高考物理新课标一轮复习第十四章动量近代物理初步第3讲原子结构与原子核

1、课标版课标版 物理物理第3讲原子结构与原子核一、原子的核式结构一、原子的核式结构1.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 粒子发生了大角度偏转, 粒子的偏转超过了90,有的甚至被撞了回来。2.原子的核式结构在原子中心有一个很小的核,原子全部的 和几乎全部 都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。教材研读教材研读少数少数极少数极少数正电荷正电荷质量质量自测自测1 (辨析题)(1)卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性。( )(2)卢瑟福的粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子。( )(3)卢瑟福的粒子散射实验否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”。

2、( )答案 (1) (2) (3)二、玻尔理论二、玻尔理论1.定态:原子只能处于一系列 的能量状态中,在这些能量状态中原子是 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 或 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= (h是普朗克常量,h=6.62610-34 Js)。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 的。4.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图(如图所示)不连续不连续稳定稳定辐射辐射吸收吸收Em-En不连续不连续(2)氢原子的能级和轨道半径a.氢原

3、子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,),其中E1为基态能量,其数值为E1=-13.6 eV。21nb.氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.5310-10 m。自测自测2 (辨析题)(1)玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律。( )(2)氢原子吸收光子后,将从高能级向低能级跃迁。( )(3)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子辐射的光子能量为h=En。( )答案 (1) (2) (3)三、原子核的衰变和半衰期三、原子核的衰变和半衰期1.天然放射现象(1)天然放射现象放射性元素 地放出射线的现象,首先由

4、发现。天然放射现象的发现,说明 具有复杂的结构。(2)放射性和放射性元素:物质发射射线的性质叫 。具有放射性的元素叫 元素。(3)三种射线:放射性元素放射出的射线共有三种,分别是 射线、 射线、 射线。自发自发贝克勒尔贝克勒尔原子核原子核放射性放射性放射性放射性(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3.半衰期(1)定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。(2)衰变规律:N=N0、m=m0(3)影响因素:由原子核内部因素决定,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。/12t /12t 2.原子核的衰变自测自测3 (辨析题)(1)发生衰变时,新核的

5、核电荷数不变。( )(2)氡的半衰期为3.8天,若取4个氡原子核,经过7.6天后就剩下一个原子核了。( )(3)对原子核经过高温、高压处理后,其半衰期变短。( )答案 (1) (2) (2)四、核力、结合能、质量亏损、核反应四、核力、结合能、质量亏损、核反应1.核力(1)定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。(2)特点:a.核力是强相互作用的一种表现;b.核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内;c.每个核子只跟它相邻核子间才有核力作用。2.核能(1)结合能原子核是核子结合在一起构成的,要把它们分开,也需要能量,这就是原子核的结合能。(2)比结合能a.定义:原子核的结合能与核子数

6、之比,称做比结合能,也叫平均结合能。b.特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E= 。原子核的质量比组成它的核子的质量和要小,这个现象叫做质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能E= 。4.获得核能的途径:(1)重核裂变;(2)轻核聚变。5.核反应(1)遵守的规律:电荷数守恒、质量数守恒。(2)反应类型:衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变。mc2mc2自测自测4 (辨析题)(1)核反应中有质量亏损,所以质量数不守恒。( )(2)爱因斯坦质能方程说明物体的质量与能量可以相互转化。 ( )(3)核力是弱相

7、互作用,作用力很小。( )答案 (1) (2) (3)考点一氢原子能级及能级跃迁考点一氢原子能级及能级跃迁1.关于能级跃迁的三点说明(1)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。(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时,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,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值(E=Em-En),均可使原子发生能级跃迁。考点突破考点

8、突破(4)当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小,电子动能增大,原子能量减小;反之,轨道半径增大时,原子电势能增大,电子动能减小,原子能量增大。(5)一群氢原子处于量子数为n的激发态时,可能辐射出的光谱线条数N=。2.跃迁中两个易混问题(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。2Cn(1)2n n(2)直接跃迁与间接跃迁: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

9、能是间接跃迁。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。典例1如图所示为氢原子最低的四个能级,当氢原子在这些能级间跃迁时:(1)有可能放出 种能量的光子。(2)在哪两个能级间跃迁时,所放出的光子波长最长?波长是多少?答案 (1)6 (2)见解析解析 (1)N=6。(2)氢原子由第四能级向第三能级跃迁时,能级差最小,辐射出的光子波长最长。由h=E4-E3,有h=E4-E3,所以= m=1.8810-6 m。(1)2n n4 (4 1)2c43hcEE348196.63 103 10 0.85( 1.51) 1.6

10、 10 1-1如图所示,氢原子在下列各能级间跃迁:(1)从n=2到n=1;(2)从n=5到n=3;(3)从n=4到n=2。在跃迁过程中辐射的电磁波的波长分别用1、2、3表示。波长1、2、3大小的顺序是( )A.123 B.132 C.321 D.2=3E3E2,由E=h可知132,B正确。c考点二原子核的衰变半衰期考点二原子核的衰变半衰期1.衰变规律及实质(1)两种衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体1个中子转化为1个质子和1个电子H+nHenHe匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒11210242101101(2)射线:射线经常是伴

11、随着衰变或衰变同时产生的。其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中,蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以光子的形式辐射出来。2.确定衰变次数的方法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,然后再根据衰变规律确定衰变的次数。3.半衰期(1)公式:N余=N原,m余=m原(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)无关。/12t /12t 典例典例2 (1)(多选Th(钍)经过一系列衰变和衰变,变成Pb(铅)。以下说法中正确的是( )A.铅核比钍核少8个

12、质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次衰变和6次衰变D.共经过6次衰变和4次衰变23290)20882(2)约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是 P是P的同位素,被广泛应用于生物示踪技术,1 mg P随时间衰变的关系如图所示,请估算4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?301530143215。301532153215答案 (1)ABD (2)正电子 56天解析 (1)设衰变次数为x,衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x90=82+2x-y解得x=6,y=4,

13、C错D对。铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对。铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对。(2)写出衰变方程PSie,故这种粒子为e(正电子)由m-t图知P的半衰期为14天,由m余=m原得,0.25 mg=4 mg,故t=56天。301530140101321512t1412t确定、衰变次数的两种方法(1)确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,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XY+He+e根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程AZAZ:AZAZ42n01mA=A+4nZ=Z+2n-m由以上两式联立解得n=,m=+Z-Z由此可见确定衰变次

14、数可归结为求解一个二元一次方程组。(2)因为衰变对质量数无影响,可先由质量数的改变确定衰变的次数,然后再根据衰变规律确定衰变的次数。4AA2AA2-1 (2014重庆理综,1,6分)碘131的半衰期约为8天。若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有( )A. B. C. D.答案 C设剩余质量为m剩,则由m剩=m(,得m剩=m(=,C正确。4m8m16m32m12)t12328)42m16m2-2 (2015北京理综,17,6分)实验观察到,静止在匀强磁场中A点的原子核发生衰变,衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动,运动方向和轨迹示意如图。则( )A

15、.轨迹1是电子的,磁场方向垂直纸面向外B.轨迹2是电子的,磁场方向垂直纸面向外C.轨迹1是新核的,磁场方向垂直纸面向里D.轨迹2是新核的,磁场方向垂直纸面向里答案 D由静止的原子核发生衰变后产生的新核和电子做匀速圆周运动的方向相反及原子核衰变前后动量守恒得meve-m核v核=0,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径r=,因为qer核,故轨迹1是电子的,轨迹2是新核的,根据左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里,故D项正确。mvqB考点三核反应类型与核反应方程考点三核反应类型与核反应方程1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现

16、质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子PSie23892234904223490234910114742178114294126102713423015103015301401重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr+nUnXeSr+1n轻核聚变除氢弹外无法控制HHHen23592101445689361032359210136549038100213142102.核反应方程式的书写(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)、中子n)、粒子He)、粒子e)、正电子e)、氘核H)、氚核H)等。(2)掌握核反应方程遵

17、守的规律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。由于核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒,核电荷数守恒。11(10(42(01(01(21(31(典例典例3 (2015广东理综,18,6分)(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量。核反应方程分别为:X+YH+4.9 MeV和 HHHe+X+17.6 MeV。下列表述正确的有( )A.X是中子B.Y的质子数是3,中子数是6C.两个核反应都没有质量亏损D.氘和氚的核反应是核聚变反应答案 AD设XY,由质量数守恒和电荷数守恒有:A+A=4+3,2+3=A+4,Z

18、+Z=2+1,1+1=2+Z,可得A=1,A=6,Z=0,Z=3,故X是中子,Y是Li,A正确;由Li知Y的质子数、中子数都是3,故B错误;两个核反应中都释放了能量,故都有质量亏损,C错误;氘和氚的核反应中质量较小的核合成了质量较大的核,故D正确。4321He213142AZAZ、63633-1 (2013重庆理综,2,6分)铀是常用的一种核燃料,若它的原子核发生了如下的裂变反应Una+b+n则a+b可能是( )AXeKrBBaKrCBaSrDXeSr答案 D根据核反应中的质量数守恒可知,a+b的质量数应为235+1-2=234,质子数应为92,A项中的质量数为140+93=233,B项中质量

19、数是141+92=233,C项中质量数为141+93=234,质子数为56+38=94,D项中质量数为140+94=234,质子数为54+38=92,综上可知,答案为D。23592:1010214054.933614156.923614156.933814054.9438考点四质量亏损及核能的计算考点四质量亏损及核能的计算1.应用质能方程解题的流程图书写核反应方程计算质量亏损m利用E=mc2计算释放的核能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。3.核能的计算方法(1)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”。(2)根据E=m931.

20、5 MeV计算。因1原子质量单位“u”相当于931.5 MeV的能量,所以计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。(3)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。典例典例4一个静止的钚核Pu自发衰变成一个铀核U和另一个原子核X,并释放出一定的能量。其核衰变方程为:U+X。(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为 MeV;23994235922392359492Pu(3)假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X核的动能,则X核与铀核的动能的比值为 。答案 (1