第16章　第85讲　原子结构与原子核 课件---2027高考一轮总复习物理

这是一份第16章　第85讲　原子结构与原子核 课件---2027高考一轮总复习物理，共108页。PPT课件主要包含了考点一，考点二，考点三，考点四，考点五，考点六，JJ汤姆孙，卢瑟福，特征谱线，答案A等内容，欢迎下载使用。
第85讲　原子结构与原子核
提能训练　练案[85]
考点一　原子结构和氢原子光谱
1．原子结构(1)电子的发现：英国物理学家___________发现了电子。(2)α粒子散射实验①1909—1911年，英籍物理学家_______进行了α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。②α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有_____α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”，如图所示。
(3)原子的核式结构原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积______，但几乎占有全部______，电子在正电体的外面运动。
2．氢原子光谱(1)光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的______(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类有些光谱是一条条的______，这样的光谱叫作线状谱。有的光谱是连在一起的______，这样的光谱叫作连续谱。
(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的__________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。
易 错 辨 析1．α粒子发生大角度偏转是因为受到了电子的作用力。(　 　)2．原子中绝大部分是空的，原子核很小。(　 　)3．核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。(　 　)4．氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。(　 　)
自 主 验 收1．(多选)(α粒子散射实验)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示是α粒子散射实验的图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中沿轨迹2运动的α粒子在b点时距原子核最近。下列说法中正确的是(　　) A．绝大多数α粒子运动的轨迹类似轨迹3，说明原子中心存在原子核B．发生超过90°大角度偏转的α粒子是极少数的C．沿轨迹2运动的α粒子的加速度先增大后减小D．沿轨迹2运动的α粒子的电势能先减小后增大
[答案]　BC[解析]　在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，运动轨迹如轨迹1所示，说明原子中绝大部分是空的，A项错误；极少数α粒子发生超过90°的大角度偏转，B项正确；根据点电荷周围电场可知，距离原子核近的地方电场强度大，故越靠近原子核α粒子的加速度越大，因此沿轨道2运动的α粒子的加速度先增大后减小，C项正确；沿轨迹2运动的α粒子从a运动到b过程中受到斥力作用，根据静电力做功特点可知，静电力做负功，电势能增大，从b运动到c过程中，静电力做正功，电势能减小，D项错误。
A．5∶36 B．5∶27 C．3∶4 D．1∶4
考点二　玻尔原子理论　能级跃迁
1．玻尔原子理论的基本假设(1)轨道量子化①电子运行轨道半径不是任意的，而是_________的，电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。②半径公式：rn＝______(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，r1＝0.53×10－10 m。
(2)定态①定义：电子在不同轨道上运动时，具有不同的能量，原子的能量也只能取一系列特定的值，这些________的能量值叫能级，具有确定能量的__________，称为定态。②基态和激发态：原子能量最低的状态叫______，其他能量较高的状态叫________。③能级公式：En＝__________________，其中E1为基态能量，对于氢原子来说，E1＝__________。
(3)跃迁——频率条件①跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。②频率条件自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发射光子。释放光子的频率满足hν＝ΔE＝E高－E低。受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。受激跃迁的两种情况：光照激发：吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν＝ΔE＝E高－E低；实物粒子激发：只要粒子能量大于或等于能级差即可被吸收。
2．谱线条数的确定方法(1)一个氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为n－1。
3．电离(1)电离态：n＝∞，E＝0。(2)电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。(3)若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能。
易 错 辨 析1．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。(　 　)2．按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。(　 　)3．处于基态的氢原子是不稳定的，会自发地向其他能级跃迁，放出光子。(　 　)
　(2025·甘肃卷·1题)利用电子与离子的碰撞可以研究离子的能级结构和辐射特性。He＋离子相对基态的能级图(设基态能量为0)如图所示。用电子碰撞He＋离子使其从基态激发到可能的激发态，若所用电子的能量为50 eV，则He＋离子辐射的光谱中，波长最长的谱线对应的跃迁为(　　) A．n＝4→n＝3能级 B．n＝4→n＝2能级C．n＝3→n＝2能级 D．n＝3→n＝1能级
跟 踪 训 练1．(多选)(2025·八省联考山西陕西卷)氢原子能级图如图所示，若大量氢原子处于n＝1,2,3,4的能级状态，已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s,1 eV＝1.6×10－19 J，某锑铯化合物的逸出功为2.0 eV，则(　　) A．这些氢原子跃迁过程中最多可发出3种频率的光B．这些氢原子跃迁过程中产生光子的最小频率为1.6×1014 HzC．这些氢原子跃迁过程中有4种频率的光照射该锑铯化合物可使其电子逸出D．一个动能为12.5 eV的电子碰撞一个基态氢原子不能使其跃迁到激发态
n＝3能级跃迁到n＝1能级发出的光子，从n＝2能级跃迁到n＝1能级发出的光子，从n＝4能级跃迁到n＝2能级发出的光子，故C正确；一个基态氢原子跃迁到激发态所需的最小能量为Emin＝E2－E1＝10.2 eV，一个动能为12.5 eV的电子(大于10.2 eV)碰撞一个基态氢原子能使其跃迁到激发态，故D错误。故选BC。
A．红外线波段的光子 B．可见光波段的光子C．紫外线波段的光子 D．X射线波段的光子
考点三　原子核的衰变及半衰期
1．原子核的组成：原子核是由_____和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的________。2．天然放射现象放射性元素______地发出射线的现象，首先由__________发现。天然放射现象的发现，说明________具有复杂的结构。原子序数大于83的元素都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。
4．原子核的衰变(1)衰变：原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)α衰变和β衰变的比较
(3)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。
5．半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有______发生衰变所需的时间。
式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。
(3)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由___________________决定的，跟原子所处的外部条件(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)______。(4)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。
6．放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有______放射性同位素和______放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。(2)应用：放射治疗、培优、保鲜、做__________等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。
易 错 辨 析1．人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。(　 　)2．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。(　 　)3．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。(　 　)4．原子核发生β衰变放出电子，说明原子核内存在电子。(　 　)
自 主 验 收3．(三种射线的性质及特点)(多选)如图所示，一天然放射性物质射出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示)，调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下面的判断正确的是(　　) A．射到b点的可能是α射线B．射到b点的可能是β射线C．射到a点的可能是α射线或β射线D．射到a点的一定是γ射线
[答案]　ABC[解析]　调整E和B的大小，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即Eq＝Bqv，既可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进。两射线都可能射到a点；调节入射速度，两个力不平衡，射到b点的可能是α射线、β射线，ABC正确；根据上述分析，射到a点的一定不仅仅是γ射线，D错误。故选ABC。
A．1∶4 B．1∶2 C．3∶4 D．1∶1
6．(粒子在匀强磁场中的轨迹)在匀强磁场中的A点，有一个静止的原子核发生了衰变，衰变后射出的粒子及新核恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹如图所示，两圆的半径之比为44∶1。则下列说法中正确的是(　　) A．该原子核发生的是α衰变B．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向外C．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里D．衰变前的原子核内质子数为45[答案]　C
考点四　重核裂变和轻核聚变
1．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程：
(3)链式反应：重核裂变产生的______使裂变反应一代接一代继续下去的过程。
(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生_________的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：_______、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、______、防护层。
2．轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成_________的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫_________。(2)典型的聚变反应方程：
自 主 验 收7．(核裂变和核聚变的比较)核裂变和核聚变是人类获取核能的两种方式，下列有关核物理知识叙述错误的是(　　)
B．在核反应堆中重水和石墨都能使慢中子加速，从而控制链式反应C．磁约束是指利用磁场将高温、高密度等离子体约束在一定的容积内，使其达到核聚变的条件D．从原子弹爆炸到氢弹爆炸，我国只用了两年零八个月，氢弹是一种利用核聚变的反应装置
[答案]　B[解析]　在链式反应中，随着中子数量不断增加，后期反应越来越剧烈，故A正确，不符合题意；重水和石墨的作用是给快中子减速，故B错误，符合题意；磁约束是利用磁场来约束参加反应的物质，使其达到核聚变的条件，故C正确，不符合题意；氢弹是一种利用核聚变的反应装置，故D正确，不符合题意。故选B。
考点五　核反应方程的类型和书写
(2)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒。(3)由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
[解析]　根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，A选项反应中的X质量数为4，电荷数为2，为α粒子，核反应类型为α衰变，A错误；B选项反应中的Y质量数为1，电荷数为0，为中子，核反应类型为轻核聚变，B错误；C选项反应中的K质量数总数为10，电荷数为0，则K为10个中子，核反应类型为重核裂变，C正确；D选项反应中的Z质量数为1，电荷数为1，为质子，核反应类型为人工转变，D错误。
A．x＝1，y＝1 B．x＝1，y＝2C．x＝2，y＝1 D．x＝2，y＝2[答案]　B
[解析]　根据题意可知，钍核每俘获1个中子质量数加1，电荷数不变，每发生一次β衰变，质量数不变，电荷数加1，钍核变成铀核，质量数加1，电荷数加2，则俘获1个中子，发生2次β衰变，即x＝1，y＝2，故选B。
考点六　质量亏损及核能的计算
1．核力和核能(1)核力：原子核内部，______间所特有的相互作用力。核力是强相互作用，为短程力，作用范围只有约10－15 m，与电性无关。(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______需要的能量，叫作原子核的结合能，也叫核能。
(3)比结合能①定义：原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。②对比结合能的理解a．比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。b．中等质量原子核的比结合能最大，平均每个核子的质量最小。c．当重核分裂成中等核，或轻核结合成中等核时，核子的比结合能都增加，发生质量亏损并释放出核能。
2．质量亏损凡是释放核能的核反应，反应后各原子核(新生核)及微观粒子的质量(即静止质量)之和______，两者的差值就叫__________。注意：“质量亏损”但质量数守恒，原因是每个核子的质量减小了。“质量亏损”并不是质量消失，而是由静止的质量变成运动的质量。
3．质能方程(1)爱因斯坦得出物体的能量与它的质量的关系：__________。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应减少的能量ΔE＝_______。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＝_______。
4．核能计算的三种方法
易 错 辨 析1．质量亏损就是质量消失了。(　 　)2．衰变过程，衰变后原子核的总质量等于衰变前原子核的总质量。(　 　)3．裂变反应，反应后所有核子的比结合能一定大于反应前所有核子的比结合能。(　 　)4．核力一定是核子之间的吸引力。(　 　)
　(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有(　　)
(1)写出该反应的核反应方程；(2)求氧17的比结合能；(3)已知mα＝4.002 603 u，mN＝14.003 074 u，mO＝16.999 133 u，mH＝1.007 825 u,1 u相当于931.5 MeV的能量，该反应需吸收的能量ΔE＝1.19 MeV。若核反应中放出的核能全部转化为动能，要使这一反应可能实现，求入射的α粒子的最小动能。
(3)该反应过程质量增加Δm＝mH＋mO－mα－mN＝0.001 281 u结合能增加ΔE′＝Δmc2＝0.001 281×931.5 MeV＝1.193 251 5 MeV根据能量守恒，入射的α粒子的最小动能Ek＝ΔE′－ΔE＝0.003 251 5 MeV。
　一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是(　　)
若两原子核发生核反应生成两种或两种以上的新生原子核过程中满足动量守恒的条件，则m1v1＋m2v2＝m3v3＋m4v4＋…若核反应过程中释放的核能全部转化为新生原子核的动能，由能量守恒得
(2)由动量守恒定律得mnv＝－mHv1＋mHev2由题意得v1∶v2＝7∶8mn∶mH∶mHe＝1∶3∶4
基础巩固练1．(2024·江西卷·2题)近年来，江西省科学家发明硅衬底氮化镓基系列发光二极管(LED)，开创了国际上第三条LED技术路线。某氮化镓基LED材料的简化能级如图所示，若能级差为2.20 eV(约3.52×10－19 J)，普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，则发光频率约为(　　) A．6.38×1014 Hz B．5.67×1014 HzC．5.31×1014 Hz D．4.67×1014 Hz[答案]　C
2．(多选)(2024·重庆卷·8题)我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n＝3和n＝4能级向n＝2能级跃迁产生的谱线(如图)，则(　　) A．Hα的波长比Hβ的小B．Hα的频率比Hβ的小C．Hβ对应的光子能量为3.4 eVD．Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态[答案]　BD
[解析]　氢原子n＝3与n＝2的能级差小于n＝4与n＝2的能级差，则Hα与Hβ相比，Hα的波长大、频率小，故A错误，B正确；Hβ对应的光子能量为E＝(－0.85)eV－(－3.40)eV＝2.55 eV，故C错误；氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量E＝(－3.40)eV－(－13.60)eV＝10.2 eV，Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态，故D正确。故选BD。
3．(2026·河北唐山期中联考)真空暗室内某放射源可通过如图铅容器小孔向右辐射两种射线，容器右边竖直排列有三块小金属锌板(原来不带电)，在容器与金属板间存在竖直向上的匀强电场，经过一段时间检测发现a板带正电，b板带正电，c板不带电，下列说法正确的是(　　)A．放射源发生的是β衰变B．经过一个半衰期容器内的物质质量会减少一半C．a、b金属板带电是因为光电效应D．若用木板遮住容器小孔重新实验，b板仍能检测出带电
[答案]　D[解析]　由题知，匀强电场方向竖直向上，原先三块小金属锌板不带电，从放射源出来的粒子进入偏转电场，可知带正电的粒子打在a板上，不带电粒子打在b板上，故放射源发生的是α衰变，即分别放射出α粒子和γ光子，故A错误；半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，是发生放射性衰变的元素的原子核的数量减少一半，而不是物质的质量减少一半，因为衰变产生的新核也有质量，故B错误；a金属板带电是因为α粒子轰击金属板表面时，金属板上的负电荷与粒子所带正电中和，导致金属板带正电；而b金属板带正电是因为γ光子照射金属板，发生光电效应，故C错误；因打在b板上的是γ光子，其穿透能力强，所以若用木板遮住容器小孔重新实验，γ光子能穿透木板，也可以照到金属板上，发生光电效应，所以b板仍能检测出带电，故D正确。故选D。
A．A＝100B．y＝2C．γ1的频率比γ2的大D．γ1的波长比γ2的大[答案]　ABC
6．(2023·湖南卷·1题)2023年4月13日，中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置(EAST)创下新纪录，实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步，下列关于核反应的说法正确的是(　　)A．相同质量的核燃料，轻核聚变比重核裂变释放的核能更多
C．核聚变的核反应燃料主要是铀235D．核聚变反应过程中没有质量亏损[答案]　A
7．如图所示为氢原子能级示意图，下列有关说法正确的是(　　)A．处于基态的氢原子吸收能量为11.0 eV的光子后能跃迁至n＝2能级B．大量处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出8种不同频率的光C．若用从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光，照射某金属时恰好发生光电效应，则用从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光，照射该金属时一定能发生光电效应D．用从n＝4能级跃迁到n＝1能级辐射出的光，照射逸出功为6.34 eV的金属铂产生的光电子的最大初动能为6.41 eV
8．(多选)科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现的古老岩石中铀含量来推算地球的年龄，铀238的相对含量随时间的变化规律如图所示，下列说法正确的是(　　)
能力提升练9．(2025·河南项城五校联考)随着中国玉兔月球探测器成功着陆月球背面，世界上掀起了新一轮的月球探测热潮。月球表面蕴含丰富而地球却十分匮乏的氦3是一种非常理想的核聚变材料，月球氦3的开发对解决能源危机有着积极的意义。氦3与氘核的核反应方程为He＋H→He＋X＋ΔE，其中ΔE为释放的核能。且知氘核的比结合能为E1，氦核的比结合能为E2，则下列说法中正确的是(　　)A．X为中子B．氦3的比结合能比氦核的比结合能大
10．(2025·重庆卷·6题)在科学实验中可利用激光使原子减速，若一个处于基态的原子朝某方向运动，吸收一个沿相反方向运动的能量为E的光子后跃迁到相邻激发态，原子速度减小，动量变为p。普朗克常量为h，光速为c，则(　　)
12．(2024·浙江1月选考·7题)已知氘核质量为2.014 1 u，氚核质量为3.016 1 u，氦核质量为4.002 6 u，中子质量为1.008 7 u，阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 ml－1，氘核摩尔质量为2 g·ml－1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是(　　)
B．氘核的比结合能比氦核的大C．氘核与氚核的间距达到10－10 m就能发生核聚变D．4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV[答案]　D