第12章 第2节　原子结构和原子核.docx

第2节原子结构和原子核夯实基础知识扫除双基盲点必备知识全通关必备知识-填充一、原子结构1 .电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。2 .原子的核式结构(1)«粒子散射实验：19091911年，英国物理学家克瑟福和他的助手进行 了用a粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数a粒子穿过金箔后基本上仍沿原 来方向前进，但有少数a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，原子全部的正电荷 和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。3 .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 公式一9，( =3,4,5，K是里德伯常量，/? = 1.10X107m-1)e(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特延道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。B . &减小、埒减小、Ek增大C . C增大、岛减小、C减小D.En增大、%增大、反增大B 原子发生受激辐射时，向外辐射能量，可知原子总能量反减小。根据 玻尔理论可知，氢原子的高能级轨道距离原子核比较远，所以氢原子发生辐射时， 电子的运动轨道半径变小。由于原子核对电子的库仑力做正功，故电子的电势能 品减小、动能 及增大，故B项正确。命规律总结氢原子跃迁前后电子的能量分析根据玻尔理论的轨道量子化假设可知氢原子的能级,高能级轨道越高，则电子距离原子核越远，如图所示。则氢原子由高低能级轨道能级跃迁到低能级时电子能量变化：I）动能理的变化情况因为库仑力的作用，电子围绕原子核做圆周运动，根据库仑力提供向心力可 得阜=吟,且Ek=：m2,所以&=牵，即电子在半径小的轨道上动能大。由图可知，当氢原子由高能级跃迁到低能级时，电子的运动轨道半径变小，故动 能心变大。电势能小的变化情况方法一：根据氢原子能级跃迁规律可知，氢原子由高能级向低能级跃迁时, 向外辐射光子，能量减小。氢原子的能量主要是电子的动能与电势能之和，氢原 子的能量减小，电子的动能增大，故电势能易减小。方法二：原子核对电子的库仑力做正功，则电子的电势能品减小。I跟进训练1 . （2019全国卷I ）氢原子能级示意图如图所示。光子能量在L633.10eV 的光为可见光。要使处于基态（=1）的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为（）第8页，共16页nE/eV00 04 -0.853 -1.5123.40113.60A . 12.09 eVC . 1.89 eVB . 10.20 eVD . 1.51 eVA 因为可见光光子的能量范围是1.633.10 eV,所以氢原子至少要被激 发到=3能级，要给氢原子提供的能量最少为£=（-1.51 + 13.60）eV = 12.09 eV,即选项A正确。2 .（2016北京高考）处于 =3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光 的频率有（）A.1种B . 2种C.3种D . 4种C 大量氢原子从=3能级向低能级跃迁时，能级跃迁 图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种，选项 C正确。J3 .（多选）如图所示是玻尔为解稀氢原子光谱画出的氢原子能级示意图。大量处于二3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 也下列说法正确的是（）8 -432EiA.能产生3种不同频率的光子Ei-EiB .产生的光子的最大频率为fC .当氢原子从能级 =2跃迁到 =1时，氢原子的能量变大D .若氢原子从能级 =2跃迁到 =1时放出的光子恰好能使某金属发生光第9页，共16页电效应，则当氢原子从能级 =3跃迁到第9页，共16页=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 邑一ABD 根据&可得从=3能级向低能级跃迁能产生Ci=3种不同频率的 光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从=3能级向=1能级跃迁时产E3E1生的，根据公式几=以一宿，解得片 九，B正确；从高能级向低能级跃迁， 释放光子，氢原子能量变小，C错误；若氢原子从能级=2跃迁到 =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=3跃迁到 =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Ekm=Av-Wo =33Ei)(E2ED=E3E2,故 D 正确。考点2 原子核的衰变及半衰期讲典例示法1 . a衰变、P衰变的比较2 .三种射线的成分和性质衰变类型G衰变0衰变衰变方程2XfzAY+呢衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子21H + 24n->iHein-1H+ -?e衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力a射线氨核iHe+ 2e4u最强最弱0射线电子.?e-e1 836 u较强较强y射线光子Y00最弱最强3 .衰变次数的计算方法若夕X一夕 Y + ?He + 2、e贝IJ A 二 A' + 4，Z = Z' + 2 - m 解以上两式即可求出/"和。第10页，共16页4.对半衰期的理解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。TTTT（2）根据半衰期的概念，可总结出公式"余=7原（，相余=小原（0式中N 原、，腺表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、，余表示衰变后尚未发生 衰变的放射性元素的原子数和质量，表示衰变时间，。表示半衰期。典例示法（2020全国卷IIITi9）1934年，约里奥一居里夫妇用a粒子轰击 铝箔，首次产生了人工放射性同位素X,反应方程为?He + WAl-X + E。X会衰 变成原子核Y,衰变方程为X-Y + Ye。贝IJ（）A . X的质量数与Y的质量数相等B.X的电荷数比Y的电荷数少1C. X的电荷数比4Al的电荷数多2D . X的质量数与WA1的质量数相等AC 根据电荷数守恒和质量数守恒，可知？He+WAlf X+加方程中X的 质量数为30,电荷数为15,再根据XfY+呢方程可知Y的质量数为30,电荷 数为14,故X的质量数与Y的质量数相等，X的电荷数比Y的电荷数多1, X 的电荷数比石A1的电荷数多2, X的质量数比WA1的质量数多3,选项A、C正 确，B、D错误。跟进训练考向1原子核的衰变1 .（多选）天然放射性元素郁Th（社）经过一系列a衰变和p衰变之后，变成锹 Pb（铅）。下列判断中正确的是（）A .衰变过程共有6次G衰变和4次口衰变B.铅核比社核少8个质子C . p衰变所放出的电子来自原子核外D.社核比铅核多24个中子AB第11页，共16页由于P衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定a衰变 232208的次数，x=-4=6,再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定P衰 变的次数，2%一7=90-82=8, y=2x-8=4,社232核中的中子数为23290 = 142,铅208核中的中子数为208-82=126,所以包核比铅核多16个中子， 铅核比住核少8个质子，由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以P衰变 所放出的电子来自原子核内，所以A、B正确。卜考向2半衰期的理解与计算2 . （2018江苏高考）已知A和8两种放射性元素的半衰期分别为T和2北 则相同质量的A和8经过2r后，剩有的4和8质量之比为（）A . 1 ： 4B . 1 ： 2C . 2 ： 1D . 4 ： 1B 经过2T,对A来说是2个半衰期，A的质量还剩;，x x x1XXX经过2T,对B来说是1个半衰期，B的质量还剩不，所以剩有 a ThXXX的A和8质量之比为1 ： 2,选项B正确。卜考向3衰变中的动量守恒3 .（多选）如图所示，静止的费U核发生a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 （ ）A .衰变方程可表示为赞Uf锣Th + ?HeB . Th核和a粒子的圆周轨道半径之比为1 : 45C.Th核和a粒子的动能之比为1 ： 45D . Th核和a粒子在匀强磁场中旋转的方向相反AB 已知a粒子为?He,则由电荷数守恒及质量数守恒可知，衰变方程为： 锣Uf翎Th+?He,故A正确；Th核和a粒子都带正电荷，则在题图匀强磁场Th4中都是逆时针旋转，故D错误；由动量守恒可得衰变后57=而=而第12页，共16页152tW彳h 234 （ 4 丫 42,则Th核和g粒子的动能之比口=4"XIJ34J =234=117,故C错59次/nr2误；粒子在匀强磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，所以有Bvq=7,则/?=mvRjh mTh/Th2344Bq,所以Th核和a粒子的圆周轨道半径之比元=/力卜:Bqa =T23421X90=45,故 B 正确。考点3核反应方程与核能的计算讲典例示法1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变a衰变自发赞 UfTh + 3He0衰变自发钾 Th钾 Pa + .?e人工转变人工控制VN + ?He-YO + IH（卢瑟福发现质子）!He + ?Be-YC +加（查德威克发现中子）?Ul + lHe->P + An约里奥一居里夫妇发现放 射性同位素，同时发现正 电子卷 P-HSi + +?e重核裂变容易控制破 U + An-* 螺Ba + 潴 Kr + 3jn受 U + Anf 野Xe + ?8Sr + 104n轻核聚变现阶段很 难控制iH + ?H->lHe + Jn2 .核反应方程式的书写（1）熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。如质子（1H）、 中子（An）、a粒子©He）、0粒子（_呢）、正电子（+呢）、中核（汨）、中核（汨）等。（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第13页，共16页“f ”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根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损A葭根据爱因斯坦质能方程= Azc2计算核能。质能方程AE=中的单位用“kg”，c的单位用“m/s” ,则AE的 单位为“J”。AE = Aic2中，若A的单位用“U”，则可直接利用AE=AiX93L5MeV 计算 AE,此时 AE 的单位为 “MeV”，gp 1 u = 1.660 6X10 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X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。典例示法(202。全国卷n18)笊核出可通过一系列聚变反应释放能量， 其总效果可用反应式6?H-2iHe + 21H + 2加+ 43.15 MeV表示。海水中富含笊， 已知1kg海水中含有的笊核约为L0X 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 2.9X107 J,1 MeV =1.6X1073 j,则"约为()A . 40 kgB . 100 kgC . 400 kgD . 1 000 kgC 结合核反应方程知，1 kg海水中的九核全部发生聚变反应放出的能量E0X 1022F=-7-13 J1.15X1O,0 J,根据题意得 M = =M)= o色o15X 0i°；9X10, Xlkg=400kg,故 A、B、D 项错误，C 项正确。令反思思第14页，共16页1 .本题以海水中笊核的聚变反应为背景命题，体现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。跟进训练卜考向1四类核反应1 .我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构 认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反 应的是（）“人造太阳”核心部件首获国际认证B . yN + 2He-YO + lHC . iHe + WA1TP + AnD .磷U + An-> 弟Ba + 然Kr + 3和A 选项A属于轻核聚变，选项B、C属于原子核的人工转变，选项D属 于重核裂变，故选A。>考向2结合能与比结合能的理解2 .（多选）我国自主研发的杜基熔盐是瞄准未来20 30年后核能产业发展需 求的第四代核反应堆，是一种液态燃料堆，使用社铀核燃料循环，以氧化盐为冷 却剂，将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氯化盐中，携带核燃料在反应堆 内部和外部进行循环。社232不能直接使用，需要俘获一个中子后经过2次p 衰变转化成铀233再使用，铀233的一种典型裂变方程是逐U +瑞Kr + 3标。已知铀233的结合能为耳、顿142的结合能为瓦、氟89的结合能为 氏，则（）A .铀233比社232少一个中子B.铀233、钢142、氮89三个核中氨89的结合能最小，比结合能却最大C.铀233、领142、氮89三个核中铀233的结合能最大，比结合能也最大第15页，共16页D .铀233的裂变反应释放的能量为AE = Ei-E2 - E3AB 设处的电荷数为明则钮232俘获一个中子后经过2次。衰变转化成 铀233,则a=92-2=90,则包中含有中子数为232-90=142;铀233含有中 子数为23392=141;则铀233比柱232少一个中子，选项A正确；铀233、 领142、鼠89三个核中就89质量数最小，结合能最小，因核子数较小，则比结 合能却最大，选项B正确，C错误；铀233的裂变反应中释放的能量等于生成 物的结合能减去反应物的结合能，选项D错误；故选A、Bo 卜考向3质亏损核能的计算3 . （2019全国卷II）太阳内部核反应的主要模式之一是质子一质子循环，循 环的结果可表示为4|H->jHe + 2?e + 2y已知|H和?He的质量分别为 叫=L007 8w« = 4.002 6u, 1 u = 931 MeV/c2, c为光速。在 4 个|H 转变成 1 个?He 的过 程中，释放的能量约为（）A . 8 MeVB . 16 MeVC . 26 MeVD . 52 MeVC 核反应质量亏损A/n=4X 1.007 8 u-4.002 6 u=0.028 6 u,释放的能,量 AE=0.028 6X931 MeV=26.6 MeV,选项 C 正确。第16页，共16页4 .玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列丕连续的能量状态中，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: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，即加=他是普朗克常量，/i = 6.63X10-34 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丕连续的。5 .氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示n 85432-3.4-13.6E/eV 0 -0.54 -0.85 -1.51(2)氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级公式：瓦尸/©5 =1,2,3)，其中Ei为基态能量，其数值为Ei=-13.6eV。氢原子的半径公式：r,尸层力5= i,2,3)，其中"为基态半径，又称玻尔 半径，其数值为力=0.53*10力1«。二、天然放射现象和原子核6 .原子核的组成原子核是由虹和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。7 .天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现, 说明原子核具有复杂的结构。第2页，共16页8 .放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有无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、作示踪原子等。(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。9 .原子核的衰变(1)衰变：原子核放出«粒子或P粒子，变成另一种原子核的变化称为原子 核的衰变。(2)分类a 衰变：2X-汇2Y + |He 如：锣U->酬Th + iHe ;p衰变：9X-zAY +土 如:钳Th-钾Pa+呢。(3)半衰期：放射性元素的原子核有生数发生衰变所需的时间。半衰期由原 子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。10 核力和核能核力原子核内部，核子间所特有的相互作用力。核能核子在结合成原子核时出现质量亏损Mn,其对应的能量AE = mcio原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加吸收的能 量为 AE = Amc2o11 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程(1)重核裂变定义：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。典型的裂变反应方程：道 U + Jn->Kr + 需Ba + 3ino链式反应：重核裂变产生的虹使裂变反应一代接一代继续下去的过程。临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应第3页，共16页的最小体积及其相应的质量。（2）轻核聚变定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高 温下进行，因此又叫热核反应。典型的聚变反应方程：?H + An + 17.6 MeVoc学情自测-验收一、思考辨析（正确的画“，错误的画“X”）1%仅y三种射线中，&射线的电离作用最强。（J）2 .半衰期与温度无关。（J）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。（X）4 .所有元素都可以发生衰变。（X）5,核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。（X）6 .质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。（X）二、走进教材1 .（沪科版选修3-5P75T4改编）已知锡210的半衰期是5.0天，8 g -210 经20天后还剩下（）A . 1 gB . 0.2 gC . 0.4 gD . 0.5 gT20t5D 由公式加=/nog 得i=8X© g=0.5g, D 正确。2 .（人教版选修35P81例题）（多选）已知中子的质量是Wn= 1.674 9X10-27 kg,质子的质量是 mp= 1.672 6X10一27 kg,笊核的质量是 mD = 3.343 6X10 27 kg, 则笊核的比结合能为（）A . 3.51X1013 jB . 1.10 MeVC . 1.76X10-13 JD . 2.19 MeV答案BC第4页，共16页3 .（粤教版选修3-5P97T3）第4页，共16页（多选）关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是（）A .例U-钳Th + 2He是a衰变B .沙N + ?Hef YO + 1H 是 0 衰变C . ?H + H-iHe + An是轻核聚变D . KSe-Kr + 2-?e是重核裂变答案AC关键能力全突破总结常考考点破解高考疑难考点1玻尔理论和能级跃迁讲典例示法1 .对氢原子能级图的理解（1）能级图如图所示。n 8543EleV0 -0.54-0.85-1.512-r - t -3.4113.6能级图中相关量意义的说明。相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态横线左端的数字“1,2,3”表示量子数横线右端的数字“-13.6, -3.4”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为第5页，共16页T2 .自发跃迁:高能级(至、低能级放出能量，发射光子：hv = E,n-Enonnr 受激跃迁：低能级()一三高能级(-吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差加二后,一后。碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外E“E。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。3 .电离(1)电离态=8, E = o(2)电离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能 量。例如：对于氢原子基态-电离态，E% = 0"(-13.6 eV)=13.6 eV,即为基 态的电离能。 =2一电离态：E吸= 0-& = 3.4eV,即为 =2激发态的电离能。如吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有动能。典例示法1 (2020 1月浙江选考4)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L62 eV到3.H eV之间，贝")nE./eV00 04 -0.853 -1.5123.4113.6A.氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出丫射线B .氢原子从 =3的能级向=2的能级跃迁时会辐射出红外线C.处于=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 =4能级向低能级跃迁时可辐射出2种频率的可见光CD第6页，共16页氢原子从高能级向低能级跃迁时只能辐射出紫外线、可见光和红外线，而 Y射线是原子核辐射的，选项A错误；氢原子从=3能级向=2能级跃迁时 辐射出可见光，不会辐射出红外线，选项B错误；由于紫外线光子能量大于处 于=3能级氢原子的电离能1.51 eV,所以处于=3能级的氢原子可以吸收任 意频率的紫外线并发生电离，选项C正确；大量氢原子从=4能级向低能级跃 迁时可以辐射出6种不同频率的光子，其中只有从=4能级跃迁到=2能级 和从=3能级跃迁到n=2能级时辐射的光子能量在可见光光子能量范围内， 所以可辐射出2种频率的可见光，选项D正确。令规律总结确定氢原子辐射光谱线的数量的方法E/eV 一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为（-D一个氢原子由第4能级向低能级跃迁，发出的光谱线条数最多的是逐级跃迁，为3条。（2）一一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数数学组合知识N = C2 =-n 2一群氢原子由第4能级向低能级跃迁,发出的光谱线条数最多为/V = C； = 4x（：T）= 6在能级图上画出。典例示法2处于激发态的原子，如果在入射光子的电磁场的影响下，从 高能态向低能态跃迁，同时两个状态之间的能量差以光子的形式辐射出去，这种 辐射被称为受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都 跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理。发生受激辐 射时，产生激光的原子的总能量瓦、电子的电势能与、电子的动能耳的变化情 况是（）第7页，共16页A . &减小、%增大、项减小第7页，共16页