（浙江选考）2020版高考物理一轮复习 第12章 动量守恒定律 波粒二象性 原子结构与原子核 第3讲 原子结构 原子核学案

第3讲原子结构原子核知识排查原子结构1.电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。2.美国物理学家密立根测出了电子的电荷量。3.汤姆孙原子模型汤姆孙于1898年提出了原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。4.粒子散射实验（1）实验装置：粒子源、金箔、放大镜和荧光屏。（2）实验现象绝大多数的粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进；少数粒子发生了大角度偏转；极少数粒子的偏转角度大于90，甚至有极个别粒子几乎被“撞了回来”。（3）实验意义：卢瑟福通过粒子散射实验，否定了汤姆孙的原子模型，建立了核式结构模型。5.核式结构模型1911年由卢瑟福提出，在原子中心有一个很小的核，叫原子核。它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动。6.原子核的电荷与尺度氢原子光谱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R，(n3，4，5，R是里德伯常量，R1.10107 m1)。4.光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱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。5.理尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，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hEmEn。(h是普朗克常量，h6.631034 Js)(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不连续的。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：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2.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。3.放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有天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、做示踪原子等。(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：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类衰变：XYHe如：UThHe；衰变：XYe如：ThPae；(3)半衰期：放射性元素的原子核有半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。核力和核能1.核力原子核内部，核子间所特有的相互作用力。2.核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量Emc2。(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为Emc2。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：UnKrBa3n。(3)链式反应：重核裂变产生的中子使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：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2.轻核聚变(1)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。(2)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV小题速练1.思考判断(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小()(2)核式结构学说是卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出的()(3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的()(4)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱()(5)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上()(6)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的()(7)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的()(8)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()(9)原子序数小于83的元素都没有放射性()(10)射线是一种高能粒子流，可以用来工业探伤()(11)原子核发生衰变时放出一个电子，说明原子核内有电子()(12)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化()(13)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，也遵循电荷数守恒()(14)轻核聚变须达到几百万摄氏度以上的高温，自然界不存在轻核聚变()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)2.(多选)从粒子散射实验结果出发推出的结论，其中正确的是()A.金原子内部大部分都是空的B.金原子是一个球体C.汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况D.原子核的半径的数量级是1015 m解析粒子散射实验结果表明，绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数粒子发生了较大角度的偏转，并有极少数粒子的偏转角度超过90，有的甚至几乎被反弹回来，则从粒子散射实验结果出发推出的结论有金原子内部大部分都是空的，汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况，原子核的半径的数量级是1015 m，不能说明金原子是球体，选项A、C、D正确。答案ACD3.在同位素氕、氘、氚的核内具有相同的()A.核子数B.电子数C.中子数 D.质子数解析同位素是指在原子核中的质子数相同而中子数不同的元素，故氕、氘、氚的核内具有相同的质子数，选项D正确。答案D4.(多选)以下说法中，属于玻尔所提出的原子模型理论的是()A.原子处在具有一定能量的定态中，虽然电子做圆周运动，但不向外辐射能量B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道分布是不连续的C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率解析原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做圆周运动，但并不向外辐射能量，故A正确；原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的，故B正确；电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射(或吸收)一定频率的光子，故C正确；电子跃迁时辐射的光子的频率等于能级差值，与电子绕核做圆周运动的频率无关，故D错误。答案ABC5.(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()A.UThHe是衰变B.NHeOH是衰变C.HHHen是轻核聚变D.SeKr2e是重核裂变答案AC6.(2018高考领航冲刺卷)已知真空中的光速c3.0108 m/s，下列说法正确的是()A.铋210的半衰期是5天，经过10天，32个铋210衰变后还剩下8个B.用中子轰击铀核的核反应方程为UnBaKr3n，属于原子核的衰变C.若核反应nHH释放出2.2 MeV能量，该过程质量亏损为3.91030 kgD.某原子核X吸收一个中子后，放出一个电子，最后分裂为两个粒子，则A7，Z2解析半衰期是针对大量原子核的衰变行为的统计规律，少数原子核不适用此规律，选项A错误；UnBaKr3n是原子核的裂变，选项B错误；根据Emc2，可得m3.91030 kg，选项C正确；根据质量数和电荷数守恒可知A18，Z14，则A7，Z3，选项D错误。答案C氢原子能级及能级跃迁1.定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n小)高能级（n大）吸收能量。hEn大En小（2）从高能级（n大）低能级（n小）放出能量。hEn大En小2.电离电离态：n，E0基态电离态：E吸0（13.6 eV）13.6 eV电离能。n2电离态：E吸0E23.4 eV如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。3.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hEmEn求得。若求波长可由公式c求得。（2）一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为（n1）。（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用数学中的组合知识求解：NC。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。4.几种跃迁情况说明（1）原子跃迁条件hEmEn只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。（2）当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离。当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能。（3）原子还可吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发。由于实物粒子的动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两能级的能量差，就可以使原子受激发而向较高能级跃迁。【典例】（20184月浙江选考）（多选）氢原子的能级图如图1所示，关于大量氢原子的能级跃迁，下列说法正确的是（可见光的波长范围为4.0107 m7.6107 m，普朗克常量h6.61034 Js，真空中的光速c3.0108 m/s）（）图1A.氢原子从高能级跃迁到基态时，会辐射射线B.氢原子处在n4能级时，会辐射可见光C.氢原子从高能级向n3能级跃迁时，辐射的光具有显著的热效应D.氢原子从高能级向n2能级跃迁时，辐射的光在同一介质中传播速度最小的光子能量为1.89 eV解析射线是原子核衰变时产生的高能电磁波，与核外电子无关，故选项A错误；电子从高能级向低能级跃迁时辐射出光子，根据Ehh，可得可见光光子的能量范围为1.63 eV3.09 eV。从n4能级跃迁到n2能级E2.55 eV，处在可见光能量范围内，故选项B正确；从高能级向n3能级跃迁辐射出最大能量为E1.51 eVb，故选项C错误；同种介质中a、b光的折射率nanb，设玻璃砖的厚度为d，入射角为i，折射角为r，则n，a、b光以相同的入射角入射时，折射角rayb，选项A错误；波长a0.86 MeV，选项B错误；根据动量守恒定律可知中微子与锂核（Li）的动量之和等于反应前电子的动量，但能量不等，选项C正确，D错误。答案AC1.（2017全国卷，17）大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：HHHen。已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u，1 u931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为（）A.3.7 MeV B.3.3 MeVC.2.7 MeV D.0.93 MeV解析根据质能方程，释放的核能Emc2，m2mHmHemn0.003 5 u，则E0.003 5931 MeV3.258 5 MeV3.3 MeV，故选项B正确，A、C、D错误。答案B2.现有两动能均为E00.35 MeV的H在一条直线上相向运动，两个H发生对撞后能发生核反应，得到He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为He和新粒子的动能。已知H的质量为2.014 1 u，He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV（如果涉及计算，结果保留整数）。则下列说法正确的是（）A.核反应方程为HHHeHB.核反应前后不满足能量守恒定律C.新粒子的动能约为3 MeVD.He的动能约为4 MeV解析由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知HHHen，则新粒子为中子n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知E（2.014 1 u23.016 0 u1.008 7 u）931 MeV/u3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHeEkn2E0E，根据核反应中系统的动量守恒有pHepn0，由Ek，可知，解得EkHe（2E0E）1 MeV，Ekn（2E0E）3 MeV，所以C正确，D错误。答案C3.钚的放射性同位素Pu静止时衰变为铀核激发态U*和粒子，而铀核激发态U*立即衰变为铀核U，并放出能量为0.097 MeV的光子。已知：Pu、U和粒子的质量分别为mPu239.052 1 u、mU235.043 9 u和m4.002 6 u，1 u的质量相当于931.5 MeV的能量。（1）写出衰变方程；（2）已知衰变放出的光子的动量可忽略，求粒子的动能。解析（1）衰变方程为PuU*HeU*U或合起来有PuUHe（2）上述衰变过程的质量亏损为mmPumUm放出的能量为Em931.5 MeV此能量是铀核U的动能EU、粒子的动能E和光子的能量E之和，即EEUEE设衰变后的铀核和粒子的速度分别为vU和v，则由动量守恒有mUvUmv又由动能的定义知EUmUv，Emv联立解得E5.034 MeV答案（1）见解析（2）5.034 MeV活页作业（时间：30分钟）A组基础过关1.（多选）如图1为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法正确的是（）图1A.相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B.相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数只比放在A位置时稍微少些C.放在C，D位置时屏上观察不到闪光D.放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少解析卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验时，得到以下结论：大部分粒子都能直接穿过金箔，个别的发生偏转，极少数发生大角度的偏转，故A、D正确，B、C错误。答案AD2.根据玻尔理论，下列关于氢原子的论述正确的是（）A.若氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁，则氢原子要辐射的光子能量为hEnB.电子沿某一轨道绕核运动，若圆周运动的频率为，则其发光的频率也是C.一个氢原子中的电子从一个半径为ra的轨道自发地直接跃迁到另一半径为rb的轨道，已知rarb，则此过程原子要辐射某一频率的光子D.氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁解析原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，辐射的光子能量等于能级差，与En不相等，故A错误；电子沿某一轨道绕核运动，处于某一定态，不向外辐射能量，故B错误；电子由半径大的轨道跃迁到半径小的轨道，能级降低，因而要辐射某一频率的光子，故C正确；原子吸收光子后能量增加，能级升高，故D错误。答案C3.重核裂变和轻核聚变是人类利用原子能的两种主要方法，下面有关它们的说法正确的是（）A.裂变和聚变的过程都有质量亏损B.聚变过程有质量亏损，聚变过程质量有所增加C.裂变过程质量有所增加，聚变过程有质量亏损D.裂变和聚变过程中质量都有所增加解析重核裂变和轻核聚变都要释放能量，也一定要发生质量亏损，所以选项A正确。答案A4.如图2所示为氢原子能级示意图的一部分，则氢原子（）图2A.从n4能级跃迁到n3能级比从n3能级跃迁到n2能级辐射出电磁波的波长长B.从n5能级跃迁到n1能级比从n5能级跃迁到n4能级辐射出电磁波的速度大C.处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的D.从高能级向低能级跃迁时，氢原子核一定向外放出能量解析由hEmEn和结合能级图知A正确，B错误；处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率不一样，C错误；从高能级向低能级跃迁时，是氢原子向外放出能量，D错误。答案A5.U经过m次衰变和n次衰变，变成Pb，则（）A.m7，n3 B.m7，n4C.m14，n9 D.m14，n18解析衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒。写出核反应方程：UPbmHene根据质量数守恒和电荷数守恒列出方程2352074m，92822mn解得m7，n4，故选项B正确，选项A、C、D错误。答案B6.（多选）氘核、氚核、中子、氦核的质量分别是m1、m2、m3和m4，如果氘核和氚核结合生成氦核，则下列说法中正确的是（）A.核反应方程式为 HHHenB.这是一个裂变反应C.核反应过程中的质量亏损mm1m2m3D.核反应过程中释放的核能E（m1m2m3m4）c2解析由氘核和氚核的结合以及电荷数、质量数守恒可知选项A正确；该核反应为聚变反应，选项B错误；核反应过程中的质量亏损为mm1m2m3m4，选项C错误；由爱因斯坦质能方程可知核反应过程中释放的核能Emc2，可知选项D正确。答案AD7.某核反应方程 HHHeX。已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.018 0 u，He的质量为 4.002 6 u，X的质量为1.008 7 u。则下列说法中正确的是（）A.X是质子，该反应释放能量B.X是中子，该反应释放能量C.X是质子，该反应吸收能量D.X是中子，该反应吸收能量解析据质量数守恒，电荷数守恒可判定X为中子，核反应中有质量亏损，则该反应释放能量，答案B正确。答案B8.（20174月浙江选考）（多选）下列说法正确的是（）A.、射线都是电磁波B.原子核中所有核子单独存在时，质量总和大于该原子核的总质量C.在LC振荡电路中，电容器刚放电时电容器极板上电荷量最多，回路电流最小D.处于n4激发态的氢原子，共能辐射出四种不同频率的光子解析射线是高速移动的电子流，属于实物波，不属于电磁波，故A错误；在核子结合成原子核过程中需要释放出结合能，根据质能方程Emc2，所以结合原子核过程中存在质量损失，故B正确；LC振荡电路中放电之前属于充电过程，电场能逐渐增大，磁场能逐渐减小，回路电流逐渐减小，刚刚开始放电时正好是电场能最大，磁场能最小的时刻，所以回路电流此时最小，故C正确；处于n4激发态的氢原子能释放出C6种频率的光子，故D错误。答案BC9.关于核聚变，以下说法不正确的是（）A.与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁B.世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站C.要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到1015 m以内，核力才能起作用D.地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核解析与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：（1）安全、清洁、辐射少；（2）核燃料储量多；（3）核废料易处理。但核聚变发电还没有投入实际运行。所以B项是不正确的。答案BB组能力提升10.（多选）氢原子能级图如图3所示，当氢原子从n3跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656 nm。下列判断中，正确的是（）图3A.氢原子从n2跃迁到n1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB.用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n1跃迁到n2的能级C.一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D.用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n2跃迁到n3的能级解析由E初E终hh可知，氢原子跃迁时始末能级差值越大，辐射的光子能量越高、波长越短，由能级图知E3E2E2E1，故选项A错误；由得121.6 nm23，则下列说法正确的是（）图5A.B.123C.从n3能级跃迁到n2能级，辐射出的光子频率为1D.辐射出频率为1的光子后的氢原子的电势能比辐射出频率为2的光子后的氢原子的电势能大解析由题意及玻尔理论可知，E3E1h1，E2E1h2，E3E2h3，因此有h1h2h3，即123，选项A错误，B正确；从n3能级跃迁到n2能级，辐射出的光子频率为3，选项C错误；辐射出的频率为1的光子后的氢原子处于基态，辐射出频率为2的光子后氢原子也处于基态，因此氢原子的电势能相同，选项D错误。答案B13.（20184月浙江选考）（多选）下列说法正确的是（）A.组成原子核的核子越多，原子核越稳定B.92U衰变为86Rn经过4次衰变，2次衰变C.在LC振荡电路中，当电流最大时，线圈两端电势差也最大D.在电子的单缝衍射实验中，狭缝变窄，电子动量的不确定量变大解析比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢靠，原子核越稳定，故A错误；92U衰变为86Rn，质量数减少16，电荷数减少6，由于原子核经过一次衰变，质子数减少2，质量数减少4，经过一次衰变，质子数增加1，质量数不变。所以衰变次数m4；衰变次数n2，所以B正确；当线圈两端电势差最大时，电流变化率最大，此时电流为0，故C错误；在电子的单缝衍射实验中，狭缝越窄，屏上中央亮条纹越宽，即能更准确地测得电子的位置。根据不确定性关系xp，电子动量的不确定量变得更大，故D正确。答案BD14.（多选）图6所示为氢原子能级图，大量处于n4激发态的氢原子向低能级跃迁时能辐射出多种不同频率的光，其中用从n4能级向n2能级跃迁时辐射的光照射图7所示光电管的阴极K时，电路中有光电流产生，则（）A.若将滑片右移，电路中光电流增大B.若将电源极性反接，电路中可能有光电流产生C.若阴极K的逸出功为1.05 eV，则逸出的光电子最大初动能为2.41019 JD.大量处于n4激发态的氢原子向低能级跃迁时辐射的光子中只有4种光子能使阴极K发生光电效应解析若将滑片右移，光电管两端的电压增大，但之前光电流是否达到饱和并不清楚，因此光电管两端的电压增大，光电流不一定增大，选项A错误；将电源极性接反后，所加电压阻碍光电子向阴极运动，但若eUEkm，仍会有一定数量的光电子可到达阴极而形成光电流，选项B正确；若阴极K的逸出功为1.05 eV，由光电效应方程知，逸出的光电子最大初动能为EkmhW逸出0.85 eV（3.40 eV）1.05 eV1.5 eV2.41019 J，选项C正确；由于阴极K的逸出功未知，能使阴极K发生光电效应的光子种数无法确定，选项D错误。答案BC20