高考物理核心高频考点专题备考专题55 原子结构与原子核（解析版）

专题55原子结构与原子核一、α粒子散射实验(1)实验装置:α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。(2)实验现象:①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进;②少数α粒子发生了大角度偏转。③极少数α粒子的偏转角度大于90°,甚至有极个别α粒子几乎被“撞了回来”;(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型。二、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。三、原子核的电荷与尺度四、能级图中相关因素的说明因素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五、两类能级跃迁①自发跃迁:由高能级跃迁到低能级,释放能量,发出光子。光子的频率ν=ΔEℎ=②受激跃迁:由低能级跃迁到高能级,吸收能量。a.光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级差hν=ΔE。b.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。c.大于电离能的光子被吸收,将原子电离。六、电离电离态:n=∞,E=0;基态→电离态:E吸=0-(-13.6eV)=13.6eV(电离能)。n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4eV;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。七、解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项①一个处于第n能级的氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n-1。②一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法:a.用数学中的组合知识求解:N=Cn2=b.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。八、三种射线的比较种类α射线β射线γ射线来源原子核内组成氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2e-e0质量4mp,mp=1.67×10-27kgm静止质量为零速度0.1c0.99cc(光速)在电磁场中偏转与α射线的偏转方向相反不偏转穿透本领最弱,用纸能挡住较强,能穿透几毫米的铝板最强,能穿透几厘米的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱九、α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程

ZAX→Z−2

ZAX→Z+1衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子211H+20

01n→1衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒十、确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响,所以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。十一、对半衰期的理解(1)半衰期公式N余=N012tT,m余=m(2)半衰期的影响因素放射性元素衰变的快慢由原子核内部自身因素决定,与原子所处的物理状态或化学状态无关。(3)半衰期的适用条件半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。十二、核反应方程的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发92238U→90β衰变自发90234Th→91人工转变人工控制714N+24He24He+49Be1327Al+24He→约里奥·居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子1530P→14重核裂变比较容易进行人工控制92235U+01n→5692235U+01n→54轻核聚变很难控制12H+13H十三、核反应方程的书写(1)熟记常见粒子的符号,如质子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-1(2)核反应过程一般都不是可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接。(3)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据质量数守恒、电荷数守恒凭空杜撰出生成物来写核反应方程。【典例1】[α粒子散射实验]1909年，英国物理学家卢瑟福和他的学生盖革、马斯顿一起进行了著名的“α粒子散射实验”，实验中大量的粒子穿过金箔前后的运动图景如图所示，卢瑟福通过对实验结果的分析和研究，于1911年建立了他自己的原子结构模型。下列关于“α粒子穿过金箔后”的描述中，正确的是(    )A.绝大多数α粒子穿过金箔后，都发生了大角度偏转

B.少数α粒子穿过金箔后，基本上沿原来方向前进

C.通过α粒子散射实验，确定了原子核半径的数量级为10−15m

D.通过【答案】C【解析】AB、绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原来方向前进。少数α粒子穿过金箔后，发生大角度偏转，故AB错误；C、通过“α粒子散射实验”卢瑟福确定了原子核半径的数量级为10−15m，故C正确；

D、通过α粒子散射实验，卢瑟福建立了原子核式结构模型，故D错误。故选：【典例2】[氢原子能级及原子跃迁]如图所示为氢原子的能级示意图，关于氢原子跃迁，下列说法中正确的是(

)A.无论有多少个处于n=5激发态的氢原子，向低能级跃迁时，都能辐射出10种光子

B.处于n=3激发态的氢原子吸收具有1.87eV能量的光子后被电离

C.用13eV的光子照射处于基态的氢原子时，电子可以跃迁到n=4能级

D.电子从高能级向低能级跃迁时电势能的变化量与其动能的变化量是相同的【答案】B【解析】A.一个处于n=5激发态的氢原子，在向低能级跃迁时，最多可辐射出4种光子，故A错误；B.当n=3时，氢原子的能量E3=−1.51 eV，所以处于n=3激发态的氢原子的电离能是1.51 eV，当该原子吸收具有1.87 eV能量的光子后被电离，故B正确；C.用13 eV的光子照射处于基态的氢原子时，根据玻尔理论因13 eV不是两个能级间的能量差，所以处于基态的原子不可能吸收该光子，所以原子仍处于基态，故C错误；D.高能级向低能级跃迁，电势能减小，动能增大，而总的能量减小，所以电子从高能级向低能级跃迁时电势能的变化量大于其动能的变化量，故D错误。故选B【典例3】[原子核的衰变](多选)核电站是人类利用核能的主要方式，核电站利用原子核链式反应获得的能量进行发电，其中  92235U是核电站常用的核燃料，常见的核反应方程是  92A.X是β粒子

B.两个核反应一定都有质量亏损

C.  56144Ba的结合能小于 【答案】BC【解析】A.核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，两个核反应方程分别是  92235U+01n→ 56144Ba+3689Kr+301n和U+01n→ 54136Xe+3890Sr+100【典例4】[半衰期]医学治疗中常用放射性核素 113In产生γ射线，而 113In是由半衰期相对较长的 113Sn衰变产生的。对于质量为的 113Sn，经过时间t后剩余的 113SnA.67.3dB.101.0dC.115.1dD.124.9d【答案】C【解析】由图可知质量为23m0的 113Sn衰变到质量为13m0所用的时间△t=t2−t1，其中t2=182.4d，【典例5】[核力与核能]一个静止的铀核92232U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.0026u)后衰变成钍核90228Th(原子质量为228.0287u)。(已知：原子质量单位lu=(1)写出核衰变反应方程；(2)算出该核衰变反应中释放出的核能；(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能有多少【答案】(1)核衰变反应方程为： 92232U→ 24He+ 90228Tℎ

(2)该核衰变反应中质量亏损为Δm=232.0372u−4.0026u−228.0287u=0.0059u

根据爱因斯坦质能方程得，释放出的核能ΔE=Δm⋅c2=0.0059u⋅931MeV/u=5.49MeV

(3)设为钍核和α粒子的动量分别为p1、p【点对点01】如图所示，处在真空中的α粒子散射实验装置。在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法中正确的是（）A.静止的钋核α衰变时，新核的动量大小大于α粒子的动量大小

B.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据

C.α粒子与金原子中的电子碰撞会发生大角度偏转

D.绝大多数的α粒子发生大角度偏转【答案】B【解析】A.静止的钋核α衰变过程动量守恒，新核的动量大小等于α粒子的动量大小，故A错误；B.根据α粒子散射实验现象卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据，故B正确；CD.α粒子散射实验的内容是：绝大多数α粒子几乎不发生偏转；少数α粒子发生了较大的角度偏转；极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°，有的甚至几乎达到180°，被反弹回来)，故CD错误；故选B。

【点对点02】已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量为En=E1n2，其中n=2，3，4…已知普朗克常量为A.氢原子从基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大，动能和电势能之和不变．

B.基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为2(ℎν+E1)m

C.一个处于n=4的激发态的氢原子，向低能级跃迁时最多可辐射出6种不同频率的光【答案】B【解析】A.氢原子由基态跃迁到激发态时，氢原子吸收光子，则能量增大，轨道半径增大，根据k e2 r2 =m v2 r知，电子动能减小，而其电势能增大，则动能和电势能之和增大，故A错误；B.根据能量守恒得：ℎv+E1= 12mv2，解得电离后电子的速度大小为：v=  2(ℎv+E1) m，故B正确；C.一个处于n=4的激发态的氢原子，向低能级跃迁时最多可辐射出3种不同频率的光，分别是从n=4【点对点03】下列关于光电效应、原子结构和原子核的叙述正确的是(    )A.α粒子散射实验表明原子核是可分的

B.根据玻尔理论可知氢原子从高能级向低能级跃迁时，可以辐射各种不同频率的光子

C.如果某金属的逸出功为1.72eV，若用波长为500nm的紫光照射该金属，能使该金属发生光电效应

D.铀核衰变为铅核的过程中，要经过6次α衰变和6次β衰变【答案】C【解析】A.α粒子散射实验表明原子有核式结构，故A错误；B.氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后，因不稳定，则会向基态跃迁，可能发射多种频率的光子，故B错误；C.金属的逸出功为1.72eV，λ=ℎcW=6.63×10−34×3×1081.72×1.6×10−19=723nm>500nm，入射光的波长必须小于极限波长才可能发生光电效应，故用波长为500nm的紫光照射该金属，能使该金属发生光电效应。故C正确；D.【点对点04】下列说法正确的是(    )A.卢瑟福发现中子的核反应方程 49Be+24He→612C+01n

B.放射性元素发生衰变时放出的【答案】B【解析】A.卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构模型，发现了质子，预言了中子的存在；查德威克通过α粒子轰击铍核49Be获得碳核612C的实验发现了中子，其核反应方程 49Be+24He→612C+01n，故A错误；B.光子、微观粒子都具有波粒二象性，放射性元素发生衰变时放出的γ【点对点05】随着现代科学的发展，大量的科学发现促进了人们对原子、原子核的认识，下列有关原子、原子核的叙述正确的是(

)A.卢瑟福α粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构

B.天然放射现象表明原子核内部有电子

C.轻核聚变反应方程有：

D.原子核所含核子单独存在时的总质量小于该原子核的质量【答案】C【解析】A.卢瑟福α粒子散射实验说明原子具有核式结构，A错误；B.天然放射现象有β衰变，而β衰变的实质时中子的转变，核内无电子，B错误；C.常见的轻核聚变反应方程有：12H+13H→24H

【点对点06】关于近代物理的知识，下列说法正确的是(    )A.查德威克发现质子的核反应方程为  714N+ 24He―→  817O+ 11H

B.β衰变就是原子核内的一个质子转化为一个中子和电子，电子被释放出来【答案】D【解析】A.发现质子的是卢瑟福，故A错误；B.β衰变实质是原子核内的一个中子转化为一个质子和电子，这个电子以β射线的形式释放出来，故B错误；C.铀核需要俘获一个慢中子才能发生裂变，其中的一种核反应方程  92235U+ 01n―→  56141Ba+ 3692Kr+3 01n，故C错误；D.根据玻尔理论可知，氢原子从n=6的能级向n=1【点对点07】（多选）如图为氢原子的能级示意图，锌的逸出功是3.34eV，那么对氢原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是(

)A.一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时，能放出3种不同频率的光

B.用能量为10.3eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

C.一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射锌板，锌板表面所发出的

光电子的最大初动能为【答案】ACD【解析】A.一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时，根据Cn2可知，能放出3种不同频率的光，故用能量为10.3eV的光子照射，由于10.2eV<10.3eV<12.09eV，不可使处于基态的氢原子跃迁到激发态，吸收的光子能量要正好等于能级之差，才能跃迁，故B错误；C.氢原子从高能级向n=3的能级向基态跃迁时发出的光子的能量最小为E大=−1.51+13.6=12.09eV，因锌的逸出功是3.34ev，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为EKm=12.09−3.34=8.75eV，故C正确；D.能量为14.0eV大于13.6eV，因此此光子照射，可使处于基态的氢原子电离，故D【点对点08】（多选）日本地震造成的核泄漏，对周边环境的污染是由放射性元素造成的，下列有关放射性元素的说法中正确的是(

)A.β射线与γ射线一样都是电磁波，但穿透本领远比γ射线弱

B.氡的半衰期为3.8天，4个氡原