【物理】2019届一轮复习人教版第十三章第3讲原子结构和原子核学案

【物理】2019届一轮复习人教版第十三章第3讲原子结构和原子核学案

第3讲　原子结构和原子核 一、光谱和能级跃迁 ‎1．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＝1.10×107 m－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．‎ ‎2．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＝6.63×10－34 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．‎ ‎(2)几个概念 ‎①能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级．‎ ‎②基态：原子能量最低的状态．‎ ‎③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态．‎ ‎④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数．‎ ‎(3)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.‎ ‎(4)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＝0.53×10－10 m.‎ ‎3．氢原子的能级图 能级图如图1所示 图1‎ 自测1　一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2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 解析　氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项B正确，选项A、C、D错误．‎ 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)三种射线 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 ‎＋2e ‎4 u 最强 最弱 β射线 电子 ‎　e ‎－e u 较强 较强 γ射线 光子 γ ‎0‎ ‎0‎ 最弱 最强 ‎(3)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 原子核内部，核子间所特有的相互作用力．‎ ‎5．核能 ‎(1)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.‎ ‎(2)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.‎ ‎6．核能释放的两种途径的理解 ‎(1)使较重的核分裂成中等大小的核；‎ ‎(2)较小的核结合成中等大小的核．‎ 核子的比结合能都会增大，都可以释放能量．‎ 自测2　下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．Bi的半衰期是5天，100克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Bi为100×g＝100×()2 g＝25 g，选项D错误．‎ 自测3　核反应方程Be＋He→C＋X中的X表示(　　)‎ A．质子 B．电子 C．光子 D．中子 答案　D 命题点一　玻尔理论与氢原子光谱 ‎1．原子跃迁条件与规律 原子的跃迁条件：hν＝E初－E终，适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．以下两种情况则不受此条件限制．‎ ‎(1)光子和原子作用而使原子电离的情况 原子一旦电离，原子结构即被破坏，因而不再遵守有关原子结构的理论．如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大．‎ ‎(2)实物粒子和原子作用而使原子激发的情况 当实物粒子和原子相碰时，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，均可以使原子受激发而向较高能级跃迁，但原子所吸收的能量仍不是任意的，一定等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差．‎ ‎2．一个原子和一群原子 氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，‎ 在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了．即：一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱条数为N＝＝C，而一个氢原子处于量子数为n的激发态上时，最多可辐射出n－1条光谱线．‎ 例1　(2017·南京市9月调研)如图2所示为氢原子的能级图，用光子能量为12.75 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射的不同波长的光有________种，其中最长波长的光子的频率为________Hz(已知普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，计算结果保留2位有效数字)．‎ 图2‎ 答案　6　1.6×1014‎ 解析　基态的氢原子吸收12.75 eV后的能量E＝－13.60＋12.75 eV＝－0.85 eV，可知氢原子跃迁到第4能级，根据C＝6知，可能观测到氢原子发射的不同波长的光有6种．从n＝4跃迁到n＝3辐射的光子能量最小，波长最长，根据E4－E3＝hν得，‎ ν＝＝Hz≈1.6×1014 Hz.‎ 变式1　(2017·南京市、盐城市二模)氢原子的能级图如图3所示，现让光子能量为E的一束光照射到大量处于基态的氢原子上，氢原子能发出3种不同频率的光，那么入射光光子的能量为________ eV，发出光的最大波长为________m．(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，计算结果保留两位有效数字)‎ 图3‎ 答案　12.09　6.6×10－7‎ 命题点二　原子核的衰变 ‎1．衰变规律及实质 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→Y＋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→He n→H＋e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 ‎2.原子核的人工转变 用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程．‎ ‎3．确定衰变次数的方法 ‎(1)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，则表示该核反应的方程为 X→Y＋nHe＋me 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m ‎(2)确定衰变次数，因为β衰变对质量数无影响，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．‎ 例2　(多选)(2018·高邮市段考)C能自发地进行β衰变，下列判断正确的是(　　)‎ A．C经β衰变后变成C B．C经β衰变后变成N C．C发生β衰变时，原子核内一个质子转化成中子 D．C发生β衰变时，原子核内一个中子转化成质子 答案　BD 变式2　(多选)(2017·扬州市5月考前调研)核电池又叫“放射性同位素电池”，一个硬币大小的核电池可以让手机不充电使用5 000年．将某种放射性元素制成核电池，带到火星上去工作．已知火星上的温度、压强等环境因素与地球有很大差别，下列说法正确的有(　　)‎ A．该放射性元素到火星上之后，半衰期发生变化 B．该放射性元素到火星上之后，半衰期不变 C．若该放射性元素的半衰期为T年，经过2T年，该放射性元素还剩余12.5%‎ D．若该放射性元素的半衰期为T年，经过3T年，该放射性元素还剩余12.5%‎ 答案　BD 命题点三　核反应类型及核反应方程 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He→O＋H ‎(卢瑟福发现质子)‎ He＋Be→C＋n ‎(查德威克发现中子)‎ Al＋He→P＋n 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 P→Si＋e 重核裂变 比较容易进行人工 控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 除氢弹外 无法控制 H＋H→He＋n 例3　(2017·南京市、盐城市二模)一个静止的氮核N俘获一个速度为1.1×107 m/s的氦核变成B、C两个新核．设B的速度方向与氦核速度方向相同、大小为4×106 m/s，B的质量数是C的17倍，B、C两原子核的电荷数之比为8∶1.‎ ‎(1)写出核反应方程；‎ ‎(2)估算C核的速度大小．‎ 答案　(1)N＋He→O＋H　(2)2.4×107 m/s 解析　(2)由动量守恒定律：mHevHe＝mOvO＋mHvH vH＝－2.4×107 m/s 即C核的速度大小为2.4×107 m/s 变式3　(多选)(2018·扬州中学模拟)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：X＋Y→He＋H＋4.9 MeV和H＋H→He＋X＋17.6 MeV.下列表述正确的有(　　)‎ A．X是中子 B．Y的质子数是3，中子数是6‎ C．两个核反应都没有质量亏损 D．氘和氚的核反应是核聚变反应 答案　AD 解析　根据核反应方程：H＋H→He＋X，X的质量数：m1＝2＋3－4＝1，核电荷数：z1＝1＋1‎ ‎－2＝0，所以X是中子，故A正确；根据核反应方程：X＋Y→He＋H，X是中子，所以Y的质量数：m2＝4＋3－1＝6，核电荷数：z2＝2＋1－0＝3，所以Y的质子数是3，中子数是3，故B错误；根据两个核反应方程可知，都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，故C错误；氘和氚的核反应过程中是质量比较小的核生成质量比较大的新核，所以是核聚变反应，故D正确．‎ 命题点四　关于核能的计算 ‎1．应用质能方程解题的流程图 →→ ‎(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”．‎ ‎2．利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替质量进行计算．‎ ‎3．核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能．‎ 例4　(多选)(2017·江苏单科·12C(1))原子核的比结合能曲线如图4所示．根据该曲线，下列判断正确的有(　　)‎ 图4‎ A.He核的结合能约为14 MeV B.He核比Li核更稳定 C.两个H核结合成He核时释放能量 D.U核中核子的平均结合能比Kr核中的大 答案　BC 解析　由题图图象可知He核的结合能约为28 MeV，A项错误；He核比Li核的比结合能大，故He核比Li核稳定，B项正确；两个H核结合成He核时比结合能增大，释放能量，C项正确；U核中核子的平均结合能比Kr核中的小，D项错误．‎ 变式4　(2017·南京市、淮安市5月模拟)太阳内部不断地进行着各种核聚变反应，‎ 一个氘核和一个氚核结合成一个氦核就是其中之一，请写出其核反应方程____________________；如果氘核的比结合能为E1，氚核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，则上述反应释放的能量可表示为____________．‎ 答案　H＋H→He＋n　4E3－3E2－2E1或(H＋H→He＋2n　3E3－3E2－2E1)‎ ‎1．(2016·江苏单科·12C(1))贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用．下列属于放射性衰变的是(　　)‎ A.C→N＋e B.U＋n→I＋Y＋2n C.H＋H→He＋n D.He＋Al→P＋n 答案　A 解析　A属于β衰变，B属于重核裂变，C是轻核聚变，D是原子核的人工转变，故选A项．‎ ‎2．(2017·东台市5月模拟)核子的平均质量与原子序数的关系曲线如图5所示．由表可知：将A分裂成B、C，核子的比结合能将________(填“增大”或“减小”)；D、E合并成F，F的质量________(填“大于”“等于”或“小于”)D、E的总质量．‎ 图5‎ 答案　增大　小于 ‎3.(2017·江苏考前综合模拟)氢原子的能级如图6所示，有一群处于n＝4能级的氢原子，这群氢原子能发出______种谱线，发出的光子照射某金属能产生光电效应现象，则该金属的逸出功应小于________eV.‎ 图6‎ 答案　6　12.75‎ ‎4．(2018·淮海中学质检)1926年美国波士顿的内科医生卢姆加特等首次应用放射性氡研究人体动、静脉血管床之间的循环时间，被誉为“临床核医学之父”．氡的放射性同位素有27种，其中最常用的是Rn.Rn经过m次α衰变和n次β衰变后变成稳定的Pb.‎ ‎(1)求m、n的值；‎ ‎(2)一个静止的氡核(Rn)放出一个α粒子后变成钋核(Po)．已知钋核的速率v＝1×106 m/s，求α粒子的速率．‎ 答案　(1)4　4　(2)5.45×107 m/s 解析　(1)衰变方程可写成Rn→Pb＋mHe＋ne 根据质量数守恒得4m＝222－206，m＝4‎ 根据电荷数守恒得86＝82＋2m－n，n＝4‎ ‎(2)由动量守恒定律得mαvα－mPov＝0‎ vα＝5.45×107 m/s ‎1．下列说法正确的是(　　)‎ A．P→Si＋e是一种核裂变反应 B．核反应堆产生的能量一定来自轻核聚变 C．太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应 D．α射线比β射线更容易使气体电离 答案　D ‎2．(多选)(2017·南京市、盐城市二模)下列说法中正确的是(　　)‎ A．电子的衍射现象说明实物粒子也具有波动性 B．β衰变是原子核内部一个质子转化成一个中子的过程 C．裂变物质的体积小于临界体积时，链式反应不能进行 D．铀235的半衰期约为7亿年，随地球环境的变化，半衰期可能变短 答案　AC ‎3．(2018·江苏七校模拟)下列说法中正确的是(　　)‎ A．汤姆孙将量子观念引入原子领域 B．核力存在于原子核内任意两个核子之间 C．天然放射现象的发现使人类认识到原子具有复杂的结构 D．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关 答案　D 解析　玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氢原子光谱的特征，故A 错误；核力与万有引力、库仑力的性质不同，核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m，原子核半径的数量级约为10－15 m，所以核力只存在于相邻的核子之间，核力是原子核能稳定存在的原因，故B错误；天然放射现象的发现使人类认识到原子核具有复杂的结构，故C错误；根据黑体辐射实验的规律可知：黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关，故D正确．‎ ‎4．(2018·铜山中学模拟)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，α射线的穿透能力最强，γ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 答案　D ‎5．(多选)以下有关近代物理内容的若干叙述，正确的是(　　)‎ A．紫外线照射到金属锌板表面时能发生光电效应，则当减小紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之减小 B．玻尔认为，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的 C．光子不仅具有能量，也具有动量 D．根据玻尔能级理论，氢原子辐射出一个光子后，将由高能级向较低能级跃迁，核外电子的动能增加 答案　BCD ‎6．(2017·盐城市第三次模拟)氡222经过α衰变变成钋218，t＝0时氡的质量为m0，任意时刻氡的质量为m，下列四幅图中正确的是(　　)‎ 答案　B ‎7．(2017·南通市第三次调研)1946年，我国物理学家何泽慧发现铀核的四裂变，铀235核俘获中子后裂变成三个质量较大的核和一个质量较轻的核，径迹如图1所示．在铀核裂变过程中，产生新核的核子平均质量______(选填“大于”“等于”或“小于”)铀核的核子平均质量；若释放的核能为ΔE，则此反应中发生质量亏损Δm为________．(真空中的光速为c)‎ 图1‎ 答案　小于　 ‎8．(2017·苏锡常镇四市调研)2010年11月17日欧洲核子研究中心的科学家通过大型强子对撞机俘获了少量反氢原子．反氢原子是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成．反质子和质子具有相同的质量，且带有等量异种电荷．反氢原子和氢原子具有相同的能级，其原子能级如图2所示．根据玻尔原子结构理论，反氢原子n＝3轨道处的电势比n＝4轨道处的电势________(选填“高”或“低”)；正电子处在n＝3轨道上运动的动能比处在n＝4轨道上的动能________(选填“大”或“小”)．‎ 图2‎ 答案　低　大 解析　根据玻尔原子结构理论，因反氢原子中的反质子带负电，故n＝3轨道比n＝4轨道离原子核较近，故电势低；正电子处在n＝3轨道上运动的动能比处在n＝4轨道上的动能大．‎ ‎9．(2017·江苏省联盟2月大联考)原子弹爆炸能瞬间释放出巨大的能量，是利用了________(选填“原子核人工转变”“重核裂变”“轻核聚变”或“原子核衰变”)；太阳能不断地向外辐射能量，是因为其内部不断地发生着______(选填“原子核人工转变”“重核裂变”“轻核聚变”或“原子核衰变”)．若用He核轰击N核发生核反应，最终产生O核和________核(写出元素符号)，已知He、N核的质量分别为m1、m2，产生新核的质量分别为m3、m4，则该核反应放出的核能为______(已知真空中的光速为c)．‎ 答案　重核裂变　轻核聚变　H　(m1＋m2－m3－m4)c2‎ 解析　原子弹爆炸是利用重核裂变释放出核能；太阳内部时刻发生轻核聚变(也叫热核反应)；根据质量数与电荷数守恒知产生的核是H；由质能方程可求释放的核能为：ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2.‎ ‎10．(2017·苏北四市模拟)氢原子能级图如图3所示，氢原子从n＝2的激发态跃迁到基态．‎ 图3‎ ‎(1)求氢原子辐射的光子能量；‎ ‎(2)氢原子辐射的光子照射逸出功为3.34 eV的锌板时，求逸出光电子的最大初动能．‎ 答案　(1)10.2 eV　(2)6.86 eV 解析　(1)E2－E1＝10.2 eV ‎(2)由光电效应方程得Ekm＝hν－W0＝(10.2－3.34) eV＝6.86 eV ‎11．(2017·扬州中学12月月考)太阳现在正处于主序星演化阶段．它主要是由电子和H、He等原子核组成．维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是：2e＋4H→He＋释放核能，这些核能最后转化为辐射能．‎ ‎(1)已知质子质量mp，氦核的质量mα，电子质量me，光速c.试求每发生一次上述核反应所释放的核能；‎ ‎(2)用上述辐射中产生的波长为400 nm某一单色光去照射逸出功为3.0×10－19 J金属材料铯时，能否产生光电效应？若能，试求出产生的光电子的最大初动能．(保留三位有效数字，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s)‎ 答案　(1)(4mp＋2me－mα)c2　(2)能　1.97×10－19 J 解析　(1)根据爱因斯坦质能方程得，ΔE＝Δmc2＝(4mp＋2me－mα)c2‎ ‎(2)单色光的能量为E＝h＝6.63×10－34× J＝4.97×10－19 J>3.0×10－19 J 所以可以产生光电效应，最大初动能为Ekm＝hν－W0＝4.97×10－19 J－3.0×10－19 J＝1.97×10－19 J.‎ ‎12．(2018·阜宁中学调研)原子核的能量也是量子化的，Ac能发生β衰变产生新核Th，处于激发态的新核Th的能级图如图4所示．‎ 图4‎ ‎(1)写出Ac发生β衰变的方程；‎ ‎(2)发生上述衰变时，探测器能接收到γ射线谱线有几条？求出波长最长γ光子的能量E.‎ 答案　(1)Ac→Th＋e　(2)3　0.0 721 MeV 解析　(2)三个能级间跃迁有3条谱线 波长最长对应能级差最小E＝E2－E1＝0.0 721 MeV