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第60讲原子与原子核考点一原子的核式结构和氢原子光谱1电子的发现：英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”。2原子的核式结构(1)19091911年，英籍物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验，提出了核式结构模型。(2)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，但有少数粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90，也就是说它们几乎被“撞了回来”。(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。3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：巴耳末系是氢原子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。4经典理论的困难：原子的核式结构模型很好地解释了粒子散射实验。但是，经典物理学既无法解释原子的稳定性，又无法解释原子光谱的分立特征。1教材母题(人教版选修35 P53T3)卢瑟福提出的原子结构的模型是怎样的？他提出这种模型的依据是什么？变式子题(多选)关于原子核式结构理论说法正确的是()A是通过发现电子现象得出来的B原子的中心有个核，叫做原子核C原子的正电荷均匀分布在整个原子中D原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外旋转答案BD解析原子的核式结构模型是在粒子的散射实验结果的基础上提出的，A错误。原子中绝大部分是空的，带正电的部分集中在原子中心一个很小的范围，称为原子核，B正确，C错误。原子核集中了原子全部正电荷和几乎全部质量，带负电的电子在核外旋转，D正确。2如图所示为粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中a、b、c、d四个位置。则这四个位置在相等时间内统计的闪烁次数符合实验事实的是()A1305、25、7、1 B202、405、625、825C1202、1010、723、203 D1202、1305、723、203答案A解析由于绝大多数粒子运动方向基本不变，所以a位置闪烁次数最多，少数粒子发生了偏转，极少数发生了大角度偏转。符合该规律的数据只有A项。3如图甲所示是a、b、c、d四种元素的线状谱，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以了解该矿物中缺乏的是_元素。答案b、d解析将a、b、c、d四种元素的线状谱与乙图对照，可知矿物中缺少b、d元素。考点二玻尔理论1玻尔理论(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：当电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为h的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，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。2几个概念(1)能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级。(2)基态：原子能量最低的状态。(3)激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他状态。(4)量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数叫做量子数。3氢原子的能级公式EnE1(n1,2,3)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV。能级图如图所示：4两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。光子的频率。(2)受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。条件有：光照(吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差，即hE。实物粒子碰撞、加热等：只要入射的实物粒子能量大于或等于能级差即可，E外E。大于等于电离能(E1)的光子被吸收，将原子从基态电离；或大于等于En能量的光子被吸收，将原子从n能级电离。5谱线条数的确定方法(1)一个处于n能级的氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为(n1)。(2)一群处于n能级的氢原子跃迁可能发出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。1教材母题(人教版选修35 P63T3)如果大量氢原子处在n3的能级，会辐射出几种频率的光？其中波长最短的光是在哪两个能级之间跃迁时发出的？变式子题(2016北京高考)处于n3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有()A1种 B2种 C3种 D4种答案C解析处于能级为n的大量氢原子向低能级跃迁能辐射光的种类为C，所以处于n3能级的大量氢原子向低能级跃迁，辐射光的频率有C3种，故C项正确。2用频率为0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为1、2、3的三条谱线，且321，则()A021，则：n3能级向n1能级跃迁时，h3E3E1n2能级向n1能级跃迁时，h2E2E1n3能级向n2能级跃迁时，h1E3E2将以上三式变形可得，h3h2h1解得321，故B正确，D错误，再根据氢原子理论可知，入射光频率03，故A、C错误。3按照玻尔原子理论，氢原子中的电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道，要_(填“释放”或“吸收”)能量。已知氢原子的基态能量为E1(E10)，电子的质量为m，则基态氢原子的电离能为_，基态氢原子中的电子吸收一频率为的光子后被电离，电离后电子的速度大小为_(已知普朗克常量为h)。答案吸收E1 解析氢原子中的电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道，原子能量增大，则需要吸收能量。氢原子的基态能量为E1(E12，那么原子从a能级跃迁到c能级状态时将要吸收波长为的光子答案D解析衰变是原子核中的中子转化为质子同时产生电子的过程，但电子不是原子核的组成部分，故A错误；粒子散射实验揭示了原子具有核式结构，B错误；氢原子核外电子轨道半径越大，其能量越高，C错误；原子从a能级状态跃迁到b能级状态时发射波长为1的光子，原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸收波长为2的光子，已知12，根据玻尔理论得ab：EaEbh，bc：EcEbh，ac：EcEah，联立以上三式得，D正确。5(多选)以下是有关近代物理内容的若干叙述，其中不正确的是()A原子核发生一次衰变，该原子外层就失去一个电子B按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大C核衰变中，光子是衰变后转变的新核辐射的D比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时一定吸收核能答案AD解析衰变的实质是原子核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子释放出来，不是来自核外电子，故A错误；按照玻尔理论，氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，但原子的能量增大，B正确；核衰变中，衰变后转变的新核不稳定，放出能量才能变得稳定，能量以光子的形式放出，C正确；比结合能小的原子核结合成或分解成比结合能大的原子核时会出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程得知，一定释放核能，故D错误。6核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少，我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设规模，核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素，它可破坏细胞基因，提高罹患癌症的风险。已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24100年，其衰变方程为PuXHe，下列有关说法正确的是()AX原子核中含有92个中子B100个Pu经过24100年后一定还剩余50个C由于衰变时释放巨大能量，根据Emc2，衰变过程总质量增加D衰变发出的射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力答案D解析根据核反应方程遵循的规律，X原子核中含有92个质子，235个核子，143个中子，A错误。半衰期是对大量原子核衰变的统计规律，100个Pu经过24100年后不一定还剩余50个，B错误。由于衰变时释放巨大能量，衰变过程总质量减少，放出粒子的质量与生成新核的质量之和小于衰变前核的质量，C错误。衰变发出的射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，D正确。7“超导托卡马克”(英名称：EAST，俗称“人造太阳”)是我国自行研制的可控热核反应实验装置。设该实验反应前氘核(H)的质量为m1，氚核(H)的质量为m2，反应后氦核(He)的质量为m3，中子(n)的质量为m4，光速为c。下列说法中不正确的是()A这种装置中发生的核反应方程式是HHHenB由核反应过程质量守恒可知m1m2m3m4C核反应放出的能量等于(m1m2m3m4)c2D这种装置与我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理不相同答案B解析可控热核反应装置中发生的核反应方程式是HHHen，故A正确；核反应过程中质量数守恒，但质量不守恒，核反应过程中存在质量亏损，因此m1m2m3m4，故B错误；核反应过程中的质量亏损mm1m2m3m4，释放的核能Emc2(m1m2m3m4)c2，故C正确；这种装置的核反应是核聚变，我国大亚湾核电站所使用核装置的核反应是核裂变，它们的核反应原理不相同，故D正确。8用速度大小为v的中子轰击静止的锂核Li，发生核反应后生成氚核和粒子，生成的氚核速度方向与中子的速度方向相反，氚核与粒子的速度之比为78，中子的质量为m，质子的质量可近似看作m，光速为c。(1)写出核反应方程；(2)求氚核和粒子的速度大小；(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为粒子和氚核的动能，求出质量亏损。答案(1)nLiHHe(2)(3)解析(1)根据质量数守恒与电荷数守恒，则核反应方程为：nLiHHe。(2)由动量守恒定律得：mnvmHv1mHev2由题意得：v1v278，又mnm，mH3m，mHe4m解得v1，v2。(3)氚核和粒子的动能之和为：Ek3mv4mvmv2释放的核能为：EEkEknmv2mv2mv2由爱因斯坦质能方程Emc2得，质量亏损为m。真题模拟练9(2018全国卷)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性元素X：AlnX。X的原子序数和质量数分别为()A15和28 B15和30C16和30 D17和31答案B解析根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的电荷数为21315，质量数为427130，根据原子核的电荷数等于原子序数，可知X的原子序数为15，质量数为30，B正确。10(2018北京高考)在核反应方程HeNOX中，X表示的是()A质子 B中子 C电子 D粒子答案A解析设X为X，根据核反应的质量数守恒：41417A，则A1，电荷数守恒：278Z，则Z1，即X为H，为质子，故A正确，B、C、D错误。11(2018天津高考)氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线H、H、H和H，都是氢原子中电子从量子数n2的能级跃迁到n2的能级时发出的光，它们在真空中的波长由长到短，可以判定()AH对应的前后能级之差最小B同一介质对H的折射率最大C同一介质中H的传播速度最大D用H照射某一金属能发生光电效应，则H也一定能答案A解析波长越大，频率越小，故H频率最小，根据Eh可知H对应的能量最小，根据hEmEn可知H对应的前后能级之差最小，A正确；H的频率最小，同一介质对应的折射率最小，根据v可知H的传播速度最大，B、C错误；H的波长小于H的波长，故H的频率大于H的频率，若用H照射某一金属能发生光电效应，则H不一定能，D错误。12(2018江苏高考)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A14 B12 C21 D41答案B解析根据半衰期公式mm0，经过2T，A剩余的质量为mAm0m0，B剩余的质量为mBm0m0，故mAmB12，B正确。13(2016全国卷)(多选)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*。下列说法正确的是()A核反应方程为pAlSi*B核反应过程中系统动量守恒C核反应过程中系统能量不守恒D核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和E硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致答案ABE解析质子p即H，核反应方程为pAlSi*，A正确；核反应过程遵循动量守恒定律，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；在核反应中质量数守恒，但会发生质量亏损，所以D错误；设质子的质量为m，则Si*的质量约为28m，由动量守恒定律有mv028mv，得v m/s3.6105 m/s，方向与质子的初速度方向相同，故E项正确。14(2019山西吕梁高三期末)(多选)下列说法正确的是()A原子的特征谱线是原子具有核式结构的有力证据B考古专家测出某具骸骨1 g碳样品中6C的含量为活着的生物体1 g碳样品中C含量的，已知6C的半衰期为5730年，则该生物死亡时距今约11460年C核泄漏事故污染物能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为CsBaX，可以判断X为射线D核反应堆利用石墨吸收中子控制核反应速度答案BC解析原子的特征谱线说明原子只能处于不连续的、分立的能级上，是原子具有分立能级的有力证据，故A错误；考古专家发现某一骸骨中6C的含量为活着的生物体中6C的，可知经历了2个半衰期，6C的半衰期为5730年，则确定该生物死亡时距今约11460年，故B正确；根据电荷数守恒、质量数守恒知，X的电荷数为1，质量数为0，可知X为电子，故C正确；镉吸收中子的能力很强，所以用来吸收核裂变产生的中子，故D错误。
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