（通用版）2022年高考物理一輪復習 第十二章 第73課時 原子結構與原子核（雙基落實課）講義（含解析）

（通用版）2022年高考物理一輪復習 第十二章 第73課時 原子結構與原子核（雙基落實課）講義（含解析）點點通(一)原子的核式結構1電子的發(fā)現(xiàn)英國物理學家湯姆孫在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子，提出了原子的“棗糕模型”。2粒子散射實驗(1)粒子散射實驗裝置(2)粒子散射實驗的結果：絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但少數(shù)粒子穿過金箔后發(fā)生了大角度偏轉，極少數(shù)粒子甚至被“撞了回來”。3原子的核式結構模型(1)在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的所有正電荷和幾乎所有質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外繞核旋轉。(2)核式結構模型的局限性：盧瑟福的原子核式結構模型能夠很好地解釋粒子散射實驗現(xiàn)象，但不能解釋原子光譜是特征光譜和原子的穩(wěn)定性。 小題練通1(粵教教材原題)如圖的4個選項中，O點表示某原子核的位置，曲線ab和cd表示經(jīng)過該原子核附近的粒子的運動軌跡，正確的圖是()解析：選D粒子經(jīng)過原子核時受原子核的庫侖斥力，離原子核越近斥力作用越強，由此判斷，D正確。2如圖所示是粒子(氦原子核)被重金屬原子核散射的運動軌跡，M、N、P、Q是軌跡上的四點，在散射過程中可以認為重金屬原子核靜止。圖中所標出的粒子在各點處的加速度方向正確的是()AM點 BN點CP點 DQ點解析：選C粒子(氦原子核)和重金屬原子核都帶正電，互相排斥，加速度方向與粒子所受斥力方向相同。帶電粒子加速度方向沿相應點與重金屬原子核連線指向曲線的凹側，故只有選項C正確。 融會貫通(1)根據(jù)粒子散射的現(xiàn)象可以得出原子的核式結構模型。(2)少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉是由于經(jīng)過原子核附近時受到了較強的作用力。(3)原子核與粒子之間的作用力為庫侖斥力，距離越近，斥力越強。點點通(二)能級躍遷1氫原子光譜(1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類 (3)氫原子光譜的實驗規(guī)律：氫原子光譜是線狀光譜，巴耳末系譜線的波長滿足R(n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10×107 m1)。(4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質和確定物質的組成成分，且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學元素上有著重大的意義。2氫原子的能級結構、能級公式(1)玻爾理論定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。躍遷：電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時，會放出能量為h的光子，這個光子的能量由前后兩個能級的能量差決定，即hEmEn。(h是普朗克常量，h6.63×1034 J·s)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。(2)幾個概念能級：在玻爾理論中，原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值，叫做能級。基態(tài)：原子能量最低的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)：在原子能量狀態(tài)中除基態(tài)之外的其他的狀態(tài)。量子數(shù)：原子的狀態(tài)是不連續(xù)的，用于表示原子狀態(tài)的正整數(shù)。(3)氫原子的能級公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E113.6 eV。(4)氫原子的半徑公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1 0.53×1010 m。3氫原子的能級圖 小題練通1(多選)(教科教材原題)根據(jù)玻爾原子結構理論，原子中電子繞核運動的半徑()A可以取任意值B是一系列不連續(xù)的特定值C可以在某一范圍內任意取值D不同的軌道半徑與不同的能量狀態(tài)相對應解析：選BD根據(jù)玻爾原子結構理論，電子繞核運動的半徑只能是一系列不連續(xù)的特定值，且不同的軌道半徑與不同的能量狀態(tài)相對應，故B、D正確。2.如圖是氫原子的能級示意圖。當氫原子從n4能級躍遷到n3能級時，輻射出光子a；從n3能級躍遷到n2能級時，輻射出光子b。以下判斷正確的是()A在真空中光子a的波長大于光子b的波長B光子b可使氫原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)C光子a可能使處于n4能級的氫原子電離D大量處于n3能級的氫原子向低能級躍遷時最多輻射2種不同的譜線解析：選A氫原子從n4能級躍遷到n3能級的能級差小于從n3能級躍遷到n2能級時的能級差，根據(jù)EmEnh知，光子a的能量小于光子b的能量，所以光子a的頻率小于光子b的頻率，在真空中光子a的波長大于光子b的波長，故A正確；光子b的能量小于基態(tài)與任一激發(fā)態(tài)的能級差，所以不能被基態(tài)的原子吸收，故B錯誤；根據(jù)EmEnh可知光子a的能量小于n4能級氫原子的電離能，所以不能使處于n4能級的氫原子電離，C錯誤；大量處于n3能級的氫原子向低能級躍遷時最多輻射3種不同的譜線，故D錯誤。3(2018·天津高考)氫原子光譜在可見光區(qū)域內有四條譜線H、H、H和H，都是氫原子中電子從量子數(shù)n>2的能級躍遷到n2的能級時發(fā)出的光，它們在真空中的波長由長到短，可以判定()AH對應的前后能級之差最小B同一介質對H的折射率最大C同一介質中H的傳播速度最大D用H照射某一金屬能發(fā)生光電效應，則H也一定能解析：選A根據(jù)，可得，由EmEnh，知H對應的兩能級之差最小，故A正確；光在同一介質中傳播，頻率越高，折射率越大，而傳播速度v，則H的折射率最小，H的傳播速度最小，故B、C錯誤；光的頻率達到截止頻率才能發(fā)生光電效應，所以用H照射某一金屬能發(fā)生光電效應，而H則不一定能，故D錯誤。4(滬科教材原題)處于基態(tài)的氫原子在某單色光照射下，只能發(fā)出頻率分別為1、2、3的三種光，且1<2<3，則該照射光的光子能量為()Ah1Bh2Ch3 Dh(123)解析：選C基態(tài)氫原子吸收光子后只能發(fā)出頻率為1、2、3的三種光，說明氫原子從n1能級可以躍遷到n3能級，故該光子的能量為h3，C正確。 融會貫通解答氫原子能級圖與原子躍遷問題的注意事項(1)能級之間躍遷時放出的光子頻率是不連續(xù)的。(2)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由hEmEn求得，若求波長可由公式c求得。(3)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n1。(4)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法：用數(shù)學中的組合知識求解：NC。利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。點點通(三)原子核的衰變規(guī)律1原子核的組成原子核由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱為核子。質子帶正電，中子不帶電。2天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象：元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結構。(2)三種射線構成符號電荷量質量電離能力穿透能力射線氦核He2e4 u最強最弱射線電子ee較強較強射線光子00最弱最強3.原子核的衰變(1)衰變：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類衰變：XYHe衰變：XYe。(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部自身的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關。 小題練通1(2017·全國卷)一靜止的鈾核放出一個粒子衰變成釷核，衰變方程為UThHe。下列說法正確的是()A衰變后釷核的動能等于粒子的動能B衰變后釷核的動量大小等于粒子的動量大小C鈾核的半衰期等于其放出一個粒子所經(jīng)歷的時間D衰變后粒子與釷核的質量之和等于衰變前鈾核的質量解析：選B靜止的鈾核在衰變過程中遵循動量守恒定律，由于系統(tǒng)的總動量為零，因此衰變后產生的釷核和粒子的動量等大反向，即pThp，B項正確；因此有，由于釷核和粒子的質量不等，因此衰變后釷核和粒子的動能不等，A項錯誤；根據(jù)半衰期的定義可知，C項錯誤；由于衰變過程釋放能量，根據(jù)愛因斯坦質能方程可知，衰變過程有質量虧損，D項錯誤。2(粵教教材原題)氡222放在天平的左盤時，需在天平的右盤加444 g砝碼，天平才能處于平衡狀態(tài)，氡222發(fā)生衰變，經(jīng)過一個半衰期以后，欲使天平再次平衡，應從右盤中取出的砝碼為()A220 g B8 gC2 g D4 g解析：選D經(jīng)過一個半衰期，有一半的氡222發(fā)生衰變，放出的粒子的總質量為4 g，故D正確。3(2019·東北三校模擬)如圖所示為查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實驗示意圖，利用釙(Po)衰變放出的粒子轟擊鈹(Be)，產生的粒子P能將石蠟中的質子打出來，下列說法正確的是()A粒子是氦原子B粒子Q的穿透能力比粒子P的強C釙的衰變方程為 PoPbHeD粒子轟擊鈹?shù)暮朔磻匠虨镠eBe 126Cn解析：選D粒子是氦原子核，選項A錯誤；粒子P是中子，粒子Q是質子，由于質子帶正電，當質子射入物體時，受到庫侖力的作用會阻礙質子的運動，而中子不帶電，不受庫侖力作用，粒子P的穿透能力比粒子Q的強，選項B錯誤；在釙衰變中，根據(jù)質量數(shù)守恒知產生的是Pb，選項C錯誤；HeBeCn是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程，選項D正確。4(魯科教材原題)完成下面的核反應方程式，并指出其衰變類型。 RaRn_，這是_衰變。PbBi_，這是_衰變。解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可得：RaRnHe，為衰變。 PbBie，為衰變。答案：Hee 融會貫通(1)原子核發(fā)生衰變時遵循電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒。(2)每發(fā)生一次衰變，原子核的質量數(shù)減小“4”，每發(fā)生一次衰變，原子核的質子數(shù)增大“1”。(3)原子核的衰變發(fā)生的快慢由半衰期決定，半衰期取決于放射性元素的種類，與原子所處的外界條件無關。點點通(四)核反應方程與核能計算1核反應的四種類型類型可控性核反應方程典例衰變衰變自發(fā)UThHe衰變自發(fā)ThPae人工轉變人工控制NHeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子)HeBeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)AlHePn(約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性)PSie重核裂變比較容易進行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n輕核聚變很難控制HHHen2.核反應方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應方程的基礎。如質子(H)、中子(n)、粒子(He)、粒子(e)、正電子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。(2)掌握核反應方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的依據(jù)，由于核反應不可逆，所以書寫核反應方程式時只能用“”表示反應方向。(3)核反應過程中質量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。3對質能方程的理解(1)一定的能量和一定的質量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質量成正比，即Emc2。方程的含義：物體具有的能量與它的質量之間存在簡單的正比關系，物體的能量增大，質量也增大；物體的能量減少，質量也減少。(2)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損m，其能量也要相應減少，即Emc2。(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加m，吸收的能量為Emc2。4核能的計算方法(1)應用質能方程解題的流程圖：(2)核反應遵守動量守恒定律和能量守恒定律，因此我們可以結合動量守恒定律和能量守恒定律來計算核能。在動量守恒方程中，各質量都可用質量數(shù)表示。(3)根據(jù)核子比結合能來計算結合能：原子核的結合能核子比結合能×核子數(shù)。 小題練通1(2018·全國卷)1934年，約里奧居里夫婦用粒子轟擊鋁核Al，產生了第一個人工放射性核素X：AlnX。X的原子序數(shù)和質量數(shù)分別為()A15和28B15和30C16和30 D17和31解析：選B將核反應方程式改寫成HeAlnX，由電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒知，X應為X，B正確。2(滬科教材原題)完成下列核反應方程，并指出核反應的類型：He_HeH，是_變。NaMg_，是_變。Na_NaH，是_變。92Un56Ba_3n，是_變。解析：HeHHeH，是輕核聚變。NaMge，是衰變。Na01eNaH，是人工轉變。UnBaKr3n，是重核裂變。答案：H輕核聚e衰e人工轉Kr重核裂3(教科教材原題)兩個氘核聚變時產生一個中子和一個氦核(氦的同位素)，已知氘核的質量mH2.014 1 u，氦核的質量為mHe3.016 0 u，中子的質量為mn1.008 7 u。(以上質量均指靜質量)(1)寫出核反應方程；(2)計算反應釋放出的核能；(3)如果反應前兩個氘核的動能均為0.35 MeV，它們正面對碰發(fā)生聚變，且反應釋放的核能全部轉化為動能，計算反應生成的氦核和中子的動能。解析：(1)HHHen。(2)m2.014 1×2 u3.016 0 u1.008 7 u0.003 5 uE0.003 5×931.5 MeV3.26 MeV。(3)核反應過程中動量守恒，設氦核質量為m1，速度大小為v1，中子質量為m2，速度大小為v2m1v1m2v2p根據(jù)Ek，可得Ek1E總×(0.35×23.26)MeV0.99 MeVEk2E總×(0.35×23.26)MeV2.97 MeV。答案：(1)HHHen(2)3.26 MeV(3)0.99 MeV2.97 MeV 融會貫通(1)根據(jù)Emc2計算時，m的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，E的單位是“J”。(2)根據(jù)Em×931.5 MeV計算時，m的單位是“u”，E的單位是“MeV”。