第19章原子核章末提升.docx

一、原子的核式结构粒子散射实验结果及由此建立的学说：1实验结果：粒子穿过金箔后，绝大多数粒子仍沿原来的方向前进；少数粒子有较大的偏转；极少数粒子的偏转角度超过90，有的甚至被弹回，偏转角达到180.2核式结构学说：在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，电子绕核运转3该部分主要考查核式结构理论的建立过程，电子绕原子核转动中有关能量、加速度等问题【例1】关于粒子散射实验，下列说法正确的是()A在实验中观察到的现象是：绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，少数发生了较大偏转，极少数偏转角度超过90，有的甚至被弹回B使粒子发生明显偏转的力是来自带正电的核及核外电子，当粒子接近核时是核的斥力使粒子偏转，当粒子接近电子时是电子的吸引力使之偏转C实验表明：原子中心有一个极小的核，它占有原子体积的极小部分D实验表明：原子中心的核带有原子的全部正电荷和原子的全部质量【对点训练】1(2014烟台高二检测)在粒子散射实验中，少数粒子发生了大角度偏转，这些粒子()A一直受到重金属原子核的斥力作用B动能不断减小C电势能不断增大D出现大角度偏转是与电子碰撞的结果二、原子跃迁的规律和条件1.原子跃迁条件：hE初E终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原子电离和实物粒子作用而使原子激发的情况，则不受条件的限制，这是因为，原子一旦电离，原子结构即被破坏，因而不再遵守有关原子结构的理论基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV的光子都能使基态的氢原子吸收而发生电离，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越大至于实物粒子和原子碰撞情况，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态2谱线条数的计算公式：N注意一群氢原子和一个氢原子的区别例如一群处于量子数n4的激发态的氢原子，能发出6条不同频率的谱线(如图181所示)；而一个处于量子数n4的激发态的氢原子，在向低能级跃迁时最多可能发出3种频率的谱线(如图182所示) 图181图1823能级跃迁的几个问题原子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，放出能量后从高能级跃迁到低能级，不论是哪一种跃迁都要注意以下几个方面的问题：(1)一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了(2)跃迁与电离根据玻尔理论，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，不管是吸收光子还是辐射光子，其光子的能量都必须等于这两个能级的能量差欲想把处于某一定态的原子的电子电离出去，就需要给原子一定的能量如使氢原子从n1的基态上升到n的状态，这个能量的大小至少为13.6 eV.(3)间接跃迁和直接跃迁原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁两种情况下辐射(或吸收)光子的频率可能不同(4)入射光子与入射电子若是在光子的激发下引发原子的跃迁，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差值；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值，两种情况有所不同，要引起注意【例2】氢原子的能级如图183所示，已知可见光的光子能量范围为1.623.11 eV.下列说法中错误的是()A处于n3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B大量氢原子从高能级向n3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C大量处于n4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光D大量处于n4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光【对点训练】2若要使处于基态的氢原子电离，可以采用两种方法，一是用能量为13.6 eV的电子撞击氢原子，二是用能量为13.6 eV的光子照射氢原子，则()A两种方法都可能使氢原子电离 B两种方法都不可能使氢原子电离C前者可使氢原子电离 D后者可使氢原子电离【巩固练习】1现有k个氢原子被激发到量子数为3的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是(假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的)()A. Bk C.D.2k2(2013德州检测)氢原子的核外电子在某三个相邻能级间跃迁时，可发出三种不同波长的辐射光已知其中的两个波长分别为1和2，且12，则另一个波长可能是()A12 B12 C.D.3已知金属钙的逸出功为2.7 eV，氢原子的能级图如图1所示，一群氢原子处于量子数n4能级状态，则()A氢原子可能辐射6种频率的光子B氢原子可能辐射5种频率的光子C有3种频率的辐射光子能使钙发生光电效应D有4种频率的辐射光子能使钙发生光电效应4有一群氢原子处于量子数n4的激发态中，能发出几条光谱线？其中最高频率、最低频率各为多少？若有一个氢原子处于量子数n4的激发态时，最多能发出几种频率的光子？一、核反应方程的书写及常见的核反应方程1规则核反应遵循质量数和电荷数守恒2常见的核反应方程及相关内容核反应式与其相关的重要内容 U ThHe衰变实质2H2nHe Th Pa01e衰变实质nH01e NHe OH质子的发现(1919年)卢瑟福BeHe Cn中子的发现(1932年)查德威克AlHePn人工放射性同位素的发现约里奥居里夫妇PSie正电子的发现(1934年)约里奥居里夫妇 UnSr54Xe10n Un BaKr3n重核的裂变HHHen轻核的聚变3.确定衰变次数的方法方法一：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.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程：AA4n，ZZ2nm.方法二：确定衰变次数，因为衰变对质量数无影响，先由质量数的改变确定衰变的次数，再根据衰变规律确定衰变的次数例1北京奥组委接受专家建议，为成功举办一届“绿色奥运”，场馆周围80%90%的路灯将利用太阳能发电技术，奥运会90%的洗浴热水将采用全玻璃真空太阳能集热技术太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是()A.HHHen B. NHe OHC. Un XeSr10n D. U90ThHe 对点训练1(多选)(2014苏州检测)天然放射性元素Th(钍)经过一系列衰变和衰变之后，变成Pb(铅)下列判断中正确的是()A铅核比钍核少24个中子 B铅核比钍核少8个质子C衰变过程中共有4次衰变和8次衰变 D衰变过程中共有6次衰变和4次衰变二、放射性元素半衰期的特点及应用1.放射性元素的半衰期只由元素本身的性质决定，与外界条件无关2应用放射性元素半衰期可计算剩余核数、剩余质量和确定时间(1)剩余核数：NN0(). (2)剩余质量：mm0().例2 (多选)(2013南京高二检测)日本福岛核电站泄漏事故中释放出大量的碘131，碘131是放射性同位素，衰变时会发出射线与射线，碘131被人摄入后，会危害身体健康，由此引起了全世界的关注下面关于核辐射的相关知识，说法正确的是()A人类无法通过改变外部环境来改变碘131衰变的快慢B碘131的半衰期为8.3天，则4个碘原子核经16.6天后就一定剩下一个原子核C射线与射线都是电磁波，但射线穿透本领比射线强D碘131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 对点训练2铀238的半衰期是4.5109年，假设一块矿石中含有2 kg铀238，求：(1)经过45亿年后还剩下多少铀238；假设发生衰变的铀238均变成了铅206，则此矿石中含有多少铅？(2)若测出某块矿石中的铀、铅含量比为119309，求此矿石的年龄对点训练3为测定某水库的存水量，将一瓶放射性同位素溶液倒入水库中，已知这杯溶液每分钟衰变8107次，这种同位素的半衰期为2天，10天以后从水库取出1 m3的水，并测得每分钟衰变10次，求水库的存水量为多少？三、磁场中的衰变及其相关问题例3在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图1924所示)，测得两个相切圆半径之比r1r2441.求： (1)这个原子核原来所含的质子数是多少？(2)图中哪一个圆是粒子的径迹？(说明理由) 图1924对点训练4(2014锦州检测)20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，K介子和介子就是科学家在1947年发现的K介子的衰变方程为K0，其中K介子和介子带负电，电荷量等于元电荷的电荷量，0介子不带电如图所示，一个K介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，K介子衰变后，0介子和介子的轨迹可能是()四、核力与结合能 核裂变、聚变 粒子和宇宙例4一个电子(质量为m、电荷量为e)和一个正电子(质量为m、电荷量为e)以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为.若这两个光子的能量都为h，动量分别为p和p，下面关系中正确的是()Ahmc2，pp Bhmc2，ppChmc2Ek，pp Dh(mc2Ek)，pp 例5H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007 277 u，中子的质量是1.008 655 u求：(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？(2)氘核的结合能和比结合能各是多少？(3)如果这些能量以光子形式放出，则光子的频率是多少？ 对点训练592U受中子轰击时会发生裂变，产生 Ba和Kr，同时放出能量已知每个铀核裂变释放的平均能量为200 MeV.(1)写出核反应方程；(2)现在要建设发电功率为5105kW的核电站，用 U作核燃料，假设核裂变释放的能量一半转化为电能，那么该核电站一天消耗 U多少千克？(阿伏伽德罗常数取6.01023mol1)【巩固练习】1(多选)(2014新课标全国卷)关于天然放射性，下列说法正确的是()A所有元素都可能发生衰变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E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线2(多选)(2014新课标全国卷)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用下列说法符合历史事实的是()A密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值B贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核C居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素D卢瑟福通过粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子E汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷3若干Bi放在天平左盘上，右盘放420 g砝码，天平平衡，当铋发生衰变时，经过1个半衰期，欲使天平平衡，应从右盘中取出砝码的质量为()A210 gB105 g C4 gD.2 g第18章参考答案：【例1】【解析】 由粒子散射实验结果知，A正确；由于电子的质量远小于粒子的质量，对粒子的运动影响极小，使粒子发生明显偏转的是原子核的斥力，B错误；实验表明：原子具有核式结构，核极小，但含有全部的正电荷和几乎所有的质量，C正确，D错误【答案】AC【对点训练】1【解析】粒子一直受到斥力的作用，斥力先做负功后做正功，粒子的动能先减小后增大，势能先增大后减小粒子的质量远大于电子的质量，与电子碰撞后其运动状态基本不变，A项正确【答案】A【例2】【解析】处于n3能级氢原子的能量E31.51 eV，依题意知，任意频率的紫外线能量E紫3.11 eV，则E紫E3可使之电离，A项正确；大量氢原子从高能级向n3能级跃迁时，放出的能量E1.51 eV，该能量E略小于红光的能量，故应为红外线，故B项正确；处于n4能级向低能级跃迁时，可能发出的光有C6种，故C项正确，D项错误【答案】D【对点训练】2【解析】电子是有质量的，撞击氢原子时发生弹性碰撞由于电子和氢原子质量不同，故电子不能把13.6 eV的能量完全传递给氢原子，因此不能使氢原子完全电离，而光子的能量可以完全被氢原子吸收，故D对【答案】D【巩固练习】1【解析】由题意可知，k个处于n3能级的氢原子向n2和n1两个能级跃迁的原子数均为，而处于n2能级的个氢原子向n1跃迁的原子数为，故此过程发出的光子总数为2k，C正确【答案】C2【解析】原子可以辐射三种频率的光，根据题中条件可以得出，可能是，也可能是.由得3，由得3，所以C、D正确【答案】CD3【解析】由N知，氢原子可能放出6种频率的光子，选项A正确，B错；原子由n4向低能级跃迁放出的6种频率的光子中，由hEmEn，知有3种频率的光子的能量大于金属钙的逸出功2.7 eV，所以选项C正确，D错【答案】AC4【解析】一群氢原子向低能级跃迁时，各种跃迁方式都会发生，即可以从n4的激发态到n3，n2，n1的各能级，再从n3的激发态到n2，n1的各能级，再从n2的激发态到n1的基态，故有N6种频率的光子产生，如图所示为跃迁情况示意图最高频率的光子满足h10.85 eV(13.6 eV)12.75 eV2.041018 J，13.11015 Hz.最低频率的光子满足h20.85 eV(1.51 eV)0.66 eV1.0561019 J，21.61014 Hz.一个氢原子向较低能级跃迁，最多有三种频率的光子，因此它从n4的能级跃迁至n3的能级时一定不存在由n4的能级直接跃迁至n1的能级的可能【答案】(1)6条3.11015 Hz1.61014 Hz3种第19章参考答案：例1【解析】太阳内部核聚变是氢原子核的聚变，故A正确；B项中为实现原子核人工转变的反应，C项中为重核裂变，D项中为衰变，均不属聚变反应，故B、C、D不正确【答案】A对点训练1【解析】钍核Th比铅核Pb多90828个质子，质量数之差为23220824，故Pb比Th少24816个中子，B对，A错；设从ThPb经过了n个衰变和m个衰变，则由质量数守恒和核电荷数守恒，可求出n、m的值衰变方程为：ThPbnHeme.解得n6，m4，即经过6次衰变和4次衰变，选项D正确，C错误【答案】BD例2【解析】衰变的快慢由放射性元素本身决定，与外部环境无关，A正确；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数几个原子核无意义，B错误；射线是高速电子流，射线是电磁波，故C错误；衰变的实质是nH01e，D正确【答案】AD对点训练2【解析】(1)45亿年即4.5109年，由mm0()知剩余的铀238质量为m2()1 kg；在此45亿年中将有1 kg铀238发生衰变并获得了铅206，故有m(m0m)则m kg0.866 kg，即矿石中含有铅0.866 kg.(2)设此矿石原来的质量为m0，年龄为t，则现在剩余的铀238为mm0()，那么在时间t内发生了衰变的铀238为m0m1()m0，设铅206的质量为mx，则，即mx1()m0，所以现在矿石中的铀、铅含量之比为，解之得t2T90亿年【答案】(1)1 kg0.886 kg(2)90亿年对点训练3【解析】由每分钟衰变次数与其质量成正比出发，运用半衰期知识可求出存水量设放射性同位素原有质量为m0,10天后其剩余质量为m，水库存水量为Q，由每分钟衰变次数与其质量成正比可得，由半衰期公式得：mm0()由以上两式联立代入数据得()()5，解得水库的存水量为Q2.5105 m3.【答案】2.5105 m3例3【解析】(1)设衰变后粒子的电荷量为q12e，新生核的电荷量为q2，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，则原来原子核的电荷量qq1q2，根据轨道半径公式有：，又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1m2v2以上三式联立解得q90e.即这个原子核原来所含的质子数为90.(2)由于动量大小相等，因此轨道半径与粒子的电荷量成反比所以圆轨道1是粒子的径迹，圆轨道2是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反【答案】(1)90(2)圆轨道1理由见解析对点训练4【解析】0介子不带电，在磁场中不偏转，介子带负电，在磁场中洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，再根据动量守恒判定知A正确【答案】A例4【解析】能量守恒和动量守恒为普适定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正、负电子总能量为：2Ek2mc2，化为两个光子后，总动量守恒，为零，故pp，且2Ek2mc22h，即hEkmc2，故C正确【答案】C例5【解析】(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应过程式是H2nH，反应前各核子总质量为mp2mn1.007 277 u21.008 665 u3.024 607 u，反应后新核的质量为mH3.016 050 u，质量亏损为m3.024 607 u3.016 050 u0.008 557 u.因反应前的