4 原子結構　原子核—2021屆高中物理一輪復習暑假專題學案（選修3-5）

1、一輪復習暑假專題-選修3-5學案4原子結構原子核一、基礎知識1.原子的核式結構模型 (1)電子的發(fā)現(xiàn):英國物理學家發(fā)現(xiàn)了電子。 (2)粒子散射實驗:19091911年,英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用粒子轟擊金箔的實驗,實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿前進,但有少數(shù)粒子發(fā)生了,幾乎被“撞”了回來。 (3)盧瑟福提出原子的核式結構模型:在原子中心有一個很小的,原子幾乎全部質量都集中在核里,帶負電的在核外空間繞核旋轉。 2.氫原子的能級結構 (1)玻爾理論a.定態(tài):原子只能處于一系列的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,電子雖然繞核運動,但并不向外。

2、 b.躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時,它一定頻率的光子,光子的能量由這兩個定態(tài)的決定,即h=。(h是普朗克常量,h=6.626×10-34 J·s) c.軌道:原子的不同跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道也是的。 (2)基態(tài)和激發(fā)態(tài):原子能量最低的狀態(tài)叫態(tài),其他能量較高的狀態(tài)叫態(tài)。 3.原子核的組成 (1)原子核由和組成,它們統(tǒng)稱為。 (2)原子核的核電荷數(shù)=,原子核的質量數(shù)=質子數(shù)+中子數(shù)。 (3)同位素:具有相同質子數(shù)、不同中子數(shù)的原子。同位素在元素周期表中的

3、位置相同。4.天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象:元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象,首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn)。的發(fā)現(xiàn),說明原子核還具有復雜的結構。 (2)三種射線放射性元素放射出的射線共有三種,分別是、。其中射線是高速運動的氦核,射線是高速運動的電子流,射線是光子。 (3)半衰期a.定義:放射性元素的原子核有發(fā)生衰變所需的時間。 b.影響因素:放射性元素衰變的快慢是由原子核內部因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)及化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關。(4)衰變和衰變的實質衰變:核內兩個中子和兩個質子作為一個整體從較大的原子核內拋射出來。衰變:核內的一個中子轉化為一個質子,

4、同時放出一個電子。5.核力、結合能、質量虧損 (1)核力a.定義:原子核內部,核子間所特有的相互作用力。b.特點：.核力是強相互作用的一種表現(xiàn)。.核力是短程力,作用范圍在1.5×10-15 m 之內。c.每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。(2)愛因斯坦質能方程。 (3)質量虧損:原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小m,這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能E=。 6.裂變與聚變 (1)重核裂變:質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫作。裂變的應用:原子彈、核反應堆。 

5、(2)輕核聚變:兩個輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行,因此又叫。 答案：湯姆孫原來的方向大角度偏轉核電子不連續(xù)輻射能量輻射或吸收能量差Em-En能量狀態(tài)不連續(xù)基激發(fā)質子中子核子質子數(shù)天然放射現(xiàn)象射線射線射線半數(shù)E=mc2mc2臨界體積熱核反應二、理解玻爾模型1.氫原子能級2.光譜研究表明每種原子只能吸收或輻射特定頻率的光,說明原子能量狀態(tài)是不連續(xù)的,即量子化的。玻爾據(jù)此提出了玻爾模型:定態(tài)假設、躍遷假設和軌道假設。三、理解氫原子能級圖及原子躍遷相關量意義能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)定態(tài)橫線左端的數(shù)字“1,2,3,”表示量子數(shù)橫線右端的數(shù)字“-1

6、3.6,-3.4,”表示氫原子的能量(可以發(fā)現(xiàn):En=1n2E1)相鄰橫線間的距離表示相鄰的能量差,量子數(shù)越大相鄰的能量差越小,距離越小帶箭頭的豎線表示原子由較高能級向較低能級躍遷,原子躍遷的條件為h=Em-En1.對原子躍遷條件h=Em-En的說明(1)原子躍遷條件h=Em-En只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況。(2)當光子能量大于或等于13.6 eV時,也可以被處于基態(tài)的氫原子吸收,使氫原子電離;當處于基態(tài)的氫原子吸收的光子能量大于13.6 eV時,氫原子電離后,電子具有一定的初動能。(3)原子還可吸收外來實物粒子(例如自由電子)的能量而被激發(fā)。由于實物粒子的動能可全部

7、或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于兩能級的能量差值(E=Em-En),均可使原子發(fā)生能級躍遷。2.躍遷中兩個易混問題(1)一群原子和一個原子氫原子核外只有一個電子,這個電子在某個時刻只能處在某一個可能的軌道上,在某段時間內,由某一軌道躍遷到另一個軌道時,可能的情況只有一種,但是如果容器中盛有大量的氫原子,這些原子的核外電子躍遷時就會有各種情況出現(xiàn)了。一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時,可能輻射出的光譜線條數(shù)N=Cn2。(2)躍遷和電離處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)的原子中的電子由于受激發(fā)而脫離原子核的束縛成為自由電子所需要的最小的能量,叫作電離能。各激發(fā)態(tài)的電離能等于各能級的能量。量子數(shù)越小

8、、電離能越大。電子電離可以通過吸收光子和與實物粒子碰撞來實現(xiàn)。吸收光子的能量必須不小于電離能,才會發(fā)生電離,外來粒子和原子碰撞,外來粒子的能量必須不小于電離能才會發(fā)生電離。四、衰變規(guī)律及實質1.衰變、衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變過程 ZAXZ-2A-4Y+24He ZAXZ+1AY+-10e衰變實質2個質子和2個中子結合成一個整體射出211H+201n24He1個中子轉化為1個質子和1個電子 01n11H+-10e勻強磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒、動量守恒射線:射線經常是伴隨著射線和射線產生的。其實質是放射性原子核在發(fā)生衰變、衰變的過程中,產生的

9、新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出的光子。2.確定衰變次數(shù)的方法3.半衰期半衰期的計算:根據(jù)半衰期的概念,可總結出公式。N余=N原12t,m余=m原12t,式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質量,N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質量,t表示衰變時間,表示半衰期。4.三種射線的比較比較項目射線射線射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)帶電荷量2e-e0質量4mpmp1836靜止質量為零符號 24He -10e速度可達0.1c可達0.99cc垂直進入電場或磁場的偏轉情況偏轉偏轉不偏轉貫穿本領最弱較強最強對空氣的電離作用

10、很強較弱很弱五、核反應的四種類型比較1.幾種核反應和核反應方程(1)衰變:放射性元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象。放射出的射線共有三種,分別是射線、射線、射線,不同的放射性元素有不同的半衰期。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明原子核具有復雜的結構。(2)裂變:質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。裂變會釋放巨大的能量。(3)聚變:兩輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行,因此又叫熱核反應,聚變也會釋放巨大的能量。(4)人工核反應:科學家用其他高能粒子轟擊原子核產生新原子核的過程,稱為人工核反應。(5)核反應方程:核反應前后質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。2.核

11、反應的四種類型比較類型可控性核反應方程典例衰變衰變自發(fā)  92238U90234Th+24He衰變自發(fā)  90234Th 91234Pa+-10e人工轉變人工控制14 7N+24He 817O+11H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子) 24He+49Be 612C+01n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子) 1327Al+24He1530P+01n(約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素及正電子) 1530P1430Si+10e重核裂變比較容易進行人工控制  92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n  92235U+01n 54136Xe+389

12、0Sr+1001n輕核聚變除氫彈外無法控制 12H+13H24He+01n3.核反應方程式的書寫注意事項(1)熟記常見基本粒子的符號,是正確書寫核反應方程的基礎。如質子(11H)、中子(01n)、粒子(24He)、粒子(-10e)、正電子(+10e)、氘核(12H)、氚核(13H)等。(2)掌握核反應方程遵守的規(guī)律,是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確依據(jù),由于核反應不可逆,所以書寫核反應方程式時只能用“”表示反應方向。(3)核反應過程中質量數(shù)守恒,電荷數(shù)守恒。課堂練習1.(2017天津卷,1)我國自主研發(fā)制造的國際熱核聚變核心部件在國際上率先通過權威機構認證,如圖所示,

13、這是我國對國際熱核聚變項目的重大貢獻。下列核反應方程中屬于聚變反應的是()。A.12H+13H24He+01n B.714N+24He817O+11HC.24He+1327Al1530P+01n D.92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n2.(2018陜西咸陽10月模擬)以mD、mp、mn分別表示氘核、質子、中子的質量,則()A.mD=mp+mnB.mD=mp+2mn C.mD>mp+mn D.mD<mp+mn3.(2019河南鄭州模擬考試)按照玻爾理論,一個氫原子中的電子從一半徑為ra的圓軌道自發(fā)地直接躍遷到另一半徑為rb的圓軌道上,ra>rb,在此過程

14、中()。A.原子發(fā)出一系列頻率的光子 B.原子要吸收一系列頻率的光子C.原子要吸收某一頻率的光子 D.原子要發(fā)出某一頻率的光子4.(2019湖北黃石質量檢測)如圖所示,x為未知的放射源,L為薄鋁片,若在放射源和計數(shù)器之間加上L后,計數(shù)器的計數(shù)率大幅度減小,在L和計數(shù)器之間再加豎直向下的勻強磁場,計數(shù)器的計數(shù)率不變,則x可能是()。A.射線和射線的混合放射源B.純射線放射源C.射線和射線的混合放射源D.純射線放射源5.(2019四川廣漢第一期質量調研)(多選)鈾核裂變是核電站核能的重要來源,其中一種裂變反應為 92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n,下列說法正確的有

15、()。A.上述裂變反應中伴隨著中子放出B.鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響C.鈾核的鏈式反應可人工控制D.鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響6.(2018貴州遵義12月模擬)(多選)如圖所示,為氫原子能級圖,A、B、C分別表示電子三種不同能級躍遷時放出的光子,其中()。A.頻率最高的是BB.波長最長的是CC.頻率最高的是AD.波長最長的是B一輪復習暑假專題-選修3-5學案4原子結構原子核參考答案1.A 12H+13H24He+01n是一個氘核與一個氚核結合成一個氦核,同時放出一個中子,屬于聚變反應,故A項正確;714N+24He817O+11H是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子的核反應,他用粒子轟擊氮原子核,產生氧的同位素氧17和一個質子,是人類第一次實現(xiàn)原子核的人工轉變,屬于人工核反應,故B項錯誤;24He+1327Al1530P+01n是小居里夫婦用粒子轟擊鋁片時發(fā)現(xiàn)了放射性磷(磷30),屬于人工核反應,故C項錯誤;92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n是一種典型的鈾核裂變,屬于裂變反應,故D項錯誤。2.D 質子和中子通過聚變反應生成氘核,并釋放能量,出現(xiàn)質量損失,所以mp+mn>mD,D項正確。3.D ra>rb,說明電子是從高能級向低能級躍遷,應向外發(fā)射能量,且所發(fā)射光子的能量等于兩個能級的能量差,D項正確.4.C 在放射源和計數(shù)器