粤教版高中物理选择性必修第三册第5章章末综合提升课件+学案+综合测评含答案

主题1　玻尔理论和能级跃迁

在玻尔的轨道量子化模型中，原子的轨道半径只能是某些分立的特定值，而原子的能量也是量子化的．故原子在跃迁过程中对光子或实物粒子能量的吸收是有一定条件的，具体而言可分为以下三种情况：

1．当光子的能量小于电离能时，只有满足光子的能量为两定态间能量差时才能被吸收．

2．当光子的能量大于电离能时，由于原子已电离，故对光子的能量没有要求．光子的能量一部分用来使原子电离，大于电离能的那部分则用来增加自由电子的动能．

3．当实物粒子与原子碰撞时，由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，故只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，则可以使原子受激发而向较高能级跃迁．

【典例1】　(多选)如图所示为氢原子的能级图，已知可见光的光子能量范围为1.62～3.11 eV，那么对氢原子在能级跃迁过程中发射或吸收光子的特征认识正确的是(　　)

A．氢原子从激发态向基态跃迁时发射的光子能量小于3.34 eV

B．用能量为11.0 eV的自由电子轰击氢原子，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

C．处于n＝2能级的氢原子能吸收任意频率的紫外线

D．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离

BD　[氢原子从激发态n＝2能级向基态跃迁时发出的光子的最小能量为10.2 eV，大于3.34 eV，故A错误；用能量为11.0 eV的电子轰击氢原子，基态的氢原子吸收的能量可以等于10.2 eV，可以使处于基态的氢原子跃迁到n＝2能级，故B正确；紫外线光子的最小能量为3.11 eV，处于n＝2能级的氢原子的电离能为3.4 eV，故处于n＝2能级的氢原子不能吸收任意频率的紫外线，处于n＝3能级的氢原子的电离能为1.51 eV，故处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并且使氢原子电离，故C错误，D正确．]

能级跃迁规律的应用

(1)能级之间发生跃迁时，吸收(放出)光子的频率由能级间的能量差决定即hν＝Em－En.

(2)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，而原子吸收外来实物粒子(例如，自由电子)的能量被激发时，实物粒子的动能可部分地被原子吸收．

(3)一个氢原子发生跃迁可能发出的光谱线条数最多为(n－1)．

(4)一群氢原子发生跃迁可能发出的光谱线条数为N＝C＝.

主题2　常见核反应类型

【典例2】　核反应有以下几种情况：一是衰变，二是人工核转变，三是裂变，四是聚变．核反应可用方程来表示，叫核反应方程．完成下列核反应方程，并指明它属于何种核反应．

(1)U→Th＋(　　)属________；

(2)Be＋(　　)→C＋n，属________；

(3)H＋H→He＋(　　)，属________；

(4)U＋n→Sr＋Xe＋(　　)，属________．

[解析]　根据质量数和电荷数守恒可判定：

(1)中的未知核为He，该反应属衰变；

(2)中的未知核为He，该反应属人工转变；

(3)中的未知核为n，该反应属于聚变；

(4)中的未知核为10n，该反应属于裂变．

[答案]　见解析

主题3　核反应方程及核能计算

1．核反应方程的书写方法

(1)熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础．

如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等．

(2)掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律．

2．核能的计算

(1)质能方程ΔE＝Δmc2是计算释放核能多少的主要方法，质量亏损Δm的确定是计算核能的关键．

(2)如果在核反应中无光子辐射，核反应释放的核能全部转化为新核的动能和新粒子的动能．在这种情况下计算核能的主要依据是：

①核反应过程中只有内力作用，故动量守恒．

②反应前后总能量守恒．

常见的反应类型的能量计算：反应前总动能＋反应过程中释放的核能＝反应后总动能．

【典例3】　已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u.

(1)写出两个氘核聚变成He的核反应方程；

(2)计算上述核反应中释放的核能；

(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞，即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He核和中子的动能各是多少？

[解析]　(1)应用质量数守恒和核电荷数守恒，不难写出核反应方程为H＋H→He＋n.

(2)由题给条件可求出质量亏损为：

Δm＝[2.013 6×2－(3.015 0＋1.008 7)]u＝0.003 5 u，

所以释放的核能

ΔE＝Δm·931.5 MeV＝931.5×0.003 5 MeV＝3.26 MeV.

(3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为He核和中子的动能，若设He核和中子的质量分别为m1、m2，动量分别为p1、p2，动能分别为Ek1、Ek2，氘核的动能为Ek0，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得

p1－p2＝0　　①

Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE　　②

由Ek＝得＝＝　　③

由①②③得Ek1＝(2Ek0＋ΔE)＝0.99 MeV，

Ek2＝(2Ek0＋ΔE)＝2.97 MeV.

[答案]　(1)H＋H→He＋n　(2)3.26 MeV　(3)0.99 MeV　2.97 MeV

(1)若核反应前后各核的质量单位为kg，则用ΔE＝Δmc2求核能时，核能单位为J.

(2)若核反应前后各核的质量单位为u，则用ΔE＝Δm＝931.5 MeV.

求核能时，结合1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求得核能单位为MeV.

靠奖学金读书的孩子

卢瑟福5岁时上了泉林村小学，他的母亲和外祖母都曾在此任教，后来由于家庭搬迁，他又转学到福克斯希尔村小学.

卢瑟福的父母很重视子女的教育，尽管家庭收入仅够糊口，还是要供他读书．为此一家人节衣缩食，在生活上非常刻苦，一直供他念完大学．许多年后，在一个很隆重的宴会上，卢瑟福十分感慨地说：“如果不是我的父亲和母亲，我永远也不会有今天的成绩．”

由于家庭的收入有限，相当一部分学费要靠自己来解决．上小学的时候，卢瑟福就利用暑假参加劳动．兄弟几人一个假期就赚了13英镑．这些钱差不多够一个学期的学费了．卢瑟福深深地理解父母的困难．他知道，要想上学就要靠自己劳动挣钱，后来他听说学习成绩优秀就可以得到奖学金，就更加努力学习．他学习的时候特别专心致志，即使有人用书本敲他的脑袋也不会分散他的注意力.

离开小学之后，卢瑟福大部分的学费要靠奖学金了，他参加了竞争一项州政府奖学金的考试获得奖学金就可以进入纳尔逊学院读书，可以免交学费并提供食宿，结果卢瑟福以580分(满分600分)的成绩赢得了这项奖学金．在纳尔逊学院学习期间，他获得了很多奖励并在最后一年获得进入新西兰大学深造的奖学金．在获奖的10人中，他名列第4名.

进入新西兰大学坎特伯雷学院之后，卢瑟福更加努力学习，他的数学和物理成绩都是名列前茅.

由于学习成绩优秀，大学毕业时卢瑟福获得了文学学士、理科学士和硕士学位，要想挣钱养家已经是足够了，但是卢瑟福决心在科学研究中取得更大的成绩，在校学习的时候他已经申请了进入剑桥深造的奖学金．

1909年卢瑟福在英国曼彻斯特大学同他的学生Marsden用α粒子撞击一片薄金箔，他发现大部分的粒子都能通过金箔，只有极少数会跳回．他笑说这是海军用15吋巨炮射击一张纸，但炮弹却会被弹回而打到自己．最后他提出了一个类似于太阳系行星系统的原子模型，认为原子空间大都是空的，电子像行星围绕原子核旋转，推翻了当时所使用的梅子布丁原子模型.1911年3 月，卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现，同年5月，他将论文发表于“哲学杂志”

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型．该实验被评为“物理最美实验”之一．

[设问探究]

1．空气中有各种原子，如何避免对α粒子散射的影响？

2．卢瑟福后来回忆说：“这是我一生中从未有的最难以置信的事，它好比你对一张纸发射出一发炮弹，结果被反弹回来而打到自己身上……”这是什么原因？

3．卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构模型，认为在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核(nucleus)，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空间里绕着核旋转．电子为什么对α粒子几乎没有影响？

[提示]

1．为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动.

2．α粒子穿过原子时，它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏转的力就不会很大．然而事实却出现了极少数α粒子大角度偏转的现象．

3．α粒子散射实验中，由于电子的质量较小，α粒子与电子相碰，就像子弹碰到灰尘一样．损失的能量极少，几乎不改变α粒子运动的轨迹．

[深度思考]

1．卢瑟福粒子散射实验中为何使用的是金箔？是否可以用铝、铜、铁等其他材料代替？

2．根据α粒子散射实验，估算出原子核的直径是多少？

3．他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳地论证了原子的核式结构模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父．由于电子轨道是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱．除此之外，卢瑟福又做了哪些贡献？

[答案]　

1．首先，金的延展性极好，金箔可以延展得极薄，这样，在厚度方向上金原子的个数极少；其次，金的核电荷数较大，在相同距离上，金核对α粒子的静电斥力大．不可用其他材料代替．

2．根据α粒子散射实验，可以估算出原子核的直径约为10－15～10－14 m，原子直径大约是10－10 m，所以原子核的直径大约是原子直径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一．

3．质子的发现，1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验．他从氮核中打出一种粒子，并测定了它的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子．

人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献．自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电等，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径．这种用α粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段．在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应．