江苏版高考物理一轮复习第15章第2节原子结构和原子核课件

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一、原子结构1．电子的发现：英国物理学家_________发现了电子。2．原子的核式结构(1)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家_________和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿______方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来。
(2)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的_________和几乎全部______都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。
二、氢原子光谱1．光谱：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长(频率)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
4．光谱分析：利用每种原子都有自己的____________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。
三、氢原子核外电子的排布1．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列_________的能量状态中，在这些能量状态中原子是______的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，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＝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_________的，因此电子的可能轨道也是_________的。
2．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示
②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＝0.53×10－10m。
四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1．原子核的组成原子核是由______和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的_________。2．天然放射现象元素______地放出射线的现象，首先由____________发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有______的结构。
3．放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有______放射性同位素和______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、作____________等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。
4．原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种_________的变化称为_________的衰变。
(3)半衰期：放射性元素的原子核有______发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的______、______状态无关。
五、核力和核能1．核力原子核内部，_________所特有的相互作用力。2．结合能核子结合为原子核时______的能量或原子核分解为核子时______的能量，叫作原子核的结合能。
3．比结合能(1)定义原子核的结合能与_________之比，称作比结合能，也叫平均结合能。(2)特点不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越______。
4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝_____。原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝_________。
六、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程1．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：
(3)链式反应：重核裂变产生的______使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生____________的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：_________、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、______、防护层。
2．轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成____________的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫____________。(2)典型的聚变反应方程：
一、易错易误辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强。(　　)(2)半衰期与温度无关。(　　)(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。(　　)(4)所有元素都可以发生衰变。(　　)(5)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。(　　)(6)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(　　)
二、教材习题衍生1．(氢原子能级)由玻尔原子模型求得氢原子能级如图所示，已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV 之间，则(　　)
A．氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出γ射线B．氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时会辐射出红外线C．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D．大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时可辐射出4种频率的可见光
C　[γ射线是放射性元素的原子核从高能级向低能级跃迁时辐射出来的，氢不是放射性元素，A错误；氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光子的能量E＝E3－E2＝－1.51 eV－(－3.40 eV)＝1.89 eV,1.62 eV<1.89 eV<3.11 eV，故氢原子从n＝3能级向n＝2能级跃迁时辐射出的光为可见光，B错误；根据E＝hν及题给条件可知，紫外线光子的能量大于3.11 eV，要使处于n＝3能级的氢原子发生电离，需要的能量至少为1.51 eV，故C正确；大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时辐射出的光子能量有0.66 eV、2.55 eV、12.75 eV、1.89 eV、12.09 eV、10.2 eV，故大量氢原子从n＝4能级向低能级跃迁时可辐射出2种频率的可见光，D错误。]
2．(原子核的半衰期)核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是(　　)A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
1．(α粒子散射实验)如图是卢瑟福的α粒子散射实验装置，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　)
考点1　原子的核式结构
A．该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据B．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C．α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D．绝大多数的α粒子发生大角度偏转
A　[卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型，选项A正确；卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，选项B错误；电子质量太小，对α粒子的影响不大，选项C错误；绝大多数α粒子穿过金箔后，几乎仍沿原方向前进，选项D错误。]
2．(原子的核式结构)在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是(　　)A．原子中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
A　[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，推测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A正确。]
1．对氢原子能级图的理解(1)能级图如图所示
考点2　玻尔理论和能级跃迁
(2)能级图中相关量意义的说明
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。
(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。①光照(吸收光子)：吸收光子的全部能量，光子的能量必须恰等于能级差hν＝ΔE。②碰撞、加热等：可以吸收实物粒子的部分能量，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。
[典例]　(受激跃迁与电离)某红外测温仪原理是：被测物体辐射的电磁波只有红外线可被该测温仪捕捉，并转变成电信号。如图为氢原子能级示意图，已知红外线单个光子能量的最大值为1.62 eV，当大量处于第5能级的氢原子向较低能级跃迁时，所辐射出的光子中能被红外测温仪捕捉到的光子频率种类有(　　)A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
1．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸>0－(－13.6 eV)＝13.6 eV激发态→电离态：E吸>0－En＝|En|若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。
2．解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En决定，波长可由公式c＝λν求得。(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。(3)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。
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。
[跟进训练] 1．(2022·泰州等江苏7市高三第三次调研测试)如图所示，铯133原子基态有两个超精细能级，从能级2跃迁到能级1发出光子的频率约为9.2×109 Hz，时间单位“秒”是根据该辐射光子的频率定义的。可见光波长范围为400 nm～700 nm。则(　　)
A．秒是国际单位制中的导出单位B．该跃迁辐射出的是γ射线C．铯133从激发态向基态跃迁时辐射光子的频率大于9.2×109 HzD．用频率为9.2×109 Hz的光照射锌板，能发生光电效应
C　[秒是国际单位制中的基本单位，不是导出单位，A错误；γ射线是波长短于0.01埃的电磁波，频率超过300 EHz(3×1020 Hz)，从能级2跃迁到能级1发出光子的频率约为9.2×109 Hz，故跃迁辐射出的不是γ射线，B错误；铯133从激发态向基态跃迁时辐射光子的频率大于从能级2跃迁到能级1发出光子的频率，即大于9.2×109 Hz，C正确；已知可见光的紫光可以照射锌板使其发生光电效应,
2．(2022·苏北七市高三三模)为了更形象地描述氢原子能级和氢原子轨道的关系，作出如图所示的能级轨道图，处于n＝4能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光a，处于n＝3能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光b，则以下说法正确的是(　　)
A．a光的波长比b光的波长长B．辐射出b光时，电子的动能和电势能都会变大C．一个处于n＝4能级的氢原子自发跃迁可释放6种频率的光D．a光照射逸出功为2.14 eV的金属时，光电子的最大初动能为0.41 eV
D　[处于n＝4能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光a，有E4－E2＝hνa＝2.55 eV，处于n＝3 能级的氢原子向n＝2能级跃迁时辐射出可见光b，有E3－E2＝hνb＝1.89 eV，所以a光的频率将大于b光的频率，由于光的频率越大其波长越小，则a光的波长比b光的波长小，所以A错误；辐射出b光时，电子的动能变大，电势能减小，总能量减小，所以B错误；一群处于n＝4能级的氢原子自
3．如图所示是玻尔为解释氢原子光谱画出的氢原子能级示意图。大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，设普朗克常量为h，下列说法不正确的是(　　)
C．当氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时，氢原子的能量变大D．若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E3－E2
4．如图为氢原子能级图，已知可见光的光子的能量范围为1.62～3.11 eV，普朗克常量h＝6.63×10—34 J·s。下列说法不正确的是(　　)
A．能量为13.0 eV的光子或者电子均可使处于基态的氢原子跃迁到激发态B．处于n＝3能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线C．锌的逸出功是3.34 eV，一群处于n＝3能级的氢原子向基态跃迁时，发出的光照射锌板，锌板表面所发出的光电子的最大初动能为8.75 eVD．波长为60 nm的伦琴射线能使处于基态的氢原子电离
A　[用能量为13.0 eV的光子照射，基态的氢原子若吸收13 eV的能量，则能量值为－0.6 eV，氢原子没有该能级，所以不能使处于基态的氢原子跃迁，故A错误；紫外线光子的最小能量为3.11 eV，处于n＝3能级的氢原子的电离能为1.51 eV，所以任意频率的紫外线都能被n＝3能级的氢原子吸收，故B正确；一群处于n＝3能级的氢原子向基态跃迁时辐射光子最大能量为hνm＝E3－E1＝12.09 eV，克服逸出功后剩余的动能最大为Ekm＝hνm－W＝8.75 eV，故C正
1．(三种射线及其特性)“慧眼”(HXMT)是我国首颗大型X射线天文卫星，观测的范围是美丽的银河系，γ射线暴是主要研究对象之一。γ射线暴是来自天空中某一方向的γ射线强度在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，它是仅次于宇宙大爆炸的爆发现象。则下列关于γ射线的论述中正确的是(　　)A．γ射线同α射线、β射线一样，都是高速带电粒子流B．γ射线的穿透能力比α射线、β射线都强　C．α射线是原子核能级跃迁时产生的　D．利用γ射线可以使空气电离，消除静电
考点3　原子核的衰变及半衰期
B　[γ射线是电磁波，不是高速带电粒子流，故A错误；α、β、γ三种射线中，γ射线能量最高，穿透能力最强，故B正确；γ射线是原子核从高能级向低能级跃迁时，以能量的形式辐射出来的电磁波，故C错误；γ射线的电离本领最弱，α射线的电离本领最强，利用α射线可以使空气电离，将静电泄出，消除静电，故D错误。]
2．(α、β衰变及衰变次数的确定)下列说法正确的是(　　)A．天然放射现象揭示了原子具有核式结构　 C．α、β和γ三种射线中α射线的穿透力最强　D．氢原子向低能级跃迁后，核外电子的动能减小
3. (运动轨迹与衰变种类分析)如图所示，静止的U核发生α衰变后生成反冲Th核，两个产物都在垂直于它们速度方向的匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法正确的是(　　) B．Th核和α粒子的圆周轨道半径之比为45∶1C．Th核和α粒子的动能之比为45∶1D．Th核和α粒子在匀强磁场中旋转的方向相反
1．α衰变、β衰变的比较
2．三种射线的成分和性质
4．对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。
考点4　核反应方程与核能的计算
(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．核能的计算方法(1)利用质能方程计算核能①根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm。②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能。质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”。③ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用。
(2)利用比结合能计算核能原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能的差值，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
B　[核反应过程遵循质量数守恒和核电荷数守恒，由质量数和电荷数守恒得：4＋14＝m＋1,2＋7＝8＋n，解得：m＝17，n＝1，故B正确，A、C、D错误。]
4．(2020·全国卷Ⅱ)氘核H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6H→2He＋2H＋2n＋43.15 MeV表示。海水中富含氘，已知1 kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J,1 MeV＝1.6×10－13 J，则M约为(　　)A．40 kg B．100 kgC．400 kg D．1 000 kg
1．本题以海水中氘核的聚变反应为背景命题，强调清洁能源的发展前景，增强学生的环境意识和社会责任感。2．当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，释放能量。
[示例1]　在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图中a、b所示。由图可以判定(　　)A．该核发生的是α衰变B．该核发生的是β衰变C．磁场方向一定垂直纸面向里D．磁场方向一定垂直纸面向外
B　[原来静止的核，放出粒子后，总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它们必带异种电荷，故应为β衰变；由于不知它们的旋转方向，因而无法判定磁场是向里还是向外，即都有可能。故B项正确。]
[示例2]　在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44。则：(1)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由)(2)这个原子核原来所含的质子数是多少？
[解析]　(1)因为动量守恒，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反。(2)设衰变后新生核的电荷量为q1，α粒子的电荷量为q2＝2e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量q＝q1＋q2。
又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1＝m2v2，联立解得q＝90e。即这个原子核原来所含的质子数为90。[答案]　(1)圆轨道2是α粒子的径迹，理由见解析(2)90