【物理】2018届一轮复习人教版 原子结构　原子核 学案

【物理】2018届一轮复习人教版 原子结构　原子核 学案

‎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、原子结构　光谱和能级跃迁 ‎1．电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”．‎ ‎2．原子的核式结构 ‎(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型．‎ 图1‎ ‎(2)α粒子散射实验的结果：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，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”，如图1所示．‎ ‎(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动．‎ ‎3．氢原子光谱 ‎(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．‎ ‎(2)光谱分类 ‎(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢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＝1.10×107m－1)．‎ ‎(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高．在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义．‎ ‎4．氢原子的能级结构、能级公式 ‎(1)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：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·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．‎ ‎(2)能级和半径公式：‎ ‎①能级公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV.‎ ‎②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＝0.53×10－10m.‎ ‎5．氢原子的能级图 能级图如图2所示 图2‎ 二、原子核　核反应和核能 ‎1．原子核的组成 ‎(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．质子带正电，中子不带电．‎ ‎(2)基本关系 ‎①核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．‎ ‎②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．‎ ‎(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数．‎ ‎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，首先由贝可勒尔发现．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、做示踪原子等．‎ ‎③防护：防止放射性对人体组织的伤害．‎ ‎3．原子核的衰变、半衰期 ‎(1)原子核的衰变 ‎①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 当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．‎ ‎③两个典型的衰变方程 α衰变：U→Th＋He β衰变：Th→Pa＋e.‎ ‎(2)半衰期 ‎①定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．‎ ‎②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．‎ ‎(3)公式：N余＝N原·，m余＝m原·.‎ ‎4．核力和核能 ‎(1)原子核内部，核子间所特有的相互作用力．‎ ‎(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2.‎ ‎(3)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.‎ 高频考点一　原子的核式结构 例1、(多选)(2016·天津理综·6)物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展，下列说法符合事实的是(　　)‎ A．赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论 B．查德威克用α粒子轰击N获得反冲核O，发现了中子 C．贝可勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构 D．卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型 答案　AC ‎ 【举一反三】(多选)如图3所示为卢瑟福和他的同事们做α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是(　　)‎ 图3‎ A．放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B．放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些 C．放在C、D位置时，屏上观察不到闪光 D．放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少 答案　ABD 解析　根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，A、B、D正确．‎ ‎【变式探究】(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕模型”‎ B．卢瑟福做α粒子散射实验时发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数α粒子发生大角度偏转 C．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 D．卢瑟福提出了原子核式结构模型，并解释了α粒子发生大角度偏转的原因 答案　BCD 解析　汤姆孙发现了电子符合物理史实，但电子电荷量是密立根测定的，A错误，B、C、D都符合物理史实．‎ ‎【举一反三】(多选)在物理学的发展过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步．下列表述符合物理学史实的是(　　)‎ A．普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论 B．爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说 C．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型 D．贝可勒尔通过对天然放射性的研究，发现原子核是由质子和中子组成的 答案　ABC 高频考点二　玻尔理论和能级跃迁 例2、(多选)有关氢原子光谱的说法正确的是(　　)‎ A．氢原子的发射光谱是连续谱 B．氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光 C．氢原子光谱说明氢原子能级是分立的 D．氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关 答案　BC 解析　由于氢原子的轨道是不连续的，而氢原子在不同的轨道上的能级En＝E1，故氢原子的能级是不连续的即是分立的，故C正确；当氢原子从较高轨道第n 能级跃迁到较低轨道第m能级时，发射的光子的能量为E＝En－Em＝E1－E1＝E1＝hν，显然n、m的取值不同，发射光子的频率就不同，故氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能级差有关，故D错误；由于氢原子发射的光子的能量E＝E1，所以发射的光子的能量值E是不连续的，只能是一些特殊频率的谱线，故A错误，B正确．‎ ‎【举一反三】(多选)如图5是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是(　　)‎ 图5‎ A．这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的波 B．这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2eV C．从n＝3能级跃迁到n＝2能级时发出的光波长最长 D．这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁 答案　AC ‎【变式探究】一群处于n＝4能级的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为(　　)‎ A．3种 B．4种 C．5种 D．6种 答案　D 解析　一群处于n＝4能级的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为C＝6种，选D.‎ ‎【举一反三】一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中(　　)‎ A．可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线 B．可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线 C．只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线 D．只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线 答案　B 高频考点三　原子核及核反应 例3、(2016·全国Ⅱ·35(1))在下列描述核过程的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．(填正确答案标号)‎ A.C→N＋e B.P→S＋e C.U→Th＋He D.N＋He→O＋H E.U＋n→Xe＋Sr＋2n F.H＋H→He＋n 答案　C　AB　E　F 解析　α衰变是一种放射性衰变，α粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求，β衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数加1的过程，A、B两项符合要求，裂变是指一些质量非常大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有E项符合要求．聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程，F项符合要求．‎ ‎【变式探究】(多选)(2016·全国Ⅲ·35(1)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*.下列说法正确的是(　　)‎ A．核反应方程为p＋Al→Si*‎ B．核反应过程中系统动量守恒 C．核反应过程中系统能量不守恒 D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 答案　AB 解析　根据质量数和电荷数守恒可得，核反应方程为p＋Al→Si*，A正确；核反应过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D错误．‎ ‎【举一反三】(多选)关于核反应方程Th→Pa＋X＋ΔE(ΔE为释放的核能，X 为新生成的粒子)，已知Th的半衰期为1.2 min，则下列说法正确的是(　　)‎ A．此反应为β衰变 B.Pa核和Th核具有相同的质量 C.Pa具有放射性 D．64 g的Th经过6 min还有1 gTh尚未衰变 答案　AC ‎【变式探究】目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素．比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病．根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是(　　)‎ A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就剩下一个原子核了 B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的 C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，α射线的穿透能力最强，电离能力最弱 D．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4‎ 答案　B 解析　半衰期遵循统计规律，对单个或少数原子核是没有意义的，A错误．根据3种射线的特性及衰变实质可知B正确，C、D错误．‎ ‎1．下列能揭示原子具有核式结构的实验是(　　)‎ A．光电效应实验　　　　　　B．伦琴射线的发现 C．α粒子散射实验 D．氢原子光谱的发现 解析：光电效应实验说明了光的粒子性，A错；伦琴射线的发现说明了原子内部有能级结构，B错；α粒子散射实验揭示了原子的核式结构，C对；氢原子光谱的发现说明原子内轨道量子化，D错．‎ 答案：C ‎2．已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En＝E1/n2，其中n＝2,3，….用h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．－ B．－ C．－ D．－ 解析：由En＝E1/n2知，第一激发态的能量为E2＝，又≥－，得λ≤－，故C对，A、B、D错．答案：C ‎3．氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则(　　)‎ A．吸收光子的能量为hν1＋hν2‎ B．辐射光子的能量为hν1＋hν2‎ C．吸收光子的能量为hν2－hν1‎ D．辐射光子的能量为hν2－hν1‎ 答案：D ‎4卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是(　　)‎ 解析：α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金箔，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确．‎ 答案：D ‎5．氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃迁到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常量为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则(　　)‎ A．吸收光子的能量为hν1＋hν2‎ B．辐射光子的能量为hν1＋hν2‎ C．吸收光子的能量为hν2－hν1‎ D．辐射光子的能量为hν2－hν1‎ 解析 氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光，说明能级m高于能级n，而从能级n跃迁到能级k时吸收紫光，说明能级k也比能级n高，而紫光的频率ν2大于红光的频率ν1，所以hν2>hν1，因此能级k比能级m高，所以若氢原子从能级k跃迁到能级m，应辐射光子，且光子能量应为hν2－hν1.故选项D正确．答案 D ‎6．根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型．如图1-3-9所示为原子核式结构模型的α粒子散射图景．图中实线表示α粒子的运动轨迹．其中一个α粒子在从a运动到b、再运动到c的过程中(α粒子在b点时距原子核最近)，下列判断正确的是(　　)．‎ 图13-3-1‎ A．α粒子的动能先增大后减小 B．α粒子的电势能先增大后减小 C．α粒子的加速度先变小后变大 D．电场力对α粒子先做正功后做负功 答案　B ‎7．氦原子被电离出一个核外电子，形成类氢结构的氦离子已知基态的氦离子能量为E1＝－54.4 eV，氦离子的能级示意图如图13-3-3所示，在具有下列能量的光子或者电子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是(　　)．‎ 图13-3-2‎ A．42.8 eV(光子) B．43.2 eV(电子)‎ C．41.0 eV(电子) D．54.4 eV(光子)‎ 解析　由于光子能量不可分，因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收，故A项中光子不能被吸收，D项中光子能被吸收；而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级差，均可能被吸收，故B、C两项中电子均能被吸收．‎ 答案　A ‎8．一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H＋n―→H＋γ B．聚变反应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3‎ C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c D．γ光子的波长λ＝ 解析　此核反应的核反应方程为H＋n―→H＋γ，A错；由质能方程，γ光子的能量为E＝(m1＋m2－m3)c2，C错；由E＝h知，波长λ＝，D错；故B正确．‎ 答案　B ‎9．太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应，核反应方程是4H→He＋2X，这个核反应释放出大量核能．已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是(　　)．‎ A．方程中的X表示中子(n)‎ B．方程中的X表示电子(e)‎ C．这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2‎ D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2‎ 答案　D ‎10．我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有：‎ ‎(1)U＋n→Sr＋Xe＋kn ‎(2)H＋H→He＋dn 关于这两个方程的下列说法，正确的是(　　)．‎ A．方程(1)属于α衰变 B．方程(2)属于轻核聚变 C．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1‎ D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1‎ 解析　本题考查核反应方程．(1)为典型的裂变方程，故A选项错误．(2)为聚变反应，故B项正确．根据质量数守恒和电荷数守恒定律可得k＝10，d＝1，故C选项正确．答案　BC ‎11．放射性同位素电池是一种新型电池，它是利用放射性同位素衰变放出的高速带电粒子(α射线、β射线)与物质相互作用，射线的动能被吸收后转变为热能，再通过换能器转化为电能的一种装置．其构造大致是：最外层是由合金制成的保护层，次外层是防止射线泄漏的辐射屏蔽层，第三层是把热能转化成电能的换能器，最里层是放射性同位素．‎ 电池使用的三种放射性同位素的半衰期和发出的射线如下表：‎ 同位素 ‎90Sr ‎210Po ‎238Pu 射线 β α α 半衰期 ‎28年 ‎138天 ‎89.6年 若选择上述某一种同位素作为放射源，使用相同材料制成的辐射屏蔽层，制造用于执行长期航天任务的核电池，则下列论述正确的是(　　)．‎ A．90Sr的半衰期较长，使用寿命较长，放出的β射线比α射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄 B．210Po的半衰期最短，使用寿命最长，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄 C．238Pu的半衰期最长，使用寿命最长，放出的α射线比β 射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄 D．放射性同位素在发生衰变时，出现质量亏损，但衰变前后的总质量数不变 答案　CD ‎12．(1)在核反应堆中，铀核吸收中子会发生裂变，裂变的产物是多样的，所生成的核往往还会衰变，其中一个衰变过程可表述为I―→Xe＋________＋ΔE.试问式中空格应为何种粒子？‎ ‎(2)I的半衰期为8天．开始时核废料中有N0个I核，经过16天，还有________个I核．‎ ‎(3)核电站的固体废料放射性比较强，要在核电站内的专用废物库放置5年，且在放置的初始阶段要对固体废料进行冷却处理．请简述需要进行冷却处理的理由．‎ 解析　(1)由核反应过程中质量数和核电核数守恒，得该粒子质量数为0，核电荷数为－1，核反应方程为I―→Xe＋e＋ΔE，空格中粒子为电子．‎ ‎(2)由半衰期定义得剩余I核数N＝N0·＝N0.‎ 答案　(1)e　电子　(2)N0‎ ‎(3)核电站的固体废料放射性比较强，能放出γ射线，放出巨大能量．且刚开始放射性比较强，释放出的能量比较大，温度升高快，必须在初始阶段对核固体废料进行冷却处理．‎ ‎13．太阳中含有大量的氘核，因氘核不断发生核反应释放大量的核能，以光和热的形式向外辐射．已知氘核质量为2.013 6 u，氦核质量为3.015 0 u，中子质量为1.008 7 u，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量则：‎ ‎(1)完成核反应方程：H＋H→________＋n.‎ ‎(2)求核反应中释放的核能．‎ ‎(3)在两氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能．‎ 解析　(1)He ‎(2)ΔE＝Δmc2＝(2×2.013 6 u－3.015 0 u－1.008 7 u)×931.5 MeV＝3.26 MeV.‎ ‎(3)两核发生碰撞时：0＝Mv1－mv2‎ 由能量守恒可得：ΔE＋2Ek＝Mv＋mv 由以上两式解得：EHe＝Mv＝0.99 MeV，E中＝mv＝2.97 MeV 答案　(1)He　(2)3.26 MeV　(3)0.99 MeV　2.97 MeV ‎14．(1)Th是不稳定的，能自发的发生衰变．‎ ‎①完成Th衰变反应方程Th→Pa＋________.‎ ‎②Th衰变为Rn，经过________次α衰变，________次β衰变．‎ ‎(2)1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子．科学研究表明其核反应过程是：α粒子轰击静止的氮核后形成了不稳定的复核，复核发生衰变放出质子，变成氧核．设α粒子质量为m1，初速度为v0，氮核质量为m2，质子质量为m0，氧核的质量为m3，不考虑相对论效应．‎ ‎①α粒子轰击氮核形成不稳定复核的瞬间，复核的速度为多大？‎ ‎②求此过程中释放的核能．‎ 答案　(1)①e　②3　2‎ ‎(2)①v＝　②(m1＋m2－m0－m3)c2‎