()图7A.衰变方程可表示为UThHeB.Th核和粒子的圆周轨道半径之比为145C.Th核和粒子的动能之比为145D.Th核和粒子在匀强磁场中旋转的方向相反答案AB解析已知粒子为He，则由电荷数守恒及质量数守恒可知，衰变方程为：UThHe，故A正确；Th核和粒子都带正电荷，则在题图匀强磁场中都是逆时针旋转，故D错误；由动量守恒可得衰变后，则Th核和粒子的动能之比2，故C错误；粒子在匀强磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，所以有Bvq，则R，所以Th核和粒子的圆周轨道半径之比，故B正确.命题点三核反应及核反应类型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UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变容易控制UnBaKr3nUnXeSr10n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.例3(2016全国卷35(1)在下列描述核过程的方程中，属于衰变的是_，属于衰变的是_，属于裂变的是_，属于聚变的是_.(填正确答案标号)A.CNeB.PSeC.UThHeD.NHeOHE.UnXeSr2nF.HHHen答案CABEF解析衰变是一种放射性衰变，粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求；衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数增加1的过程，A、B两项符合要求；裂变是指一些质量非常大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求；聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程，F项符合要求.变式5(2018广西桂林市、贺州市期末联考)下列关于核反应的说法正确的是()A.UThHe是铀核的裂变B.HHHen是核聚变反应C.核反应AlHePX中的X是质子D.卢瑟福发现中子的核反应方程是：HeNOn答案B解析UThHe是衰变方程，选项A错误；HHHen是核聚变反应，选项B正确；核反应AlHePX中的X质量数为1，电荷数为零，则X是中子，选项C错误；卢瑟福发现质子的核反应方程是：HeNOH，选项D错误.变式6(2018安徽省池州市上学期期末)有关核反应方程，下列说法正确的是()A.UThHe属于衰变B.NHeOH是衰变C.核反应方程PoXHe中的y206，X的中子个数为128D.铀核裂变的核反应为UBaKr2n答案A解析衰变是重核自发地放出粒子的天然放射现象，其中粒子是He，故A正确；NHeOH是发现质子的原子核人工转变，故B错误；根据质量数守恒：y2104206，X的中子个数为20682124，故C错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，铀核裂变的核反应为UnBaKr3n，故D错误.命题点四质量亏损及核能的计算1.利用质能方程计算核能(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损m.(2)根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能.质能方程Emc2中m的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则E的单位为“J”.(3)Emc2中，若m的单位用“u”，则可直接利用Em931.5MeV计算E，此时E的单位为“MeV”，即1u1.66061027kg，相当于931.5MeV，这个结论可在计算中直接应用.2.利用比结合能计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能.例4(2017全国卷17)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：HHHen.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.0150u，n的质量为1.0087u,1u931MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为()A.3.7MeVB.3.3MeVC.2.7MeVD.0.93MeV答案B解析根据质能方程，释放的核能Emc2，m2mHmHemn0.0035u，则E0.0035931MeV3.2585MeV3.3MeV，故B正确，A、C、D错误.变式7(多选)(2018云南省统一检测)原子核的比结合能随质量数的变化图像如图8所示，根据该曲线，下列判断正确的是()图8A.中等质量核的比结合能大，这些核较稳定B.H核比Li核更稳定C.U核裂变成两个中等质量的核时释放能量D.Kr核的比结合能比U核的小答案AC解析由题图可知，中等质量的原子核的比结合能大，所以中等质量的原子核稳定，故A正确；由题图可知H核离中等质量的原子核更远，故H核比Li核更不稳定，故B错误；重核裂变成中等质量的核，有质量亏损，释放能量，故C正确；由题图可知，Kr核的比结合能比U核的大，故D错误.变式8(2018河北省定州中学承智班月考)一个不稳定的原子核质量为M，处于静止状态，放出一个质量为m的粒子后反冲.已知放出的粒子的动能为E0，则原子核反冲的动能为()A.E0B.E0C.E0D.E0答案C解析放出质量为m的粒子后，剩余质量为Mm，该过程动量守恒，有：mv0(Mm)v放出的粒子的动能为：E0mv02原子核反冲的动能：Ek(Mm)v2联立得：EkE0，故A、B、D错误，C正确.1.在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看做静止不动，下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是()答案C解析金箔中的原子核与粒子都带正电，粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错误；由原子核对粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向粒子所受力的方向，B错误，C正确.2.下列说法正确的是()A.在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应B.铀元素的半衰期为T，当温度发生变化时，铀元素的半衰期也发生变化C.轻核聚变的过程质量增大，重核裂变的过程有质量亏损D.比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时一定吸收能量答案A解析在铀核的裂变中，当铀块的体积小于“临界体积”时，不能发生链式反应，故A正确；半衰期与温度无关，由原子核内部因素决定，故B错误；重核裂变和轻核聚变都有质量亏损，向外辐射能量，故C错误；比结合能小的原子核结合成(或分裂成)比结合能大的原子核时有质量亏损，释放能量，故D错误.3.(2018山西省晋城市第一次模拟)关于原子核，下列说法正确的是()A.原子核发生一次衰变，该原子外层就失去一个电子B.铀235裂变方程为UBaKr2nC.比结合能越大，原子核越稳定D.把放射性元素掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的衰变会变慢答案C解析原子核的衰变过程是中子转变为质子而释放出电子的过程，核外电子没有参与该反应，选项A错误；铀235必须吸收慢中子后才能发生裂变，选项B错误；原子核的比结合能越大，原子核越难分离，原子核越稳定，选项C正确；放射性元素衰变的快慢与其物理、化学状态无关，选项D错误.4.(2018安徽省宣城市第二次调研)下列四幅图涉及不同的物理知识，如图1所示，其中说法正确的是()图1A.图甲，卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，发现了质子和中子B.图乙，用中子轰击铀核使其发生聚变，链式反应会释放出巨大的核能C.图丙，玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的D.图丁，汤姆孙通过电子的发现揭示了原子核内还有复杂结构答案C解析题图甲：卢瑟福通过分析粒子散射实验结果，得出原子的核式结构模型，故A错误；题图乙：用中子轰击铀核使其发生裂变，裂变反应会释放出巨大的核能，故B错误；题图丙：玻尔理论指出氢原子能级是分立的，所以原子发射光子的频率也是不连续的，故C正确；题图丁：汤姆孙通过电子的发现揭示了原子有一定结构，天然放射现象的发现揭示了原子核内还有复杂结构，故D错误.5.(2018重庆市上学期期末抽测)关于近代物理发展的成果，下列说法正确的是()A.只要增加入射光的强度，光电效应就可以发生B.氢原子从激发态向基态跃迁时会辐射特定频率的光子C.环境温度越高，原子核衰变的速度越快D.任何核反应都遵从质量守恒定律答案B解析发生光电效应和入射光的强度没有关系，只要大于等于金属极限频率就可以发生光电效应，故A错误；根据玻尔氢原子模型的相关理论，电子轨道和能量都是量子化的，而在“跃迁”过程中要遵循hEmEn，故只能辐射特定频率的光子，故B正确；衰变和元素本身有关，和温度无关，故C错误；爱因斯坦的质能方程表明核反应中存在质量亏损，故D错误.6.(2018山东省烟台市上学期期末)卢瑟福提出了原子的核式结构模型，这一模型建立的基础是()A.粒子散射实验B.电子的发现C.光电效应现象的发现D.天然放射性现象的发现答案A7.(2019河北省秦皇岛市质检)关于原子核，下列说法正确的是()A.比结合能越大，原子核越稳定B.一群处于n3能级的氢原子，向较低能级跃迁时最多只能放出两种频率的光子C.Bi的半衰期是5天，100克Bi经过10天后的质量为50克D.衰变所释放的电子来自原子核外的电子答案A解析原子核的比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故A正确；由玻尔理论知氢原子的能量是不连续的，一群氢原子处于n3的能级，最多只能放出三种频率的光子，故B错误；设原来Bi的质量为m0，衰变后剩余质量为m则有：mm0()100()g25g，即可知剩余Bi的质量为25g，故C错误；衰变所释放的电子是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子时产生的，故D错误.8.(2018山东省临沂市上学期期末)下列有关放射性知识的说法中正确的是()A.放射现象说明原子具有核式结构B.射线与射线都是电磁波，但射线穿透本领比射线强C.氡的半衰期为3.8天，4个氡原子核经过3.8天后就一定只剩下2个氡原子核D.U衰变成Pb要经过6次衰变和8次衰变答案D解析卢瑟福通过粒子散射实验提出原子具有核式结构，天然放射现象说明原子核内部是有结构的，故A错误；射线是电子流，不是电磁波，穿透本领比射线弱，故B错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对于单个或者少数原子核是不成立的，故C错误；U衰变成Pb质量数减少32，则发生8次衰变，电荷数总共少16，但是此衰变电荷数少10，可知发生6次衰变，D正确.9.(2018江西省十所省重点高中二模)下列核反应方程中，表示核聚变过程的是()A.PSieB.HHHenC.CNeD.UThHe答案B10.(多选)(2016全国卷35(1)改编)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*.下列说法正确的是()A.核反应方程为pAlSi*B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应过程中系统能量不守恒D.核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和答案AB解析根据质量数和电荷数守恒可得，核反应方程为pAlSi*，A正确；核反应过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D错误.11.(2018山西省长治、运城、大同、朔州、阳泉五地市联考)氘核和氚核可发生热核聚变而释放巨大的能量，该反应方程为：HHHeX，式中X是某种粒子.已知：H、H、He和粒子X的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u931.5MeV/c2，c是真空中的光速.由上述反应方程和数据可知()A.粒子X是HB.该反应中的质量亏损为0.0289uC.该反应释放出的能量约为17.6MeVD.该反应中释放的全部能量转化为粒子X的动能答案C解析根据核反应前、后质量数守恒和电荷数守恒，可判断X为中子，选项A错误；该反应中的质量亏损为m2.0141u3.0161u4.0026u1.0087u0.0189u，故B错误；由爱因斯坦质能方程可知释放出的能量为E0.0189931.