高考物理一轮复习 第2讲 原子结构 原子核课件 新课标选修35.ppt

1 原子的核式结构 1 电子的发现 1897年 英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子 第2讲原子结构原子核 2 原子的核式结构 粒子散射实验的结果绝大多数 粒子穿过金箔后 基本上仍沿原来的方向前进 但少数 粒子发生了大角度偏转 极少数 粒子甚至被撞了回来 如图1 2 1所示 卢瑟福的原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外绕核旋转 原子核的尺度 原子核直径的数量级为10 15m 原子直径的数量级约为10 10m 原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的 原子核的电荷数等于核内的质子数 2 玻尔理论 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 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h em en h是普朗克常量 h 6 63 10 34j s 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 3 氢原子的能级 能级公式 1 氢原子的能级 能级图如图1 2 2所示 能级图中相关量意义的说明 1 认识原子结构的线索 1 天然放射现象 三种射线 1 天然放射现象 放射性元素自发地发出射线的现象 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 三种射线的比较 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 zax z 2a 4y 24he 衰变 zax z 1ay 10e 3 半衰期 放射性元素的原子核有发生衰变所需的时间 半衰期由的因素决定 跟原子所处的无关 半数 核内部本身 物理 或化学状态 3 放射性同位素及应用 1 同位素具有相同而不同的原子核 在元素周期表中处于同一位置 互称 有些同位素具有放射性 叫做放射性同位素 天然放射性同位素不过四十多种 而人工制造的放射性同位素已达1000多种 2 放射性同位素的应用 放射性同位素放出的射线应用于工业 探伤 农业 医疗等 作示踪原子 质子数 中子数 同位素 1 衰变规律及实质 2 人造放射性同位素的优点 1 放射强度容易控制 2 可以制成各种所需的形状 3 半衰期很短 废料容易处理 1 核力核子间的作用力 核力是短程强引力 作用范围在1 5 10 15m之内 只在的核子间发生作用 2 核能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 叫做原子核的能 亦称核能 3 质能方程 质量亏损爱因斯坦质能方程e 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 e 相邻 核子 结合 mc2 mc2 1 裂变反应和聚变反应 1 重核裂变 是重核分裂成中等质量的核的反应过程 如 由重核裂变产生的中子使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应 发生链式反应的条件是 裂变物质的体积临界体积 裂变的应用 原子弹 核反应堆 大于 等于 2 轻核聚变 聚变是两个轻核结合成的核的反应过程 如 使核发生聚变需要几百万度以上的高温 因此聚变又叫 质量较大 热核反应 2 核反应的四种类型 1 关于原子结构理论与 粒子散射实验的关系 下列说法正确的是 a 卢瑟福做 粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣糕模型是错误的b 卢瑟福认识到汤姆孙 枣糕模型 的错误后提出了 核式结构 理论c 卢瑟福的 粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性d 卢瑟福依据 粒子散射实验的现象提出了原子的 核式结构 理论答案d 2 2010 全国 14 原子核zax与氘核12h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解析该核反应的方程式为 zax 12h 24he 11h 由质量数和电荷数守恒得 a 4 1 2 3 z 2 1 1 2 故正确答案为d 答案d 3 氦原子核由两个质子与两个中子组成 这两个质子之间存在着万有引力 库仑力和核力 则3种力从大到小的排列顺序是 a 核力 万有引力 库仑力b 万有引力 库仑力 核力c 库仑力 核力 万有引力d 核力 库仑力 万有引力解析核力是核子之间的一种强相互作用 其相互作用力巨大 两核子之间的万有引力极其微小 所以我们在平时的计算时不考虑 答案d 4 下列说法正确的是 a 715n 11h 612c 24he是 衰变方程b 11h 12h 23he 是原子核的人工转变方程c 92238u 90234th 24he是核裂变反应方程d 24he 1327a1 1530p 01n是原子核的人工转变方程解析核反应类型分四种 方程特点各有不同 衰变方程的左边只有一个原子核 右边出现 或 粒子 聚变方程的左边是两个轻核反应 右边是中等原子核 裂变方程的左边是重核与中子反应 右边是中等原子核 人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反应 右边也是常见元素的原子核 由此可知d选项正确 答案d 5 现已建成的核电站发电的能量来自于 a 天然放射性元素衰变放出的能量b 人工放射性同位素放出的能量c 重核裂变放出的能量d 化学反应放出的能量解析现在核电站所用原料主要是铀 利用铀裂变放出的核能发电 故c项正确 答案c6 根据玻尔理论 在氢原子中量子数n越大 则 a 电子轨道半径越小b 核外电子速度越小c 原子能级能量越小d 原子的电势能越小答案b 7 如图1 2 3 甲 是 三种射线穿透能力的示意图 图1 2 3 乙 是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图 请问图1 2 3 乙 中的检查是利用了哪种射线 a 射线b 射线c 射线d 三种射线都可以 答案c 8 2011 从化模拟 可见光光子的能量在1 61ev 3 10ev范围内 若氢原子从高能级跃迁到低能级 根据氢原子能级图 如图1 2 4所示 可判断 a 从n 4能级跃迁到n 3能级时发出可见光b 从n 3能级跃迁到n 2能级时发出可见光c 从n 2能级跃迁到n 1能级时发出可见光d 从n 4能级跃迁到n 1能级时发出可见光 解析发出可见光的能量h en em 故四个选项中 只有b选项的能级差在1 61ev 3 10ev范围内 故b选项正确 答案b 9 太阳的能量来自下面的反应 四个质子 氢核 聚变成一个 粒子 同时发射出两个正电子和两个没有静止质量的中微子 已知 粒子的质量为m 质子的质量为mp 电子的质量为me 则na表示阿伏加德罗常数 用c表示光速 则太阳上1kg的氢核聚变成 粒子所放出的能量为 a 125 4mp m 2me nac2b 250 4mp m 2me nac2c 500 4mp m 2me nac2d 1000 4mp 4m 2me nac2 答案b 10 在未来的中国 从沿海的广东 浙江 福建到内陆的湖北 湖南 江西 几十座核电站将拔地而起 发展核电既是中国发展突破能源 交通 环保瓶颈的上策 也符合国务院总理温家宝在 政府工作报告 中关于 节能减排 的号召 下列关于核电站的说法中正确的是 a 核反应方程可能是 92235u 56141ba 3692kr 201nb 核反应过程中质量和质量数都发生了亏损c 在核反应堆中利用控制棒吸收中子从而减小中子对环境的影响d 核电站的能量转换过程是 通过核反应堆将核能转化为热能 再通过汽轮机将热能转化为机械能 最后通过发电机将机械能转化为电能 解析 1 核电站是核裂变的一种应用 其反应方程式是 92235u 01n 56141ba 3692kr 301n 反应中 质量数不变但质量发生亏损 从而释放出核能 在核反应中 核反应速度由参与反应的中子数目决定 控制棒通过插入的深度来调节中子的数目以控制链式反应的速度 核电站的能量转换过程是 通过核反应堆将核能转化为热能 再通过汽轮机将热能转化为机械能 最后通过发电机将机械能转化为电能 故d项正确 答案d 考点一能级跃迁问题 典例1 如图1 2 5所示 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射出能量为2 55ev的光子 问 1 最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量 才能使它辐射上述能量的光子 2 请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图 解析 1 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射光子的频率应满足 h en e2 2 55ev en h e2 0 85ev所以 n 4 基态氢原子要跃迁到n 4的能级 应提供 e e4 e1 12 75ev 2 辐射跃迁图如答案图所示 答案 1 12 75ev 2 1 量子数为n的氢原子辐射光子的可能频率的判定方法 如果是一个氢原子 向低能级跃迁时最多发出的光子数为 n 1 如果是一群氢原子 向低能级跃迁时最多发出的光子数的方法2 用数学组合公式求解 2 理解氢原子能级图 量子数越大 相邻能级差越小 发出光子波长越长 变式1 图1 2 6所示为氢原子的四个能级 其中e1为基态 若氢原子a处于激发态e2 氢原子b处于激发态e3 则下列说法正确的是 a 原子a可能辐射出3种频率的光子b 原子b可能辐射出3种频率的光子c 原子a能够吸收原子b发出的光子并跃迁到能级e4d 原子b能够吸收原子a发出的光子并跃迁到能级e4 解析本题考查对玻尔理论的理解及推理能力 原子a从激发态e2跃迁到e1 只辐射一种频率的光子 a错 原子b从激发态e3跃迁到基态e1可能辐射三种频率的光子 b对 由原子能级跃迁理论可知 原子a可能吸收原子b由e3跃迁到e2时放出的光子并跃迁到e3 但不能跃迁到e4 c错 a原子发出的光子能量 e e2 e1大于e4 e3 故原子b不可能跃迁到能级e4 d错 答案b 考点二核反应方程及核反应类型的判断 典例2 1 现有三个核反应方程 1124na 1224mg 10e 92235u 01n 56141ba 3692kr 301n 12h 13h 24he 01n下列说法正确的是 a 是裂变 是 衰变 是聚变b 是聚变 是裂变 是 衰变c 是 衰变 是裂变 是聚变d 是 裂变 是聚变 是裂变 2 现有四个核反应 a 12h 13h 24he 01nb 92235u 01n x 3689kr 301nc 1124na 1224mg 10ed 24he 49be 612c 01n 是发现中子的核反应方程 是研究原子弹的基本核反应方程 是研究氢弹的基本核反应方程 求b中x的质量数和中子数 解析 1 1124na 1224mg 10e中na核释放出 粒子 为 衰变 92235u 01n 56141ba 3692kr 301n为铀核在被中子轰击后 分裂成两个中等质量的核 为裂变 而12h 13h 24he 01n为聚变 故c正确 2 人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核 箭头的右边也是常见元素的原子核 d是查德威克发现中子的核反应方程 b是裂变反应 是研究原子弹的核反应方程 a是聚变反应 是研究氢弹的核反应方程 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 x质量数为144 电荷数为56 所以中子数为144 56 88 答案 1 c 2 dba 14488 变式2 三个原子核x y z x核放出一个正电子后变为y核 y核与质子发生核反应后生成z核并放出一个氦核 24he 则下面说法正确的是 a x核比z核多一个质子b x核比z核少一个中子c x核的质量数比z核的质量数大2d x核与z核的总电荷数是y核电荷数的2倍 解析设x核的核电荷数与质量数分别为a b x核放出正电子及y核与质子的核反应如下 abx 10e a 1by a 1by 11h a 2b 3z 24he 可见 x核比z核多2个质子 故a项错 x核比z核多1个中子 故b项错 x核的质量数比z核的质量数大3 故c项错 z核与x核的总电荷数为 2a 2 是y核的2倍 故d项对 答案d 考点三核能的计算 典例3 裂变反应是目前核能利用中常用的反应 以原子核92235u为燃料的反应堆中 当92235u俘获一个慢中子后发生裂变反应可以有多种方式 其中一种可表示为 92235u 01n 54139xe 3894sr 301n235 04391 0087138 917893 9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 以原子质量单位u为单位 已知1u的质量对应的能量为9 3 102mev 此裂变反应释放出的能量是 mev 解析由题给核反应方程及其下面的数据可知 裂变之前的总质量为 235 0439u 1 0087u 236 0526u 裂变之后的总质量为 138 9178u 93 9154u 3 1 0087u 235 8593u 质量亏损为 m 236 0526u 235 8593u 0 1933u 因为1u的质量对应的能量约为9 3 102mev所以 e 0 193 9 3 102mev 1 8 102mev答案1 8 102 1 应用质能方程解题的流程图 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 2 利用质能方程计算核能时 不能用质量数代替质量进行计算 变式3 太阳能来源于轻核的聚变 太阳中存在的主要元素是氢 氢核的聚变反应可以看作是4个氢核 11h 结合成1个氦核 24he 下表中列出了部分粒子的质量 以下说法中错误的是 a 核反应方程为411h 24he 210eb 核反应方程为411h 24he 2 10ec 4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0 0266ud 聚变反应过程中释放的能量约为24 8mev 解析 1 根据电荷数守恒和质量数守恒可得聚变的核反应方程为 411h 24he 210e b错误 a正确 质量亏损为 m 4mh mhe 2me 4 1 0073u 4 0015u 2 0 00055u 0 0266u c正确 核反应释放的能量为 e mc2 0 0266 931 5mev 24 8mev d正确 2 根据爱因斯坦的质能方程 一个氘核 12h 和一个氚核 13h 结合成一个氦核并放出一个中子释放的能量为 mc2 1mol氘和1mol氚完全发生上述核反应 释放的能量为上述反应的na倍 即na mc2 答案 1 b 2 a 典例4 如图1 2 7所示 印度第一艘自主研发的核潜艇于2009年7月26日正式下水 成为世界第六个拥有核潜艇的国家 核动力潜艇是潜艇中的一种类型 指以核反应堆为动力来源设计的潜艇 1 在核反应中有一种是一个92235u原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反应 其裂变方程为92235u 01n x 3894sr 1001n 则下列叙述正确的是 a x原子核中含有54个质子b x原子核中含有53个中子c 裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量d 裂变时释放能量 出现质量亏损 质量数不守恒 2 用速度为v0 质量为m1的24he核轰击质量为m2的静止的714n核 发生核反应 最终产生两种新粒子a和b 其中a为817o核 质量为m3 速度为v3 b的质量为m4 计算粒子b的速度vb 粒子a的速度符合什么条件时 粒子b的速度方向与he核的运动方向相反 变式4 一个静止的氡核86222rn 放出一个 粒子后衰变为钋核84218po 同时放出能量为e 0 09mev的光子 假设放出的核能完全转变为钋核与 粒子的动能 不计光子的动量 已知m氡 222 08663u m 4 0026u m钋 218 0766u 1u相当于931 5mev的能量 1 写出上述核反应方程 2 求出发生上述核反应放出的能量 3 确定钋核与 粒子动能 答案 1 86222rn 84218po 24he 2 6 92mev 3 0 12mev6 54mev 一 对原子结构的考查 低频考查 1 2010 上海单科 1 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 对阴极射线的研究c 天然放射性现象的发现d 质子的发现解析卢瑟福根据 粒子的散射实验的结果 提出原子的核式结构模型 所以a项正确 答案a 2 2011 上海单科 2 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 粒子轰击金箔后偏转 越靠近金箔 偏转的角度越大 所以a b c错误 d正确 答案d 解析大量氢原子跃迁时 只有三个频率的光谱 这说明是从n 3能级向低能级跃迁 根据能量守恒有 h 3 h 2 h 1 解得 3 2 1 选项b正确 答案b 4 2010 重庆理综 19 氢原子部分能级的示意图如图1 2 8所示 不同色光的光子能量如下表所示 处于某激发态的氢原子 发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条 其颜色分别为 a 红 蓝 靛b 黄 绿c 红 紫d 蓝 靛 紫 解析原子发光时光子的能量等于原子能级差 先分别计算各相邻的能级差 再由小到大排序 结合可见光的光子能量表可知 有两个能量分别为1 89ev和2 55ev的光子属于可见光 并且属于红光和蓝 靛的范围 答案a 5 2011 四川卷 18 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 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 答案d 答案c 7 2011 课标全国卷 35 在光电效应实验中 某金属的截止频率相应的波长为 0 该金属的逸出功为 若用波长为 0 单色光做实验 则其截止电压为 已知电子的电荷量 真空中的光速和普朗克常量分别为e c和h 三 对原子核的考查 高频考查 8 2009 广东单科 2 科学家发现在月球上含有丰富的23he 氦3 它是一种高效 清洁 安全的核聚变燃料 其参与的一种核聚变反应的方程式为23he 23he 211h 24he 关于23he聚变下列表述正确的是 a 聚变反应不会释放能量b 聚变反应产生了新的原子核c 聚变反应没有质量亏损d 目前核电站都采用23he聚变反应发电解析聚变反应是轻核变为中等质量核的反应 发生质量亏损 释放能量 目前核电站采用重核裂变反应 答案b 9 2010 广东理综 18 关于核衰变和核反应的类型 下列表述正确的有 a 92238u 90234th 24he是 衰变b 714n 24he 817o 11h是 衰变c 12h 13h 24he 01n是人工转变d 3482se 3682kr 2 10e是重核裂变解析 衰变是放射出氦核的天然放射现象 a正确 衰变是放射出电子的天然放射现象 而b项是发现质子的原子核人工转变 故b错 c项是轻核的聚变 d项是 衰变现象 故c d错 答案a 10 2010 全国 14 原子核92238u经放射性衰变 变为原子核90234th 继而经放射性衰变 变为原子核91234pa 再经放射性衰变 变为原子核92234u 放射性衰变 和 依次为 a 衰变 衰变和 衰变b 衰变 衰变和 衰变c 衰变 衰变和 衰变d 衰变 衰变和 衰变解析由电荷数守恒与质量数守恒可分别写出衰变 为92238u 90234th 24he 衰变 为90234th 91234pa 10e 衰变 为91234pa 92234u 10e 故知正确答案为a 答案a 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 d正确 答案d 12 2010 北京理综 15 太阳因核聚变释放出巨大的能量 同时其质量不断减少 太阳每秒钟辐射出的能量约为4 1026j 根据爱因