【物理】2018届一轮复习人教版原子与原子核学案

【物理】2018届一轮复习人教版原子与原子核学案

专题51 原子与原子核 ‎1.知道两种原子结构模型，会用玻尔理论解释氢原子光谱.‎ ‎2.掌握氢原子的能级公式并能结合能级图求解原子的跃迁问题.‎ ‎3.掌握原子核的衰变、半衰期等知识.‎ ‎4.会书写核反应方程，并能根据质能方程求解核能问题．‎ 一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式 ‎1．原子的核式结构 ‎(1)电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。‎ ‎(2)α粒子散射实验：19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来。‎ ‎(3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。‎ ‎2．光谱 ‎(1)光谱 用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。‎ ‎(2)光谱分类 有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱。‎ 有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。‎ ‎(3)氢原子光谱的实验规律 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R，(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×‎107 m－1，n为量子数。‎ ‎3．玻尔理论 ‎(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，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，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)‎ ‎(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不连续的。‎ ‎4．氢原子的能级、能级公式 ‎(1)氢原子的能级 能级图如图所示 ‎(2)氢原子的能级和轨道半径 ‎①氢原子的能级公式：En＝E1 (n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV。‎ ‎②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＝0.53×10－‎10 m。‎ 二、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素 ‎1．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。‎ ‎2．天然放射现象 ‎(1)天然放射现象 元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。‎ ‎(2)放射性和放射性元素 物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。‎ ‎(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。‎ ‎(4)放射性同位素的应用与防护 ‎①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。‎ ‎②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。‎ ‎③防护：防止放射性对人体组织的伤害。‎ ‎3．原子核的衰变 ‎(1)衰变：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 ‎(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。‎ 三、核力、结合能、质量亏损 ‎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：‎ ‎①核力是强相互作用的一种表现；‎ ‎②核力是短程力，作用范围在1.5×10－‎15m之内；‎ ‎③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。‎ ‎2．结合能 核子结合为原子核时释放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，亦称核能。‎ ‎3．比结合能 ‎(1)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。‎ ‎(2)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。‎ ‎4．质能方程、质量亏损 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。‎ 四、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆　核反应方程 ‎1．重核裂变 ‎(1)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。‎ ‎(2)典型的裂变反应方程：‎ U＋n→Kr＋Ba＋3n。‎ ‎(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。‎ ‎(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。‎ ‎(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。‎ ‎(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。‎ ‎2．轻核聚变 ‎(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。‎ ‎(2)典型的聚变反应方程：‎ H＋H→He＋n＋17.6 MeV 考点一　氢原子能级及能级跃迁 ‎1．定态间的跃迁——满足能级差 ‎(1)从低能级(n小)高能级(n大)―→吸收能量。‎ hν＝En大－En小 ‎(2)从高能级(n大)低能级(n小)―→放出能量。‎ hν＝En大－En小 ‎2．电离 电离态与电离能 电离态：n＝∞，E＝0‎ 基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV电离能。‎ n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4 eV 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。‎ ‎★重点归纳★‎ ‎1、解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意：‎ ‎(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得。若求波长可由公式c＝λν求得。‎ ‎(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。‎ ‎(3)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：。‎ ‎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。‎ ‎2、对原子跃迁条件的理解 ‎(1)原子从低能级向高能级跃迁，吸收一定能量的光子．只有当一个光子的能量满足hν＝E末－E初时，才能被某一个原子吸收，使原子从低能级E初向高能级E末跃迁，而当光子能量hν大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收．‎ ‎(2)原子从高能级向低能级跃迁，以光子的形式向外辐射能量，所辐射的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差．‎ ‎（3）入射光子和入射电子的区别：若是在光子的激发下引起原子跃迁，则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差；若是在电子的碰撞下引起的跃迁，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差．两种情况有所区别．‎ 特别提醒　原子的总能量Ekn随r的增大而减小，又En随n的增大而增大，故Epn随n的增大而增大，电势能的变化也可以从电场力做功的角度进行判断，当r减小时，电场力做正功，电势能减小，反之，电势能增大．‎ ‎★典型案例★已知氢原子的能级如图所示，现用光子能量介于1012.9 eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是： （ ）‎ A．在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种 B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种 C．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有10种 D．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种 ‎【答案】B ‎【名师点睛】解决本题的关键知道能级间跃迁所满足的规律，即Em-En=hv．即能级间发生跃迁时吸收或辐射的光子能量等于两能级间的能级差，根据数学组合公式Cn2求出处于激发态的氢原子可能发射出不同波长光的种数.‎ ‎★针对练习1★子与氢原子核（质子）构成的原子称为氢原子（hydrogen muon atom），它在原子核的物理研究中有很重要作用，如图氢原子的能级示意图。假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于能级的氢原子，‎ 氢原子吸收光子后，发出频率为、、、、和的光，且依次增大，则E等于： （ ）‎ A． B． C． D．‎ ‎【答案】A ‎【名师点睛】根据氢原子发出的光子频率种数，得出氢原子处于第几能级，抓住能级间跃迁吸收或辐射的光子能量等于两能级间的能级差求出吸收的光子能量E。‎ ‎★针对练习2★如图为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子： （ ）‎ A．从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长 B．从n=5能级跃迁到n=1能级比n=5能级跃迁到n=4能级辐射出电磁波的速度大 C．处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的 D．从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量 ‎【答案】A ‎【解析】从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出光子能量小，则辐射的光子频率小，所以辐射的电磁波的波长长．故A正确．电磁波在真空中的速度相同，与频率无关．故B错误．处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率不同．故C错误．由高能级向低能级跃迁，氢原子向外辐射能量，不是原子核辐射能量．故D错误．故选A．‎ ‎【名师点睛】解决本题的关键知道能级间跃迁辐射或吸收光子的能量等于两能级间的能级差，Em-En=hv，能级差越大，辐射的光子频率越大，则波长越小。‎ 考点二　原子核的衰变和原子核的人工转变 ‎1． 衰变规律及实质 ‎(1)两种衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→ AZ＋1Y＋e 衰变实质 ‎2个质子和2个中子结合成一个整体射出 中子转化为质子和电子 ‎2H＋2n→He n→H＋e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 ‎(2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子．‎ ‎2． 原子核的人工转变 用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程．‎ 典型核反应：‎ ‎(1)卢瑟福发现质子的核反应方程为：7N＋He→8O＋H.‎ ‎(2)查德威克发现中子的核反应方程为：‎ Be＋He→‎6C＋n.‎ ‎(3)居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：‎ Al＋He→P＋n.‎ P→Si＋e.‎ ‎3． 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＋nHe＋me 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)确定衰变次数，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．‎ ‎4． 半衰期 ‎(1)公式：N余＝N原()t/τ，m余＝m原()t/τ 式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期．‎ ‎(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关．‎ ‎★重点归纳★‎ ‎2、书写核反应方程时应注意( ‎（1）必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。( ‎（2）核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。‎ ‎（3）核反应类型及核反应方程的书写 类　型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He→O＋H ‎(卢瑟福发现质子)‎ He＋Be→C＋n ‎(查德威克发现中子)‎ Al＋He→‎ P＋n 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 P→‎ Si＋e 重核裂变 比较容易 进行人工 控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 很难控制 H＋H→He＋n ‎★典型案例★指出下列核反应的类型：‎ ‎（1） ________‎ ‎（2） ________‎ ‎（3） ________‎ ‎【答案】衰变 裂变　聚变 ‎【解析】（1）是放射性元素铀238自发地反应放出粒子，属于衰变，由质量数守恒和核电荷数守恒知生成。‎ ‎（2）是重核的裂变，生成物是中子。‎ ‎（3）根据质量数和电荷数守恒可知，反应物为，属于聚变反应。‎ ‎【名师点睛】正确解答本题需要掌握：利用核反应方程中的质量数和电荷数守恒正确判断生成物，区分聚变和裂变的不同，并能够判断是聚变反应还是裂变反应．人工核转变是指通过人工技术（射线，激光，粒子撞击等手段）是原子发生反应；衰变是指放射性元素在自然条件下不断的放出粒子的反应，是这种元素的特有性质。‎ ‎★针对练习1★铀核U衰变为铅核Pb的过程中，要经过x次衰变和y次衰变，其中： （ ）‎ A．x=6，y=8 B．x=8，y=‎6 C．x=16，y=22 D．x=22，y=16‎ ‎【答案】B ‎【名师点睛】解答此题要知道发生α、β衰变的实质．原子核经过一次α衰变，电荷数减小2，质量数减小4，一次β衰变后电荷数增加1，质量数不变；能够运用质量数和电荷数守恒进行求解。‎ ‎★针对练习2★中国最新一代“人造太阳”实验装置，于‎2006年9月28日在合肥成功放电，这是世界首个投入运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。“人造太阳”以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，由于它和太阳产生能量的原理相同，都是热核聚变反应，所以被外界称为“人造太阳”。你认为“人造太阳”中所涉及的核反应方程是： （ ）‎ A． B．‎ C． D．‎ ‎【答案】C ‎【解析】聚变反应是质量较轻的核聚变生成质量较大的核，由题目知CB正确．故选C．‎ ‎【名师点睛】本题考查了有关聚变的基础知识，要知道核聚变反应的方程，也就是“人造小太阳”的反应；在平时学习中注意基础知识的理解和应用。‎ 考点三　质量亏损及核能的计算 ‎1．核能 ‎(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2。‎ ‎(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。‎ ‎2．核能释放的两种途径的理解 ‎(1)使较重的核分裂成中等大小的核。‎ ‎(2)较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量。‎ ‎★重点归纳★‎ 应用质能方程解题的流程图 →→ ‎(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×931.5 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Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。‎ ‎★典型案例★用速度大小为v的中子轰击静止的锂核，发生核反应后生成氚核和α粒子， 生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与α粒子的速度之比为 7∶8，中子的质量为m，质子的质量可近似看作m，光速为 c。‎ ‎（i）写出核反应方程；‎ ‎（ii）求氚核和α粒子的速度大小；‎ ‎（iii）若核反应过程中放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能，求出质量亏损.‎ ‎【答案】（i）（ii） ，（iii）‎ ‎【名师点睛】核反应中遵守两大基本规律：能量守恒定律和动量守恒定律．注意动量守恒定律的矢量性，要明确是如何转化的。‎ ‎★针对练习1★“超导托卡马克” （英名称：EAST，俗称“人造太阳”） 是我国自行研制的可控热核反应实验装置。设该实验反应前氘核（）的质量为m1，氚核（）的质量为m2，反应后氦核（e）的质量为m3，中子（）的质量为m4，光速为c。下列说法中不正确的是 ： （ ）‎ A．这种装置中发生的核反应方程式是 B．由核反应过程质量守恒可知m1+m2= m3+m4 ‎ C．核反应放出的能量等于 （m1+m2 – m3 – m4 ）c2‎ D．这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同 ‎【答案】B ‎【名师点睛】本题考查了核反应方程式、质能方程的应用、核反应的分类，核反应分为核聚变与核裂变，要注意它们的区别；本题难度不大，是一道基础题，熟练掌握基础知识，即可正确解题。‎ ‎★针对练习2★某些建筑材料可产生放射性气体——氡，氡可以发生α或β衰变。原来静止的氡核（Rn）发生一次α衰变生成新核钋（Po）。取氡核的质量mRn＝222.0176 u，钋核的质量mPo＝218.0090 u，α粒子的质量mα＝4.0026 u，已知1u相当于931.5MeV。‎ ‎（1）写出衰变的核反应方程；‎ ‎（2）该衰变反应中释放出的核能；（保留两位有效数字）‎ ‎【答案】（1）（2）5.6 MeV ‎【解析】（1）衰变方程为： ‎ ‎（2）该核衰变反应的质量亏损Δm＝mRn—mPo—mα＝0.006 u 释放的核能ΔE＝0.006×931.5 MeV＝5.6 MeV ‎【名师点睛】解决本题的关键知道衰变的过程中电荷数守恒、质量数守恒，以及掌握能量守恒定律、爱因斯坦质能方程。‎