高考物理新課標(biāo)一輪復(fù)習(xí)第十四章動量近代物理初步第3講原子結(jié)構(gòu)與原子核

1、課標(biāo)版課標(biāo)版 物理物理第3講原子結(jié)構(gòu)與原子核一、原子的核式結(jié)構(gòu)一、原子的核式結(jié)構(gòu)1.粒子散射實驗的結(jié)果絕大多數(shù)粒子穿過金箔后,基本上仍沿原來的方向前進,但 粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn), 粒子的偏轉(zhuǎn)超過了90,有的甚至被撞了回來。2.原子的核式結(jié)構(gòu)在原子中心有一個很小的核,原子全部的 和幾乎全部 都集中在核里,帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。教材研讀教材研讀少數(shù)少數(shù)極少數(shù)極少數(shù)正電荷正電荷質(zhì)量質(zhì)量自測自測1 (辨析題)(1)盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型可以很好地解釋原子的穩(wěn)定性。( )(2)盧瑟福的粒子散射實驗表明原子內(nèi)部存在帶負電的電子。( )(3)盧瑟福的粒子散射實驗否定了湯姆孫關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的“西瓜模型”。

2、( )答案 (1) (2) (3)二、玻爾理論二、玻爾理論1.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 的,電子雖然繞核運動,但并不向外輻射能量。2.躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時,它 或 一定頻率的光子,光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定。即h= (h是普朗克常量,h=6.62610-34 Js)。3.軌道:原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應(yīng),原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道也是 的。4.氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級圖(如圖所示)不連續(xù)不連續(xù)穩(wěn)定穩(wěn)定輻射輻射吸收吸收Em-En不連續(xù)不連續(xù)(2)氫原子的能級和軌道半徑a.氫原

3、子的能級公式:En=E1(n=1,2,3,),其中E1為基態(tài)能量,其數(shù)值為E1=-13.6 eV。21nb.氫原子的半徑公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑,其數(shù)值為r1=0.5310-10 m。自測自測2 (辨析題)(1)玻爾原子模型能很好地解釋氫原子光譜的實驗規(guī)律。( )(2)氫原子吸收光子后,將從高能級向低能級躍遷。( )(3)氫原子由能量為En的定態(tài)向低能級躍遷時,氫原子輻射的光子能量為h=En。( )答案 (1) (2) (3)三、原子核的衰變和半衰期三、原子核的衰變和半衰期1.天然放射現(xiàn)象(1)天然放射現(xiàn)象放射性元素 地放出射線的現(xiàn)象,首先由

4、發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明 具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(2)放射性和放射性元素:物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)叫 。具有放射性的元素叫 元素。(3)三種射線:放射性元素放射出的射線共有三種,分別是 射線、 射線、 射線。自發(fā)自發(fā)貝克勒爾貝克勒爾原子核原子核放射性放射性放射性放射性(1)原子核放出粒子或粒子,變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類3.半衰期(1)定義:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。(2)衰變規(guī)律:N=N0、m=m0(3)影響因素:由原子核內(nèi)部因素決定,跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。/12t /12t 2.原子核的衰變自測自測3 (辨析題)(1)發(fā)生衰變時,新核的

5、核電荷數(shù)不變。( )(2)氡的半衰期為3.8天,若取4個氡原子核,經(jīng)過7.6天后就剩下一個原子核了。( )(3)對原子核經(jīng)過高溫、高壓處理后,其半衰期變短。( )答案 (1) (2) (2)四、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損、核反應(yīng)四、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損、核反應(yīng)1.核力(1)定義:原子核內(nèi)部,核子間所特有的相互作用力。(2)特點:a.核力是強相互作用的一種表現(xiàn);b.核力是短程力,作用范圍在1.510-15 m之內(nèi);c.每個核子只跟它相鄰核子間才有核力作用。2.核能(1)結(jié)合能原子核是核子結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開,也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能。(2)比結(jié)合能a.定義:原子核的結(jié)合能與核子數(shù)

6、之比,稱做比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能。b.特點:不同原子核的比結(jié)合能不同,原子核的比結(jié)合能越大,表示原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越穩(wěn)定。3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E= 。原子核的質(zhì)量比組成它的核子的質(zhì)量和要小,這個現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能E= 。4.獲得核能的途徑:(1)重核裂變;(2)輕核聚變。5.核反應(yīng)(1)遵守的規(guī)律:電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒。(2)反應(yīng)類型:衰變、人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變。mc2mc2自測自測4 (辨析題)(1)核反應(yīng)中有質(zhì)量虧損,所以質(zhì)量數(shù)不守恒。( )(2)愛因斯坦質(zhì)能方程說明物體的質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)化。 ( )(3)核力是弱相

7、互作用,作用力很小。( )答案 (1) (2) (3)考點一氫原子能級及能級躍遷考點一氫原子能級及能級躍遷1.關(guān)于能級躍遷的三點說明(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(dāng)光子能量大于或等于13.6 eV時,可以被處于基態(tài)的氫原子吸收,使氫原子電離;當(dāng)處于基態(tài)的氫原子吸收的光子能量大于13.6 eV,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?？键c突破考點

8、突破(4)當(dāng)軌道半徑減小時,庫侖引力做正功,原子的電勢能減小,電子動能增大,原子能量減小;反之,軌道半徑增大時,原子電勢能增大,電子動能減小,原子能量增大。(5)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=。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(nèi),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。2Cn(1)2n n(2)直接躍遷與間接躍遷:原子從一種能量狀態(tài)躍遷到另一種能量狀態(tài)時。有時可能是直接躍遷,有時可

9、能是間接躍遷。兩種情況下輻射(或吸收)光子的能量是不同的。直接躍遷時輻射(或吸收)光子的能量等于間接躍遷時輻射(或吸收)的所有光子的能量和。典例1如圖所示為氫原子最低的四個能級,當(dāng)氫原子在這些能級間躍遷時:(1)有可能放出 種能量的光子。(2)在哪兩個能級間躍遷時,所放出的光子波長最長?波長是多少?答案 (1)6 (2)見解析解析 (1)N=6。(2)氫原子由第四能級向第三能級躍遷時,能級差最小,輻射出的光子波長最長。由h=E4-E3,有h=E4-E3,所以= m=1.8810-6 m。(1)2n n4 (4 1)2c43hcEE348196.63 103 10 0.85( 1.51) 1.6

10、 10 1-1如圖所示,氫原子在下列各能級間躍遷:(1)從n=2到n=1;(2)從n=5到n=3;(3)從n=4到n=2。在躍遷過程中輻射的電磁波的波長分別用1、2、3表示。波長1、2、3大小的順序是( )A.123 B.132 C.321 D.2=3E3E2,由E=h可知132,B正確。c考點二原子核的衰變半衰期考點二原子核的衰變半衰期1.衰變規(guī)律及實質(zhì)(1)兩種衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變方程衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子H+nHenHe勻強磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒11210242101101(2)射線:射線經(jīng)常是伴

11、隨著衰變或衰變同時產(chǎn)生的。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變的過程中,蘊藏在核內(nèi)的能量會釋放出來,使產(chǎn)生的新核處于高能級,這時它要向低能級躍遷,能量以光子的形式輻射出來。2.確定衰變次數(shù)的方法因為衰變對質(zhì)量數(shù)無影響,先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù),然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)。3.半衰期(1)公式:N余=N原,m余=m原(2)影響因素:放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)和化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)。/12t /12t 典例典例2 (1)(多選Th(釷)經(jīng)過一系列衰變和衰變,變成Pb(鉛)。以下說法中正確的是( )A.鉛核比釷核少8個

12、質(zhì)子B.鉛核比釷核少16個中子C.共經(jīng)過4次衰變和6次衰變D.共經(jīng)過6次衰變和4次衰變23290)20882(2)約里奧居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性元素而獲得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎,他們發(fā)現(xiàn)的放射性元素P衰變成Si的同時放出另一種粒子,這種粒子是 P是P的同位素,被廣泛應(yīng)用于生物示蹤技術(shù),1 mg P隨時間衰變的關(guān)系如圖所示,請估算4 mg的P經(jīng)多少天的衰變后還剩0.25 mg?301530143215。301532153215答案 (1)ABD (2)正電子 56天解析 (1)設(shè)衰變次數(shù)為x,衰變次數(shù)為y,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得232=208+4x90=82+2x-y解得x=6,y=4,

13、C錯D對。鉛核、釷核的質(zhì)子數(shù)分別為82、90,故A對。鉛核、釷核的中子數(shù)分別為126、142,故B對。(2)寫出衰變方程PSie,故這種粒子為e(正電子)由m-t圖知P的半衰期為14天,由m余=m原得,0.25 mg=4 mg,故t=56天。301530140101321512t1412t確定、衰變次數(shù)的兩種方法(1)確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律,設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次衰變和m次衰變后,變成穩(wěn)定的新元素Y,則表示該核反應(yīng)的方程為XY+He+e根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程AZAZ:AZAZ42n01mA=A+4nZ=Z+2n-m由以上兩式聯(lián)立解得n=,m=+Z-Z由此可見確定衰變次

14、數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組。(2)因為衰變對質(zhì)量數(shù)無影響,可先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù),然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)。4AA2AA2-1 (2014重慶理綜,1,6分)碘131的半衰期約為8天。若某藥物含有質(zhì)量為m的碘131,經(jīng)過32天后,該藥物中碘131的含量大約還有( )A. B. C. D.答案 C設(shè)剩余質(zhì)量為m剩,則由m剩=m(,得m剩=m(=,C正確。4m8m16m32m12)t12328)42m16m2-2 (2015北京理綜,17,6分)實驗觀察到,靜止在勻強磁場中A點的原子核發(fā)生衰變,衰變產(chǎn)生的新核與電子恰在紙面內(nèi)做勻速圓周運動,運動方向和軌跡示意如圖。則( )A

15、.軌跡1是電子的,磁場方向垂直紙面向外B.軌跡2是電子的,磁場方向垂直紙面向外C.軌跡1是新核的,磁場方向垂直紙面向里D.軌跡2是新核的,磁場方向垂直紙面向里答案 D由靜止的原子核發(fā)生衰變后產(chǎn)生的新核和電子做勻速圓周運動的方向相反及原子核衰變前后動量守恒得meve-m核v核=0,粒子在磁場中做勻速圓周運動的半徑r=,因為qer核,故軌跡1是電子的,軌跡2是新核的,根據(jù)左手定則可判定磁場方向垂直紙面向里,故D項正確。mvqB考點三核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程考點三核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程1.核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變自發(fā)UThHe衰變自發(fā)ThPae人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芅HeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)

16、質(zhì)子)HeBeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)AlHePn約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素,同時發(fā)現(xiàn)正電子PSie23892234904223490234910114742178114294126102713423015103015301401重核裂變比較容易進行人工控制UnBaKr+nUnXeSr+1n輕核聚變除氫彈外無法控制HHHen23592101445689361032359210136549038100213142102.核反應(yīng)方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子H)、中子n)、粒子He)、粒子e)、正電子e)、氘核H)、氚核H)等。(2)掌握核反應(yīng)方程遵

17、守的規(guī)律是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)。由于核反應(yīng)不可逆,所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“”表示反應(yīng)方向。(3)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒,核電荷數(shù)守恒。11(10(42(01(01(21(31(典例典例3 (2015廣東理綜,18,6分)(多選)科學(xué)家使用核反應(yīng)獲取氚,再利用氘和氚的核反應(yīng)獲得能量。核反應(yīng)方程分別為:X+YH+4.9 MeV和 HHHe+X+17.6 MeV。下列表述正確的有( )A.X是中子B.Y的質(zhì)子數(shù)是3,中子數(shù)是6C.兩個核反應(yīng)都沒有質(zhì)量虧損D.氘和氚的核反應(yīng)是核聚變反應(yīng)答案 AD設(shè)XY,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒有:A+A=4+3,2+3=A+4,Z

18、+Z=2+1,1+1=2+Z,可得A=1,A=6,Z=0,Z=3,故X是中子,Y是Li,A正確;由Li知Y的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)都是3,故B錯誤;兩個核反應(yīng)中都釋放了能量,故都有質(zhì)量虧損,C錯誤;氘和氚的核反應(yīng)中質(zhì)量較小的核合成了質(zhì)量較大的核,故D正確。4321He213142AZAZ、63633-1 (2013重慶理綜,2,6分)鈾是常用的一種核燃料,若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應(yīng)Una+b+n則a+b可能是( )AXeKrBBaKrCBaSrDXeSr答案 D根據(jù)核反應(yīng)中的質(zhì)量數(shù)守恒可知,a+b的質(zhì)量數(shù)應(yīng)為235+1-2=234,質(zhì)子數(shù)應(yīng)為92,A項中的質(zhì)量數(shù)為140+93=233,B項中質(zhì)量

19、數(shù)是141+92=233,C項中質(zhì)量數(shù)為141+93=234,質(zhì)子數(shù)為56+38=94,D項中質(zhì)量數(shù)為140+94=234,質(zhì)子數(shù)為54+38=92,綜上可知,答案為D。23592:1010214054.933614156.923614156.933814054.9438考點四質(zhì)量虧損及核能的計算考點四質(zhì)量虧損及核能的計算1.應(yīng)用質(zhì)能方程解題的流程圖書寫核反應(yīng)方程計算質(zhì)量虧損m利用E=mc2計算釋放的核能2.利用質(zhì)能方程計算核能時,不能用質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量進行計算。3.核能的計算方法(1)根據(jù)E=mc2計算,計算時m的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,E的單位是“J”。(2)根據(jù)E=m931.

20、5 MeV計算。因1原子質(zhì)量單位“u”相當(dāng)于931.5 MeV的能量,所以計算時m的單位是“u”,E的單位是“MeV”。(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能=核子比結(jié)合能核子數(shù)。典例典例4一個靜止的钚核Pu自發(fā)衰變成一個鈾核U和另一個原子核X,并釋放出一定的能量。其核衰變方程為:U+X。(1)方程中的“X”核符號為 ;(2)钚核的質(zhì)量為239.052 2 u,鈾核的質(zhì)量為235.043 9 u,X核的質(zhì)量為4.002 6 u,已知1 u相當(dāng)于931 MeV,則該衰變過程放出的能量為 MeV;23994235922392359492Pu(3)假設(shè)钚核衰變釋放的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)殁櫤撕蚗核的動能,則X核與鈾核的動能的比值為 。答案 (1