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第30讲原子结构、原子核,一 原子结构,二 原子核,教材研读,突破一 氢原子能级及能级跃迁,突破二 原子核的衰变及半衰期,突破三 核反应方程与核能,重难突破,突破四 能量守恒和动量守恒在核反应中的应用,3.半衰期,4.核能,1.判断下列说法的正误: (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)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。() (5)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。(),(6)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。() (7)射线是一种高能粒子流,可以用来工业探伤。( ) (8)原子核发生衰变时放出一个电子,说明原子核内有电子。( ) (9)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。 ( ) (10)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。(),2.关于阴极射线的本质,下列说法正确的是(C) A.阴极射线本质是高速氢原子流B.阴极射线本质是电磁波 C.阴极射线本质是高速电子流D.阴极射线本质是X射线,3.对于基态氢原子,下列说法正确的是(A) A.它能吸收10.2 eV的光子 B.它能吸收11 eV的光子 C.它能吸收动能为10 eV的电子的能量 D.它能吸收具有11 eV动能的电子的全部动能,4.大量氢原子从n=5的激发态向低能级跃迁时,产生的光谱条数是(D) A.4条B.6条C.8条D.10条,5.碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(C) A.B.C.D.,6.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一。下列核反应方程的表述正确的有(AC) AHHHen是核聚变反应 BHHHen是衰变 CUnBaKr+n是核裂变反应 DUnXeSr+n是衰变,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。 h=En大-En小 (2)从高能级(n大)低能级(n小)放出能量。 h=-,突破一氢原子能级及能级跃迁,重难突破,2.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 n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还具有动能。 3.对氢原子能级图的理解 (1)能级图如图所示。,(2)能级图中相关量意义的说明,4.谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。 (2)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:N=。 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。,典例1(多选)如图所示是氢原子的能级图,大量处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁时,一共可以辐射出6种不同频率的光子,其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子,则(BC) A.6种光子中波长最长的是n=4激发态跃迁到基态时 产生的 B.在6种光子中,从n=4能级跃迁到n=1能级释放的光子 康普顿效应最明显 C.使n=4能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量 D.若从n=2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应,则从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应,解析n=4激发态跃迁到n=3激发态时产生光子的能量最小,根据E= 知,波长最长,故A错误;从n=4激发态跃迁到基态时产生光子的能量最大,根据E=知,波长最短,粒子性最明显,康普顿效应最明显,故B正确。 n=4能级的氢原子具有的能量为-0.85 eV,故要使其发生电离,至少需要0.85 eV的能量,故C正确;从n=2能级跃迁到基态释放的光子能量为 -3.40 eV-(-13.6) eV=10.2 eV,若能使某金属板发生光电效应,从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子能量-1.51 eV-(-3.40) eV=1.89 eV10.2 eV,不一定 能使该板发生光电效应,D错误。,规律总结 氢原子能级图与原子跃迁问题的解答技巧 (1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。 (2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由h=Em-En求得。若求波长可由公式c =求得。 (3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n - 1)。 (4)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:N =。 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。,1-1(多选)如图为氢原子能级图,氢原子中的电子从n=5能级跃迁到n=2能级可产生a光;从n=4能级跃迁到n=2能级可产生b光。a光和b光的波长分别为a和b,照射到逸出功为2.29 eV的金属钠表面均可产生光电效应,遏止电压分别为Ua和Ub。则(BCD) A.ab B.UaUb C.a光的光子能量为2.86 eV D.b光产生的光电子最大初动能Ek=0.26 eV,解析根据能级跃迁知识得ha=E5-E2=-0.54-(-3.4) eV=2.86 eV,hb=E4-E2=-0.85-(-3.4) eV=2.55 eV,显然a光的光子能量大于b光的光子能量,即a光频率较大,波长较短,所以A错,C正确。根据光电效应方程可知,最大初动能Ek=h-W0,所以a光照射后光电子的最大初动能为Ek=(2.86- 2.29) eV=0.57 eV,b光照射后光电子的最大初动能为Ek=(2.55-2.29) eV= 0.26 eV,选项D正确。由eU=Ek知UaUb,选项B正确。,1-2(多选)氢原子从n=6跃迁到n=2能级时辐射出频率为1的光子,从n=5跃迁到n=2能级时辐射出频率为2的光子。下列说法正确的是(ABD) A.频率为1的光子的能量较大 B.频率为1的光子的动量较大 C.做双缝干涉实验时,频率为1的光产生的条纹间距较大 D.做光电效应实验时,频率为1的光产生的光电子的最大初动能较大,解析由En= ,E=Em-En,可知,氢原子从n=6能级跃迁到n=2能级时辐 射出的光子比从n=5能级跃迁到n=2能级时辐射出的光子的能量要大,故A正确;由E=h,c=,且光子动量p=,可知能量大的光子动量大,B正 确;频率为1的光子能量大,频率为1的光波长小,双缝干涉条纹间距x=小,C错误;由光电效应方程Ekm=h-h0可知,入射光子的能量大,产生 的光电子最大初动能大,故D正确。,1-31995年科学家“制成”了反氢原子,它是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成,反质子和质子有相同的质量,带有等量异种电荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布,氢原子能级 如图所示,则下列说法中正确的是(B) A.反氢原子光谱与氢原子光谱不相同 B.基态反氢原子的电离能为13.6 eV C.基态反氢原子能吸收11 eV的光子而发生跃迁 D.大量处于n=4能级的反氢原子向低能级跃迁时,从n=2能级跃迁到基态辐射的光子的波长最短,解析反氢原子和氢原子有相同的能级分布,故反氢原子光谱与氢原子光谱相同,A错;基态反氢原子的电离能为13.6 eV,只有大于等于13.6 eV的能量的光子才可以使反氢原子电离,B对;基态反氢原子发生跃迁时,只能吸收能量等于两个能级的能量差的光子,C错;处于n=4能级的大量反氢原子,从n=4能级跃迁到基态辐射的光子的能量最大,频率最大,波长最短,D错。,突破二原子核的衰变及半衰期,1.衰变规律及实质 (1)衰变和衰变的比较,放射性元素的原子数和质量,N余、m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,t表示衰变时间,表示半衰期。 (2)半衰期的物理意义 半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。 (3)半衰期的适用条件 半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。,典例2(多选)关于天然放射现象,以下叙述正确的是(CD) A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将变大 B.衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的 C.在、这三种射线中,射线的穿透能力最强,射线的电离能力最强 D.铀核U)衰变为铅核Pb)的过程中,要经过8次衰变和6次衰变,解析半衰期的长短与元素的物理状态无关,若使某放射性物质的温度升高,其半衰期不变,故A错误;衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生的,故B错误;在、这三种射线中,射线的穿透能力最强,射线的电离能力最强,故C正确;铀核U)衰变为铅核Pb)的 过程中,每经过一次衰变质子数少2,质量数少4;而每经过一次衰变质子数增加1,质量数不变;由质量数和电荷数守恒,可知要经过8次衰变和6次衰变,故D正确。,解析根据电荷数和质量数守恒知,钍核衰变过程中放出了一个电子,即X为电子,故A错误;发生衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的,故B正确;射线是镤原子核放出的,故C正确;钍的半衰期为24天,1 g钍Th经过120天即经过5个半衰期,还剩0.031 25 g, 故D错误。,解析根据核反应方程可知,X原子核中电荷数为92个,质量数为235,则中子数为143个,选项A错误;钚衰变发出的射线具有很强的穿透能力,但是电离能力很弱,选项B错误;20克的Pu经过48 200年后,剩余的质量 为20克=5克,即还有5克未衰变,选项C正确;由于反应要放出能 量,则钚核衰变前的质量大于衰变后X、 He核的质量之和,选项D错误。,2.对质能方程的理解 (1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。 方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。 (2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其能量也要相应减少,即E=mc2。 (3)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E=mc2。,3.核能的计算方法 (1)根据E=mc2计算,计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。 (2)根据E=m931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)对应于931.5 MeV的能量,所以计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。 (3)根据核子比结合能来计算核能: 原子核的结合能=核子比结合能核子数。,典例3(2017浙江11月选考,14,2分)(多选)下列说法正确的是(BD) A.核聚变反应方程可能为HHHe+n B.铀核裂变的核反应方程可能为UnXeSr+n C.发生衰变时原子核放出电子,说明电子是原子核的组成部分 D.中子和质子结合成氘核,若该过程质量亏损为m,则氘核的结合能为mc2,解析选项A的核反应方程为HHHen,选项A错误;根据重核裂 变的核反应方程配平方式可知,选项B正确;衰变时原子核内部中子衰变为质子时释放出高速电子,电子并不是原子核的组成部分,选项C错误;根据质能方程可知选项D正确。,方法规律 核能求解的思路方法 (1)应用质能方程解题的流程图: (2)在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。 (3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律,因此可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能。,解析本题考查了对原子核的裂变、质能方程的理解。铀核的裂变需要中子的轰击,所以选项A错误,选项B正确。链式反应在进行过程中,需要铀块达到临界体积才能维持链式反应持续不断进行下去,所以选项C正确。根据质能方程E=mc2,反应过程中,质量亏损为m= kg3.610-28 kg,选项D错误。,3-2为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献,联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法中正确的 是(B) A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成反比 B.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,表明此过程出现了质量亏损 C.根据E=mc2不能计算核反应的能量 D.E=mc2中的E是发生核反应过程中释放的核能,解析E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比,故A错误。一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,根据爱因斯坦质能方程知,该过程出现了质量亏损,故B正确。根据E=mc2可计算核反应的能量,故C错误。E=mc2中的E是物体蕴含的能量,不是核反应中释放的核能,故D错误。,突破四能量守恒和动量守恒在核反应中的应用 能量守恒定律是人类长期总结得到的一条普遍适用的基本规律。 能量守恒定律和动量守恒定律是解决原子问题的金钥匙。,典例4静止的氡核Rn放出粒子后变为钋核Po,粒子动能为E,若 衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能,真空中的光速为c,则该反应中的质量亏损为(C) A.B.0C.D.,答案(1)吸收能量1.2 MeV(2)1.8106 m/s,解析(1)由m=mN+mHe-mO-mp得: m=-0.001 29 u。 所以这一核反应是吸收能量的反应, 吸收能量E=|m|c2=0.001 29 uc21.2 MeV。 (2)由动量守恒定律可得: mHev0=mOvO+mpvp 又vOvp=150,可解得:vO1.8106 m/s。,
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