（通用版）2020版高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十二章 第73課時(shí) 原子結(jié)構(gòu)與原子核（雙基落實(shí)課）講義（含解析）.doc

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第73課時(shí)　原子結(jié)構(gòu)與原子核(雙基落實(shí)課) 點(diǎn)點(diǎn)通(一)　原子的核式結(jié)構(gòu) 1．電子的發(fā)現(xiàn) 英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了電子，提出了原子的“棗糕模型”。 2．α粒子散射實(shí)驗(yàn) (1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置 (2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但少數(shù)α粒子穿過金箔后發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)α粒子甚至被“撞了回來”。 3．原子的核式結(jié)構(gòu)模型 (1)在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的所有正電荷和幾乎所有質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外繞核旋轉(zhuǎn)。 (2)核式結(jié)構(gòu)模型的局限性：盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型能夠很好地解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但不能解釋原子光譜是特征光譜和原子的穩(wěn)定性。 [小題練通] 1．(粵教教材原題)如圖的4個(gè)選項(xiàng)中，O點(diǎn)表示某原子核的位置，曲線ab和cd表示經(jīng)過該原子核附近的α粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，正確的圖是(　　) 解析：選D　α粒子經(jīng)過原子核時(shí)受原子核的庫(kù)侖斥力，離原子核越近斥力作用越強(qiáng)，由此判斷，D正確。 2．如圖所示是α粒子(氦原子核)被重金屬原子核散射的運(yùn)動(dòng)軌跡，M、N、P、Q是軌跡上的四點(diǎn)，在散射過程中可以認(rèn)為重金屬原子核靜止。圖中所標(biāo)出的α粒子在各點(diǎn)處的加速度方向正確的是(　　) A．M點(diǎn) B．N點(diǎn) C．P點(diǎn) D．Q點(diǎn) 解析：選C　α粒子(氦原子核)和重金屬原子核都帶正電，互相排斥，加速度方向與α粒子所受斥力方向相同。帶電粒子加速度方向沿相應(yīng)點(diǎn)與重金屬原子核連線指向曲線的凹側(cè)，故只有選項(xiàng)C正確。 [融會(huì)貫通] (1)根據(jù)α粒子散射的現(xiàn)象可以得出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。 (2)少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)是由于經(jīng)過原子核附近時(shí)受到了較強(qiáng)的作用力。 (3)原子核與α粒子之間的作用力為庫(kù)侖斥力，距離越近，斥力越強(qiáng)。 點(diǎn)點(diǎn)通(二)　能級(jí)躍遷 1．氫原子光譜 (1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜。 (2)光譜分類 (3)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：氫原子光譜是線狀光譜，巴耳末系譜線的波長(zhǎng)滿足＝R(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10107 m－1)。 (4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，且靈敏度很高。在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義。 2．氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)公式 (1)玻爾理論 ①定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)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(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。 ②躍遷：電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時(shí)，會(huì)放出能量為hν的光子，這個(gè)光子的能量由前后兩個(gè)能級(jí)的能量差決定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.6310－34 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(yùn)動(dòng)相對(duì)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不連續(xù)的。 (2)幾個(gè)概念 ①能級(jí)：在玻爾理論中，原子的能量是量子化的，這些量子化的能量值，叫做能級(jí)。 ②基態(tài)：原子能量最低的狀態(tài)。 ③激發(fā)態(tài)：在原子能量狀態(tài)中除基態(tài)之外的其他的狀態(tài)。 ④量子數(shù)：原子的狀態(tài)是不連續(xù)的，用于表示原子狀態(tài)的正整數(shù)。 (3)氫原子的能級(jí)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。 (4)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。 3．氫原子的能級(jí)圖 [小題練通] 1．(多選)(教科教材原題)根據(jù)玻爾原子結(jié)構(gòu)理論，原子中電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑(　　) A．可以取任意值 B．是一系列不連續(xù)的特定值 C．可以在某一范圍內(nèi)任意取值 D．不同的軌道半徑與不同的能量狀態(tài)相對(duì)應(yīng) 解析：選BD　根據(jù)玻爾原子結(jié)構(gòu)理論，電子繞核運(yùn)動(dòng)的半徑只能是一系列不連續(xù)的特定值，且不同的軌道半徑與不同的能量狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，故B、D正確。 2.如圖是氫原子的能級(jí)示意圖。當(dāng)氫原子從n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)時(shí)，輻射出光子a；從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)時(shí)，輻射出光子b。以下判斷正確的是(　　) A．在真空中光子a的波長(zhǎng)大于光子b的波長(zhǎng) B．光子b可使氫原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài) C．光子a可能使處于n＝4能級(jí)的氫原子電離 D．大量處于n＝3能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多輻射2種不同的譜線 解析：選A　氫原子從n＝4能級(jí)躍遷到n＝3能級(jí)的能級(jí)差小于從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)時(shí)的能級(jí)差，根據(jù)Em－En＝hν知，光子a的能量小于光子b的能量，所以光子a的頻率小于光子b的頻率，在真空中光子a的波長(zhǎng)大于光子b的波長(zhǎng)，故A正確；光子b的能量小于基態(tài)與任一激發(fā)態(tài)的能級(jí)差，所以不能被基態(tài)的原子吸收，故B錯(cuò)誤；根據(jù)Em－En＝hν可知光子a的能量小于n＝4能級(jí)氫原子的電離能，所以不能使處于n＝4能級(jí)的氫原子電離，C錯(cuò)誤；大量處于n＝3能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多輻射3種不同的譜線，故D錯(cuò)誤。 3．(2018天津高考)氫原子光譜在可見光區(qū)域內(nèi)有四條譜線Hα、Hβ、Hγ和Hδ，都是氫原子中電子從量子數(shù)n>2的能級(jí)躍遷到n＝2的能級(jí)時(shí)發(fā)出的光，它們?cè)谡婵罩械牟ㄩL(zhǎng)由長(zhǎng)到短，可以判定(　　) A．Hα對(duì)應(yīng)的前后能級(jí)之差最小 B．同一介質(zhì)對(duì)Hα的折射率最大 C．同一介質(zhì)中Hδ的傳播速度最大 D．用Hγ照射某一金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，則Hβ也一定能 解析：選A　根據(jù)ν＝，可得να＜νβ＜νγ＜νδ，由Em－En＝hν，知Hα對(duì)應(yīng)的兩能級(jí)之差最小，故A正確；光在同一介質(zhì)中傳播，頻率越高，折射率越大，而傳播速度v＝，則Hα的折射率最小，Hδ的傳播速度最小，故B、C錯(cuò)誤；光的頻率達(dá)到截止頻率才能發(fā)生光電效應(yīng)，所以用Hγ照射某一金屬能發(fā)生光電效應(yīng)，而Hβ則不一定能，故D錯(cuò)誤。 4．(滬科教材原題)處于基態(tài)的氫原子在某單色光照射下，只能發(fā)出頻率分別為ν1、ν2、ν3的三種光，且ν1<ν2<ν3，則該照射光的光子能量為(　　) A．hν1　　　　　　　　　　 B．hν2 C．hν3 D．h(ν1＋ν2＋ν3) 解析：選C　基態(tài)氫原子吸收光子后只能發(fā)出頻率為ν1、ν2、ν3的三種光，說明氫原子從n＝1能級(jí)可以躍遷到n＝3能級(jí)，故該光子的能量為hν3，C正確。 [融會(huì)貫通] 解答氫原子能級(jí)圖與原子躍遷問題的注意事項(xiàng) (1)能級(jí)之間躍遷時(shí)放出的光子頻率是不連續(xù)的。 (2)能級(jí)之間發(fā)生躍遷時(shí)放出(吸收)光子的頻率由hν＝Em－En求得，若求波長(zhǎng)可由公式c＝λν求得。 (3)一個(gè)氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n－1。 (4)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法： ①用數(shù)學(xué)中的組合知識(shí)求解：N＝C＝。 ②利用能級(jí)圖求解：在氫原子能級(jí)圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。 點(diǎn)點(diǎn)通(三)　原子核的衰變規(guī)律 1．原子核的組成 原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。 2．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)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 (2)三種射線 構(gòu)成 符號(hào) 電荷量 質(zhì)量 電離能力 穿透能力 α射線 氦核 He ＋2e 4 u 最強(qiáng) 最弱 β射線 電子 e －e 較強(qiáng) 較強(qiáng) γ射線 光子 γ 0 0 最弱 最強(qiáng) 　　3.原子核的衰變 (1)衰變：原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。 (2)分類 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋e。 (3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。半衰期由原子核內(nèi)部自身的因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)。 [小題練通] 1．(2017全國(guó)卷Ⅱ)一靜止的鈾核放出一個(gè)α粒子衰變成釷核，衰變方程為U→Th＋He。下列說法正確的是(　　) A．衰變后釷核的動(dòng)能等于α粒子的動(dòng)能 B．衰變后釷核的動(dòng)量大小等于α粒子的動(dòng)量大小 C．鈾核的半衰期等于其放出一個(gè)α粒子所經(jīng)歷的時(shí)間 D．衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量 解析：選B　靜止的鈾核在衰變過程中遵循動(dòng)量守恒定律，由于系統(tǒng)的總動(dòng)量為零，因此衰變后產(chǎn)生的釷核和α粒子的動(dòng)量等大反向，即pTh＝pα，B項(xiàng)正確；因此有＝，由于釷核和α粒子的質(zhì)量不等，因此衰變后釷核和α粒子的動(dòng)能不等，A項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)半衰期的定義可知，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由于衰變過程釋放能量，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知，衰變過程有質(zhì)量虧損，D項(xiàng)錯(cuò)誤。 2．(粵教教材原題)氡222放在天平的左盤時(shí)，需在天平的右盤加444 g砝碼，天平才能處于平衡狀態(tài)，氡222發(fā)生α衰變，經(jīng)過一個(gè)半衰期以后，欲使天平再次平衡，應(yīng)從右盤中取出的砝碼為(　　) A．220 g B．8 g C．2 g D．4 g 解析：選D　經(jīng)過一個(gè)半衰期，有一半的氡222發(fā)生α衰變，放出的α粒子的總質(zhì)量為4 g，故D正確。 3．(2019東北三校模擬)如圖所示為查德威克發(fā)現(xiàn)中子的實(shí)驗(yàn)示意圖，利用釙(Po)衰變放出的α粒子轟擊鈹(Be)，產(chǎn)生的粒子P能將石蠟中的質(zhì)子打出來，下列說法正確的是(　　) A．α粒子是氦原子 B．粒子Q的穿透能力比粒子P的強(qiáng) C．釙的α衰變方程為 Po→Pb＋He D．α粒子轟擊鈹?shù)暮朔磻?yīng)方程為He＋Be→ 126C＋n 解析：選D　α粒子是氦原子核，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；粒子P是中子，粒子Q是質(zhì)子，由于質(zhì)子帶正電，當(dāng)質(zhì)子射入物體時(shí)，受到庫(kù)侖力的作用會(huì)阻礙質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)，而中子不帶電，不受庫(kù)侖力作用，粒子P的穿透能力比粒子Q的強(qiáng)，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；在釙衰變中，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒知產(chǎn)生的是Pb，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；He＋Be→C＋n是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，選項(xiàng)D正確。 4．(魯科教材原題)完成下面的核反應(yīng)方程式，并指出其衰變類型。 Ra→Rn＋________，這是________衰變。 Pb→Bi＋________，這是________衰變。 解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可得： Ra→Rn＋He，為α衰變。 Pb→Bi＋e，為β衰變。 答案：He　α　　e　β [融會(huì)貫通] (1)原子核發(fā)生衰變時(shí)遵循電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒。 (2)每發(fā)生一次α衰變，原子核的質(zhì)量數(shù)減小“4”，每發(fā)生一次β衰變，原子核的質(zhì)子數(shù)增大“1”。 (3)原子核的衰變發(fā)生的快慢由半衰期決定，半衰期取決于放射性元素的種類，與原子所處的外界條件無關(guān)。 點(diǎn)點(diǎn)通(四)　核反應(yīng)方程與核能計(jì)算 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 α衰變 自發(fā) U→Th＋He β衰變 自發(fā) Th→Pa＋e 人工 轉(zhuǎn)變 人工 控制 N＋He→O＋H (盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子) He＋Be→C＋n (查德威克發(fā)現(xiàn)中子) Al＋He→P＋n (約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性) P→Si＋　e 重核 裂變 比較容易 進(jìn)行人工 控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 輕核聚變 很難控制 H＋H→He＋n 2.核反應(yīng)方程式的書寫 (1)熟記常見基本粒子的符號(hào)，是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正電子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。 (2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)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(shí)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，電荷數(shù)守恒。 3．對(duì)質(zhì)能方程的理解 (1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即E＝mc2。 方程的含義：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，物體的能量增大，質(zhì)量也增大；物體的能量減少，質(zhì)量也減少。 (2)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其能量也要相應(yīng)減少，即ΔE＝Δmc2。 (3)原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。 4．核能的計(jì)算方法 (1)應(yīng)用質(zhì)能方程解題的流程圖： →→ (2)核反應(yīng)遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，因此我們可以結(jié)合動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律來計(jì)算核能。在動(dòng)量守恒方程中，各質(zhì)量都可用質(zhì)量數(shù)表示。 (3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計(jì)算結(jié)合能： 原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能核子數(shù)。 [小題練通] 1．(2018全國(guó)卷Ⅲ)1934年，約里奧—居里夫婦用α粒子轟擊鋁核Al，產(chǎn)生了第一個(gè)人工放射性核素X：α＋Al→n＋X。X的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為(　　) A．15和28　　　　　　　　　B．15和30 C．16和30 D．17和31 解析：選B　將核反應(yīng)方程式改寫成He＋Al→n＋X，由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒知，X應(yīng)為X，B正確。 2．(滬科教材原題)完成下列核反應(yīng)方程，并指出核反應(yīng)的類型： He＋________→He＋H，是________變。 Na→Mg＋________，是________變。 Na＋________→Na＋H，是________變。 92U＋n→56Ba＋________＋3n，是________變。 解析：He＋H→He＋H，是輕核聚變。 Na→Mg＋　e，是β衰變。 Na＋　0＋1e→Na＋H，是人工轉(zhuǎn)變。 U＋n→Ba＋Kr＋3n，是重核裂變。 答案：H　輕核聚　　e　β衰　　e　人工轉(zhuǎn)　Kr　重核裂 3．(教科教材原題)兩個(gè)氘核聚變時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中子和一個(gè)氦核(氦的同位素)，已知氘核的質(zhì)量mH＝2.014 1 u，氦核的質(zhì)量為mHe＝3.016 0 u，中子的質(zhì)量為mn＝1.008 7 u。(以上質(zhì)量均指靜質(zhì)量) (1)寫出核反應(yīng)方程； (2)計(jì)算反應(yīng)釋放出的核能； (3)如果反應(yīng)前兩個(gè)氘核的動(dòng)能均為0.35 MeV，它們正面對(duì)碰發(fā)生聚變，且反應(yīng)釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，計(jì)算反應(yīng)生成的氦核和中子的動(dòng)能。 解析：(1)H＋H→He＋n。 (2)Δm＝2.014 12 u－3.016 0 u－1.008 7 u＝0.003 5 u ΔE＝0.003 5931.5 MeV≈3.26 MeV。 (3)核反應(yīng)過程中動(dòng)量守恒，設(shè)氦核質(zhì)量為m1，速度大小為v1，中子質(zhì)量為m2，速度大小為v2 m1v1＝m2v2＝p 根據(jù)Ek＝，＝＝ 可得Ek1＝E總＝(0.352＋3.26)MeV＝0.99 MeV Ek2＝E總＝(0.352＋3.26)MeV＝2.97 MeV。 答案：(1)H＋H→He＋n　(2)3.26 MeV　 (3)0.99 MeV　2.97 MeV [融會(huì)貫通] (1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算時(shí)，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。 (2)根據(jù)ΔE＝Δm931.5 MeV計(jì)算時(shí)，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。