专题36 原子结构　原子核 （原卷版）.docx

2021届高考物理一轮复习热点题型归纳与变式演练专题36 原子结构　原子核 【专题导航】目录热点题型一　原子的核式结构　玻尔理论 1（一）对能级图的理解和应用 3（二）对原子核式结构的理解 4热点题型二 氢原子的能量及变化规律 5热点三　原子核的衰变、半衰期 6（一）确定衰变次数的问题 6（二）衰变射线的性质 7（三）对半衰期的理解和应用 8热点题型四 核反应类型与核反应方程 9热点题型五 核能的计算 10【题型演练】 11【题型归纳】热点题型一　原子的核式结构　玻尔理论1．α粒子散射实验(1)α粒子散射实验装置(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，但少数α粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，极少数α粒子甚至被“撞了回来”．2．原子的核式结构模型(1)α粒子散射实验结果分析①核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．②汤姆孙模型不能解释α粒子的大角度散射．③绝大多数α粒子沿直线穿过金箔，说明原子中绝大部分是空的；少数α粒子发生较大角度偏转，反映了原子内部集中存在着对α粒子有斥力的正电荷；极少数α粒子甚至被“撞了回来”，反映了个别α粒子正对着质量比α粒子大得多的物体运动时，受到该物体很大的斥力作用．(2)核式结构模型的局限性卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释α粒子散射实验现象，但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性．3．对氢原子能级图的理解(1)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＝0.5310－10 m.(3)能级图中相关量意义的说明．相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态横线左端的数字“1，2，3…”表示量子数横线右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为hν＝Em－En4.两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发出光子．光子的频率ν＝＝.(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．①光照(吸收光子)：吸收光子的全部能量，光子的能量必须恰等于能级差hν＝ΔE.②碰撞、加热等：可以吸收实物粒子的部分能量，只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥ΔE.③大于电离能的光子被吸收，将原子电离．（一）对能级图的理解和应用【例1】(2020河南郑州市第三次质量检测)如图所示为氢原子能级示意图，下列有关说法正确的是(　　)A．处于基态的氢原子吸收10.5 eV的光子后能跃迁至n＝2能级B．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出3种不同频率的光C．若用从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光，照射某金属时恰好发生光电效应，则用从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光，照射该金属时一定能发生光电效应D．用n＝4能级跃迁到n＝1能级辐射出的光，照射逸出功为6.34 eV的金属铂产生的光电子的最大初动能为6.41 eV【变式1】(2020山西太原一模)如图是氢原子的能级示意图．当氢原子从n＝4的能级跃迁到n＝3的能级时，辐射出光子a；从n＝3的能级跃迁到n＝2的能级时，辐射出光子b.以下判断正确的是 (　　)A． 在真空中光子a的波长大于光子b的波长 B．光子b可使氢原子从基态跃迁到激发态C．光子a可能使处于n＝4能级的氢原子电离D．大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射2种不同谱线【变式2】(2020湖北武汉市四月调研)已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En＝，其中n＝2,3,4，….若氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级放出光子的频率为ν，能使氢原子从基态电离的光子的最小频率为(　　)A.ν B．4ν C.ν D．9ν【变式3】(多选)如图是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是 (　　)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10.2 eVC．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 【变式4】(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．6种光子中有2种属于巴耳末系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金属板发生光电效应（二）对原子核式结构的理解【例2】(2020上海理工大附中期中)如图所示为卢瑟福α粒子散射实验装置的示意图，图中的显微镜可在圆周轨道上转动，通过显微镜前相连的荧光屏可观察α粒子在各个角度的散射情况．下列说法正确的是(　　)A．在图中的A、B两位置分别进行观察，相同时间内观察到屏上的闪光次数一样多B．在图中的B位置进行观察，屏上观察不到任何闪光C．卢瑟福选用不同金属箔片作为α粒子散射的靶，观察到的实验结果基本相似D．α粒子发生散射的主要原因是α粒子撞击到金原子后产生的反弹【变式】如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止．图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(　　)A．M点　　　　　　　　　 B．N点C．P点 D．Q点热点题型二 氢原子的能量及变化规律氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律1．原子能量变化规律：En＝Ekn＋Epn＝，随n增大而增大，随n的减小而减小，其中E1＝－13.6 eV.2．电子动能变化规律(1)从公式上判断电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力即k＝m，所以Ek＝，随r增大而减小．(2)从库仑力做功上判断，当轨道半径增大时，库仑引力做负功，故电子动能减小．反之，当轨道半径减小时，库仑引力做正功，故电子的动能增大．3．原子的电势能的变化规律(1)通过库仑力做功判断，当轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大．反之，当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小．(2)利用原子能量公式En＝Ekn＋Epn判断，当轨道半径增大时，原子能量增大，电子动能减小，故原子的电势能增大．反之，当轨道半径减小时，原子能量减小，电子动能增大，故原子的电势能减小．【例3】(2020三明模拟)如图所示为氢原子的能级图，图中a、b、c、d对应氢原子的四次跃迁，已知可见光光子的能量范围为1.61～3.10 eV，关于四次跃迁，下列说法正确的是(　　)A．经历a跃迁，氢原子吸收的光子能量为0.66 eVB．经历b跃迁，氢原子的轨道半径增大，原子核外电子的动能增大C．经历c跃迁，氢原子放出的光子是可见光光子D．经历d跃迁后，再用可见光照射跃迁后的氢原子，可使氢原子发生电离【变式1】按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为rb的圆轨道上，已知ra>rb，则在此过程中(　　)A．原子要发出某一频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量也减小B．原子要吸收某一频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小C．原子要发出一系列频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小D．原子要吸收一系列频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量也增大【变式2】(多选)(2020湖北宜昌模拟)氢原子辐射出一个光子后，根据玻尔理论，下述说明正确的是(　　)A．电子旋转半径减小 B．氢原子能量增大C．氢原子电势能增大 D．核外电子速率增大热点三　原子核的衰变、半衰期1．衰变规律及实质(1)α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程X→Y＋HeX→　MZ＋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→Hen→H＋e匀强磁场中轨迹形状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．2．三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领α射线氦核He＋2 e4 u最强最弱β射线电子e－eu较强较强γ射线光子γ00最弱最强3.半衰期的理解半衰期的公式：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．（一）确定衰变次数的问题【例4】(多选)(2020南通模拟)钍Th具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤Pa，同时伴随有射线产生，其方程为Th→Pa＋X，钍的半衰期为24天．则下列说法中正确的是 (　　)A．X为质子B．X是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的C．γ射线是镤原子核放出的D．1 g钍Th经过120天后还剩0.312 5 g【技巧总结】确定衰变次数的方法设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y.(1)反应方程：X→Y＋nHe＋me.(2)根据电荷数和质量数守恒列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.两式联立解得：n＝，m＝＋Z′－Z.注意：为了确定衰变次数，一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数，这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有影响，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．【变式1】U经过m次α衰变和n次β衰变，变成Pb，则(　　)A．m＝7，n＝3 B．m＝7，n＝4C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18【变式2】(多选)(2020梅州一模)关于天然放射现象，以下叙述正确的是 (　　)A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B．β衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强D．铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，要经过8次α衰变和6次β衰变（二）衰变射线的性质【例5】．(多选)(2020四川成都市第二次诊断)如图，匀强磁场中的O点有一静止的原子核Th发生了某种衰变，衰变方程为Th→Y＋e，反应生成的粒子e的速度方向垂直于磁场方向．关于该衰变，下列说法正确的是(　　)A.Th发生的是α衰变B.Th发生的是β衰变C．A＝234，Z＝91D．新核Y和粒子e在磁场中的轨迹外切于O点【变式1】(2020湖南衡阳市第二次联考)在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放射出某种粒子，结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如。