课标通用版高考物理总复习第十二章02第2讲原子结构与原子核课件

第2讲原子结构与原子核一原子的核式结构二玻尔理论三天然放射现象、原子核的组成基础过关四原子核的衰变和半衰期五核力、结合能、质量亏损、核反应考点一原子结构玻尔理论和氢原子的光谱分析考点二原子核的衰变半衰期考点三核反应方程与核能计算考点突破一、原子的核式结构(1)1909—1911年,英国物理学家①

卢瑟福

进行了α粒子散射实验,提

出了核式结构模型。(2)α粒子散射实验a.实验装置:如图所示。基础过关b.实验结果:α粒子穿过金箔后,绝大多数沿②

原方向

前进,少数发生

较大角度偏转,极少数偏转角度大于90°,甚至被弹回。(3)核式结构模型:原子中心有一个很小的核,叫做原子核,原子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绕核旋转。轨道假设原子中的电子在库仑引力的作用下,绕原子核做圆周运动,电子绕核运动的可能轨道是③

不连续的

定态假设电子在不同的轨道上运动时,原子处于不同的状态,因而具有不同的能量,因此,原子的能量是量子化的。这些量子化的能量值叫做能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态称为定态,在各个定态中,原子不向外辐射能量跃迁假设原子从一个定态向另一个定态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子,光子的能量等于两个状态的能量差,即hν=④

Em-En

二、玻尔理论(1)玻尔理论(2)几个概念a.能级:在玻尔理论中,原子各个状态的能量值。b.基态:原子能量⑤

最低

的状态。c.激发态:在原子能量状态中除基态之外的其他较高的状态。d.量子数:原子的状态是不连续的,用于表示原子状态的⑥

正整数

。(3)氢原子的能级和轨道半径a.氢原子的能级公式:En=

E1(n=1,2,3,…),其中E1为基态能量,E1=-13.6eV。b.氢原子的轨道半径公式:rn=⑦

n2

r1(n=1,2,3,…),其中r1为基态轨道

半径,r1×10-10m。三、天然放射现象、原子核的组成(1)放射性:物质放射出⑧

射线

的性质。(2)放射性元素:具有⑨

放射性

的元素。(3)同位素:具有相同⑩

质子

数和不同

中子

数的原子核。c.防护:防止放射性对人体组织的伤害。(4)放射性同位素的应用与防护a.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。b.应用:消除静电、工业探伤、做

示踪原子

等。(1)原子核:由

质子

和

中子

组成,质子和中子统称为

核子

。(2)核电荷数(Z):等于核内

质子数

,也等于核外

电子数

,还等于元素周期表中的

原子序数

。(3)核质量数(A):等于核内的

核子数

,即

质子数

与

中子数

之和。四、原子核的衰变和半衰期(1)原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的

衰变。(2)分类:α衰变

X

Y

He;β衰变

X

Y

e。(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

件无关。五、核力、结合能、质量亏损、核反应含义原子核里的

核子间

存在互相作用的核力,核力把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核特点(1)核力是

强相互作用(强力)

的一种表现(2)核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内(3)每个核子只跟

邻近

的核子发生核力作用(1)结合能:核子结合为原子核时

放出

的能量或原子核分解为核子时

吸收

的能量,叫做原子核的结合能。(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。爱因斯坦质能方程E=

mc2

。原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE

=

Δmc2

。(1)重核裂变Ⅰ.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。Ⅱ.特点:a.裂变过程中能够放出巨大的能量。b.裂变的同时能够放出2~3(或更多)个中子。c.裂变的产物不是唯一的。典型的裂变方程

92U

n→

Kr

Ba+

n。(2)轻核聚变Ⅰ.定义:两个轻核结合成质量数

较大

的原子核的反应过程。Ⅱ.特点:a.聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量比裂变

反应中每个核子放出的能量大3倍多。b.聚变反应比裂变反应更剧烈。c.对环境污染较小。d.自然界中聚变反应原料丰富。Ⅲ.典型的聚变方程

H

H

He

n。1.判断下列说法对错。(1)原子中绝大部分是空的,原子核很小。

(√)(2)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。

(√)(3)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。

(✕)(4)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。

(✕)(5)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。

(✕)

2.1995年科学家“制成”了反氢原子,它是由一个反质子和一个围绕它

运动的正电子组成的,反质子和质子有相同的质量,带有等量异种电

荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布,氢原子能级如图所示,则下

列说法中正确的是

(B)B.基态反氢原子的电离能为13.6eVC.基态反氢原子能吸收11eV的光子而发生跃迁n=4能级的反氢原子向低能级跃迁时,从n=2能级跃迁到基态辐射的光子的波长最短

3

Th经过一系列α衰变和β衰变后变成

Pb,则

Pb比

Th少

(

A)A.16个中子,8个质子B.8个中子,16个质子C.24个中子,8个质子D.8个中子,24个质子

考点一原子结构玻尔理论和氢原子的光谱分析考点突破(1)氢原子的能级图(如图所示)相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数横线右端的数字“-13.6,-3.4…”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差,量子数越大相邻的能量差越小,距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁,原子跃迁的条件为hν=Em-En(2)氢原子能级图的意义(1)自发跃迁:高能级→低能级,释放能量,发出光子。光子的频率ν=

=

。(2)受激跃迁:低能级→高能级,吸收能量。①光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级差,hν=ΔE。②碰撞、加热等:只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外≥ΔE。③大于电离能的光子被吸收,将原子电离。3.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律:(1)原子能量变化规律:En=Ekn+Epn=

(n=1,2,3,…),随n增大而增大,随n的减小而减小,其中E1=-13.6eV。(2)电子动能变化规律①从公式上判断。电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力即k

=m

,所以Ek=

,随r增大而减小。②从库仑力做功上判断。当轨道半径增大时,库仑引力做负功,故电子动能减小;反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,故电子动能增大。(3)原子的电势能的变化规律①通过库仑力做功判断。当轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的

电势能增大;反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小。②利用原子能量公式En=Ekn+Epn判断。当轨道半径增大时,原子能量增

大,电子动能减小,故原子的电势能增大;反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子动能增大,故原子的电势能减小。考向1对原子核式结构的理解1.如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹,M、N、P、Q是轨迹上的四点,在散射过程中可以认为重金属原子核静止。图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是

(C)

A.M点

B.N点

C.P点

D.Q点

解析

α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电,互相排斥,加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。α粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧。故只有选项C正确。考向2能级图的理解2.(多选)(2018山东淄博二模)氢原子的能级图如图所示,现有大量

处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁,下列说法正确的是

()B.已知钾的逸出功为2.22eV,则氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级释放

的光子可以从金属钾的表面打出光电子n=2能级跃迁到n=1能级释放的光子能量最小n=4能级跃迁到n=3能级时,氢原子能量减小,电子的动能增加答案

AD解析大量的氢原子处于n=4的激发态,可能发出光的频率的种数

n=

=6,故A正确;氢原子从n=3能级跃迁到n=2能级,释放的光子能量为1.89eV,小于钾的逸出功2.22eV,故不能产生光电效应,故B错误;由题图

可知,氢原子由n=2能级跃迁到n=1能级释放的光子能量不是最小的,光

的频率不是最小的,故C错误;氢原子由n=4能级跃迁到n=3能级时,放出

能量,故氢原子能量减小,同时电子向原子核靠近,库仑引力做正功,故电

子动能增加,选项D正确。考向3氢原子的能量及变化3.(2018福建三明模拟)按照玻尔理论,一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上,已知ra>rb,则

在此过程中

()A.原子要发出某一频率的光子,电子的动能增大,原子的电势能减小,原

子的能量也减小B.原子要吸收某一频率的光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原

子的能量也减小C.原子要发出一系列频率的光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原子的能量也减小D.原子要吸收一系列频率的光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,

原子的能量也增大答案

A解析由玻尔理论知,电子轨道半径越大,原子能量越大,当电子从ra

直接跃迁到rb时,原子能量减小,放出某一频率的光子;在电子跃迁过程

中,库仑力做正功,电子的动能增大,原子的电势能减小。综上所述可知

A正确。氢原子能级图与原子跃迁问题的解答技巧(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。(2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)的光子频率由hν=Em-En求得。若求波长可由公式c=λν求得。(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法:①用数学中的组合知识求解:N=

=

。②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。方法总结考点二原子核的衰变半衰期1.α衰变、β衰变的比较例1

(2017课标Ⅱ,15,6分)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰

变方程为

U

Th

He。下列说法正确的是

(B)

解析本题考查天然放射现象、半衰期、动量守恒。静止的原子

核在衰变前后动量守恒,由动量守恒定律得0=m1v1+m2v2,可知m1v1=-m2v2,

故衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小,选项B正确;而动能Ek=

,由于钍核的质量(m1)大于α粒子的质量(m2),故其动能不等,选项A错误;铀核的半衰期是大量的铀核半数发生衰变所用的时间,而不是放出

一个α粒子所经历的时间,选项C错误;原子核衰变前后质量数守恒,衰变

时放出核能,质量亏损,选项D错误。考向1衰变射线的性质1.研究放射性元素射线性质的实验装置如图所示。两块平行放置的金属板A、B分别与电源的两极a、b连接,放射源发出的射线从其上

方小孔向外射出。则

(B)

A.a为电源正极,到达A板的为α射线B.a为电源正极,到达A板的为β射线C.a为电源负极,到达A板的为α射线D.a为电源负极,到达A板的为β射线

解析从题图可以看出,到达两极板的粒子做类平抛运动,到达A板

的粒子的竖直位移小于到达B板的粒子的竖直位移,粒子在竖直方向做

匀速直线运动,则据公式x=v0t=v0

可知,两个粒子初速度v0相同,两板间电压U一定,放射源与两板的距离

也相同,而电子的

小,所以电子的竖直位移小,故达到A板的是β射线,A板带正电,a为电源的正极,故选项B

正确。考向2半衰期的应用2.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

(C)A.

B.

C.

D.

解析

设剩余质量为m剩,则由m剩=m(

,得m剩=m(

=

=

,C正确。

考向3衰变次数的计算3

92U经过m次α衰变和n次β衰变,变成

82Pb,则

(B)A.m=7,n=3

B.m=7,n=4C.m=14,n=9

D.m=14,n=18解析衰变方程为

92U

82Pb+

He+

e,由质量数、电荷数守恒得:m=7,n=4,因而B项正确。

确定衰变次数的方法(1)设放射性元素

X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素

Y,则表示该核反应的方程为

X

Y+

He+

e。根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。(2)因为β衰变对质量数无影响,先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。方法总结考点三核反应方程与核能计算(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)、α粒子

He)、β粒子

e)、正电子

e)、氘核

H)、氚核

H)等。(2)掌握核反应方程遵循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,电荷数守恒。(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE=Δm×931.5MeV计算。因1原子质量单位(1u)相当于931.5

MeV,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE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。例2(1)(2018课标Ⅲ,14,6分)1934年,约里奥-居里夫妇用α粒子轰击铝

核

Al,产生了第一个人工放射性核素X:α

Al→n+X。X的原子序数和质量数分别为

()(2)现有四个核反应:A

H

H

He

nB

U

n→X

Kr+

nC

Na

Mg

eD

He

Be

C

n①

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。②B中X的质量数为

,中子数为

。答案(1)B(2)①DBA②14488

解析(1)在核反应过程中,质量数和电荷数分别守恒,则X的原子序数

为2+13=15,X的质量数为4+27-1=30,选项B正确。(2)①D为查德威克发现中子的核反应方程;B是研究原子弹的基本核反

应方程;A是研究氢弹的基本核反应方程。②X的质量数为:(235+1)-(89+3)=144X的质子数为:92-36=56X的中子数为:144-56=88。1.(2017课标Ⅰ,17,6分)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是:

H→

n。已知

H的质量为2.0136u

He的质量为3.0150u

n的质量为1.0087u,1u=931MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为

(B)A.3.7Me