高一物理复习训练：第3讲 原子结构 原子核课件

欢迎进入物理课堂 第3讲原子结构原子核 原子的核式结构 1 电子的发现 1897年 英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子 2 原子的核式结构 氢原子的光谱氢原子的能级结构 能级公式 考纲要求 1 2 原子的核式结构 粒子散射实验的结果绝大多数 粒子穿过金箔后 基本上仍沿原来的方向前进 但少数 粒子发生了大角度偏转 极少数 粒子甚至被撞了回来 如图1 3 1所示 图1 3 1 卢瑟福的原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外绕核旋转 原子核的尺度 原子核直径的数量级为10 15m 原子直径的数量级约为10 10m 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 氢原子光谱 1 氢原子光谱的实验规律 2 玻尔理论 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 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h Em En h是普朗克常量 h 6 63 10 34J s 2 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 氢原子的能级 能级公式 1 氢原子的能级 能级图如图1 3 2所示 图1 3 2 3 能级图中相关量意义的说明 当轨道半径减小时 库仑力做正功 电势能减小 反之 轨道半径增大时 电势能增加 天然放射现象 三种射线 1 天然放射现象 放射性元素自发地发出射线的现象 首先由贝可勒尔发现 天然放射现象的发现 说明原子核具有复杂的结构 2 三种射线的比较 原子核的组成 放射性 原子核的衰变 半衰期 放射性同位素 考纲要求 1 原子核的衰变 1 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 3 半衰期 放射性元素的原子核有 发生衰变所需的时间 半衰期由 的因素决定 跟原子所处的 无关 2 核内部本身 物理或化学状态 半数 放射性同位素及应用 1 同位素具有相同 而 不同的原子核 在元素周期表中处于同一位置 互称 有些同位素具有放射性 叫做放射性同位素 天然放射性同位素不过四十多种 而人工制造的放射性同位素已达1000多种 2 放射性同位素的应用 放射性同位素放出的射线应用于工业 探伤 农业 医疗等 作示踪原子 3 质子数 中子数 同位素 1 衰变规律及实质 2 人造放射性同位素的优点 1 放射强度容易控制 2 可以制成各种所需的形状 3 半衰期很短 废料容易处理 核力核子间的作用力 核力是短程强引力 作用范围在1 5 10 15m之内 只在 的核子间发生作用 核能 结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量 叫做原子核的 能 亦称核能 质能方程 质量亏损爱因斯坦质能方程E 原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小 m 这就是质量亏损 由质量亏损可求出释放的核能 E 核力 结合能 质量亏损 考纲要求 1 2 3 相邻 结合 mc2 mc2 核子 裂变反应和聚变反应 1 重核裂变 是重核分裂成中等质量的核的反应过程 如 由重核裂变产生的中子使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应 发生链式反应的条件是 裂变物质的体积 临界体积 裂变的应用 原子弹 核反应堆 2 轻核聚变 聚变是两个轻核结合成 的核的反应过程 如 使核发生聚变需要几百万度以上的高温 因此聚变又叫 3 裂变反应和聚变反应 裂变反应堆核反应方程 考纲要求 1 3 大于 等于 质量较大 热核 反应 核反应的四种类型 2 射线的危害和防护 考纲要求 关于原子结构理论与 粒子散射实验的关系 下列说法正确的是 A 卢瑟福做 粒子散射实验是为了验证汤姆孙的枣糕模型是错误的B 卢瑟福认识到汤姆孙 枣糕模型 的错误后提出了 核式结构 理论C 卢瑟福的 粒子散射实验是为了验证核式结构理论的正确性D 卢瑟福依据 粒子散射实验的现象提出了原子的 核式结构 理论答案D 1 答案D 2 氦原子核由两个质子与两个中子组成 这两个质子之间存在着万有引力 库仑力和核力 则3种力从大到小的排列顺序是 A 核力 万有引力 库仑力B 万有引力 库仑力 核力C 库仑力 核力 万有引力D 核力 库仑力 万有引力解析核力是核子之间的一种强相互作用 其相互作用力巨大 两核子之间的万有引力极其微小 所以我们在平时的计算时不考虑 答案D 3 解析核反应类型分四种 方程特点各有不同 衰变方程的左边只有一个原子核 右边出现 或 粒子 聚变方程的左边是两个轻核反应 右边是中等原子核 裂变方程的左边是重核与中子反应 右边是中等原子核 人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反应 右边也是常见元素的原子核 由此可知B D两选项正确 答案BD 现已建成的核电站发电的能量来自于 A 天然放射性元素衰变放出的能量B 人工放射性同位素放出的能量C 重核裂变放出的能量D 化学反应放出的能量解析现在核电站所用原料主要是铀 利用铀裂变放出的核能发电 故C项正确 答案C 5 根据玻尔理论 在氢原子中量子数n越大 则 A 电子轨道半径越小B 核外电子速度越小C 原子能级能量越小D 原子的电势能越小答案B 6 如图1 3 3 甲 是 三种射线穿透能力的示意图 图1 3 3 乙 是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图 请问图1 3 3 乙 中的检查是利用了哪种射线 图1 3 3 7 A 射线B 射线C 射线D 三种射线都可以答案C 2011 从化模拟 可见光光子的能量在1 61eV 3 10eV范围内 若氢原子从高能级跃迁到低能级 根据氢原子能级图 如图1 3 4所示 可判断 图1 3 4 8 A 从n 4能级跃迁到n 3能级时发出可见光B 从n 3能级跃迁到n 2能级时发出可见光C 从n 2能级跃迁到n 1能级时发出可见光D 从n 4能级跃迁到n 1能级时发出可见光解析发出可见光的能量h En Em 故四个选项中 只有B选项的能级差在1 61eV 3 10eV范围内 故B选项正确 答案B 太阳的能量来自下面的反应 四个质子 氢核 聚变成一个 粒子 同时发射出两个正电子和两个没有静止质量的中微子 已知 粒子的质量为m 质子的质量为mp 电子的质量为me 则NA表示阿伏加德罗常数 用c表示光速 则太阳上1kg的氢核聚变成 粒子所放出的能量为 A 125 4mp m 2me NAc2B 250 4mp m 2me NAc2C 500 4mp m 2me NAc2D 1000 4mp 4m 2me NAc2 9 答案B 在未来的中国 从沿海的广东 浙江 福建到内陆的湖北 湖南 江西 几十座核电站将拔地而起 发展核电既是中国发展突破能源 交通 环保瓶颈的上策 也符合国务院总理温家宝在 政府工作报告 中关于 节能减排 的号召 下列关于核电站的说法中正确的是 10 答案D 如图1 3 5所示 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射出能量为2 55eV的光子 问 1 最少要给基态的氢原子提供多少电子伏特的能量 才能使它辐射上述能量的光子 2 请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图 考点一能级跃迁问题 典例1 图1 3 5 解析 1 氢原子从n 2的某一能级跃迁到n 2的能级 辐射光子的频率应满足 h En E2 2 55eV En h E2 0 85eV所以 n 4 基态氢原子要跃迁到n 4的能级 应提供 E E4 E1 12 75eV 2 辐射跃迁图如答案图所示 答案 1 12 75eV 2 1 量子数为n的氢原子辐射光子的可能频率的判定方法 如果是一个氢原子 向低能级跃迁时最多发出的光子数为 n 1 如果是一群氢原子 向低能级跃迁时最多发出的光子数的 2 理解氢原子能级图 量子数越大 相邻能级差越小 发出光子波长越长 图1 3 6所示为氢原子的四个能级 其中E1为基态 若氢原子A处于激发态E2 氢原子B处于激发态E3 则下列说法正确的是 A 原子A可能辐射出3种频率的光子B 原子B可能辐射出3种频率的光子C 原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4D 原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4 变式1 图1 3 6 解析本题考查对玻尔理论的理解及推理能力 原子A从激发态E2跃迁到E1 只辐射一种频率的光子 A错 原子B从激发态E3跃迁到基态E1可能辐射三种频率的光子 B对 由原子能级跃迁理论可知 原子A可能吸收原子B由E3跃迁到E2时放出的光子并跃迁到E3 但不能跃迁到E4 C错 A原子发出的光子能量 E E2 E1大于E4 E3 故原子B不可能跃迁到能级E4 D错 答案B 下列说法正确的是 A 是裂变 是 衰变 是聚变B 是聚变 是裂变 是 衰变C 是 衰变 是裂变 是聚变D 是 裂变 是聚变 是裂变 考点二核反应方程及核反应类型的判断 典例2 2 现有四个核反应 是发现中子的核反应方程 是研究原子弹的基本核反应方程 是研究氢弹的基本核反应方程 求B中X的质量数和中子数 2 人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核 箭头的右边也是常见元素的原子核 D是查德威克发现中子的核反应方程 B是裂变反应 是研究原子弹的核反应方程 A是聚变反应 是研究氢弹的核反应方程 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 X质量数为144 电荷数为56 所以中子数为144 56 88 答案 1 C 2 DBA 14488 三个原子核X Y Z X核放出一个正电子后变为Y核 Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦核 He 则下面说法正确的是 A X核比Z核多一个质子B X核比Z核少一个中子C X核的质量数比Z核的质量数大3D X核与Z核的总电荷数是Y核电荷数的2倍 变式2 答案CD 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 以原子质量单位u为单位 已知1u的质量对应的能量为9 3 102MeV 此裂变反应释放出的能量是 MeV 考点三核能的计算 典例3 解析由题给核反应方程及其下面的数据可知 裂变之前的总质量为 235 0439u 1 0087u 236 0526u 裂变之后的总质量为 138 9178u 93 9154u 3 1 0087u 235 8593u 质量亏损为 m 236 0526u 235 8593u 0 1933u 因为1u的质量对应的能量约为9 3 102MeV所以 E 0 193 9 3 102MeV 1 8 102MeV 答案1 8 102 1 应用质能方程解题的流程图 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 根据 E m 931 5MeV计算 因1原子质量单位 u 相当于931 5MeV的能量 所以计算时 m的单位是 u E的单位是 MeV 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 2 利用质能方程计算核能时 不能用质量数代替质量进行计算 变式3 答案 1 ACD 2 A 考点四核反应与动量守恒的综合应用 典例4 A X原子核中含有54个质子B X原子核中含有53个中子C 裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量D 裂变时释放能量 出现质量亏损 质量数不守恒 图1 3 7 解析 1 由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知 X原子核中含有54个质子 78个中子 故A正确 B D错 释放能量不是质量变成了能量 而是亏损的质量与释放的能量相对应 C错 变式4 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全