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文档介绍
高考物理一轮复习原子结构原子核
原子结构原子核 原子结构 基础知识归纳 1.电子的发现和汤姆孙的原子模型 电子的发现： 1897年英国物理学家 汤姆孙 ，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子.使人们认识到 原子 有复杂结构，揭开了研究原子的序幕. 汤姆孙的“枣糕”模型： 原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里. 2.卢瑟福的核式结构模型 (1)α粒子散射实验装置 (2)α粒子散射实验的结果：α粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°. (3)核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做 原子核 ，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核空间里绕着核旋转.原子核所带的正电荷数等于核外的 电子数 ，所以整个原子是呈电中性的.电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的 库仑引力 . (4)从α粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为10－15～10－14 m，原子大小的数量级为10－10 m. 3.氢原子光谱 (1)光谱分为两类，一类称为 线光谱 ，另一类称为 连续光谱 ； (2)各种原子的发射光谱都是线状光谱，都只能发出几种特定频率的光，不同原子的发光频率是不同的，因此线状光谱称为原子的 特征谱线 ，对光谱线进行分析，就可以确定发光物质，这种方法称为 光谱分析 . (3)氢原子光谱可见光谱线波长可以用公式：表示，式中R称为里德伯常量，R＝1.1×107 m－1. 4.玻尔的原子模型 (1)原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出三个假设： ① 定态假设 ：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态. ② 跃迁假设 ：原子从一个定态(设能量为E2)跃迁到另一定态(设能量为E1)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＝E2－E1. ③ 轨道量子化假设 ：原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应.原子的能量不连续，因而电子可能轨道的分布也是不连续的. (2)玻尔的氢原子模型 ①氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上， 利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运动时原子的能量. 氢原子中电子在第n条可能轨道上运动时，氢原子的能量En和电子轨道半径rn分别为En＝、rn＝n2r1(n＝1、2、3…). 其中E1、r1为离核最近的第一条轨道(即n＝1)的氢原子能量和轨道半径.即E1＝－13.6 eV，r1＝0.53×10－10 m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算). ②氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫 氢原子的能级 .按能量的大小用图象表示出来即能级图. 其中n＝1的定态称为 基态 ，n＝2以上的定态，称为 激发态 . 5.原子核结构 (1)汤姆孙发现电子，说明 原子 不是最小的微粒；卢瑟福α粒子散射实验，说明原子里存在一个很小的 原子核 ；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，获得质子，说明 原子核 也不是最小的微粒. (2)原子核是由 质子 和 中子 组成的；质子和中子统称为 核子 ，原子核的核电荷数等于 质子数 ，等于原子的核外 电子数 ；原子核的质量数等于原子核内的 核子数 . (3)质子数相同而中子数不同的原子核互称 同位素 ，原子的化学性质决定于原子的核外 电子数 ；同位素具有相同的质子数，相同的核外电子数，因而具有相同的 化学性质 . 重点难点突破 一、为什么用α粒子散射实验研究原子结构 原子结构无法直接观察到，要用高速粒子进行轰击，根据粒子的散射情况分析判断原子的结构，而α粒子有足够的能量，可以穿过原子，并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况，所以选取α粒子进行散射实验. 二、氢原子怎样吸收能量由低能级向高能级跃迁 此类问题可分为三种情况： 1.光子照射氢原子，当光子的能量小于电离能时，只能满足光子的能量为两定态间能级差时才能被吸收. 2.光子照射氢原子，当光子的能量大于电离能时，任何能量的光子都能被吸收，吸收的能量一部分用来使电子电离，另一部分可用来增加电子离开核的吸引后的动能. 3.当粒子与原子碰撞(如电子与氢原子碰撞)时，由于粒子的动能可全部或部分被氢原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子两能级的能量差，就可以使原子受激发而向高能级跃迁. 典例精析 1.α粒子散射实验与核式结构模型 【例1】卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析，提出( ) A.原子的核式结构模型 B.原子核内有中子存在 C.电子是原子的组成部分 D.原子核是由质子和中子组成的 【解析】卢瑟福精确统计了向各个方向散射的α粒子的数目，提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷与几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动，由此可知，A选项正确. 【答案】A 【思维提升】(1)关键是利用α粒子散射实验的结果进行分析. (2)尽管B、C、D正确，但实验结果不能说明它们，故不选B、C、D. 【拓展1】在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是( A ) A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B.正电荷在原子中是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子 D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中 【解析】α粒子带正电，其质量约是电子质量的7 300倍.α粒子碰到金原子内的电子，就像飞行中的子弹碰到尘埃一样，其运动方向不会发生明显的改变. 若正电荷在原子内均匀分布，α粒子穿过原子时，它受到的两侧正电荷斥力有相当大一部分互相抵消，使α粒子偏转的力也不会很大. 根据少数α粒子发生大角度偏转的现象，只能认为原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，入射的α粒子中，只有少数α粒子有机会很接近核，受到很大的斥力而发生大角度偏转.所以正确选项是A. 2.氢原子的能级跃迁 【例2】假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数是处在该激发态能级上的原子总数的.现在1 200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是( ) A.2 200个 B.2 000个 C.1 200个 D.2 400个 【解析】如图所示，各能级间跃迁的原子个数及处于各能级的原子个数分别为 n＝4到n＝3 N1＝1 200×＝400 n＝3能级的原子个数为400个. n＝4到n＝2 N2＝1 200×＝400 n＝3到n＝2 N3＝400×＝200 n＝2能级的原子个数为600个. n＝4到n＝1 N4＝1 200×＝400 n＝3到n＝1 N5＝400×＝200 n＝2到n＝1 N6＝600 所以发出的光子总数为 N＝N1＋N2＋…＋N6＝2 200 【答案】A 【思维提升】(1)原子从低能级向高能级跃迁吸收一定能量的光子，当一个光子的能量满足hυ＝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hυ大于或小于E末－E初时都不能被原子吸收. (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)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被氢原子吸收， 使氢原子电离；当氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能. 一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为N＝. 【拓展2】氢原子的能级如图所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62 eV～3.11 eV.下列说法错误的是( D ) A.处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离 B.大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应 C.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光 D.大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光 易错门诊 3.氢原子的能量 【例3】氢原子基态的轨道半径为0.528×10－14 m，量子数为n的能级的能量为E＝－eV. (1)求电子在基态轨道上运动时的动能； (2)有一群氢原子处于量子数n＝3的激发态.画一能级图，在图上用箭头标明这些氢原子能发出哪几条光谱线； (3)计算这几条光谱线中波长最短的一条的波长.(其中静电力常量k＝9.0×109 N·m2/C2，电子的电荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克恒量h＝6.63×10－34 J·s，真空中光速c＝3.0×108 m/s) 【错解】(1)电子在基态轨道中运动时量子数n＝1，其动能为En＝－＝－＝ －13.6 eV 由于动能不为负值，所以Ek＝|En|＝13.6 eV (2)作能级图如图，可能发出两条光谱线. (3)由于能级差最小的两能级间跃迁产生的光谱线波长最短，所以(E3－E2)时所产生的光谱线为所求，其中 E2＝－ eV＝－3.4 eV E3＝－eV＝－1.51 eV 由hν＝E3－E2及λ＝ 所以λ＝= m＝6.62×10－7 m 【错因】(1)动能的计算错误主要是不理解能级的能量值的物理意义，因而把电子在基态轨道上运动时的动能与n＝1时的能级的能量值等同起来.电子在轨道上的能量E，它包括电势能Ep和动能Ek.计算表明Ep＝－2Ek，所以E＝Ek＋Ep＝－Ek，Ek＝－E＝13.6 eV.虽然错解中解出的数值正确，但概念的理解是错误的. (2)错解中把电子的发射光谱图画成了吸收光谱图. (3)不少学生把能级图上表示能级间能量差的长度线看成与谱线波长成正比了. 【正解】(1)设电子的质量为m，电子在基态轨道上的速率为v1，根据牛顿第二定律和库仑定律有 所以Ek＝ J＝2.18×10－18 J＝13.6 eV (2)当氢原子从量子数n＝3的能级跃迁到较低能级时，可以得到3条光谱线，如图所示. (3)波长最短的一条光谱线对应的能级差应为最大，应是从量子数为3的能级跃迁到量子数为1的能级所发出的光谱线. E3－E1＝hυ υ＝ λ＝＝1.65×10－7 m 【思维提升】正确理解能级、能级图的物理意义是避免出错的关键. 第 2课时 原子核 基础知识归纳 1.天然放射现象 (1)天然放射现象：某些物质能 自发 发射出人眼看不见但能使照相底片感光的射线，物质发射这种射线的性质叫做放射性.天然放射现象的发现，揭示了原子核也具有 复杂结构 . (2)半衰期 放射性元素的原子核有 半数 发生衰变需要的时间叫半衰期.半衰期与放射性元素的多少及物理、化学状态无关，只由 核内部的因素 决定，不同的元素有不同的半衰期. 三种射线的本质和特性 名称 实质 射出 速度 电离 作用 穿透本领 云室中径迹 α射线 高速 氦核流 较强 小纸片即 可挡住 直而粗 β射线 高速 电子流 较弱 较强(穿透几毫 米厚的铝板) 细而弯曲 γ射线 高能 光子流 c 更小 强(穿透几厘 米厚的铅板) 一般看不到 (3)放射性同位素的利用主要有两个途径：一是利用它的 射线 ，二是作为 示踪原子 . 过量的放射线 会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用.为了防止一些人工合成的放射性物质和天然的放射性物质对环境造成的污染，人们需要采取有效措施. 2.原子核的变化 (1)衰变： α衰变：原子核放出α粒子.其衰变规律： β衰变：原子核放出β粒子.其衰变规律： γ衰变：α衰变或β衰变时形成的新核不稳定，释放出γ光子. (2)人工核转变： (发现质子的核反应) (人工制造放射性同位素) (3)重核的裂变：在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应.铀235核能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的 临界体积 . 核反应堆的构造： A.核燃料——用铀棒(含U,3%～4%的浓缩铀). B.减速剂——用石墨、重水或普通水(U只吸收慢中子). C.控制棒——用镉做成(镉吸收中子的能力很强). D.冷却剂——用水或液态钠(把反应堆内的热量传递出去). (4)轻核的聚变：H＋H→He＋n(需要几百万度高温，所以又叫热核反应) 3.核能及其运用 (1)核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能是稳定状态，一定还有另外一种力把各核子紧紧地拉在一起，这种力叫做 核力 . ①核力是很强的力. ②核力作用范围小，只在2.0×10－15 m短距离内起作用. ③每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用. (2)核能 ①结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一定能量，这种能量叫 结合能 . ②质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做 质量亏损 . 也可以认为在核反应中，参加核反应的总质量m和核反应后生成的核总质量m′之差：Δm＝m－m′. ③爱因斯坦质能方程：爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：E＝mc2，这就是爱因斯坦的质能方程. 质能方程的另一个表达形式是：ΔE＝Δmc2. 4.粒子物理学 到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成. 20世纪30年代以来，人们认识了正电子、μ子、K介子、π介子等粒子.后来又发现了各种粒子的反粒子(质量相同而电荷及其他一些物理量相反). 现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学.按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子——夸克组成.从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子.用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化. 重点难点突破 一、半衰期由什么决定，如何计算 1.半衰期是研究衰变过程的一个重要概念.放射性元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量原子的样品，半衰期表示放射性元素的大量原子核有50%发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢，对某一个原子核而言，半衰期是无意义的，因此这个核何时发生衰变，会受到各种偶然因素的影响.同样地，当样品中原子数目减少到统计规律不再起作用的时候，也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少发生衰变了，所以不能根据半衰期来推断放射性元素的样品全部衰变完所需的时间. 2.决定因素：由原子核本身决定，与外部的物理条件、化学变化等因素无关. 3.公式：N余＝N原() M余＝M原() 式中N原、M原分别表示衰变前放射性元素的原子核个数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期. 二、如何推断核衰变的次数 两种衰变规律为 X→Y＋He，X→Y＋e. 由此可知，α衰变时其质量数、核电荷数都改变，β衰变时只改变核电荷数，不改变质量数.所以在判断发生几次α和β衰变的问题时，必须先由质量数的变化来确定α衰变的次数. 三、怎样正确写出核反应方程 解决这类问题的方法：一是要掌握核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒的规律；二是要熟悉和掌握教材中出现的重要核反应方程式，并知道其意义；三是要熟记常见的基本粒子的符号，如质子、中子、α粒子、β粒子、正电子、氘核、氚核等.另外，还要注意在写核反应方程时，不能无中生有，必须是确实存在、有实验基础的核反应. 另外，核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“→”连接并指示反应方向，而不是用“＝”连接. 四、三种射线在电场和磁场中偏转时有何特点 三种射线在电场和磁场中偏转时有以下特点： 1.不论在电场还是磁场中，γ射线总是做匀速直线运动，不发生偏转. 2.在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移大. 如图所示，粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，位移x可表示为x＝at2＝()2∝. 典例精析 1.α、β、γ三种射线的性质 【例1】如图所示，x为未知放射性源，L为一薄铝片，N、S可以提供强磁场.当将强磁场移走时，计数器的计数率不变，然后铝片移开，则计数率大幅度上升，这些现象说明放射源是( ) A.纯β粒子放射源 B.纯γ光子放射源 C.α粒子和β粒子混合放射源 D.α粒子和γ光子混合放射源 【解析】铝片L已将α射线挡住，故通过L的可能是β射线和γ射线.当将强磁场移开时，由于不受强磁场的偏转作用，若含有β射线，计数器的计数率增大，题意为不变，说明放射源中不含β射线.将铝片移开，计数率大幅度上升，说明放射源中含α粒子. 【答案】D 【思维提升】根据三种射线的不同特性进行判断. 【拓展1】一天然放射性物质射出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示)，调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线照射，下面的哪种判断是正确的(已知α粒子比β粒子速度小)( C ) A.射到b点的一定是α射线 B.射到b点的一定是β射线 C.射到b点的一定是α射线或β射线 D.射到b点的一定是γ射线 【解析】γ射线不带电，在电场或磁场中它都不受场的作用，只能射到a点，因此D选项不对.调整E和B的大小，即可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进.沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qBv 已知α粒子比β粒子的速度小得多，当我们调节使α粒子沿直线前进时，速度大的β粒子向右偏转，有可能射到b点，当我们调节使β粒子沿直线前进时，速度较小的α粒子也将会向右偏，也可能射到b点，因此C选项正确，而A、B选项都不对. 2.半衰期 【例2】(1)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( ) A.是原子核质量减少一半所需的时间 B.是原子核有半数发生衰变所需的时间 C.把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的半衰期 D.可以用来测定地质年代、生物年代等 (2)设镭226的半衰期为1.6×103年，质量为100 g的镭226经过4.8×103年后，有多少克镭发生衰变？若衰变后的镭、变为铅206，则此时镭、铅质量之比为多少？ 【解析】(2)经过三个半衰期，剩余镭的质量为 M′余＝M原()＝100× g＝12.5 g 已衰变的镭的质量为(100－12.5) g＝87.5 g 设生成铅的质量为m，则226∶206＝87.5∶m 得m＝79.8 g 所以镭、铅质量之比为125∶798 【答案】(1)BD (2)87.5 g；125∶798 【思维提升】(1)半衰期是原子核有半数发生衰变，变成新核，并不是原子核的数量、质量减少一半. (2)要理解半衰期公式中各物理量的含义. 【拓展2】目前，在居家装修中经常用花岗岩、大理石等装修材料，这些岩石都不同程度含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗石会释放出放射性的惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放出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( B ) A.氡的半衰期为3.8天，若取8个氡原子核，经7.6天后一定剩下2个氡原子核 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，γ射线的穿透能力最强，电离能力也最强 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 2.质量亏损与核能的计算 【例3】已知氮核质量mN＝14.007 53 u，氧核质量m0＝17.004 54 u，氦核质量mHe＝4.003 87 u，质子质量mH＝1.008 15 u，试判断核反应： H＋He→O＋H 是吸能反应，还是放能反应？能量变化多少？ 【解析】先计算出质量亏损Δm，然后由1 u相当于931.5 MeV能量代入计算即可. 反应前总质量mN＋mHe＝18.011 40 u 反应后总质量mO＋mH＝18.012 69 u 因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收能量为 ΔE＝Δmc2＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV＝1.2 MeV 【思维提升】(1)根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损Δm的数值乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2. (2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV. 【拓展3】一个静止的U(原子质量为232.037 2 u)，放出一个α粒子(原子质量为4.002 60 u)后，衰变成Th(原子质量为228.028 7 u).假设放出的核能完全变成Th核和α粒子的动能，试计算α粒子的动能. 【解析】反应中产生的质量亏损 Δm＝mU－(mTh＋mα)＝0.005 9 u 反应中释放的核能 ΔE＝Δm×931.5 MeV＝5.5 MeV 在U核衰变过程中动量守恒、能量守恒，则 0＝mαvα－mThvTh ΔE＝mαv＋mThv 解以上两式得 ΔE＝＋ ＝(mαvα)2 则α粒子的动能 Eα＝mαv ＝ΔE ＝×5.5 MeV ＝5.41 MeV 第 3 课时 单元综合提升 知识网络构建 经典方法指导 1.复习方法 本章知识是学习现代物理的基础，在复习时要采用系统理解、重点记忆的办法.要做到： (1)对每个概念、规律、现象有正确的理解，并弄清其来龙去脉，只有这样才能记忆深刻、明辨是非、正确表达； (2)紧扣课本，重点掌握原子的核式结构理论、能级跃迁规律、核反应方程中质量数和核电荷数守恒、α衰变、β衰变的规律； (3)对一些粒子的特性，如α、β、γ等的属性要有清晰的了解，它们属于当今物理学的前沿、高能物理学的基础. 2.主要解题方法 本章中，最主要的解题方法有两种，其一是：理想模型法.本章中主要的模型有：枣糕模型、原子的核式结构模型、玻尔的原子模型、原子核模型、夸克模型.对于物理模型，必需弄清模型建立的实验基础或物理事实，理解模型建立的物理过程及物理条件、适用范围.其二是：运用物理规律解决物理问题.本章中涉及的物理规律主要有：衰变规律、核反应所遵循的物理规律、粒子在电磁场中运动的规律及动量和能量守恒规律，对于规律的运用，应明确规律成立的条件、适用范围，准确把握其物理意义. 高考真题赏析 【例1】(2009·四川)氢原子能级的示意图如图所示，大量氢原子从n＝4的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光a，从n＝3的能级向n＝2的能级跃迁时辐射出可见光b，则( ) A.氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出γ射线 B.氢原子从n＝4的能级向n＝3的能级跃迁时会辐射出紫外线 C.在水中传播时，a光较b光的速度小 D.氢原子在n＝2的能级可吸收任意频率的光而发生电离 【考点】氢原子能级的跃迁. 【解析】由题意知a光光子能量大于b光光子能量，a光频率大于b光频率，由v水＝，可知C正确.γ射线是原子核衰变而产生的，A错.E43查看更多