2019届高考一轮复习备考资料之物理人教版第十二章 第2讲

第第 2 讲讲 原子和原子核原子和原子核一、原子物理1.原子的核式结构(1)19091911 年，英籍物理学家卢瑟福进行了 粒子散射实验，提出了核式结构模型.(2) 粒子散射实验的结果：绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 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.图 1(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.2.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：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式R()(n3,4,5，R 是里德伯常量，R1.10×107 m1).11221n2(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.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：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 h 的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 hEmEn.(h 是普朗克常量，h6.63×1034 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.氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式：能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中 E1为基态能量，其数值为 E113.6 eV.1n2半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中 r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r10.53×1010 m.(2)氢原子的能级图，如图 2 所示图 2自测 1 (多选)如图 3 所示为卢瑟福和他的同事们做 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 3A.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 粒子散射现象，绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子发生较大偏转，A、B、D 正确.自测 2 一个氢原子从 n3 能级跃迁到 n2 能级，该氢原子( )A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少答案 B二、天然放射现象和原子核1.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.应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.防护：防止放射性对人体组织的伤害.2.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)基本关系核电荷数(Z)质子数元素的原子序数核外电子数.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.A Z3.原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出 粒子或 粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.分类 衰变： XY HeA ZA4Z24 2 衰变： XYeA ZAZ101当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生 衰变，有的发生 衰变，同时伴随着 辐射.两个典型的衰变方程 衰变：U Th He23892234904 2 衰变：ThPae.234902349101(2)半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.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·.1( )2t 1( )2t 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 m，其对应的能量 Emc2.(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 m，吸收的能量为 Emc2.自测 3 (2015·福建理综·30(1)下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是( )A. 射线是高速运动的电子流B.氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D.Bi 的半衰期是 5 天，100 克Bi 经过 10 天后还剩下 50 克2108321083答案 B解析 射线是高速电子流，而 射线是一种电磁波，选项 A 错误.氢原子辐射光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项 B 正确.太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项 C 错误.10 天为两个半衰期，剩余的Bi 为 100× g100×( )2 g25 g，选210831( )2t 12项 D 错误.命题点一 玻尔理论和能级跃迁1.定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n)高能级(m)吸收能量.跃迁hEmEn(2)从高能级(m)低能级(n)放出能量.跃迁hEmEn.2.电离电离态与电离能电离态：n，E0基态电离态：E吸>0(13.6 eV)13.6 eV.激发态电离态：E吸>0En|En|.若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能.例 1 (多选)(2017·江西南昌检测)如图 4 所示是氢原子的能级图，现有大量处于 n3 激发态的氢原子向低能级跃迁，所辐射的光子中只有一种能使某金属产生光电效应.以下判断正确的是( )图 4A.该光子一定是氢原子从激发态 n3 跃迁到基态时辐射的光子B.若大量氢原子从激发态 n3 跃迁到低能级，可辐射出 3 种频率的光子C.若氢原子从激发态 n4 跃迁到基态，辐射出的光子一定能使该金属产生光电效应D.若大量氢原子从激发态 n4 跃迁到低能级，则会有 3 种光子使该金属产生光电效应答案 ABC变式 1 (多选)如图 5 是氢原子的能级图，一群氢原子处于 n3 能级，下列说法中正确的是( )图 5A.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 10.2 eVC.从 n3 能级跃迁到 n2 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解析 根据 C 3 知，这群氢原子能够发出 3 种不同频率的光子，故 A 正确；由 n3 跃迁到2 3n1，辐射的光子能量最大，E(13.61.51) eV12.09 eV，故 B 错误；从 n3 跃迁到n2 辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故 C 正确；一群处于 n3 能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故 D 错误.命题点二 原子核的衰变及半衰期1.衰变规律及实质(1) 衰变、 衰变的比较衰变类型 衰变 衰变衰变过程XY HeA ZA4Z24 2XYeA ZAZ1012 个质子和 2 个中子结合成一个整体射出1 个中子转化为 1 个质子和 1 个电子衰变实质2 H2 n He1 11 04 2n He1 01 101匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒(2) 射线： 射线经常伴随着 衰变或 衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生 衰变或 衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子.2.确定衰变次数的方法因为 衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定 衰变的次数，然后再根据衰变规律确定 衰变的次数.3.半衰期(1)公式：N余N原，m余m原.1( )2t 1( )2t (2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，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.例 2 (2017·全国卷·15)一静止的铀核放出一个 粒子衰变成钍核，衰变方程为U23892Th He，下列说法正确的是( )234904 2A.衰变后钍核的动能等于 粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于 粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个 粒子所经历的时间D.衰变后 粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案 B解析 静止的铀核在 衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得 pThp0，即钍核的动量和 粒子的动量大小相等，方向相反，选项 B 正确；根据 Ek可知，选项 Ap22m错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个 粒子不适用，选项 C 错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后 粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项 D 错误.变式 2 (2017·湖南长沙三月模拟)一个静止的铀核，放在匀强磁场中，它发生一次 衰变后变为钍核， 粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动.某同学作出如图 6 所示运动径迹示意图，以下判断正确的是( )图 6A.1 是 粒子的径迹，2 是钍核的径迹B.1 是钍核的径迹，2 是 粒子的径迹C.3 是 粒子的径迹，4 是钍核的径迹D.3 是钍核的径迹，4 是 粒子的径迹答案 B解析 由动量守恒可知，静止的铀核发生 衰变后，生成的均带正电的 粒子和钍核的动量大小相等，但方向相反，由左手定则可知它们的运动轨迹应为“外切”圆，又 R，mvBqpBq在 p 和 B 大小相等的情况下，R ，因 q钍>q，则 R钍<R，故 B 正确.1q变式 3 (2017·山西五校四联)在很多装饰材料中，都不同程度地含有放射性元素.下列说法正确的是( )A. 射线、 射线和 射线都是电磁波B.在 、 三种射线中， 射线的电离能力最强C.氡的半衰期为 3.8 天，4 个氡原子核经过 7.6 天后一定只剩下 1 个氡原子核D.放射性元素发生 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 D解析 射线是高速 He 核流， 射线是高速电子流， 射线是能量很高的电磁波，A 项错误.4 2在 、 三种射线中， 射线的电离能力最强， 射线的电离能力最弱，B 项错误.半衰期是对大量原子核的衰变行为作出的统计规律，对于少数原子核无意义，C 项错误.命题点三 核反应及核反应类型1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变 衰变自发UTh He23892234904 2 衰变自发ThPae234902349101N HeO H(卢瑟福发现质子)14 74 217 81 1He BeC n(查德威克发现中子)4 29 412 61 0Al He27134 2P n30151 0人工转变人工控制PSi30153014e01约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子U nBaKr3 n235921 01445689361 0重核裂变容易控制U nXeSr10 n235921 01365490381 0轻核聚变很难控制H H He n2 13 14 21 02.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基