高考物理二轮复习原子和原子核教案

高考物理二轮复习原子和原子核教案一、教学目标1.知识与技能目标理解原子的核式结构模型，掌握α粒子散射实验现象及结论。了解玻尔原子理论的基本假设，能解释氢原子光谱等相关现象。掌握氢原子的能级公式和跃迁规律，会计算氢原子跃迁时吸收或辐射光子的能量。理解原子核的组成，掌握放射性元素的衰变规律，能写出衰变方程。理解半衰期的概念，能进行相关的简单计算。掌握核反应方程的书写原则，能正确书写常见的核反应方程。理解质能方程，会计算核能的相关问题。2.过程与方法目标通过复习α粒子散射实验，培养学生分析实验数据、得出结论的能力。在学习玻尔原子理论过程中，体会模型构建和理论推理的科学方法。通过对氢原子跃迁问题的分析，提高学生运用数学知识解决物理问题的能力。通过研究放射性元素的衰变规律，培养学生归纳总结的能力。在核反应方程和核能计算的学习中，培养学生严谨的科学态度和逻辑思维能力。3.情感态度与价值观目标通过对原子和原子核知识的学习，体会人类对微观世界认识的不断深入，培养学生对科学探索的兴趣和热情。认识核能的巨大潜力，培养学生正确的能源观和科学精神。二、教学重难点1.教学重点氢原子的能级结构和跃迁规律。原子核的衰变规律及衰变方程的书写。核反应方程的书写和核能的计算。2.教学难点玻尔原子理论对氢原子光谱的解释。半衰期概念的理解及相关计算。核能计算中质量亏损的确定和质能方程的应用。三、教学方法讲授法、讨论法、练习法相结合，通过典型例题分析和课堂练习巩固所学知识，培养学生的解题能力和思维能力。四、教学过程（一）知识梳理1.原子的核式结构α粒子散射实验实验装置：由放射源、金箔、荧光屏、显微镜等组成。实验现象：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被反弹回来。实验结论：原子具有核式结构，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。原子核的大小：原子核直径的数量级为10⁻¹⁵m～10⁻¹⁴m，原子直径的数量级约为10⁻¹⁰m。2.玻尔原子理论玻尔理论的基本假设轨道量子化：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子运动的轨道半径只能是某些分立的数值，即轨道是量子化的。能量量子化：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值叫做能级。跃迁假设：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，会吸收或辐射一定频率的光子，光子的能量等于这两个定态的能量差，即hν=E₂E₁。氢原子的能级公式和轨道半径公式能级公式：\(E_n=\frac{E_1}{n^2}\)（\(n=1,2,3,\cdots\)），其中\(E_1=13.6eV\)，为氢原子的基态能量。轨道半径公式：\(r_n=n^2r_1\)（\(n=1,2,3,\cdots\)），其中\(r_1=0.53×10^{10}m\)，为氢原子的基态轨道半径。氢原子光谱：氢原子光谱是线状谱，其频率满足公式\(\frac{1}{\lambda}=R(\frac{1}{m^2}\frac{1}{n^2})\)（\(m\ltn\)，\(m,n=1,2,3,\cdots\)），其中\(R\)为里德伯常量。3.原子核的组成原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。原子核的电荷数、质量数电荷数（Z）：等于原子核内的质子数，也等于原子的核外电子数。质量数（A）：等于原子核内的质子数和中子数之和，即\(A=Z+N\)。同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核互称为同位素。4.放射性元素的衰变衰变：原子核放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核，这种变化称为原子核的衰变。α衰变：\(_{Z}^{A}X→_{Z2}^{A4}Y+_{2}^{4}He\)β衰变：\(_{Z}^{A}X→_{Z+1}^{A}Y+_{1}^{0}e\)γ射线：γ射线是伴随着α衰变或β衰变产生的，γ射线不改变原子核的电荷数和质量数，其实质是原子核在发生α衰变或β衰变时，产生的新核处于高能级，向低能级跃迁时辐射出的光子。衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期。半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件无关。5.核反应核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。核反应方程的书写：遵循质量数守恒和电荷数守恒。常见的核反应类型衰变：如α衰变、β衰变。人工转变：\(_{2}^{4}He+_{7}^{14}N→_{8}^{17}O+_{1}^{1}H\)（卢瑟福发现质子的核反应）重核裂变：\(_{92}^{235}U+_{0}^{1}n→_{56}^{144}Ba+_{36}^{89}Kr+3_{0}^{1}n\)轻核聚变：\(_{1}^{2}H+_{1}^{3}H→_{2}^{4}He+_{0}^{1}n\)6.核能质量亏损：组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差，叫做核的质量亏损。质能方程：\(E=mc²\)，其中\(E\)表示能量，\(m\)表示质量，\(c\)表示真空中的光速。核能的计算：根据质能方程\(\DeltaE=\Deltamc²\)，先计算质量亏损\(\Deltam\)，再代入公式计算核能\(\DeltaE\)。（二）典型例题分析1.α粒子散射实验相关问题例1：在α粒子散射实验中，当α粒子最接近金原子核时，α粒子符合下列哪种情况（）A.动能最小B.势能最小C.α粒子与金原子核组成的系统能量最小D.所受金原子核的斥力最大解析：α粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑力做功，动能减小，势能增大，总能量不变。当α粒子最接近金原子核时，动能最小，势能最大，库仑力最大。故答案为AD。2.玻尔原子理论相关问题例2：根据玻尔理论，氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道后（）A.原子的能量增加，电子的动能减小B.原子的能量增加，电子的动能增加C.原子的能量减小，电子的动能减小D.原子的能量减小，电子的动能增加解析：氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，要向外辐射光子，原子的能量减小。根据\(k\frac{e²}{r²}=m\frac{v²}{r}\)，可得\(v=\sqrt{\frac{ke²}{mr}}\)，轨道半径减小，电子的动能增加。故答案为D。3.氢原子跃迁相关问题例3：氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV～3.11eV。下列说法错误的是（）A.处于\(n=3\)能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B.大量氢原子从高能级向\(n=3\)能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C.大量处于\(n=4\)能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光D.大量处于\(n=4\)能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光解析：紫外线的能量大于3.11eV，处于\(n=3\)能级的氢原子吸收紫外线后能量大于0，可以发生电离，A正确；从高能级向\(n=3\)能级跃迁时，发出的光子能量小于1.51eV，属于红外线，具有显著的热效应，B正确；大量处于\(n=4\)能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出\(C_{4}^{2}=6\)种不同频率的光，C正确；从\(n=4\)能级向低能级跃迁时，发出的光子能量大于1.62eV的有3种，但只有从\(n=4\)能级跃迁到\(n=2\)能级时发出的光子能量在可见光范围内，D错误。故答案为D。4.原子核的衰变相关问题例4：天然放射性元素\(_{90}^{232}Th\)（钍）经过一系列α衰变和β衰变之后，变成\(_{82}^{208}Pb\)（铅）。下列论断中正确的是（）A.铅核比钍核少24个中子B.铅核比钍核少8个质子C.衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变D.衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变解析：钍核的质子数为90，中子数为\(23290=142\)；铅核的质子数为82，中子数为\(20882=126\)。铅核比钍核少8个质子，少16个中子，A错误，B正确。设发生了\(x\)次α衰变，\(y\)次β衰变，则有\(4x=232208\)，\(2xy=9082\)，解得\(x=6\)，\(y=4\)，即衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变，C错误，D正确。故答案为BD。5.核反应方程及核能计算相关问题例5：一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为\(m₁\)、\(m₂\)、\(m₃\)，普朗克常量为\(h\)，真空中的光速为\(c\)。下列说法正确的是（）A.核反应方程是\(_{1}^{1}H+_{0}^{1}n→_{1}^{2}H+\gamma\)B.聚变反应中的质量亏损\(\Deltam=m₁+m₂m₃\)C.辐射出的γ光子的能量\(E=(m₃m₁m₂)c²\)D.γ光子的波长\(\lambda=\frac{h}{(m₁+m₂m₃)c}\)解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为\(_{1}^{1}H+_{0}^{1}n→_{1}^{2}H+\gamma\)，A正确；质量亏损\(\Deltam=m₁+m₂m₃\)，B正确；辐射出的γ光子的能量\(E=\Deltamc²=(m₁+m₂m₃)c²\)，C正确；由\(E=h\nu=h\frac{c}{\lambda}\)，可得\(\lambda=\frac{hc}{(m₁+m₂m₃)c²}\)，D错误。故答案为ABC。（三）课堂练习1.在α粒子散射实验中，α粒子以速度\(v\)与静止的金原子核发生弹性正碰，碰后α粒子以\(v'\)沿原路返回，则金原子核获得的速度大小为（）A.\(v\)B.\(v'\)C.\(v+v'\)D.\(vv'\)2.氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时（）A.原子要吸收光子，电子的动能增大B.原子要放出光子，电子的动能增大C.原子要吸收光子，电子的动能减小D.原子要放出光子，电子的动能减小3.已知氢原子的基态能量为\(E₁\)，激发态能量\(E_n=\frac{E_1}{n^2}\)，其中\(n=2,3,\cdots\)。用\(h\nu\)表示普朗克常量，\(c\)表示真空中的光速。能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为（）A.\(\frac{4hc}{3E_1}\)B.\(\frac{2hc}{E_1}\)C.\(\frac{4hc}{E_1}\)D.\(\frac{9hc}{E_1}\)4.放射性元素\(_{92}^{238}U\)衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成\(_{90}^{234}Th\)，而\(_{90}^{234}Th\)可以经一次衰变变成\(_{88}^{230}Ra\)，也可以经一次衰变变成\(_{91}^{234}Pa\)，\(_{91}^{234}Pa\)可以经一次衰变变成\(_{92}^{234}U\)，也可以经一次衰变变成\(_{89}^{230}Ac\)。上述衰变过程中，以下说法正确的是（）A.\(_{90}^{234}Th→_{88}^{230}Ra\)是α衰变B.\(_{90}^{234}Th→_{91}^{234}Pa\)是β衰变C.\(_{91}^{234}Pa→_{92}^{234}U\)是β衰变D.\(_{91}^{234}Pa→_{89}^{230}Ac\)是α衰变5.两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核（氦的同位素）。已知氘核的质量\(m_D=2.0136u\)，氦核的质量\(m_