新高考物理一轮复习讲义课件第15章第2讲原子和原子核（含解析）

这是一份新高考物理一轮复习讲义课件第15章第2讲原子和原子核（含解析），共60页。PPT课件主要包含了第2讲原子和原子核，J汤姆孙，卢瑟福，原来的，正电荷，量子化，激发态，放射性，贝克勒尔，原子核等内容，欢迎下载使用。

主干梳理 对点激活
一 堵点疏通1．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。(　　)2．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。(　　)3．氢原子可以吸收任何能量的光子而发生跃迁。(　　)4．氢原子光谱是线状的，不连续的，波长只能是分立的值。(　　)5．β射线中的电子来源于原子核外电子。(　　)6．目前核电站多数是采用核聚变反应发电。(　　)
7．人工放射性同位素被广泛地应用。(　　)8．核力是弱相互作用力。(　　)9．质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(　　)10．质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。(　　)
A．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比放在A位置时少得多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
二 对点激活1. (人教版选择性必修第三册·P80实验改编)如图所示为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法不正确的是(　　)
解析　根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到的闪光次数最多，故A正确；少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少，因此B、D正确，C错误。本题选说法不正确的，故选C。
3．(人教版选择性必修第三册·P91·T4改编)(2016·北京高考)处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有(　　)A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
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n＝3能级的大量氢原子向低能级跃迁，辐射光的频率有C＝3种，故C项正确。
4．(多选)下列说法正确的是(　　)A．阴极射线和β射线的本质都是电子流，在原子内的来源是相同的B．太阳辐射的能量主要来源于太阳中的裂变反应C．γ射线的穿透能力比α射线强D．红外线的波长比X射线的波长长
解析　阴极射线和β射线的本质都是电子流，但是阴极射线的来源是原子核外的电子，而β射线的来源是原子核内的中子转化为质子时产生的电子，故A错误；太阳辐射的能量主要来源于太阳中的聚变反应，故B错误；γ射线的穿透能力比α射线强，故C正确；红外线的波长比X射线的波长长，故D正确。
7．(多选)铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应被定名为核裂变。1947年我国科学家钱三强、何泽慧在实验中观察到铀核也可以分裂为三部分或四部分。关于铀核的裂变，下列说法正确的是(　　)A．裂变的产物不是唯一的B．裂变的同时能放出2或3个中子C．裂变能够释放巨大能量，每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的大D．裂变物质达到一定体积(即临界体积)时，链式反应才可以持续下去
解析　因铀核也可以分裂为三部分或四部分，可知裂变的产物不是唯一的，A正确；裂变中放出中子，数目有多有少，在裂变的同时能放出2或3个中子，这些中子再轰击其他铀核发生裂变，B正确；裂变物质达到一定体积(即临界体积)，链式反应才可以持续下去，D正确；在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但每个核子平均释放的能量在聚变反应中一般比在裂变反应中的大，C错误。
8．(人教版选择性必修第三册·P117·例题改编)已知中子的质量是mn＝1.6749×10－27 kg，质子的质量是mp＝1.6726×10－27 kg，氦核的质量m＝6.6467×10－27 kg，真空中光速c＝3.00×108 m/s。(1)写出2个质子和2个中子结合成氦核的核反应方程；(2)求氦核的平均结合能。(结果保留三位有效数字)
考点细研 悟法培优
2．跃迁中两个易混问题(1)一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。(2)直接跃迁与间接跃迁原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。
(2)原子的电势能的变化规律①通过库仑力做功判断，当轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大。反之，当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小。②利用原子能量公式En＝Ekn＋Epn判断，当轨道半径增大时，原子能量增大，电子动能减小，原子的电势能增大。反之，当轨道半径减小时，原子能量减小，电子动能增大，原子的电势能减小。
例1　(2020·东北三省三校联考)关于原子能级跃迁，下列说法正确的是(　　)A．处于n＝3能级的一个氢原子回到基态时可能会辐射三种频率的光子B．各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量(频率)不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯C．氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，会辐射一定频率的光子，同时氢原子的电势能减小，电子的动能减小D．已知氢原子从基态跃迁到某一激发态需要吸收的能量为12.09 eV，则动能等于12.09 eV的另一个氢原子与这个氢原子发生正碰，可以使这个原来静止并处于基态的氢原子跃迁到该激发态
(1)处于n＝3能级的一个氢原子和一群氢原子向基态跃迁时辐射光子的频率种类数相同吗？提示：不同。(2)一个动能大于零的氢原子与一个静止的氢原子发生正碰遵循什么规律？提示：动量守恒定律，能量守恒定律。
尝试解答　选B。处于n＝3能级的一个氢原子回到基态时可能会辐射一种频率的光子，或两种不同频率的光子；而处于n＝3能级的一群氢原子回到基态时可能会辐射三种频率的光子，故A错误。根据玻尔理论，各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量(频率)不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯，故B正确。氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，会辐射一定频率的光子，同时氢原子的电势能减小，电子的动能增大，故C错误。要使原来静止并处于基态的氢原子吸收12.09 eV的能量从基态跃迁到某一激发态，根据两个氢原子碰撞时动量守恒，能量守恒，则必须使动能比12.09 eV大得足够多的另一个氢原子与这个氢原子发生正碰，故D错误。
解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项(1)氢原子处在各能级的能量值是负值。(2)注意区分氢原子吸收光子和实物粒子的能量的条件，区分定态间跃迁和电离。(3)氢原子自发跃迁谱线条数的计算①一个处于n能级的氢原子跃迁时可能发出的光谱线条数最多为(n－1)。②一群处于n能级的氢原子跃迁时可能发出的光谱线条数
[变式1－1]　(2020·江苏省统考)为了做好疫情防控工作，小区物业利用红外测温仪对出入人员进行体温检测。红外测温仪的原理是：被测物体辐射的光线只有红外线可被捕捉，并转变成电信号。图为氢原子能级示意图，已知红外线单个光子能量的最大值为1.62 eV，要使氢原子辐射出的光子可被红外测温仪捕捉，最少应给处于n＝2激发态的氢原子提供的能量为(　　)A．10.20 eV B．2.89 eVC．2.55 eV D．1.89 eV
解析　处于n＝2能级的氢原子吸收10.20 eV的能量后会发生电离，不会辐射光子，A错误；处于n＝2能级的氢原子不能吸收2.89 eV的能量，则B错误；处于n＝2能级的原子能吸收2.55 eV的能量而跃迁到n＝4的能级，然后向低能级跃迁时辐射光子，其中从n＝4能级到n＝3能级跃迁辐射出的光子能量小于1.62 eV，可被红外测温仪捕捉，C正确；处于n＝2能级的原子能吸收1.89 eV的能量而跃迁到n＝3的能级，从n＝3能级到低能级跃迁时辐射光子的能量均大于1.62 eV，都不能被红外测温仪捕捉，D错误。
[变式1－2]　(2020·河北省石家庄市教学质量检测)氢原子的能级图如图所示，下列说法正确的是(　　)A．氢原子从高能级向低能级跃迁时吸收光子B．处于n＝2能级的氢原子可以吸收能量为2 eV的光子C．一个氢原子从n＝4能级向基态跃迁时，可发出6种不同频率的光子D．处于n＝1能级的氢原子可以吸收能量为14 eV的光子
解析　根据玻尔理论可知，氢原子从高能级向低能级跃迁时向外辐射光子，故A错误；若处于n＝2能级的氢原子吸收2 eV的光子，则能量变为E＝ΔE＋E2＝2 eV＋(－3.4 eV)＝－1.4 eV，结合氢原子的能级图可知，没有能量为－1.4 eV的能级，则处于n＝2能级的氢原子不能吸收能量为2 eV的光子，故B错误；一个处于n＝4能级的氢原子向基态跃迁时，最多能发出3种不同频率的光子，故C错误；处于n＝1能级的氢原子可以吸收能量为14 eV的光子，从而发生电离现象，故D正确。
(1)半衰期对于少数原子核适用吗？提示：不适用，是针对大量原子核的统计规律。(2)β衰变的实质是什么？提示：原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子，电子释放出来。
1．原子核衰变、半衰期的易错点(1)半衰期是一个统计规律，只有对大量的原子核才成立，对少数的原子核无意义。(2)经过一个半衰期，有半数原子核发生衰变变为其他物质，而不是消失。(3)衰变的快慢由原子核内部因素决定，跟原子所处的外部条件及所处化学状态无关。
[变式2－1]　在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放射出某种粒子，结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如图所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2，则下列说法正确的是(　　)
考点 3　　衰变方程、核反应方程与核反应类型1．衰变方程及核反应方程的理解(1)衰变及核反应过程一般都是不可逆的，所以衰变及核反应方程只能用单向箭头“→”连接并表示反应方向，不能用等号连接。(2)衰变及核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写衰变及核反应方程。(3)衰变及核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，衰变及核反应过程中总质量一般会发生变化。(4)衰变及核反应遵循电荷数守恒。
2．衰变及三种核反应类型的特征(1)衰变：原子核自发地放出α粒子或β粒子并生成一个新核。特征是方程左边只有一个原子核，生成物有α粒子或β粒子。(2)人工转变：用粒子轰击原子核产生新的原子核。特征是有粒子轰击。(3)裂变：用粒子轰击重核，产生几个中等质量的核。特征是方程左边必须有轰击粒子和重核，且生成物有几个中等核。(4)聚变：两个轻核结合成较重的核。特征是方程左边有两个轻核，方程右边有较重的核生成。
3．有关衰变方程及核反应方程的主要题型(1)判断衰变或核反应的生成物。(2)判断衰变或核反应类型。(3)判断衰变或核反应是否成立。
(1)α衰变、β衰变方程的特点是什么？提示：方程左边只有一个原子核，方程右边除了新核，还有α粒子或β粒子。(2)裂变、聚变方程的特征是什么？提示：裂变方程左边是一个轰击粒子和一个重核，方程右边是几个中等质量的核；聚变方程左边是两个轻核，方程右边有一个质量较大的核。
尝试解答　选A。①②是β衰变方程；③是α衰变方程；④是原子核的人工转变方程；⑤是重核裂变方程；⑥是轻核聚变方程。故A正确，B、C、D错误。
解析　根据电荷数守恒和质量数守恒有Z1＋Z2＝110，A1＋A2＝271＋1＝272，将选项代入这两式检验得只有A符合。故选A。
解析　(1)G为查德威克发现中子的核反应方程；原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，故E是研究原子弹的基本核反应方程；C是研究氢弹的基本核反应方程；A是α衰变方程，D、F是β衰变方程；B是卢瑟福发现质子的方程。(2)X的质量数为(235＋1)－(89＋3)＝144，X的质子数为92－36＝56，X的中子数为144－56＝88。
(1)________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，________是衰变方程，________是发现质子的方程。(2)E项中X的质量数为________，中子数为________。
考点 4　　核能1．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。方程的含义是：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Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2。(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Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。
2．核能释放的两种途径的理解中等大小的原子核的比结合能最大，这些核最稳定。由比结合能较小的核反应生成比结合能较大的核会释放能量。核能释放一般有两种途径：(1)使较重的核分裂成中等大小的核；(2)使较小的核结合成中等大小的核。3．计算核能的两种常用方法(1)根据爱因斯坦质能方程，用核反应过程中亏损的质量乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2，质量的单位为千克。(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，得ΔE＝Δm×931.5 MeV/u，质量的单位是原子质量单位。
(1)如何计算质量亏损？(2)如何计算释放的能量？提示：ΔE＝Δm×931 MeV/u。
计算核能的几种方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV/u计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u ” ，ΔE的单位是“MeV ” 。(3)根据平均结合能来计算核能原子核的结合能＝平均结合能×核子数。反应前后原子核的结合能之差即释放(吸收)的核能。
(4)有时可结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算。总之，应根据题目的具体情况合理选择核能的求解方法，且计算时要注意各量的单位。
高考模拟 随堂集训
4. (2020·北京高考)氢原子能级示意如图。现有大量氢原子处于n＝3能级上，下列说法正确的是(　　)A．这些原子跃迁过程中最多可辐射出2种频率的光子B．从n＝3能级跃迁到n＝1能级比跃迁到n＝2能级辐射的光子频率低C．从n＝3能级跃迁到n＝4能级需吸收0.66 eV的能量D．n＝3能级的氢原子电离至少需要吸收13.6 eV的能量
5．(2020·天津高考)在物理学发展的进程中，人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究，获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是(　　)
解析　光的双缝干涉实验说明了光具有波动性，故A错误；光电效应实验说明了光具有粒子性，故B错误；赫兹的实验证实了电磁波的存在，故C错误；卢瑟福的α粒子散射实验导致发现原子具有核式结构，故D正确。
7．(2019·全国卷Ⅰ) 氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　)A．12.09 eVB．10.20 eVC．1.89 eVD．1.51 eV
解析　可见光光子的能量范围为1.63 eV～3.10 eV，则氢原子能级差应该在此范围内，可简单推算如下：2、1能级差为10.20 eV，此值大于可见光光子的能量；3、2能级差为1.89 eV，此值属于可见光光子的能量，符合题意。氢原子处于基态，要使氢原子达到第3能级，需提供的能量为－1.51 eV－(－13.60 eV)＝12.09 eV，此值也是提供给氢原子的最少能量，A正确。
8．(2019·天津高考)(多选) 我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　　)A．核聚变比核裂变更为安全、清洁B．任何两个原子核都可以发生聚变C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析　核聚变没有放射性污染，比核裂变更为安全、清洁，A正确；只有原子序数较小的“轻”核才能发生聚变，B错误；两个轻核聚变成质量较大的原子核，核子的比结合能增加，总质量减小，C错误，D正确。
10．(2020·江苏高考)大量处于某激发态的氢原子辐射出多条谱线，其中最长和最短波长分别为λ1和λ2，则该激发态与基态的能量差为_______，波长为λ1的光子的动量为________。(已知普朗克常量为h，光速为c)
解析　玻尔原子理论成功地解释了氢原子光谱的实验规律，卢瑟福根据α粒子散射实验，得到了原子的核式结构模型，故A错误；卢瑟福通过对α粒子轰击氮核实验的研究，实现了原子核的人工转变，发现了质子，预言了中子的存在，查德威克证实了中子的存在，故B错误；贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，提出了原子核内部有复杂的结构，故C错误；J.J.汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现了原子内部存在电子，故D正确。
2．(2020·贵州省黔东南自治州模拟)一块含铀矿石的质量为M，其中铀的质量为m，铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，则经过时间T，下列说法正确的是(　　)A．这块矿石的质量为0.5MB．这块矿石的质量为0.5(M－m)C．这块矿石中铀的质量为0.5mD．这块矿石中铅的质量为0.5m
解析　根据题意，经过时间T，即经过1个铀的半衰期，则这块矿石中铀的质量还剩0.5m；因铀发生衰变最终生成了铅，根据衰变过程会发生质量亏损，可知生成物铅的质量m′<0.5m；则经过时间T，这块矿石的质量M′＝(M－m)＋0.5m＋m′＝M－0.5m＋m′。综上所述，A、B、D错误，C正确。
A．当氢原子处于不同能级时，核外电子在各处出现的概率是一样的B．当用能量为11 eV的电子撞击处于基态的氢原子时，氢原子一定不能跃迁到激发态C．从n＝4能级跃迁到n＝2能级时释放的光子可以使逸出功为2.75 eV的金属发生光电效应D．氢原子从n＝4能级跃迁到n＝3能级比从n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的电磁波的波长长
4. (2020·宁夏银川市一模)科学研究中需要精确的计时工具，如氢原子钟，它的原理是用氢原子能级跃迁时辐射出来的电磁波去控制校准石英钟。如图所示为氢原子的能级图，则(　　)
6. (2021·江苏省连云港市高三上适应性演练模拟)如图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物质发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直纸面向里。以下判断可能正确的是(　　)A．a、b为β粒子的径迹 B．a、b为γ粒子的径迹C．c、d为α粒子的径迹 D．c、d为β粒子的径迹
解析　γ射线是不带电的光子流，在磁场中不偏转，故B错误；α粒子为氦核，带正电，由左手定则知，在图示磁场中逆时针偏转，故C错误；β粒子是带负电的电子流，根据左手定则，在图示磁场中顺时针偏转，故A错误，D正确。
7．(2020·广东省佛山市二模)核能被视为人类解决能源问题的终极方案，我国在核能应用和研究方面目前都处于国际一流水平。以下关于轻核聚变和重核裂变的说法正确的是(　　)A．经轻核聚变过程后核子的平均质量增大B．经重核裂变过程后原子核的比结合能减小C．经轻核聚变过程后原子核的比结合能增大D．目前我国核电站还主要是利用轻核聚变释放的能量来发电
解析　轻核聚变过程放出能量，有质量亏损，则经轻核聚变过程后核子的平均质量减小，A错误；经重核裂变过程后，由于放出核能，则原子核的比结合能增大，B错误；经轻核聚变过程后，由于放出核能，原子核的比结合能增大，C正确；目前我国核电站还主要是利用重核裂变释放的能量来发电，D错误。
9．(2020·北京市朝阳区一模)下列说法正确的是(　　)A．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前一定增加B．稀薄气体发出的辉光经分光镜分析得到线状谱，说明原子的能量是量子化的C．α粒子轰击金箔发生散射现象，说明原子核存在复杂的内部结构D．当放射性物质的温度升高后，其半衰期会变小
解析　两个轻核结合成质量较大核的过程中释放大量能量，根据质能方程可知总质量较聚变前减小，故A错误；稀薄气体发出的辉光经分光镜分析得到线状谱，说明原子的能量是量子化的，故B正确；α粒子轰击金箔发生散射现象，说明原子内部非常空旷，带正电的部分体积很小，但几乎占有全部质量，故C错误；半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定的，跟原子所处的化学状态、温度、压强等因素无关，故D错误。
10. 如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是(　　)A．α射线和β射线的混合放射源B．纯α射线放射源C．纯γ射线放射源D．α射线和γ射线的混合放射源
解析　在放射源和计数器之间加薄铝片L后，发现计数器的计数率大幅度减小，说明射线中含有穿透能力弱的α射线，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过L的射线不带电，即为γ射线，因此放射源x可能是α射线和γ射线的混合放射源，故A、B、C错误，D正确。
13．(2020·江苏省南京市六校联考)关于下列四幅图的说法中，正确的是(　　)
A．玻尔原子理论的基本假设认为，电子绕核运行轨道的半径是任意的B．光电效应产生的条件为：入射光的频率大于金属的极限频率C．电子束通过铝箔时的衍射图样证实了运动电子具有波动性D．发现少数α粒子发生了较大偏转，说明金原子质量大而且很坚硬
解析　玻尔原子理论的基本假设认为，电子绕核运行的轨道是确定的，且轨道是量子化的，故A错误；发生光电效应的条件是入射光的频率大于金属的极限频率，故B正确；衍射是波特有的现象，电子束通过铝箔时的衍射图样证实了运动电子具有波动性，故C正确；发现少数α粒子发生了较大偏转，说明原子的质量绝大部分集中在很小空间范围内，且此部分带正电，故D错误。