第84讲　原子结构与原子核——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案）

这是一份第84讲　原子结构与原子核——2027届高三物理一轮复习讲义（含答案），共8页。学案主要包含了原子结构，氢原子光谱，玻尔理论　能级，天然放射现象和原子核，原子核的衰变，核力和核能，裂变反应和聚变反应等内容，欢迎下载使用。
一、原子结构
1．电子的发现：英国物理学家 J．J.汤姆孙 发现了电子。
2．α粒子散射实验
(1)1909—1911年，英籍物理学家 卢瑟福 进行了α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。
(2)α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 少数 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 很小 ，但几乎占有全部 质量 ，电子在正电体的外面运动。
二、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 波长 (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 亮线 ，这样的光谱叫作线状谱。有的光谱是连在一起的 光带 ，这样的光谱叫作连续谱。
3．氢原子光谱的实验规律：
巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,22)－ \f(1,n2) ))(n＝3,4,5，…R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)。
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。
三、玻尔理论 能级
1．玻尔的三条假设
(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：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hν＝ Em－En 。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)
(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．基态和激发态
原子能量最低的状态叫 基态 ，其他能量较高的状态叫 激发态 。
3．氢原子的能级和轨道半径
(1)氢原子的能级公式：En＝ eq \f(1,n2)E1 (n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝ －13.6 eV 。
(2)氢原子的半径公式：rn＝ n2r1 (n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m。
4．氢原子的能级图
四、天然放射现象和原子核
1．天然放射现象
放射性元素 自发地 放出射线的现象，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
3．放射性同位素的应用与防护
(1)放射性同位素：有 天然 放射性同位素和 人工 放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。
(2)应用：消除静电、工业探伤、做 示踪原子 等。
(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。
4．原子核的组成
(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为 核子 。质子带正电，中子不带电。
(2)基本关系
①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝原子的 核外电子数 。
②质量数(A)＝ 核子数 ＝质子数＋中子数。
(3)X元素的原子核的符号为eq \\al(A,Z)X，其中A表示 质量数 ，Z表示核电荷数。
五、原子核的衰变、半衰期
1．原子核的衰变
(1)原子核放出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)分类
α衰变：eq \\al(A,Z)X→eq \\al(A－4,Z－2)Y＋ eq \\al(4,2)He 。
β衰变：eq \\al(A,Z)X→ AZ＋1Y＋ 0－1e 。
γ衰变：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。
2．半衰期
(1)定义：放射性元素的原子核有 半数 发生衰变所需的时间。
(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核 内部 自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
六、核力和核能
1．核力
原子核内部， 核子间 所特有的相互作用力。
2．结合能
核子结合为原子核时 释放 的能量或原子核分解为核子时 吸收 的能量，叫作原子核的结合能。
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)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
4．质能亏损
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 变小 ，两者的差值就叫 质量亏损 。
5．质能方程
(1)爱因斯坦得出物体的能量与它的质量的关系： E＝mc2 。
(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＝Δmc2。
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 。
七、裂变反应和聚变反应
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：
eq \\al(235, 92)U＋eq \\al(1,0)n―→eq \\al(89,36)Kr＋eq \\al(144, 56)Ba＋3eq \\al(1,0)n。
(3)链式反应：重核裂变产生的 中子 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 链式反应 的最小体积及其相应的质量。
(5)裂变的应用： 原子弹 、核反应堆。
(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、 镉棒 、防护层。
2．轻核聚变
(1)定义：两个轻核结合成 质量较大 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 热核反应 。
(2)典型的聚变反应方程：
eq \\al(2,1)H＋eq \\al(3,1)H―→eq \\al(4,2)He＋eq \\al(1,0)n＋17.6 MeV。
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α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．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。( × )
5．按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。( × )
6．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。( √ )
7．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。( × )
8．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。( × )
9．质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。( × )
考点1 卢瑟福核式结构模型
(基础考点·自主探究)
1．α粒子散射实验结果分析
(1)绝大多数α粒子沿直线穿过金箔，说明原子中绝大部分是空的。
(2)少数α粒子发生较大角度偏转，反映了原子内部集中存在着对α粒子有斥力的正电荷。
(3)极少数α粒子甚至被“撞了回来”，反映了个别α粒子正对着质量比α粒子大得多的物体运动时，受到该物体很大的斥力作用。
2．α粒子散射动能、电势能分析
(1)库仑力对α粒子的做功情况
当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加；当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减少。
(2)α粒子的能量转化
由于只有库仑力做功，能量只在电势能和动能之间相互转化，总能量保持不变。
【跟踪训练】
(α粒子散射实验)(多选)(2025·天津市调研)如图甲所示是汤姆孙的原子模型，他认为原子是一个球体，正电荷弥漫性地分布在整个球体内，电子镶嵌在其中。甲图中的小圆点代表正电荷，大圆点代表电子。汤姆孙的原子模型无法解释α粒子散射实验。如图乙所示是卢瑟福为解释α粒子散射实验假设的情景：占原子质量绝大部分的带正电的那部分物质应集中在很小的空间范围。下列说法中正确的是( )
A．α粒子质量远大于电子质量，电子对α粒子速度的影响可以忽略
B．入射方向的延长线越接近原子核的α粒子发生散射时的偏转角越大
C．由不同元素原子核对α粒子散射的实验数据可以确定各种元素原子核的质量
D．由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10－15 m
[答案] ABD
[解析] α粒子质量远大于电子质量，电子对α粒子速度的影响可以忽略，故A正确；入射方向的延长线越接近原子核的α粒子，所受库仑力就越大，发生散射时的偏转角越大，故B正确；α粒子散射类似于碰撞，根据实验数据无法确定各种元素原子核的质量，故C错误；由α粒子散射的实验数据可以估计出原子核半径的数量级是10－15 m，故D正确。
(α粒子动能、电势能分析)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图所示为原子核式结构模型的α粒子散射图。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中一个α粒子从a运动到b再运动到c的过程中(α粒子在b点时距原子核最近)，下列判断中正确的是( )
A．α粒子的动能先增大后减小
B．α粒子的电势能先增大后减小
C．α粒子的加速度先减小后增大
D．库仑力对α粒子先做正功后做负功
[答案] B
[解析] α粒子先靠近原子核，然后又远离原子核，则在运动过程中，库仑力对α粒子先做负功后做正功，所以其电势能先增大后减小，由动能定理知，动能先减小后增大，B正确，A、D错误；α粒子受到的库仑力先增大后减小，由牛顿第二定律知，加速度先增大后减小，C错误。
考点2 氢原子能级及原子跃迁
(能力考点·深度研析)
1．原子吸收能量的两种情况
(1)光照激发：能量等于能级差的光子可被吸收，能量大于电离能的光子可被吸收，其他光子不能被吸收。
(2)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。
(2)一群氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为Ceq \\al(2,n)＝eq \f(nn－1,2)。
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。
例如：氢原子从基态→电离态：
E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV
(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。
(2025·河南开封调研)二十世纪初，德国物理学家玻尔将普朗克提出的量子理论运用于对氢原子模型的重构，对量子力学的发展起到了重大推动作用。如图所示为氢原子的能级示意图，下列说法正确的是( )
A．用能量为10.20 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子电离
B．用能量为2 eV的光子去照射氢原子，不能使氢原子从第2能级跃迁到第3能级
C．当氢原子从第4能级向基态跃迁时，氢原子的能量增加，电子的动能减小
D．一群处在n＝4能级的氢原子在向低能级跃迁的过程中，能发出3种不同频率的光
[答案] B
[解析] 因为－13.60 eV＋10.20 eVνb>va，由ν＝eq \f(c,λ)知λa>λb>λc，单缝衍射时，a光中央亮条纹最宽，D错误；由p＝eq \f(h,λ)知pa