高三物理一轮复习 第十三章 第3讲 原子结构和原子核3.doc

第十三章 第3讲 原子结构和原子核3原 子 结 构1粒子散射实验19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，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。2原子的核式结构模型在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。3光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类：有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末线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，r1.10107 m1，n为量子数。4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：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hemen。(h是普朗克常量，h6.631034 js)(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。5氢原子的能级和轨道半径(1)氢原子的能级公式：ene1(n1,2,3，)，其中e1为基态能量，其数值为e113.6_ev。(2)氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010m。(3)氢原子的能级图：能级图如图1331所示。图13311对原子跃迁条件hemen的说明原子跃迁条件hemen只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和原子作用而使氢原子电离时，只要入射光的能量e13.6 ev，氢原子就能吸收光子的能量，对于实物粒子与原子作用使氢原子激发时，实物粒子的能量大于或等于能级差即可。2氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化(1)原子能量：eneknepn，随n增大而增大，其中e113.6 ev。(2)电子动能：电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力，即km，所以ekn，随r增大而减小。(3)电势能：通过库仑力做功判断电势能的增减。当轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，轨道半径增大时，电势能增加。3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hemen4.关于光谱线条数的两点说明(1)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为nc。(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)。1关于原子和原子核，下列说法正确的有()a汤姆孙发现电子后猜想出原子内的正电荷集中在很小的核内b粒子散射实验中少数粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据之一c原子半径的数量级是1015 md玻尔原子理论无法解释较复杂原子的光谱现象，说明玻尔提出的原子定态概念是错误的解析：选b汤姆孙发现电子后提出了原子的“枣糕式”模型，选项a错误；卢瑟福主要根据粒子散射实验中少数粒子发生了较大偏转猜想了原子核式结构模型，选项b正确；原子半径的数量级是1010 m，选项c错误；玻尔理论是关于原子结构的一种理论，它成功解释了氢原子光谱不连续的特点，解释了当时出现的“紫外灾难”，玻尔理论的提出，打破了经典物理学一统天下的局面，开创了揭示微观世界基本特征的前景，为量子理论体系奠定了基础，这是一个了不起的创举，选项d错误。三种射线两种衰变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)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是射线、射线、射线。(4)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：考古、工业探伤、作示踪原子等。防护：防止放射性对人体组织的伤害。2原子核的衰变(1)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。(2)分类：衰变：xy_he衰变：xy_e(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。1 三种射线的比较射线名称比较项目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)带电量2ee0质量4mp静止质量为零符号hee速度可达0.1c可达0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱2.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3.对半衰期的理解(1)根据半衰期的概念，可总结出公式n余n原()t/，m余m原()t/。式中n原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，n余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期。(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，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。2关于天然放射现象，以下叙述正确的是()a若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小b衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的c在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强d铀核(u)衰变为铅核(pb)的过程中，要经过8次衰变和10次衰变解析：选bc半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定的，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关，a错；衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的(nhe)，b对；根据三种射线的物理性质可知，c对；u的质子数为92，质量数为238，pb的质子数为82，质量数为206。注意到一次衰变质量数减少4，故衰变的次数为x8，再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数y，应满足2xy8292，y2x106，d错。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及正电子psie重核裂变比较容易进行人工控制unbakr3nunxesr10n轻核聚变除氢弹外无法控制hhhen关于核反应的三点说明(1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接。(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程。(3)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒。3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()aa2，z1ba2，z2ca3，z3 da3，z2解析：选d该核反应的方程式为：xhheh，由质量数守恒和电荷数守恒得：a4123，z2112，故正确答案为d。核力和核能1核力核子间的作用力。核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内，只在相邻的核子间发生作用。2核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。3质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程emc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能emc2。1对核力的三点说明(1)核力是强相互作用的一种表现；(2)核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内；(3)每个核子只跟它的相邻核子发生核力作用。2结合能与比结合能(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，称作比结合能，也叫平均结合能。特点：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获得核能的途径(1)重核裂变：定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。特点：a.裂变过程中能够放出巨大的能量；b裂变的同时能够放出23(或更多)个中子；c裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小。典型的分裂方程：unkrba3n(2)轻核聚变：定义：某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程。特点：a.聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍；b聚变反应比裂变反应更强烈；c对环境污染较少；d自然界中聚变反应原料丰富。典型的聚变方程：hhhen4某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为h6c7nq1h7n6cxq2方程中q1、q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核hhehe6c7n7n质量/u1.007 83.016 04.002 612.000 013.005 715.000 1以下推断正确的是()ax是he，q2q1bx是he，q2q1cx是he，q2q1 dx是he，q2q1解析：选b由核反应过程中必须遵守的质量数守恒和核电荷数守恒知x是he，放出热量分别为q1和q2的两个核反应中的质量亏损分别为0.002 1 u和0.005 3 u，故q2q1，故b项正确。能级跃迁与光谱线命题分析本考点是高考的热点，高考既有对本考点的单独考查，又有与光电效应等知识相结合的综合考查，难度一般为中等。例1如图1332所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n3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2.49 ev的金属钠，说法正确的是()图1332a这群氢原子能发出三种频率不同的光，其中从n3跃迁到n2所发出的光波长最短b这群氢原子能发出两种频率不同的光，其中从n3跃迁到n1所发出的光频率最小c金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为9.60 evd金属钠表面所发出的光电子的最大初动能为11.11 ev解析这群氢原子能发出c3种频率不同的光，其中从n3跃迁到n2所发出的光子能量最小，频率最低，波长最长，选项a错；其中从n3跃迁到n1的光子能量最大所发出的光频率最大，b错；由e|e3e1|12.09 ev，照射到金属钠表面发出的光电子的最大初动能为ekew9.60 ev，故c正确，d错误。答案c解答能级跃迁与光谱线问题的注意事项(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。(2)一个氢原子，向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为n1，而一群氢原子向低能级跃迁时可能发出的光子种数最多为c。(3)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hemen求得，若求波长可由公式c求得。变式训练1已知氢原子的能级规律为e113.6 ev、e23.4 ev、e31.51 ev、e40.85 ev。现用光子能量介于11 ev12.5 ev范围内的光去照射一大群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是()a照射光中可能被基态氢原子吸收的光子只有1种b照射光中可能被基态氢原子吸收的光子有无数种c激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有3种d激发后的氢原子发射的不同能量的光子最多有2种解析：选ac照射光中可能被基态氢原子吸收的光子能量只有e3e112.09 ev一种情况，原子从基态跃迁到n3的能级，a正确，b错误；大量n3能级上的原子向低能级跃迁，可以发出nc3种不同频率的光子，c正确，d错误。原子核的衰变规律命题分析本考点是高考的重点，在历年高考中常被考查到，题型一般为选择、填空，难度中等偏下。例2(1)th(钍)经过一系列衰变和衰变，变成pb(铅)。以下说法中正确的是()a铅核比钍核少8个质子b铅核比钍核少16个中子c共经过4次衰变和6次衰变d共经过6次衰变和4次衰变(2)约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素p衰变成si的同时放出另一种粒子，这种粒子是_。p是p的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg p随时间衰变的关系如图1333所示，请估算4 mg的p经多少天的衰变后还剩0.25 mg?图1333解析(1)设衰变次数为x，衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得2322084x90822xy解得x6，y4，c错，d对；铅核、钍核的质子数分别为82、90，故a对。铅核、钍核的中子数分别为126、142，故b对。(2)写出衰变方程psie，故这种粒子为e(正电子)由mt图知p的半衰期为14天，由m余m原()得，025 mg4 mg()，故t56天。答案(1)abd(2)正电子56天变式训练2一块含铀的矿石质量为m，其中铀元素的质量为m，铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为t，那么下列说法中正确的是()a经过2个半衰期后，这块矿石中基本不再含有铀b经过2个半衰期后，原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变c经过3个半衰期后，其中铀元素的质量还剩d经过1个半衰期后该矿石的质量剩下解析：选c经过2个半衰期后矿石中剩余的铀应该有，故选项a、b错误；经过3个半衰期后矿石中剩余的铀还有，故选项c正确；因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变，选项d错误。与核能有关的综合问题命题分析有关核反应方程的书写和核能的计算问题在高考中常被考查到，既有单独考查，又有与动量守恒定律等知识结合的综合考查，难度中等偏上，题型全面。例3假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是2.013 6 u，中子的质量是1.008 7 u，氦核同位素的质量是3.015 0 u。(1)聚变的核反应方程是_，在聚变核反应中释放出的能量为_mev。(保留两位有效数字)(2)若氘核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程式为hheli，已知各核子比结合能分别为eh1.112 mev、ehe7.075 mev、eli5.603 mev，试求此核反应过程中释放