选修35第十二章第3讲

1、第 3 讲 原子结构 原子核知识排查原子结构1. 电子的发现： 英国物理学家汤姆孙发现了电子。2. 美国物理学家密立根测出了电子的电荷量。3. 汤姆孙原子模型汤姆孙于 1898 年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均 匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。4. 粒子散射实验（ 1）实验装置： 粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。（2）实验现象 绝大多数的 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进； 少数 粒子发生了大角度偏转； 极少数 粒子的偏转角度大于 90，甚至有极个别 粒子几乎被“撞了回来”。 （ 3）实验意义：卢瑟福通过 粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立 了核式结构模

2、型。5. 核式结构模型1911 年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核。它集中了原子 全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动。6.原子核的电荷与尺度氢原子光谱1. 光谱： 用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长（频率 ）和强度分布的记录，即光谱。2. 光谱分类13. 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 11 1 7 1R 22n2 ，(n3，4，5，R是里德伯常量， R1.10107 m1)。4. 光谱分析： 利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的 组成成分，且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重

3、大的意义。5. 理尔理论(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， h 6.631034 J s)(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。原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1. 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.

4、天然放射现象元素自发地放出射线的现象， 首先由贝克勒尔发现。 天然放射现象的发现， 说明 原子核具有复杂的结构。3. 放射性同位素的应用与防护(1) 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。(2) 应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等。(3) 防护：防止放射性对人体组织的伤害。4. 原子核的衰变(1) 衰变：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： ZAXZA24Y42He 如： 29328U 29304Th42He；衰变： ZAXZA1Y01e 如： 29304Th 29314Pa01e；(3) 半衰

5、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。核力和核能1. 核力 原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2. 核能(1) 核子在结合成原子核时出现质量亏损 m，其对应的能量 Emc2。(2) 原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为Emc2。裂变反应和聚变反应、裂变反应堆 核反应方程1. 重核裂变(1) 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。(2) 典型的裂变反应方程：29325U01n8396Kr 15464Ba301n。(3) 链式反应：重核裂变产生的中

6、子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4) 临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质 量。(5) 裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6) 反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2. 轻核聚变(1) 定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温 下进行，因此又叫热核反应。(2) 典型的聚变反应方程：12H13H 42He01n17.6 MeV小题速练1.思考判断(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小 ()(2)核式结构学说是卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出的 ( )(3) 氢原子光谱是由一条一条亮线组成的 ()(4) 玻尔理论成功地解释了氢原

7、子光谱，也成功地解释了氦原子光谱( )(5) 按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上( )(6) 人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子 开始的 ( )(7) 人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的( )(8) 如果某放射性元素的原子核有 100 个，经过一个半衰期后还剩 50 个()(9) 原子序数小于 83 的元素都没有放射性 ( )(10) 射线是一种高能粒子流，可以用来工业探伤 ( )(11) 原子核发生 衰变时放出一个电子，说明原子核内有电子 ()(12) 爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化 ()(13) 核反应遵循

8、质量数守恒而不是质量守恒，也遵循电荷数守恒 ( )(14) 轻核聚变须达到几百万摄氏度以上的高温，自然界不存在轻核聚变( )答案 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14)2.(多选)从 粒子散射实验结果出发推出的结论，其中正确的是 ( )A. 金原子内部大部分都是空的B. 金原子是一个球体C. 汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况D. 原子核的半径的数量级是 1015 m解析 粒子散射实验结果表明， 绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前 进，但有少数 粒子发生了较大角度的偏转， 并有极少数 粒子的偏转角度超

9、过 90，有的甚至几乎被反弹回来，则从 粒子散射实验结果出发推出的结论有金 原子内部大部分都是空的， 汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况， 原子 核的半径的数量级是 1015 m，不能说明金原子是球体，选项 A、 C、D 正确。 答案 ACD3. 在同位素氕、氘、氚的核内具有相同的 （ ）A. 核子数B.电子数C.中子数D.质子数解析 同位素是指在原子核中的质子数相同而中子数不同的元素， 故氕、 氘、氚 的核内具有相同的质子数，选项 D 正确。答案 D4. （多选 ）以下说法中，属于玻尔所提出的原子模型理论的是 （ ）A. 原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做圆周运动，但不向外辐射能

10、量B. 原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应， 而电子的可能轨 道分布是不连续的C. 电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射 （或吸收 ）一定频率的光子D. 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率 解析 原子处于称为定态的能量状态时， 虽然电子做圆周运动， 但并不向外辐射 能量，故 A 正确；原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应， 而电子的可能轨道的分布是不连续的，故 B 正确；电子从一个轨道跃迁到另一 轨道时，辐射 （或吸收）一定频率的光子，故 C 正确；电子跃迁时辐射的光子的频 率等于能级差值，与电子绕核做圆周运动的频率无关，故 D 错误。

11、答案 ABC5. （多选 ）关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是 （ ）A. 29328U 29304Th24He 是 衰变B. 174N 24He1 87O11H 是 衰变C.21H 31H42He10n 是轻核聚变D.3824Se8362Kr210e 是重核裂变答案 AC6. （2018 高考领航冲刺卷 ）已知真空中的光速 c3.0108 m/s，下列说法正确的是 （）A. 铋210的半衰期是 5天，经过 10天，32个铋 210衰变后还剩下 8个B. 用中子轰击铀核的核反应方程为 29325U01n 15464Ba8396Kr 301n，属于原子核的 衰变C. 若核反应 01n11

12、H12H 释放出 2.2 MeV 能量，该过程质量亏损为 3.91030 kgD.某原子核 ZAX 吸收一个中子后，放出一个电子，最后分裂为两个粒子，则 A7，Z2 解析 半衰期是针对大量原子核的衰变行为的统计规律， 少数原子核不适用此规 律，选项 A 错误； 29325U01n 15464Ba8369Kr301n是原子核的裂变，选项 B 错误； 根据 Emc2，可得 m3.910 30 kg，选项 C 正确； 根据质量数和电荷数守 恒可知 A 1 8，Z14，则 A7，Z3，选项 D 错误。答案 C氢原子能级及能级跃迁1. 定态间的跃迁 满足能级差（1）从低能级（n小） 跃迁 高能级（ n大

13、）吸收能量。hEn 大En 小（2）从高能级（ n大） 跃迁 低能级（ n小）放出能量。hEn 大En 小2. 电离电离态： n， E0基态电离态： E吸0（ 13.6 eV） 13.6 eV电离能。 n2电离态： E 吸 0 E23.4 eV 如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。3. 解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意（ 1）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。（ 2）一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为（ n1）。（3）一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法 用数学中的组合知识求解： N Cn2n

14、（n1）。利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出， 然后相加。4. 几种跃迁情况说明（1）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。（ 2）当光子能量大于或等于 13.6 eV 时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使 氢原子电离。当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV 时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能。（3）原子还可吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发。由于实物 粒子的动能可全部或部分被原子吸收， 所以只要入射粒子的能量大于或等于两能 级的能量差，就可以使原子受激发而向较高能级跃迁。【典例】 （201

15、84 月浙江选考）（多选）氢原子的能级图如图 1所示，关于大 量氢原子的能级跃迁，下列说法正确的是（可见光的波长范围为4.0107 m7.6107 m，普朗克常量 h6.61034 Js，真空中的光速 c 3.0 108 m/s） （）图1A. 氢原子从高能级跃迁到基态时，会辐射 射线B. 氢原子处在 n4 能级时，会辐射可见光C. 氢原子从高能级向 n3 能级跃迁时，辐射的光具有显著的热效应D. 氢原子从高能级向 n2 能级跃迁时，辐射的光在同一介质中传播速度最小的 光子能量为 1.89 eV解析 射线是原子核衰变时产生的高能电磁波， 与核外电子无关， 故选项 A 错 误；电子从高能级向低能

16、级跃迁时辐射出光子，根据 Eh hc，可得可见光 光子的能量范围为 1.63 eV3.09 eV。从 n4能级跃迁到 n2能级 E2.55 eV， 处在可见光能量范围内，故选项 B 正确；从高能级向 n 3 能级跃迁辐射出最大 能量为 E1.51 eVbB.UaUbC.a 光的光子能量为 2.86 eVD.b光产生的光电子最大初动能 Ek0.26 eV解析 根据能级跃迁知识 haE5E20.54（ 3.4） eV2.86 eV，hb E4E20.85（3.4）eV2.55 eV，显然 a 光子的能量大于 b光子的能 c量，即a光频率大于 b光频率，由 知aUb， 选项 B 正确。答案 BCD2

17、. （多选） 氢原子从 n6 能级跃迁到 n2 能级时辐射出频率为 1 的光子，从 n 5 能级跃迁到 n2 能级时辐射出频率为 2 的光子。下列说法中，正确的是 （）A. 频率为 1 的光子的能量较大B. 频率为 1 的光子的动量较大C. 做双缝干涉实验时，频率为 1 的光产生的条纹间距较大D. 做光电效应实验时，频率为 1 的光产生的光电子的最大初动能较大 解析 氢原子从不同能级跃迁到同一能级时，能级差越大，辐射的能量就越大， 辐射的光子的频率越高，波长越短，根据 ph知，波长越短动量越大，选项 A 、 B 正确；做双缝干涉实验时，由 x dL知，频率为 1的光子的波长短，干涉条 纹的间距

18、小，选项 C 错误；由光电效应方程可知，频率高的光产生的光电子的 最大初动能大，选项 D 正确。答案 ABD3. （201811 月浙江选考）（多选）处于较高能级的氢原子向较低能级跃迁时，能 辐射出 a、b两种可见光， a光照射某金属表面时有光电子逸出， b光照射该金属 表面时没有光电子逸出，则（ ）A. 以相同的入射角射向一平行玻璃砖， a 光的侧移量小于 b 光的B. 垂直入射到同一单缝衍射装置， a 光的衍射中央亮条纹宽度小于 b 光的20C. a 光和 b 光的频率之比可能是 27D. a光子的动量大于 b 光子的解析 根据光电效应可知， a 光照射某金属表面时能发生光电效应， b 光

19、不能发 生光电效应， Eh，说明频率 ab，故选项 C错误；同种介质中 a、b 光的折 射率 nanb，设玻璃砖的厚度为 d，入射角为 i，折射角为 r，则 nssiinn ri，a、b 光以相同的入射角入射时，折射角 rayb，选项 A 错误；波长 arb，则此过程原子要辐射某一频率的光子D. 氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁 解析 原子由能量为 En 的定态向低能级跃迁时，辐射的光子能量等于能级差， 与 En 不相等，故 A 错误；电子沿某一轨道绕核运动，处于某一定态，不向外辐 射能量，故 B 错误；电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道，能级降低，因 而要辐射某一频率的光子，故 C

20、 正确；原子吸收光子后能量增加，能级升高， 故 D 错误。答案 C3. 重核裂变和轻核聚变是人类利用原子能的两种主要方法， 下面有关它们的说法 正确的是（ ）A. 裂变和聚变的过程都有质量亏损B. 聚变过程有质量亏损，聚变过程质量有所增加C. 裂变过程质量有所增加，聚变过程有质量亏损D. 裂变和聚变过程中质量都有所增加解析 重核裂变和轻核聚变都要释放能量， 也一定要发生质量亏损， 所以选项 A 正确。答案 A4. 如图 2 所示为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子（）图2A. 从 n4能级跃迁到 n3 能级比从 n3 能级跃迁到 n2能级辐射出电磁波的 波长长B. 从 n5 能级跃迁到 n 1

21、 能级比从 n5 能级跃迁到 n4 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 解析 由 h Em En 和 c结合能级图知 A 正确， B 错误；处于不同能级时， 核外电子在各处出现的概率不一样， C 错误；从高能级向低能级跃迁时，是氢原 子向外放出能量， D 错误。答案 A5. 29325U经过 m次 衰变和 n次 衰变，变成 28027Pb，则（）A. m7， n3B.m7，n4C. m 14，n9D.m 14， n 18解析 衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒。写出核反应方程： 29325U 2

22、8027Pb m42Hen10e 根据质量数守恒和电荷数守恒列出方程 2352074m，92822mn解得 m7，n4，故选项 B 正确，选项 A、C、D 错误。 答案 B6. （多选）氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是 m1、m2、m3 和 m4，如果氘核 和氚核结合生成氦核，则下列说法中正确的是（ ）A. 核反应方程式为 21H13H 24He01nB. 这是一个裂变反应C. 核反应过程中的质量亏损 mm1m2 m3D. 核反应过程中释放的核能 E（ m1m2m3m4）c2 解析 由氘核和氚核的结合以及电荷数、质量数守恒可知选项 A 正确；该核反 应为聚变反应，选项 B 错误；核反应过程中

23、的质量亏损为 m m1m2m3 m4，选项 C 错误；由爱因斯坦质能方程可知核反应过程中释放的核能 Emc2， 可知选项 D 正确。答案 AD7. 某核反应方程 21H13H24HeX。已知21H 的质量为 2.013 6 u，13H 的质量为 3.018 0 u，42He 的质量为 4.002 6 u，X 的质量为 1.008 7 u。则下列说法中正确的是 （）A. X 是质子，该反应释放能量B. X 是中子，该反应释放能量C. X 是质子，该反应吸收能量D. X 是中子，该反应吸收能量解析 据质量数守恒，电荷数守恒可判定 X 为中子，核反应中有质量亏损，则 该反应释放能量，答案 B 正确。

24、答案 B8. （20174 月浙江选考）（多选） 下列说法正确的是（）A. 、射线都是电磁波B. 原子核中所有核子单独存在时，质量总和大于该原子核的总质量C. 在 LC 振荡电路中，电容器刚放电时电容器极板上电荷量最多，回路电流最小D. 处于 n 4 激发态的氢原子，共能辐射出四种不同频率的光子 解析 射线是高速移动的电子流，属于实物波，不属于电磁波，故 A 错误；在 核子结合成原子核过程中需要释放出结合能， 根据质能方程 Emc2，所以结合 原子核过程中存在质量损失， 故 B 正确；LC 振荡电路中放电之前属于充电过程， 电场能逐渐增大， 磁场能逐渐减小， 回路电流逐渐减小， 刚刚开始放电时

25、正好是 电场能最大，磁场能最小的时刻，所以回路电流此时最小，故 C 正确；处于 n4激发态的氢原子能释放出 C426种频率的光子，故 D 错误。答案 BC9. 关于核聚变，以下说法不正确的是（）A. 与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B. 世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C. 要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到 1015 m以内，核力才能起作用D. 地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核 解析 与裂变相比，核聚变有下面的几个优势： （1）安全、清洁、辐射少； （2） 核燃料储量多；（3）核废料易处理。但核聚变发电还没有投入实际运行。所以B项是不正确

26、的。答案 BB 组 能力提升10. （多选） 氢原子能级图如图 3 所示，当氢原子从 n3 跃迁到 n 2 的能级时， 辐射光的波长为 656 nm。下列判断中，正确的是（）图3A.氢原子从 n2 跃迁到 n1的能级时，辐射光的波长大于 656 nmB. 用波长为 325 nm的光照射，可使氢原子从 n1 跃迁到 n2 的能级C. 一群处于 n3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生 3 种谱线D. 用波长为 633 nm的光照射，不能使氢原子从 n2 跃迁到 n3 的能级 解析 由 E 初E 终hhc可知， 氢原子跃迁时始末能级差值越大，辐射的光子 能量越高、波长越短，由能级图知E3 E2E

27、2E1，故选项 A 错误；由 1.51（ 3.4） 3.4（13.6）656得 121.6 nm23，则下列说法正确的是（ ）图5111A. 1 2 3B.123C.从 n 3 能级跃迁到 n 2 能级，辐射出的光子频率为 1D. 辐射出频率为 1 的光子后的氢原子的电势能比辐射出频率为 2 的光子后的氢 原子的电势能大解析 由题意及玻尔理论可知， E3E1 h1，E2E1h2，E3E2h3，因此 有 h1 h2h3，即 123，选项 A 错误， B 正确；从 n3 能级跃迁到 n 2 能级，辐射出的光子频率为 3，选项 C 错误；辐射出的频率为 1 的光子后 的氢原子处于基态，辐射出频率为 2 的光子后氢原子也处于基态，因此氢原子 的电势能相同，选项 D 错误。答案 B13. （20184 月浙江选考）（多选 ）下列说法正确的是（）A.组成原子核的核子越多，原子核越稳定B. 23892U衰变为22286Rn经过 4次衰变，2次 衰