原子结构和原子核

对应学生用书P248 一 原子结构1 电子的发现 1897年 汤姆逊通过对阴极射线的研究发现了电子 从而说明电子是原子的组成部分 即原子是可以再分的 2 原子的核式结构 1 1909 1911年 英国物理学家卢瑟福进行了 粒子散射实验 提出了核式结构模型 2 粒子散射实验 实验装置 如下图所示 实验结果 粒子穿过金箔后 绝大多数沿原方向前进 少数发生较大角度偏转 极少数偏转角度大于90 甚至被弹回 3 核式结构模型 原子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绕核旋转 3 玻尔的原子模型 1 玻尔理论 轨道量子化 原子核外电子只能处在某些固定轨道上 即电子的轨道是量子化的 电子的轨道半径只能是某些不连续的值 能量量子化 当电子在不同的轨道上运动时 原子处于不同的状态 从而具有不同的能量 即原子的能量是量子化的 原子中这些具有确定能量的稳定状态 称为定态 能量最低的状态叫做基态 其他的状态叫做激发态 频率条件 当电子从能量较高的定态轨道 Em 跃迁到能量较低的定态轨道 En m n 时 会放出能量为h 的光子 则h Em En 这个式子被称为频率条件 反之 当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态 吸收的光子的能量同样由频率条件决定 二 原子核1 原子核的组成 1 原子核由质子和中子组成 质子和中子统称核子 2 原子核的符号 原子核常用X表示 A表示质量数 Z表示核的电荷数 原子序数 3 同位素 质子数相同而中子数不同的原子核 在元素周期表中处于同一位置 它们互称同位素 1 衰变的实质是2个质子和两个中子结合成一个氦原子核 衰变的实质是原子核中的一个中子转化为一个质子 同时释放出一个电子 2 半衰期只与原子核本身有关 与其他因素无关 三 核力与核能1 核力 1 含义 原子核里的核子间存在互相作用的核力 核力把核子紧紧地束缚在核内 形成稳定的原子核 2 特点 核力是强相互作用的一种表现 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 2 核能 1 结合能 把构成原子核的结合在一起的核子分开所需的能量 2 比结合能 定义 原子核的结合能与核子数之比称做比结合能 也叫平均结合能 性质 不同原子核的比结合能不同 原子核的比结合能越大 表示原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 3 质能方程 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 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 E mc2 4 质能方程的意义 质量和能量是物质的两种属性 质能方程揭示了质量和能量是不可分割的 它建立了两个属性在数值上的关系 5 核能的获得方式 重核裂变和轻核聚变 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3 4倍 6 核能的计算 根据 E mc2计算 计算时 m的单位是 kg c的单位是 m s E的单位是 J 根据 E m 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 m的单位是 u E的单位是 MeV 根据平均结合能来计算核能 原子核的结合能 核子平均结合能 核子数 对应学生用书P249 要点一跃迁与电离的区别1 跃迁 根据玻尔理论 当原子从低能态向高能态跃迁时 必须吸收光子才能实现 相反 当原子从高能态向低能态跃迁时 必须辐射光子才能实现 跃迁时不管是吸收还是辐射光子 其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差 这个对应关系是我们作出准确判断的依据 若是在电子的碰撞下引起原子的跃迁 则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差 两种情况有所不同 要引起注意 2 电离 原子一旦电离 原子结构被破坏 而不再遵守有关原子结构理论 如基态氢原子的电离能为13 6eV 只要能量大于或等于13 6eV的光子都能使基态的氢原子吸收而电离 只不过入射光子的能量越大 原子电离后产生的自由电子的动能就越大 不论原子处于什么状态 只要入射光子的能量大于该状态的电离所需要的能量就可使之电离 欲使处于基态的氢原子受激发 下列措施可行的是 A 用10 2eV的光子照射B 用11eV的电子碰撞C 用14eV的光子照射D 用10eV的光子照射 解析 由氢原子能级图算出只有10 2eV为第二能级与基态之间的能量差 而大于13 6eV的光子能使氢原子电离 答案 ABC 要点二三种射线的比较 1 自然界中原子序数大于或等于83的所有元素 都能自发地放出射线 原子序数小于83的元素 有的也具有放射性 2 天然放射现象说明原子核是有内部结构的 元素的放射性不受单质和化合物存在形式的影响 1 半衰期是大量原子核衰变时的统计规律 个别原子核经多长时间衰变无法预测 对个别或极少数原子核 无半衰期可言 2 原子核衰变时质量数守恒 但并非质量守恒 核反应过程前 后质量发生变化 质量亏损 而释放出核能 质量与能量相联系 解析 本题考查原子核的半衰期 意在考查考生对半衰期的理解能力 由题意 该放射性元素经过11 4天发生了3个半衰期 所以该放射性元素的半衰期是3 8天 答案 D 例1如图为氢原子的能级图 用具有一定能量的光照射大量处于基态的氢原子 观测到了一定数目的光谱线 换用能量较高的光再进行观测 发现光谱线的数目比原来增加了5条 用 n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差 E表示换用能量较高的光的能量 则 n和E的可能值为 A n 1 E 13 22eVB n 1 E 13 06eVC n 2 E 12 75eVD n 2 E 12 10eV 思路诱导 题中涉及两个未知的量子数 存在不定解 但要注意两个量子数一定是正整数 尝试解答 设用具有一定能量的光照射大量处于基态的氢原子时跃迁到量子数为n的激发态 然后再向低能级跃迁辐射出C条光谱线 换用能量较高的光照射大量处于基态的氢原子时跃迁到量子数为n1的激发态 能辐射出C2n1条光谱线 由题意有C2n1 C 5 解得 当n1 4时 n 2 即 n 2 当n1 6时 n 5 即 n 1 与此对应的光的能量为E 12 75eV和E 13 22eV 所以AC正确 答案 AC 解析 本题考查氢原子能级与原子跃迁 意在考查考生对原子跃迁规律的理解与应用 当用频率为 0的光照射处于基态的氢原子时 由所发射的光谱中仅能观测到三种频率的谱线可知 这三种频率的光子应是氢原子从第3能级向低能级跃迁过程中所辐射的 由能量特点可知 3 1 2 答案 B 题型二核反应方程和 衰变规律 1 对于确定 衰变次数的问题 可以先由质量数的减少确定 衰变的次数 因为 衰变质量数不减少 再由电荷数的变化情况结合 衰变时电荷数的变化规律 最终确定 衰变次数 2 确定 衰变后质子和中子的变化数有两种方法 因为原子核的电荷数即为核内质子数 所以新核与原来核的电荷数之差即为变化的质子数 新 旧核质量数的变化等于质子数与中子数变化之和 所以由质量数的变化减去质子数的变化即为中子数的变化 由 衰变的机理确定 每发生一次 衰变 中子和质子数各减少2 而每发生一次 衰变减少一个中子而生成一个质子 例2由于放射性元素Np的半衰期很短 所以在自然界一直未被发现 在使用人工的方法制造后才被发现 已知Np经过一系列 衰变和 衰变后变成Bi 下列论断中正确的是 A 核Bi比核Np少28个中子B 衰变过程中共发生了7次 衰变和4次 衰变C 衰变过程中共发生了4次 衰变和7次 衰变D 发生 衰变时 核内中子数不变 思路诱导 1 根据衰变方程列质量数和电荷数守恒方程组 2 元素的质子数 电荷数 和中子数有何关系 答案 B 2010 全国 原子核X与氘核H反应生成一个 粒子和一个质子 由此可知 A A 2 Z 1B A 2 Z 2C A 3 Z 3D A 3 Z 2 解析 本题考查核反应方程的书写 主要考查电荷数守恒和质量数守恒 根据这两点有方程A 2 4 1 Z 1 2 1 解得A 3 Z 2 答案 D 题型三核能计算及与核能相关综合问题 1 各种核变化 四种 若发生质量亏损 必释放出核能 可由质能方程 E mc2计算释放的核能 2 在 E mc2中 m叫质量亏损 它是反应核 包括被它俘获的粒子 跟新核 包括释放出的粒子 的质量之差 并不只是新 旧核的质量之差 3 各种核反应过程都遵守能量守恒定律和动量守恒定律 释放的核能常表现为生成的新核 放出的粒子的动能和 射线能量 若在匀强电场或匀强磁场中发生核反应 还要联系新核及放出的粒子在电场或磁场中的运动情况综合分析 能的转化和守恒定律是自然界中普遍遵守适用的物理规律 在处理包括核能在内的能量转化问题时 一定要弄清楚参与转化的能量形式 种类及各种形式能的计算方法 如核反应中释放的核能是与核反应中的质量亏损相对应的 若核反应中无电磁波辐射 则最终的能量即表现为新生粒子和新核的动能 原来静止的铀U和钍234同时在同一匀强磁场中 由于衰变而开始做匀速圆周运动 铀238发生了一次 衰变 钍234发生了一次 衰变 1 试画出铀238发生一次 衰变时所产生的新核及 粒子在磁场中运动轨迹的示意图 2 试画出钍234发生一次 衰变时所产生的新核及 粒子在磁场中的运动轨迹的示意图 对应学生用书P251 易错点1 对玻尔的能级理论理解不准确造成的错误氢原子能级的示意图如图所示 大量氢原子从n 4的能级向n 2的能级跃迁时辐射出可见光a 从n 3的能级向n 2的能级跃迁时辐射出可见光b 则 A 氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出 射线B 氢原子从n 4的能级向n 3的能级跃迁时会辐射出紫外线C 在水中传播时 a光较b光的速度小D 氢原子在n 2的能级时可吸收任意频率的光而发生电离 错因分析 本题综合性比较强 学生在做题时审不清题意 不会比较可见光a 紫外线 射线能量间的关系 错选A或B 不清楚 跃迁 与 电离 的区别 不能根据h Em En进行比较判断 误选D 正确解答 原子核外层电子跃迁产生的只能是光波 射线由原子核跃迁获得 A项错误 氢原子从n 4能级向n 3能级跃迁时产生的光的频率比从n 3能级向n 2能级跃迁放出的光子频率还小 不可能是紫外线 B项错误 a光能量大 频率大 在水中的速度小 C项正确 n 2能级的电离能为3 4eV 只有大于此能量的光子才能发生电离 D项错误 答案为C 如下图所示为氢原子的能级图 现让一束单色光照射到大量处于基态 量子数n 1 的氢原子上 受激的氢原子能自发地发出3种不同频率的光 则照射氢原子的单色光的光子能量为 A 13 6eVB 12 75C 10 2eVD 12 09eV 解析 多个氢原子处于n 3能级对应的激发态 才能够正好产生三种不同频率的光子 分别为h 1 E3 E2 h 2 E2 E1 h 3 E3 E1 故吸收光子能量必满足h E3 E1 12 09eV D正确 原子的跃迁条件h Em En对于吸收光子和放出光子都适用 注意若吸收光子的能量大于基态电离能时 原子对光子的吸收不再受能级差限制 答案 D 易错点2 对衰变及衰变规律的理解不准确目前 在居室装修中经常用到花岗岩 大理石等装饰材料 这些材料都不同程度地含有放射性元素 下列有关放射性元素的说法中正确的是 A 射线与 射线一样都是电磁波 但穿透本领远比 射线弱B 氡的半衰期为3 8天 4个氡原子核经过7 6天后就一定只剩下1个氡原子核C U衰变成Pb要经过6次 衰变和8次 衰变D 放射性元素发生 衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的 错因分析 错解1 不明确射线的本质 误认为射线即电磁波 错选A 错解2 不理解半衰期是统计规律 只有对大量原子核才成立 因而错选B 错解3 不清楚 衰变产生的本质原因 以为是原子核内本来就有电子而漏选D 对于衰变 要记住以下三点 1 三种射线的产生 本质和特性 2 半衰期只对大量原子核才有意义 3 衰变次数的计算顺序是先算 衰变后算 衰变 关于半衰期 以下说法正确的是 A 同种放射性元素在化合物中的半衰期比在单质中长B 升高温度可以使半衰期缩短C 氡的半衰期为3 8天 若有四个氡原子核 经过7 6天就只剩下一个D 氡的半衰期为3 8天 4克氡原子核 经过7 6天就只剩下1克 解析 考虑到放射性元素衰变的快慢是跟原子所处的物理状态或化学状态无关 又考虑到半衰期是一种统计规律 即给定的四个氡核是否马上衰变会受到各种偶然因素的支配 因此 正确答案只有D 答案 D 对应学生用书P252 1 2010 上海 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 粒子的散射实验B 对阴极射