南方新高考高考物理大一轮复习 专题十一 动量、波粒二象性和近代物理初步 第4讲 原子结构和原子核课件.ppt

第4讲 原子结构和原子核 一 卢瑟福核式结构模型 1 汤姆生的 枣糕 模型 汤姆生 均匀 1 1897年 发现电子 提出原子的 枣糕 模型 揭开了人类研究原子结构的序幕 2 枣糕 模型 原子是一个球体 正电荷 分布在整个球内 电子像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里 2 卢瑟福的核式结构模型 1 粒子散射实验装置 如图11 4 1所示 图11 4 1 2 粒子散射实验规律及卢瑟福对实验现象的分析 绝大多数 大 90 空隙 3 原子核式结构模型 原子核 正 质量 在原子的中心有一个很小的核 叫 原子的全部 电荷和几乎全部的 都集中在原 子核里 旋转 核子 质量 质子 带负电的电子在核外空间里绕着核 4 原子核大小 从 粒子散射实验的数据估算出原子核的半径约为10 15 10 14m 原子的半径约为10 10m 3 质子和中子统称 原子核的电荷数等于其质子数 原子核的 数等于其质子数与中子数之和 具有相同 数的原子属于同一种元素 具有相同的质子数和不同 的中子数的原子互称 同位素 基础检测 1 多选 如图11 4 2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四个位置时观察到的现象 下述说法中正确的是 图11 4 2 a 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 答案 abd 二 玻尔原子模型与原子光谱1 玻尔原子模型为解决原子核结构的稳定性和原子发光的不连续性问题 玻尔提出了三条假设 量子化 能量 稳定 1 轨道假设 轨道是 的 其半径只能是某些分 立的值 能量 辐射 吸收 能级差 2 定态假设 不同的轨道对应着不同的 状态 这些状态中原子是 的 不向外辐射能量 3 跃迁假设 原子在不同的状态具有不同的 从一个定态向另一个定态跃迁时要 或 一定频率的光子 该光子的能量等于这两个状态的 2 能级 在玻尔模型中 原子的可能状态是 的 因此各状态对应的能量也是 的 这些能量值叫能级 3 基态与激发态 能量 状态叫做基态 其他能 量状态叫激发态 不连续 不连续 最低的 4 光子的辐射与吸收 原子由激发态向基态跃迁时要 光子 由基态向激发态跃迁时要 光子 光子的频率与能级的关系为 辐射 吸收 h em en 5 原子光谱 1 光谱分析 利用元素的特征谱线 线状谱 分析和确定物 质的组成成分 2 氢原子光谱的实验规律 基础检测 2 氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为 1 从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为 2 已知普朗克常量为h 若氢原子从能级k跃迁到能级m 则 a 吸收光子的能量为h 1 h 2b 辐射光子的能量为h 1 h 2c 吸收光子的能量为h 2 h 1d 辐射光子的能量为h 2 h 1 答案 d 解析 氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光 说明能级m高于能级n 而从能级n跃迁到能级k时吸收紫光 说明能级k也比能级n高 而紫光的频率 2大于红光的频率 1 所以h 2 h 1 因此能级k比能级m高 所以若氢原子从能级k跃迁到能级m 应辐射光子 且光子能量应为h 2 h 1 故选项d正确 三 原子核 1 天然放射现象的发现 贝克勒尔 83 83 1 发现天然放射现象 使人们认识到原子核也有复杂结构 揭开了人类研究原子核结构的序幕 2 通过对天然放射现象的研究 人们发现原子序数大于或等于 的所有天然存在的元素都具有放射性 原子序数小于 的天然存在的元素有些也具有放射性 它们放射出来的射线常见的有三种 射线 射线 射线 2 天然衰变中核的变化规律在核的天然衰变中 核变化的最基本的规律是 守恒和 守恒 质量数 电荷数 3 半衰期 1 定义 放射性元素的原子核有 发生衰变所需 要的时间 半数 快慢 物理状态 2 意义 反映了核衰变过程的 程度 具有统计性 3 特征 只由核本身的因素所决定 而与原子所处的 或 无关 化学状态 4 原子核的人工转变 1 质子的发现 质子 中子 3 放射性同位素的人工合成 四 核力 核能 重核的裂变和轻核的聚变1 核力 原子核的半径很小 其中的质子之间的库仑力很大 受到这么大的库仑斥力却能处于稳定状态 一定还有别的力把各核子紧紧地拉在一起 这种力叫做核力 核力具有以下特点 1 核力是很强的力 相邻 2 核力作用范围很小 只在2 0 10 15m的短距离内起作用 3 每个核子只跟它 的核子发生核力作用 2 核能 1 结合能 核子结合成 时放出一定的能量 分解成核子时吸收一定的能量 这种能量叫结合能 2 质量亏损 核子结合生成原子核 所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些 这种现象叫做 3 爱因斯坦质能方程 物体的能量和质量之间存在着密切的联系 它们的关系是 这就是爱因斯坦质能方程 其另一个表达形式是 e mc2 原子核 原子核 质量亏损 e mc2 3 获得核能的途径 1 重核的裂变 中等 10 重核俘获一个中子后分裂为两个或几个 质量数的原子核 则这样的反应叫做重核的裂变 在裂变的同时 还会放出几个中子和大量能量 2he 2 轻核的聚变 较大 4 某些轻核结合成质量数 的原子核的反应过程叫做轻核的聚变 同时放出大量的能量 轻核聚变只能发生在超高温条件下 故轻核聚变也叫做热核反应 基础检测 3 2016年湖北黄冈高三检测 某些建筑材料可产生放射性气体 氡 氡可以发生 或 衰变 如果人长期生活在氡浓度过高的环境中 那么 氡经过人的呼吸道沉积在肺部 并放出大量的射线 从而危害人体健康 原来静止的氡核发生一次 衰变生成新核钋 po 并放出一个能量为e0 0 09mev的光子 已知放出的 粒子动能为e 5 55mev 忽略放出光子的动量 但考虑其能量 1u 931 5mev c2 1 写出衰变的核反应方程 2 衰变过程中总的质量亏损为多少 计算结果保留3位 有效数字 由题意 质量亏损对应的能量以光子的能量和新核 粒子的动能形式出现 衰变时释放出的总能量为 e e epo e0 mc2故衰变过程中总的质量亏损是 m 0 00616u 考点1 氢原子的能级跃迁 重点归纳1 氢原子能级公式电子绕核运动的动能和电子与原子核组成的系统的电势能 对应的轨道半径关系式为rn n2r1 其中n叫量子数 只能取正整数 n 1的状态称为基态 n 1时称为激发态 量子数n越大 动能越小 电势能越大 总能量越大 2 光子的吸收与辐射 原子从一种定态 能量为e初 跃迁到另一种定态 能量为e末 它辐射或吸收一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能级差决定 即h e初 e末 若e初 e末 则辐射光子 若e初 e末 则吸收光子 3 解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项 1 氢原子能级图 如图11 4 3所示 图11 4 3 用数学中的组合知识求解 2 能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的 3 能级之间发生跃迁时放出 或吸收 光子的频率由h em en求得 若求波长可由公式c 求得 4 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n 1 5 一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法 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 典例剖析例1 多选 如图11 4 4所示是氢原子的能级图 大量处于n 4激发态的氢原子向低能级跃迁时 一共可以辐射出6种不同频率的光子 其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n 2能级 跃迁时释放的光子 则 图11 4 4 a 6种光子中波长最长的是n 4激发态跃迁到基态时产生的b 6种光子中有2种属于巴耳末系 c 使n 4能级的氢原子电离至少要0 85ev的能量 d 若从n 2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应 则从n 3能级跃迁到n 2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应 答案 bc 考点练透 1 如图11 4 5所示是某原子的能级图 a b c为原子跃迁所发出的三种波长的光 在下列该原子光谱的各选项中 谱线从左向右的波 长依次增大 则正确的是 图11 4 5 a b c d 答案 c 考点2 核衰变及三种射线 重点归纳1 核衰变 2 三种射线的本质和特性 空气中射程为几厘米 贯穿本领小 电离作用强 2 射线 是高速的电子流 速度约为光速的十分之九 穿透本领较大 能穿透几毫米的铝板 电离作用较弱 3 射线 是高能光子流 波长极短的电磁波 贯穿本领最 强 能穿透几厘米的铅板 电离作用小 4 放射性元素有的原子核放出 射线 有的放出 射线 多 余的能量以 光子的形式射出 3 衰变次数的求解方法 典例剖析例2 贝克勒尔在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 解析 a为 衰变方程 b为重核裂变 c为轻核聚变 d 为原子核的人工转变 所以a正确 答案 a 考点练透 2 2016年广西桂林第十八中学检测 关于天然放射性 下 列说法正确的是 a 所有元素都有可能发生衰变b 放射性元素的半衰期与外界的温度无关c 放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性d 和 三种射线中 射线的穿透能力最强 解析 原子核可以自发地衰变 但不是所有元素都可以发生衰变 选项a错误 放射性元素的半衰期由原子核决定 与外界的温度无关 选项b正确 放射性元素的放射性与核外电子无关 故放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性 选项c正确 和 三种射线中 射线的穿透能力最强 电离能力最弱 选项d正确 答案 bcd 考点3 核反应方程与核能计算 重点归纳1 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 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 2 核能的计算方法 1 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 2 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 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 典例剖析 b 核反应方程过程中系统动量守恒c 核反应前后核子数相等 所以生成物的质量等于反