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专题十六 原子结构和原子核,高考物理（浙江专用）,考点一原子结构 考向基础 一、电子的发现,考点清单,二、粒子散射实验与卢瑟福核式结构,三、氢原子光谱 氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线,这些光谱线可用一个统一的公式表示: =R 式中R叫做里德伯常量,实验值为R=1.10107 m-1,m=1,2,3,对每一个m,有n=m+1,m+2,m+3,构成一个谱线系。,说明氢光谱是线状的、不连续的,波长只能是分立的值。,四、能级,考向突破 考向玻尔的原子模型 1.氢原子的能级及相关物理量 在氢原子中,电子围绕原子核运动,如将电子的运动看做轨道半径为r的圆周运动,则原子核与电子之间的库仑力提供电子做匀速圆周运动所需的向心力,那么由库仑定律和牛顿第二定律,有=me,则 电子运动速率v=; 电子的动能Ek=mev2=; 电子运动周期T=2; 电子在半径为r的轨道上所具有的电势能Ep=-ke2/r;,等效电流I=。 由以上各式可见,电子绕核运动的轨道半径越大,电子的运行速率越小,动能越小,电子运动的周期越大,在轨道上具有的电势能越大。,例1(2018浙江名校协作,14)(多选)下列说法正确的是() A.德布罗意指出微观粒子的动量越大,其对应的波长就越小 B.射线是频率极高的电磁波,其在云室中穿过会留下清晰的径迹 C.根据玻尔原子模型,氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能将增大 D.太阳辐射能量的主要来源与核电站发生的核反应一样,都是重核裂变,解析依据德布罗意波长公式=可知,微观粒子的动量越大,其对应 的波长就越短,故A正确;射线是频率极高的电磁波,其在云室中穿过不会留下清晰的径迹,选项B错误;根据玻尔原子模型,氢原子辐射光子后,原子的能级降低,电子的轨道半径减小,则电子绕核运动的动能将增大,选项C正确;太阳辐射能量的主要来源是轻核聚变,而核电站发生的是重核裂变,选项D错误。故选A、C。,答案AC,2.跃迁与电离,3.激发的方式,例2(2018浙江宁波诺丁汉大学附中期末)如图所示为氢原子能级的示意图,现有大量的氢原子处于n=4的激发态,当向低能级跃迁时辐射出若干种不同频率的光。关于这些光,下列说法正确的是() A.波长最大的光是由n=4能级跃迁到n=1能级产生的 B.频率最小的光是由n=2能级跃迁到n=1能级产生的 C.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光 D.从n=2能级跃迁到n=1能级电子动能增加,解析氢原子从高能级n向低能级m跃迁时,辐射的光子能量E=En-Em=h,故能级差越大,光子的能量也越大,即光子的频率越大,根据=c/可知频率越大,波长越小。由n=4能级跃迁到n=1能级产生的光子频率最高,波长最短,A错误;频率最小的即能量最低的光是由n=4能级跃迁到n=3能级产生的,B错误;当氢原子从n=4能级向低能级跃迁时,可以辐射光的种类为=6种,故C错误;从n=2能级跃迁到n=1能级,核外电子运动 半径变小,库仑力做正功,电子动能增加,D正确。,答案D,考点二原子核 考向基础 一、天然放射现象,二、原子核的组成,三、原子核的衰变 天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出粒子或粒子,放出后就变成新的原子核,这种变化称为原子核的衰变。但这并不表明原子核内有粒子或粒子(粒子是电子,而原子核内不可能有电子存在)。 1.衰变规律:原子核衰变时的电荷数和质量数都守恒。 2.衰变方程 衰变XYHe。 衰变XYe。 3.两个重要的衰变 UThHeThPae。,(1)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。 (2)当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生衰变,有的发生衰变,同时伴随着辐射。 四、半衰期 不同元素的半衰期是不一样的,用表示半衰期,m0与N0表示衰变前的质量和原子核数,m和N表示衰变后的质量和原子核数,n表示半衰期数,则 m=m0, N=N0。,五、核反应 1.核力 原子核由质子和中子组成,质子和中子是靠强大的核力结合在一起的。 核力:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。 核力的特点:(1)核力是强相互作用力,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。(2)核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内。在大于0.8 10-15 m时,核力表现为引力,超过1.510-15 m时核力急剧下降几乎消失;在 小于0.810-15 m时核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。(3)每个 核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。无论 是质子间、中子间、质子和中子间均存在核力。 自然界中的四种基本相互作用力:万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。,2.结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开也需要能量。核反应中为把核子分开而需要的能量称为原子核的结合能。 3.质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫做质量亏损。 4.质能方程:E=mc2;E=mc2。 5.核反应:(1)核反应过程中遵守质量数和电荷数守恒,但并不能仅根据此两点而随意书写核反应方程,具体书写时一定要尊重反应的实际。 (2)核反应通常不可逆,方程只能用单向箭头连接。 (3)核反应中用来轰击原子核的基本粒子通常为粒子,反应后放出的基本粒子通常为Hne和e等。,6.裂变 (1)重核的裂变:重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量核的反应过程(释放能量)。 (2)链式反应:重核裂变时放出几个中子,再引起其他重核裂变而使裂变反应不断自动进行下去(原子弹原理)。为使裂变的链式反应容易发生,最好利用铀235。 (3)反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层。 7.聚变:把轻核结合成质量较大的核,释放出核能的反应,称为聚变,又称热核反应。,考向突破 考向一放射性元素的衰变 1.衰变 (1)定义:放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变。 (2)衰变规律:电荷数和质量数都守恒。 衰变XYHe,衰变的实质是某元素的原子核放出由两个质 子和两个中子组成的粒子(即氦核)。 衰变XYe,衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变 为一个质子时放射出一个电子。 辐射:辐射是伴随衰变或衰变同时发生的。辐射不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。 (3)确定衰变次数的方法:设放射性元素X经过n次衰变m次衰变后,变 成稳定的新元素Y,则表示核反应的方程为XY+He+e。 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A=A+4n,Z=Z+2n-m 两式联立得n=,m=+Z-Z 由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。 2.半衰期 定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间,叫做这种元素的半衰期。,说明(1)半衰期是由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的,跟原子所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关。 (2)半衰期只对大量原子核衰变才有意义,因为放射性元素的衰变规律是统计规律,对少数原子核衰变不再起作用。,例3(多选)Th(钍)经过一系列衰变和衰变,变成Pb(铅),下列说 法正确的是() A.铅核比钍核少8个质子 B.铅核比钍核少16个中子 C.共经过4次衰变和6次衰变 D.共经过6次衰变和4次衰变,解析设衰变次数为x,衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得 232=208+4x 90=82+2x-y 解得x=6,y=4,C错、D对。 铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对。 铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对。,答案ABD,例4约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖。他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒 子,这种粒子是P是P的同位素,被广泛应用于生物示踪技 术。1 mg P随时间衰变的关系如图所示,请估算4 mg的P经多少天的 衰变后还剩0.25 mg?,解析写出衰变方程PSie,故这种粒子为e(正电子)。 由m-t图知P的半衰期为14天,由m余=m原得,0.25 mg=4 mg,故t =56天。,答案正电子(e)56天,考向二核力与结合能 1.核能的计算 根据爱因斯坦质能方程,用核子结合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘真空中光速的平方。即E=mc2。 根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘931.5 MeV。即 E=m931.5 MeV。 2.原子核的人工转变及其三大发现 (1)原子核的人工转变 用人工方法使一种原子核变成另一种原子核的变化。 (2)原子核人工转变的三大发现,1919年卢瑟福发现质子的核反应: NHeOH 1932年查德威克发现中子的核反应: BeHeCn 1934年约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应: AlHePn PSi+e,例5已知氦原子的质量为MHe,电子的质量为me,质子的质量为mp,中子的质量为mn,以上质量的单位都为原子质量单位u,且由爱因斯坦质能方程E=mc2可知:1 u对应于931.5 MeV的能量,若取光速c=3108 m/s,则两个质子和两个中子聚变成一个氦核,释放的能量为() A.2(mp+mn)-MHe931.5 MeV B.2(mp+mn+me)-MHe931.5 MeV C.2(mp+mn+me)-MHec2(J) D.2(mp+mn)-MHec2(J),解析核反应方程为H+nHe,质量亏损m=2(mp+mn)-(MHe-2me)= 2(mp+mn+me)-MHe,所以释放的能量为: E=m931.5 MeV=2(mp+mn+me)-MHe931.5 MeV,选项B正确。,答案B,方法氢原子能级图及原子跃迁问题 氢原子的能级图(如图所示) 1.能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态。 2.横线左端的数字“1,2,3”表示量子数,右端的数字“-13.6,-3.4”表示氢原子的能级。,方法技巧,3.相邻横线间的距离,表示相邻的能级差,量子数越大,相邻的能级差越小。 4.带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁,原子跃迁条件为:h=Em-En。,特别提醒(1)能级越高,量子数越大,轨道半径越大,电子的动能越小,但原子的能量肯定随能级的升高而变大。 (2)原子跃迁发出的光谱线条数N=,适用于一群氢原子,而不 是一个。,例如图为氢原子能级示意图,则氢原子() A.从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能级辐射出电磁波的波长长 B.从n=5能级跃迁到n=1能级比从n=5能级跃迁到n=4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,解析光子能量E=h=,而E4-33-2,A项正确。不同频率的 电磁波在真空中传播时速度均相等,故B错。电子在核外不同能级出现的概率是不同的,故C错。能级跃迁是核外电子在不同轨道间的跃迁,与原子核无关,故D错误。,答案A,
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