【志鸿优化设计】2014届高考物理第一轮复习 （梳理自测+理解深化+巩固提升）第十五章近代物理初步第二节原子结构 核能教学案 鲁科版

1 第二节第二节 原子结构原子结构 核能核能 一 原子结构 1 电子的发现 汤姆生在研究阴极射线时发现了 提出了原子的枣糕模型 2 粒子散射实验 粒子散射实验是用 粒子轰击金箔 结果是 穿过金箔后仍沿原来方向前 进 发生了较大的偏转 极个别 粒子甚至 3 核式结构 在原子的中心有一个很小的 叫原子核 原子的 都集中在原子核里 带 在核外空间运动 二 氢原子光谱 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即光谱分析 2 氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线 其波长公式 R n 3 4 5 R 1 1 22 1 n2 是里德伯常量 R 1 10 107 m 1 三 玻尔模型 1 玻尔的三条假设 1 能量量子化 原子只能处于一系列 状态中 在这些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 这些状态叫做 对氢原子满足 En E1 其中E1 13 6 eV 1 n2 2 轨道量子化 原子的 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 因此电子运动的可能轨道的分布也是不连续的 对氢原子满足 rn n2r1 其中r1 0 53 10 10 m 3 能级跃迁 原子从一种定态 设能量为E2 跃迁到另一种定态 设能量为E1 时 它 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 E2 E1 2 氢原子能级图 如图所示 四 天然放射现象及三种放射线的比较 1 天然放射现象的发现 1896 年 在铀矿石中发现未知的射线 把这些射线称为 射线 射线 2 射线 这就是天然放射现象的发现 天然放射现象的发现 说明原子核 2 三种射线的比较 种类 射线 射线 射线 组成高速氦核流高速电子流光子流 带电荷量 2e e 0 质量 4mp mp 1 840 静止质量为零 在电磁场中偏转 与 射线反向偏 转 不偏转 穿透本领 电离作用 增强 减弱 3 三种射线在匀强磁场 匀强电场中偏转情况比较 五 原子核的衰变及衰变规律 1 衰变 原子核由于自发地放出某种粒子而转化为新核的变化 2 衰变规律 1 衰变 X Y He 实质 2 H 2 n He A ZA 4Z 24 21 11 04 2 2 衰变 X Y e 实质 n H e A ZAZ 10 11 01 10 1 3 半衰期 1 定义 放射性元素衰变有一定的速率 我们把放射性元素的原子核有半数发生衰 变需要的时间叫半衰期 用 表示 2 公式 0 1 2 t mm 3 特点 半衰期 由该元素的原子核内部本身的因素决定 跟原子所处的物理状 态 如压强 温度等 或化学状态 如单质 化合物等 无关 另外 半衰期仅是对大量 原子核的统计规律 比如研究 200 个铀的原子核经过一个半衰期后还剩多少个铀的原子核 是没有意义的 六 核能 1 核力 核子间的作用力 核力是短程强力 作用范围在 1 5 10 15 m 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 这 就是质量亏损 m 由质量亏损可求出释放的核能 E 七 重核的裂变与轻核的聚变 1 裂变 重核分裂成质量较小的核的反应 如 U n Xe Sr 10 n 235921 01365490381 0 2 聚变 3 轻核结合成质量较大的核的反应 如 H H He n 2 13 14 21 0 1 下列对原子结构的认识中 错误的是 A 原子中绝大部分是空的 原子核很小 B 电子在核外绕核旋转 向心力为库仑力 C 原子的全部正电荷都集中在原子核里 D 原子核的直径大约为 10 10 m 2 关于天然放射现象 下列说法正确的是 A 放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期 B 放射性物质放出的射线中 粒子动能很大 因此贯穿物质的本领很强 C 当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时 将发生 衰变 D 放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时 辐射出 射线 3 2012 江苏淮安调研 一个铀核 U 放出一个 粒子后衰变成钍核 Th 2389223490 其衰变方程为 已知静止的铀核 钍核和 粒子的质量分别为 m1 m2和m3 真空中的光速为c 上述衰变过程中释放出的核能为 4 易错辨析 请你判断下列表述正确与否 对不正确的 请予以更正 1 衰变中的电子来源于原子核外电子 2 核反应方程的质量数守恒 方程两边的质量也相等 3 如某放射性元素的半衰期是 5 天 那么 100 个该元素的原子核经过 10 天还剩下 25 个 4 电子绕核旋转的半径越大 动能越小 电势能越大 总能量越大 5 目前核电站多数是采用核聚变反应发电 一 氢原子能级图及原子跃迁的理解 自主探究自主探究 1 如图所示 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 55 eV 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 才能使它辐射出上述能量的光 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 思考 1 原子从低能级向高能级跃迁 吸收还是放出光子 光子的能量 h 满足什 么条件 思考 2 原子从高能级向低能级跃迁 吸收还是放出光子 光子的能量 h 满足什 么条件 思考 3 使氢原子电离的条件是什么 二 核反应的四种类型 自主探究自主探究 2 现有 5 个核反应方程 A H H He n 2 13 14 21 0 B U n X Sr 2 n 235921 094381 0 C Na Mg e 241124120 1 4 D Na Rn He 22088216864 2 E He Be C n 4 29 412 61 0 1 是发现中子的核反应方程 是研究两弹的基本核反应方程式 2 B 项中 X 的质量数为 中子数为 3 以上五个核反应的反应类型是 A B C D E 思考 1 常见的基本粒子 质子 中子等 的符号如何书写 思考 2 核反应方程遵循什么原则 思考 3 写出核反应方程的四种基本类型 命题研究一 能级跃迁与光谱线问题 题例 1 2012 四川理综 如图为氢原子能级示意图的一部分 则氢原子 A 从n 4 能级跃迁到n 3 能级比从n 3 能级跃迁到n 2 能级辐射出电磁波的波长 长 B 从n 5 能级跃迁到n 1 能级比从n 5 能级跃迁到n 4 能级辐射出电磁波的速度 大 C 处于不同能级时 核外电子在各处出现的概率是一样的 D 从高能级向低能级跃迁时 氢原子核一定向外放出能量 解题要点 规律总结规律总结 1 一个氢原子和一群氢原子的区别 一个氢原子只有一个电子 在某个时刻电子只能 在某一个可能的轨道上 当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道上时 可能情况有 C 种 2n C 但产生的跃迁只有一种 而如果是大量的氢原子 这些原子的核外电子跃迁 2n n n 1 2 时就会出现所有的可能情况 2 入射光子和入射电子的区别 若是在光子的激发下引起原子跃迁 则要求光子的能 量必须等于原子的某两个能级差 若是在电子的碰撞下引起的跃迁 则要求电子的能量必 须大于或等于原子的某两个能级差 命题研究二 半衰期的理解与计算 题例 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 m 4 C 经过 3 个半衰期后 其中铀元素的质量还剩 m 8 D 经过 1 个半衰期后该矿石的质量剩下 M 2 解题要点 5 规律总结规律总结 半衰期是大量原子核衰变的统计规律 与外界因素无关 用N0 m0分别表示衰变前的 原子核数目和质量 N m分 别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量 为半衰期 t表示衰变过程所经历的时 间 则 0 1 2 t NN 0 1 2 t mm 命题研究三 质量亏损与核能的计算 题例 3 2012 浙江自选模块 一个静止的钚核Pu 自发衰变成一个铀核U 2399423592 和另一个原子核 X 并释放出一定的能量 其核衰变方程为 Pu U X 2399423592 1 方程中的 X 核符号为 2 钚核的质量为 239 052 2 u 铀核的质量为 235 043 9 u X 核的质量为 4 002 6 u 已知 1 u 相当于 931 MeV 则该衰变过程放出的能量是 MeV 3 假设钚核衰变释放出的能量全部转变为铀核和 X 核的动能 则 X 核与铀核的动能 之比是 解题要点 规律总结规律总结 求核能的方法 1 先算出质量亏损 m 然后利用 E mc2进行计算 计算时 m的单位是 kg c的单位是 m s E的单位是 J 2 质量用原子质量单位 计算出质量亏损后 用 E m 931 5 MeV 进行计算 计算时 m的单位是 u E的单位是 MeV 3 有时结合动量守恒和能量守恒进行分析计算 此时要注意动量 动能关系式 p2 2mEk的应用 1 2012 山东潍坊一模 下列关于原子和原子核的说法正确的是 A 射线是原子由激发态向低能级跃迁时产生的 B 居里夫妇最先发现了天然放射现象 C 原子核中的质子靠核力来抗衡相互之间的库仑斥力而使核子紧紧地束缚在一起 D 结合能所对应的质量等于把原子核完全分解为核子后所有核子的总质量减去该原子 核的质量 2 朝核危机 引起全球瞩目 其焦点就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆 重水 堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚 239 Pu 这种钚 239 可由 23994 铀 239 U 经过n次 衰变而产生 则n为 23992 A 2 B 239 C 145 D 92 3 2012 江苏淮阴三校联考 下列说法正确的是 A 电子的衍射现象说明实物粒子的波动性 B 235U 的半衰期约为 7 亿年 随地球环境的变化 半衰期可能变短 C 原子核内部某个质子转变为中子时 放出 射线 D 氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时 要释放一定频率的光子 同时电 子的动能增加 电势能减小 4 某实验室工作人员用初速度v0 0 09c c为真空中的光速 的 粒子轰击静止的 氮原子核N 产生了质子 H 若某次碰撞可看做对心正碰 碰后新核与质子同方向运动 14 71 1 垂直磁场方向射入磁场 通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为 1 20 已知质子质量为m 则 1 写出核反应方程 2 求出质子的速度v 6 参考答案参考答案 基础梳理自测基础梳理自测 知识梳理 一 1 电子 2 绝大多数 少数 反向 3 核 几乎全部质量和全部正电荷 负电的电子 三 1 1 不连续 定态 2 定态 轨道 3 辐射或吸收 四 1 贝克勒尔 具有复杂结构 六 1 相邻 2 核子 结合 3 mc2 mc2 基础自测 1 D 解析 解析 卢瑟福 粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆孙模型 提出 了原子的核式结构学说 并估算出原子核直径的数量级为 10 15 m 原子直径的数量级为 10 10 m 原子是原子核直径的十万倍 所以原子内部是十分 空旷 的 核外带负电的电 子由于受到带正电的原子核的库仑引力而绕核旋转 本题只有选项 D 错误 2 D 解析 解析 本题是对天然放射现象基本概念的考查 半衰期的概念是放射性元素的 原子核有半数发生衰变所需的时间 而不是原子核内的核子半数发生衰变所需的时间 选 项 A 错误 放射性物质放出的射线中 粒子的动能很大 但由于它与外界物质的原子核 碰撞时很容易损失能量 因此它贯穿物质的本领很小 选项 B 错误 放射性元素发生衰变 是因为原子核不稳定所引起的 与核外电子的能量高低无关 选项 C 错误 放射性元素发 生衰变后的新核从高能级向低能级跃迁时会以光子的形式放出能量 射线即为高能的光 子流 选项 D 正确 3 答案 答案 U Th He m1 m2 m3 c2 23292228904 2 解析 解析 1 电荷数和质量数守恒 2 质量亏损为 m m1 m2 m3 所以 释放的能量为 E mc2 m1 m2 m3 c2 4 答案 答案 1 错误 衰变的实质是中子衰变成质子 放出电子 来源于原子核内 部 核反应方程为 n H e 1 01 10 1 2 错误 核反应方程的质量数守恒 但方程两边的质量并不相等 核反应一般要释 放能量 反应后的核子的总质量小于反应前的总质量 称为质量亏损 3 错误 半衰期是对大量原子核的统计规律 100 个太少 不能用半衰期公式计算 4 正确 5 错误 现在的核电站利用核裂变释放的能量 不是聚变释放的能量 利用聚变 释放的能量是现在努力的方向 虽有突破 但还不能大规模应用 核心理解深化核心理解深化 自主探究 1 答案 答案 1 12 75 eV 2 见解析图 解析 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 55 eV En h E2 0 85 eV 所以n 4 基态氢原子要跃迁到n 4 的能级 应提供的能量为 E E4 E1 12 75 eV 2 辐射跃迁图如图所示 7 提示 1 原子从低能级向高能级跃迁 吸收一定能量的光子 当一个光子的能量满足 h E末 E初时 才能被某一个原子吸收 使原子从低能级E初向高能级E末跃迁 而当 光子能量h 大于或小于E末 E初时都不能被原子吸收 2 原子从高能级向低能级跃迁 以光子的形式向外辐射能量 所辐射的光子能量恰等 于发生跃迁时的两能级间的能量差 3 原子跃迁条件h Em En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 对于光子和氢原子作用而使原子电离时 只要入射光的能量E 13 6 eV 原子就能 吸收 对于实物粒子与原子作用使原子激发时 粒子能量大于或等于能级差即可 自主探究 2 答案 答案 1 E AB 2 140 86 3 聚变 裂变 衰变 衰变 原子核的人工转变 解析 解析 1 E 是查德威克发现中子的核反应方程 A 是氢弹 B 是原子弹的核反应方 程 2 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 X 质量数为 140 电荷数为 54 所以中子数 为 140 54 86 3 衰变是原子核自发地放出 粒子或 粒子的反应 C 是 衰变 D 是 衰变 E 是人工控制的原子核的变化 属人工转变 裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量 的核的反应 B 是裂变 聚变是几个轻核结合成较大质量的核的反应 A 是聚变 提示 1 熟记常见基本粒子的符号 是正确书写核反应方程的基础 如质子 H 1 1 中子 n 粒子 He 粒子 e 正电子 e 氘核 H 氚核 H 等 1 04 20 10 12 13 1 2 核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒的规律 这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 3 熟悉核反应的四种基本类型 可以帮助我们理清思路 很快写出正确的核反应方程 1 衰变 例 U Th He 23892234904 2 Th Pa e 23490234910 1 2 人工转变 例 N He O H 卢瑟福发现质子 14 74 217 81 1 Be He C n 查德威克发现中子 9 44 212 61 0 3 重核裂变 例 U n Xe Sr 10 n 可人工控制 缓慢释放能量 235921 01365490381 0 U n Ba Kr 3 n 235921 01415692361 0 4 轻核聚变 例 H H He n 不能人工控制 2 13 14 21 0 考向探究突破考向探究突破 题例 1 A 解析 解析 由h Em En En 可得 从n 4 跃迁到n 3 比 E0 n2 c 从n 3 跃迁到n 2 辐射出的电磁波的能量小 频率小 波长长 选项 A 正确 电磁波在 真空中的速度都是一样的 选项 B 错误 电子轨道与能级对应处于不同能级 核外电子在 各处出现的概率是不一样的 选项 C 错误 从高能级向低能级跃迁时 氢原子一定向外释 放能量 但不是氢原子核释放能量 选项 D 错误 题例 2 C 解析 解析 经过 2 个半衰期后矿石中剩余的铀应该有 经过 3 个半衰期后 m 4 8 矿石中剩余的