高考物理总复习 3原子结构 原子核课件 新人教版选修35.ppt

第3单元原子结构原子 一 汤姆生的原子模型1 电子的发现1897年英国物理学家汤姆生通过对阴极射线的研究发现电子 电子的发现证明了原子有复杂结构 所谓原子的结构就是原子是由什么组成的 2 汤姆生的原子模型 又称枣糕模型 原子是一个球体 正电荷均匀分布在整个球内 而电子却像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里面 电子在平衡位置附近振动而发出一定频率的光 历史上称这是一个充满错误的成功 它肯定了原子有结构 认为光谱是来自原子内部的信息 给以后的原子研究指明了方向 二 粒子散射实验1909 1911年 由英国物理学家卢瑟福和其助手 盖革和马斯顿 完成 1 实验装置如图所示 名师点拨 1 荧光屏可以沿着图中虚线转动 用来统计向不同方向散射的粒子的数目 全部设备装在真空中 以防止空气对 粒子径迹的影响 2 实验中用金箔有两个原因 其一是其原子序数大 其二是金箔具有很好的延展性 能抽成很薄的箔 2 实验现象 结论 如图所示 名师点拨 粒子散射实验得出的三条结论是汤姆生原子模型无法解释的 第 1 条说明原子内部是 空 的 第 2 3 两条中说明 粒子被弹开 绝不是被电子弹开的 因为当时人们已经知道me m 足以说明原子为核式结构 例1 2011 上海 卢瑟福利用 粒子轰击金箔的实验研究原子结构 正确反映实验结果的示意图是 解析 实验结果是 离金原子核远的 粒子偏转角度小 离金原子核近的 粒子偏转角度大 正对金原子核的 粒子被返回 故a b c项错误 d项正确 答案 d 学法指导 本题源于教科书 考查 粒子散射实验的结果 对于类似基础知识要熟练掌握 虽不难 复习时也要重视 3 原子的核式结构模型 1 内容 在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 原子核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里绕核旋转 名师点拨 卢瑟福的原子结构模型是受自然界行星环绕太阳的运动轨道的启发而提出的 因此原子的核式结构模型也称行星结构模型 由此可见解决问题的一种迁移能力 2 几个相关的知识点 核子 质子和中子统称为核子 原子核带正电荷数 核外电子数 原子序数 且q ze 若用 粒子去轰击原子序数更大的原子核 粒子散射实验现象更明显 即沿同一角度散射的 粒子数就越多 原子核半径数量级 由 粒子散射实验可以估算出原子核半径的数量级 10 4 10 15米 注意 原子的半径的数量级 10 10m 三 玻尔的原子模型1 原子的核式结构与经典电磁理论的矛盾 第一点 原子是否稳定按经典的电磁理论 做加速运动的电荷 应该辐射电磁波 其能量是应该减少 电子的运行轨道半径应减小 于是电子将沿螺旋线的轨道落入原子核 即原子应是不稳定的 实际上原子是稳定的 第二点 原子光谱按经典的电磁理论 随着电子运行轨道半径的不断变化 电子辐射电磁波的频率也要不断变化 这种大量的原子的发光光谱应是包含一切频率的连续光谱 实际上原子光谱是明线光谱 经典理论无法解释原子光谱的规律性 于是玻尔理论应运而生 在这对尖锐的矛盾中应该否定谁 是核式模型错了 还是经典的电磁理论不适合于微观世界呢 卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔坚信原子的核式结构学说是符合实验事实的 他认为应该否定的不是卢瑟福模型 而是经典电磁理论 他根据当时已被发现的氢光谱的规律性 把普朗克的量子理论运用到原子系统 提出了玻尔的原子模型 玻尔理论 玻尔引入了三点假设 2 玻尔的原子模型 玻尔假说内容 1 定态量子化假设 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 在这些状态中原子是稳定的 电子虽绕核运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫定态 2 辐射频率条件假设 原子从一种定态 设能量为e初 跃迁到另一种定态 设能量为e终 时 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量差决定 即h e初 e终 名师点拨 1 原子从一种定态e初跃迁到另一种定态e终时 就要辐射出一个能量为e初 e终的光子 要注意 e初 e终才能辐射能量 以光子形式 e初 e终则要吸收对应能量的光子 h e终 e初 2 除电离外 原子从一种定态跃迁到另一定态对应的能量是确定的 即只能与相应能量的光子相匹配 多一点 少一点都不能发生跃迁 3 轨道量子化假设 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形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的分布也是不连续的 例2 2012 北京 一个氢原子从n 3能级跃迁到n 2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 解析 一个氢原子从n 3能级跃迁到n 2能级 即从高能级向低能级跃迁 释放光子 能量减少 故选b项 答案 b 四 天然放射现象1 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 名师点拨 原子序数大于83的所有元素 都具有放射性 其原子核是不稳定的 原子序数小于83的元素 有的也具有放射性 2 天然放射现象放射性元素自发地放出 射线的现象 叫天然放射现象 名师点拨 天然放射现象是由法国物理学家贝克勒耳于1896年首先发现的 且 是从原子核中放出来的 它揭示了原子核有复杂的结构 但不能认为 就是原子核的组成部分 3 三种射线的性质 例3 2011 上海 天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示 由此可推知 a 来自于原子核外的电子b 的电离作用最强 是一种电磁波c 的电离作用较强 是一种电磁波d 的电离作用最弱 属于原子核内释放的光子 解析 天然放射性元素放出的三种射线都是原子核发生衰变造成的 射线能贯穿几毫米厚的铝板 电离作用较强 故 是 射线 是原子核中的一个中子转化成一个质子 同时释放出一个高速电子 该电子即 射线 故 射线来自原子核 故a项错误 射线贯穿能力很弱 电离作用很强 一张纸就能把它挡住 故 是 射线 射线是高速氦核流 是实物粒子 不是电磁波 故b项错误 射线穿透本领最强 甚至能穿透几厘米厚的铅板 但几乎没有电离本领 故 是 射线 是一种光子 是一种电磁波 故c项错误 是 射线 它的电离作用最弱 是原子核发生衰变时释放的能量以 光子的形式辐射出来 所以d项正确 答案 d 例4 2011 浙江 关于天然放射现象 下列说法正确的是 a 射线是由氦原子核衰变产生b 射线是由原子核外电子电离产生c 射线是由原子核外的内层电子跃迁产生d 通过化学反应不能改变物质的放射性 解析 射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起而从原子核中释放出来 故a项错误 射线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质子同时释放出一个高速电子即 粒子 故b项错误 射线是原子核在发生 衰变和 衰变时产生的能量以 光子的形式释放 故c项错误 放射性元素的放射性是原子核自身决定的 而化学反应不能改变原子的原子核 故化学反应并不能改变物质的放射性 故d项正确 答案 d 六 半衰期1 物理意义 用来描述放射性元素衰变快慢的物理量 2 定义放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间 名师点拨 1 放射性元素的半衰期是由核内部本身的因素决定的 跟原子所处的物理状态或化学状态无关 例如 一种放射性元素 不管它是以单质存在或以化合物存在 或对它施加压力 或增高它的温度都不能改变它的半衰期 2 半衰期表示的是一种统计规律 只适合于含有大量原子的样品 当原子的数目少到统计规律不起作用时 就无法确定原子衰变所需的时间 即半衰期对某一个或某几个原子核来说 是无意义的 因此由半衰期不能推算出放射性物质完全衰变的寿命期 例5 在居室装修中经常用到花岗岩 大理石等装饰材料 这些岩石都不同程度地含有放射性元素 比如 有些含有铀 钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡 而氡会发生放射性衰变 放射出 射线 这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病 根据有关放射性知识可知 下列说法正确的是 a 氡的半衰期为3 8天 若取4个氡原子核 经7 6天后就一定剩下一个原子核了 b 衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的c 射线一般伴随着 或 射线产生 在这三种射线中 射线的穿透能力最强 电离能力最弱d 发生 衰变时 生成核与原来的原子核相比 中子数减少了4 解析 半衰期对于极少数原子核不适用 故a项错误 衰变所释放的电子是原子核中的中子转变为质子和电子 电子释放出来 故b项正确 射线一般伴随着 或 射线产生 在这三种射线中 射线的穿透能力最强 电离能力最弱 故c项正确 发生 衰变时电荷数少2 质量数少4 质量数等于质子数加上中子数 所以中子数少2 故d项错误 答案 bc 例6 2011 天津 当今医学影像诊断设备pet ct堪称 现代医学高科技之冠 它在医疗诊断中 常利用能放射正电子的同位素碳11作示踪原子 碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得 同时还产生另一粒子 若碳11的半衰期 为20min 经2 0h剩余碳11的质量占原来的百分之几 结果取2位有效数字 答案 1 6 八 放射性同位素的应用1 探伤 治病 测厚 2 作为示踪原子 九 核能1 核能核子结合成原子核时释放的能量或原子核分裂为核子时所吸收的能量 叫原子核的结合能 简称核能 2 质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫质量亏损 理解要点 质量数与质量是两个不同的概念 3 质能方程e mc2 即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 核子在结合成原子核时出现质量亏损 m 其能量也要相应的减少 即 e mc2 名师点拨 质量亏损应对应原子核的变化 即原子核的质子和中子重新排列 不是核外电子的问题 解析 原子能级的跃迁 是由于原来处于基态的原子吸收一定光子跃迁到高能态 处于不稳定状态 再跃迁到基态过程中向外释放光子 不存在原子核的质量亏损 而质量亏损对应原子核的变化 对应原子核的质子和中子重新排列 本题原子核的质子和中子没有重新排列 故选c项 答案 c 学法指导 e mc2或 e mc2是爱因斯坦在相对论中得出的质量和能量间的关系 记住1u 1 660566 10 27kg相当于931mev u为原子质量单位 名师点拨 重核裂变为两个中等质量的核 是由德国的哈恩和斯特拉斯曼发现的 注意 反应方程的两侧中子不能化简为左侧没有 右侧2个 没有了左侧的中子 就没有 炮弹 了 解析 由核反应方程式可以看出该反应生成了3个中子 a项正确 铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应 b项错误 铀核的链式反应可以通过控制棒进行人工控制 c项正确 放射性物质的半衰期是元素本身的属性 与外界物理环境和化学环境均无关 d项错误 答案 ac 名师点拨 两个轻核聚变为质量较大的核 裂变是原子弹爆炸的工作基础 聚变是氢弹爆炸的工作基础 以上知识要求在理解的基础上熟记 解析 人造太阳的核聚变是氘核和氚核进行的核聚变反应 故a项正确 质量较重的铀核通过核反应产生两个中等质量的钡核和氪核 属于重核的核裂变 故b项错误 核聚变过程中出现质量亏损 根据爱因斯坦质能方程 e mc2可求出核反应释放的能量 故c项正确 d项错误 答案 ac 学法指导 本题易错点为b项 有的考生不能区分裂变和聚变 注意对基础知识的记忆和辨析 才能顺利解决此类问题 例2 氢原子的能级是氢原子处于各个状态时的能量值 它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能 氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时 a 氢原子的能量减小 电子的动能增加b 氢原子的能量增加 电子的动能增加c 氢原子的能量减小 电子的动能减小d 氢原子的能量增加 电子的动能减小 答案 a 例3 2013 江苏 根据玻尔原子结构理论 氦离子 he 的能级图如图所示 电子处在n 3轨道上比处在n 5轨道上离氦核的距离 选填 近 或 远 当大量he 处在n 4的激发态时 由于跃迁所发射的谱线有 条 答案 近6 a 粒子b 质子c 中子d 电子 答案 c 2 计算依据 动量守恒和能量守恒 例2 一个静止的天然放射性元素的原子核在匀强磁场中发生衰变 所产生的新核和所放出的粒子的运动方向均垂直于磁场方向 如图所示 在下面四个图中 能正确反映其轨道的可能是 答案 ad 学法指导 注意分清速度方向 洛伦兹力方向 旋转方向 二 原子吸收能量的原则原子吸收能量的原则是吸收的能量恰好等于某两个能级之差 或者是吸收能量大于或等于其电离能 使电子成为自由电子 所以当原子吸收光子时 由于光子不可分 故其必须选择能量满足上述原则的光子 当原子吸收实物粒子 如电子 能量时 原子可以根据 需要 吸收其中的一部分能量 也即对电子的能量没有条件限制 例3 欲使处于基态的氢原子激发 下列措施可行的是 a 用10 2ev的光子照射b 用11ev的光子照射c 用14ev的光子照射d 用11ev的电子碰撞 解析 由玻尔理论可知 氢原子在各能级跃迁时 只能吸收能量值刚好等于某两能级之差的光子 由氢原子的能级关系可算出10 2ev刚好等于氢原子n 1和n 2的两能级之差 而11ev则不是氢原子基态和任一激发态的能量之差 因而氢原子能吸收前者而不能吸收