【物理】2020届一轮复习人教版原子与原子核学案

【物理】2020届一轮复习人教版原子与原子核学案

第十二章 近代物理初步 ‎ ‎1、考查近代物理知识中一些基础知识，意在考查考生的理解能力 ‎2、高考对本专题内容考查的重点和热点有：①原子能级跃迁和原子核的衰变规律；②核反应方程的书写、质量亏损和核能的计算；③原子物理部分的物理史和α、β、γ三种射线的特点及应用等.‎ ‎3、近代物理部分，涉及的考点较多，主要有光电效应、波粒二象性、原子结构、玻尔理论、衰变、核反应和核能等，主要以选择题的形式命题，可能单独命题，但更多的是通过多个选项命制综合题。‎ ‎4、由于本专题内容琐碎，考查点多，因此复习时应抓住主干知识，梳理出知识点，进行理解性记忆.‎ ‎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：英国物理家汤姆孙发现了电子。‎ ‎(2)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理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。§xx§k.Com]‎ 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：[来源:Zxxk.Com]‎ ‎(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．#网 ‎(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★（多选）如图所示是氢原子的能级图,大量处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁时,一共可以辐射出6种不同频率的光子,其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子,则(　　)‎ A． 6种光子中波长最长的是n=4激发态跃迁到基态时产生的 B． 在6种光子中,从n=4能级跃迁到n=1能级释放的光子康普顿效应最明显 C． 使n=4能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量 D． 若从n=2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应,则从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应 ‎【答案】 BC ‎【解析】‎ 点睛：本题考查了波尔原子理论：从高轨道向低轨道跃迁时减少的能量以光子的形式辐射出去；所有的激发态都是不稳定的，都会继续向基态跃迁，故辐射光子的种类；E=hc/λ 判断光子能量与波长的关系．只有入射光子的能量大于金属的逸出功才会发生光电效应．判断是否电离，看处于激发态的氢原子吸收能量后的总能量是否大于等于0，一旦大于等于0，说明发生电离．学*‎ ‎★针对练习1★如图所示，为氢原子能级示意图的一部分，关于氢原子，下列说法正确的是 A． 一个氢原子从n=3能级跃迁到n=l能级，可能辐射出3种不同频率的电磁波 B． 从n=4能级跃迁到n=3能级，氢原子会吸收光子，能级升高 C． 从n=4能级跃迁到n=3能级，氢原子会向外辐射光子，能级降低 D． 处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的 ‎【答案】 C 点晴：解决本题的关键知道吸收或辐射能量与能级差的关系，知道能级差越大，辐射或吸收的光子能量越大，波长越小。‎ ‎★针对练习2★图示为氢原子能级示意图，己知大量处于n＝2能级的氢原子，当它们受到某种频率的光线照射后，可辐射出6种频率的光子，下面说法中正确的是（ ）‎ A． n＝2能级氢原子受到照射后跃迁到n＝5能级 B． 这6种光子有3种可以让逸出功为10ev的某金属发生光电效应 C． 频率最高的光子是氢原子从n＝3能级跃迁到n＝l能级放出的 D． 波长最大的光子是氢原子从n＝4能级跃迁到n＝1能级放出的 ‎【答案】 B 点睛：解决本题的关键是知道能级间跃迁时辐射或吸收的光子能量等于两能级间的能级差，掌握辐射光子的种类计算方法。‎ 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．.网 ‎(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★（多选）如图为某放射源放出的三种射线在匀强电场或匀强磁场中的轨迹示意图，已知三种射线的性质如下表：‎ 射线名称 本质 电荷数 质量数 速度 α射线 氦原子核 ‎2‎ ‎4‎ ‎0.9c β射线 电子 ‎－1‎ ‎0‎ ‎0.99c γ射线 光子 ‎0‎ ‎0‎ c 以下判断正确的是：‎ A． 若是在匀强磁场中，磁场垂直纸面向里，且①为α射线 B． 若是在匀强磁场中，磁场垂直纸面向外，且③为α射线 C． 若是在匀强电场中，电场方向水平向右，且③为α射线 D． 若是在匀强电场中，电场方向水平向左，且①为α射线 ‎【答案】 AD ‎【解析】在同一磁场中，根据可知，α射线的m/q值较大，则半径较大；若是在匀强磁场中，磁场垂直纸面向里，根据左手定则可知，则①带正电，为α射线，选项A正确；若是在匀强磁场中，磁场垂直纸面向外，则③带正电，但是因为③的偏转半径较小，则③不是α射线，选项B错误；在匀强电场中的偏转距离，则在相同的x时，m/q较大，则y 较小；则若是在匀强电场中，电场方向水平向右，③不是α射线；若电场方向水平向左，①为α射线，选项D正确，C错误；故选AD. &网 点睛：此题除了考查粒子在电场或者磁场中的偏转方向外，还需要考查粒子在电场或磁场中偏转的距离的大小，这就需要看在磁场中运动的半径和在电场中的偏转距离表达式.‎ ‎★针对练习1★下列说法不正确的是（ ）‎ A． 经过一次衰变后变为 B． 由核反应方程式可以判断X为电子 C． 核反应方程为轻核聚变 D． 16g铋210经过15天时间，还剩2g未衰变，则铋210的半衰期为5天 ‎【答案】 C ‎★针对练习2★（多选）目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些材料都不同程度地含有放射性元素，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个氡原子核经过7.6天后就一定只剩下1个氡原子核 C． 衰变成要经过8次α衰变和6次β衰变 D． 放射性元素发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的 ‎【答案】 CD 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★（多选）一个质量为m1静止的氡核（）发生衰变，放出一个速度为v0、质量为m2的粒子和一个质量为m3的反冲核钋（Po），若氡核发生衰变时，释放的核能部分转化为粒子和钋核的动能，已知光速为c，则 A． 氡核发生衰变的核反应方程为 B． 衰变释放的核能为 C． 若释放的粒子核反冲核垂直进入同一磁场，半径之比为1：42‎ D． 若释放的粒子核反冲核垂直进入同一磁场，半径之比为42：1‎ ‎【答案】 AD ‎【解析】衰变方程为：，故A正确；衰变发生的质量亏损为，根据质能方程，得释放的核能为，故B错误；设钋核的反冲速度大小为v ‎，由动量守恒定律：，即两个粒子的动量P的大小相等，进入同一磁场，则有：，解得：，故两个粒子的半径之比等于电荷量的反比，即，故C错误，D正确，故选AD.‎ ‎★针对练习1★（多选）2017年11月17日，“中国核潜艇之父”----黄旭华获评全国道德模范，颁奖典礼上，习总书记为他“让座”的场景感人肺腑，下列有关核反应说法错误的是 A． 目前核潜艇是利用重核裂变提供动力 B． 重核裂变反应前后一定有质量亏损 C． 式中d=1‎ D． 铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小 ‎【答案】 CD ‎★针对练习2★17．的质量为3.016050u，质子的质量为1.007277u，中子的质量为1.008665u.1u相当于931.5MeV.则：(计算结果保留两位有效数字)‎ ‎(1)一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收能量，还是放出能量？吸收或放出的能量又为多少？‎ ‎(2)氚核的结合能和比结合能各为多少?‎ ‎【答案】 (1)放能， (2) ，‎ ‎【解析】（1）一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是，*网 反应前各核子总质量为mp+2mn=1.007 277 u+2×1.008 665 u=3.024 607 u 反应后新核的质量为mH=3.016 050 u 质量亏损为△m=3.024 607 u-3.016 050 u=0.008 557 u 因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应为放出能量的反应． ‎ 释放的核能为△E=△m×931.5 MeV=0.008 557×931.5 MeV=8.0MeV． ‎