【物理】2018届一轮复习人教版原子与原子核教案

【物理】2018届一轮复习人教版原子与原子核教案

第 48 讲 原子与原子核 【教学目标】 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． 【教学过程】 ★重难点一、原子的核式结构★ 1．汤姆孙原子模型 (1)电子的发现：1897 年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。电子的 发现证明了原子是可再分的。 (2)汤姆孙原子模型：原子里面带正电荷的物质均匀分布在整个原子球体中，而带负电的电 子则一粒粒镶嵌在球内。 2．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”。 3．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)原子的核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子 核里，带负电的电子在核外绕核旋转。 (3)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。 【典型例题】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 【答案】C 【解析】α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥 力方向相同。带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧，故只有选 项 C 正确。 ★重难点二、能级跃迁与光谱线★ 1．对氢原子能级图的理解 (1)能级图如图所示。 (2)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－En 2.两类能级跃迁 (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＝ ΔE h ＝ E 高－E 低 h 。 (2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。 ①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差 hν＝ΔE。 ②碰撞、加热等：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。 3．谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。 (2)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：N＝C 2 n＝ n（n－1） 2 。 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。 【典型例题】（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 eV 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 E．如果发出的光子中只有一种能使某金属产生光电效应，那一定是由 n＝3 能级跃迁到 n ＝1 能级发出的 【解析】 根据 C 2 3＝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 n＝3 跃迁到 n＝1，辐射的光子能量最大，ΔE＝13.6－1.51 eV＝12.09 eV，故 B 错误；从 n＝3 跃 迁到 n＝2 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 n＝3 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；如果发出的光子只有一 种能使某金属产生光电效应，知这种光子为能量最大的一种，即为 n＝3 跃迁到 n＝1 能级发 出的，故 E 正确。 ★重难点三、原子核的衰变规律★ α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 A ZX―→ A－4 Z－2Y＋ 4 2He A ZX―→ A Z＋1Y＋ 0 －1e 衰变实质 2 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 2 1 1H＋2 1 0n―→ 4 2He 1 0n―→ 1 1H＋ 0 －1e 衰变类型 α衰变 β衰变 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.确定α、β衰变次数的两种方法 方法 1：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素 A ZX 经过 n 次α衰变和 m 次β衰变后，变成稳定的新元素 A′ Z′Y，则表示该核反应的方程为： A ZX―→ A′ Z′Y＋n 4 2He＋m 0 －1e。 根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程 A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m 由以上两式联立解得 n＝ A－A′ 4 ，m＝ A－A′ 2 ＋Z′－Z 由此可见，确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。 方法 2：因为β衰变对质量数无影响，可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。 【典型例题】列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是( ) A．γ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. 210 83 Bi 的半衰期是 5 天，100 克 210 83 Bi 经过 10 天后还剩下 50 克 【答案】B 【解析】 β射线是高速电子流，而γ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 210 83 Bi 为 100× 1 2 t τg＝100× 1 2g＝25 g， 选项 D 错误。 ★重难点四、核反应方程与核能★ 1． 核反应的四种类型 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 238 92 U→ 234 90 Th＋ 4 2He β衰变 自发 234 90 Th→ 234 91 Pa＋ 0 －1e 人工转变 人工控制 14 7 N＋ 4 2He→ 17 8 O＋ 1 1H(卢瑟福发现质子) 4 2He→ 9 4Be→ 12 6 C＋ 1 0n(查德威克发现中子) 人工转变 人工控制 27 13Al＋ 4 2He→ 30 15P＋ 1 0n (约里奥·居里夫妇发现放射 性同位素，同时发现正电子)30 15P→ 30 14Si＋ 0 ＋1e 重核裂变 比较容易进行人 工控制 235 92 U＋ 1 0n→ 144 56 Ba＋ 89 36Kr＋3 1 0n 235 92 U＋ 1 0n→ 136 54 Xe＋ 90 38Sr＋10 1 0n 轻核聚变 很难控制 2 1H＋ 3 1H→ 4 2He＋ 1 0n 2.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础。如质子( 1 1H)、中子( 1 0n)、α粒 子( 4 2He)、β粒子( 0 －1e)、正电子( 0 ＋1e)、氘核( 2 1H)、氚核( 3 1H)等。 (2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的 依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。 (3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。 3．对质能方程的理解 (1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即 E＝mc2。 方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量 也增大；物体的能量减少，质量也减少。 (2)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。 (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。 4．核能的计算方法 (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”。 (3)根据核子比结合能来计算核能： 原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。 【典型例题】(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电， 235 92 U 是核电站常用 的核燃料。 235 92 U 受一个中子轰击后裂变成 144 56 Ba 和 89 36Kr 两部分，并产生________个中子。 要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。 (2)取质子的质量 mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量 mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量 mα ＝6.646 7×10－27 kg，光速 c＝3.0×108 m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效 数字) 【答案】 (1)3 大于 (2)4.3×10－12 J 【解析】 (1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为： 235 92 U＋ 1 0n―→ 144 56 Ba＋ 89 36Kr＋3 1 0n，即产生 3 个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使 链式反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。 (2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差 Δm＝(2mp＋2mn)－mα 结合能ΔE＝Δmc2 代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J。