2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第十二章第2节　原子结构与原子核

第2节　原子结构与原子核

一、原子结构

1.电子的发现:英国物理学家汤姆孙发现了电子.

2.原子的核式结构

(1)α粒子散射实验:1909~1911年,英籍物理学家卢瑟福和他的合作者进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后,仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转,有极少数α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被原路弹回.(如图所示)

(2)原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子的全部正电荷及几乎全部的质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转.

二、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:巴尔末系是氢原子光谱在可见光区的谱线,其波长公式=R(-) (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.线状谱和吸收光谱都对应某种元素,都可以用来进行光谱分析.

三、氢原子的能级、能级公式

1.玻尔理论

(1)定态:原子只能处于一系列能量不连续的状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然做加速运动,但并不向外辐射能量.

(2)跃迁:原子从一定态跃迁到另一定态时,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.氢原子的能级、能级公式

(1)氢原子的能级

能级图如图所示

(2)氢原子的能级和轨道半径

①氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中基态能量E1最低,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.

四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素

1.原子核的组成:原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的质子数.

2.天然放射现象

元素自发地发出射线的现象,首先由贝克勒尔发现.天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构.

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.原子核的衰变

(1)衰变:原子核放出α粒子或β粒子,变成另一种原子核的变化.

(2)分类:α衰变XYHe,如UThHe

β衰变XY,如ThPae

(3)核反应方程:质量数守恒、电荷数守恒,但不是总质量守恒.

(4)半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的化学状态和外部条件无关.

五、核力和核能

1.核力

把原子核中的核子维系在一起的力,核力是一种强相互作用.

2.核能

(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其对应的能量ΔE=Δmc2.

(2)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.质能方程表明质量和能量有着紧密联系,但不能相互转化.

六、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UnKrBa+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、核电站.

(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HHHen+17.6 MeV.

1.思考判断

(1)原子中绝大部分是空的,原子核很小.(　√　)

(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)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量.(　×　)

(5)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.

卢瑟福通过α粒子散射实验,判断出原子中心有一个很小的核,并由此提出了原子的核式结构模型.如图所示的平面示意图中①③两条线表示α粒子运动的轨迹,则沿②所示方向射向原子核的α粒子可能的运动轨迹是(　A　)

A.轨迹a B.轨迹b

C.轨迹c D.轨迹d

解析:α粒子带正电,因此α粒子靠近核时,与核间有斥力,沿方向②射向原子核的α粒子比沿方向①的α粒子离核近,与核的作用强,因此α粒子沿方向②进入后与核作用向外侧散射的偏转角应该比沿①的大,故A正确.

3.(2019·河北衡水检测)氦原子被电离出一个核外电子,形成类氢结构的氦离子.已知基态的氦离子能量E1=-54.4 eV,氦离子的能级示意图如图所示,在具有下列能量的光子或者电子中,不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是(　A　)

A.42.8 eV(光子) B.43.2 eV(电子)

C.41.0 eV(电子) D.54.4 eV(光子)

解析:由于光子能量不可分,因此只有能量恰好等于两能级差的光子才能被氦离子吸收,A项中光子不能被吸收,D项中光子能被吸收,此时刚好使氦离子发生电离;而实物粒子(如电子)只要能量不小于两能级差,其部分能量可被吸收用来使氦离子跃迁至更高能级,B,C两项中的电子均能被吸收.

4.(多选)据媒体报道,叛逃英国的俄罗斯前特工利特维年科在伦敦离奇身亡,英国警方调查认为毒杀利特维年科的是超级毒药——放射性元素钋Po).若该元素发生α衰变,其半衰期是138天,衰变方程为PoXHe+γ,则下列说法中正确的是(　ABD　)

A.X原子核含有124个中子

B.X原子核含有206个核子

C.γ射线具有很强的电离能力

D.100 g的Po经276天,已衰变的质量为75 g

解析:X原子核中的核子数为210-4=206(个),B项正确;中子数为206-(84-2)=124个,A项正确;γ射线的电离能力很弱,C项错误;经过两个半衰期,剩余的钋的质量为原来的四分之一,则已衰变的质量为原来的四分之三,D项正确.

考点一　原子的核式结构

1.α粒子散射实验

(1)实验装置:α粒子源、金箔、放大镜和荧光屏.

(2)实验现象:①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进.

②少数α粒子发生了大角度偏转.

③极少数α粒子的偏转角度大于90°,甚至有极个别α粒子几乎被“撞了回来”.

(3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型.

2.核式结构模型

1911年由卢瑟福提出,在原子中心有一个很小的核,叫原子核.它集中了原子全部的正电荷和几乎全部的质量,电子在核外空间运动.

3.原子核的电荷与尺度

[例1] 关于原子结构,下列说法正确的是(　A　)

A.玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律

B.卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性

C.卢瑟福的α粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子

D.卢瑟福的α粒子散射实验肯定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”

解析:玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律;卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性;卢瑟福的α粒子散射实验表明原子具有核式结构,否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”,故A正确,B,C,D错误.

[针对训练] (多选)从α粒子散射实验结果推出的结论,其中正确的是(　ACD　)

A.金原子内部大部分都是空的

B.金原子是一个球体

C.汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况

D.原子核的半径的数量级是10-15 m

解析:α粒子散射实验结果表明,绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大角度的偏转,并有极少数α粒子的偏转角度超过90°,有的甚至几乎被反弹回来,则从α粒子散射实验结果推出的结论有金原子内部大部分都是空的,汤姆孙的原子模型不符合原子结构的实际情况,原子核的半径的数量级是10-15 m,不能说明金原子是球体,选项A,C,D正确.

考点二　氢原子能级及原子跃迁

1.能级图中相关因素的说明

2.两类能级跃迁

(1)自发跃迁:由高能级跃迁到低能级,释放能量,发出光子.光子的频率ν==.

(2)受激跃迁:由低能级跃迁到高能级,吸收能量.

①光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级差hν=ΔE.

②碰撞、加热等:只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外≥ΔE.

③大于电离能的光子被吸收,将原子电离.

3.电离

电离态:n=∞,E=0;基态→电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV(电离能).n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4 eV;如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还携带动能.

[例2] (多选)如图是氢原子的能级图,一群氢原子处于n=3能级,下列说法中正确的是(　AC　)

A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的光

B.这群氢原子发出的光子中,能量最大为10.2 eV

C.从n=3能级跃迁到n=2能级时发出的光波长最长

D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁

解析:根据=3知,这群氢原子能够发出3种不同频率的光子,A项正确;由n=3跃迁到n=1,辐射的光子能量最大,ΔE=(13.6-1.51)eV=12.09 eV,B项错误;从n=3跃迁到n=2,辐射的光子能量最小,频率最小,则波长最长,C项正确;一群处于n=3能级的氢原子发生跃迁,吸收的能量必须等于两能级的能级差,D项错误.

②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.(2019·山西模拟)(多选)如图所示为氢原子的能级示意图,锌的逸出功是3.34 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(　BD　)

A.用氢原子从高能级向基态跃迁时发射的光照射锌板一定不能产生光电效应现象

B.一群处于n=3能级的氢原子向基态跃迁时,能放出3种不同频率的光

C.用能量为10.3 eV的光子照射,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

D.用能量为14.0 eV的光子照射,可使处于基态的氢原子电离

解析:当氢原子从高能级向低能级跃迁时,辐射出光子的能量有可能大于3.34 eV,锌板有可能产生光电效应现象,A项错误;由跃迁关系可知,一群处于n=3能级的氢原子可以向n=1与n=2能级跃迁,然后处于n=2能级的原子又可以再向n=1能级跃迁,能放出3种不同频率的光,B项正确;氢原子在吸收光子能量时须满足光子的能量恰等于两能级间的能量差,由于-3.4 eV-(-13.6 eV)<10.3 eV<-1.51 eV-(-13.6 eV),故不能使处于基态的氢原子跃迁到激发态,因此C项错误;由于14.0 eV>13.6 eV,故可以使处于基态的氢原子电离,D项正确.

2.(多选)如图所示为氢原子的能级图,用光子能量为 13.06 eV 的光照射一群处于基态的氢原子,下列说法正确的是(　BD　)

A.氢原子可以辐射出连续的各种波长的光

B.氢原子可辐射出10种不同波长的光

C.氢原子从n=4的能级向n=3的能级跃迁时辐射光的波长最短

D.辐射光中,光子能量为0.31 eV的光波长最长

解析:氢原子只能辐射出不连续的几种波长的光,故A错误;因为-13.6 eV+13.06 eV=-0.54 eV,所以氢原子跃迁到n=5能级,根据=10知可能观测到氢原子发射的不同波长的光有10种,故B正确;从n=5能级跃迁到n=1能级辐射的光子能量最大,波长最短,故C错误;从n=5能级跃迁到n=4能级辐射的光子能量最小,波长最长,光子能量为E5-E4=-0.54 eV-(-0.85 eV)=0.31 eV,故D正确.

考点三　原子核的衰变、半衰期

1.三种射线的比较

2.α衰变、β衰变的比较

3.确定衰变次数的方法

因为β衰变对质量数无影响,所以先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数.

4.对半衰期的理解

(1)半衰期公式

N余=N原(),m余=m原().

(2)半衰期的影响因素

放射性元素衰变的快慢由原子核内部自身因素决定,与原子所处的物理状态或化学状态无关.

(3)半衰期的适用条件

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.

[例3] (2019·湖南岳阳二模)(多选)关于天然放射现象,以下叙述正确的是(　CD　)

A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将变大

B.β衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的

C.在α,β,γ这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,α射线的电离能力最强

D.铀核U)衰变为铅核Pb)的过程中,要经过8次α衰变和6次β衰变

解析:半衰期是由原子核内部因素决定的,与温度无关,故A错误;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生的,故B错误;在α,β,γ这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,α射线的电离能力最强,故C正确;铀核U)衰变为铅核Pb)的过程中,每经过一次α衰变质子数少2,质量数少4;而每经过一次β衰变质子数增加1,质量数不变;由质量数和电荷数守恒,可知要经过8次α衰变和6次β衰变,故D正确.

[针对训练] (2019·湖南长沙月考)(多选)碘131是放射性同位素,衰变时会发出β射线与γ射线,碘131被人摄入后,会危害身体健康,由此引起了全世界的关注.下列关于核辐射的相关知识,说法正确的是(　AD　)

A.人类无法通过改变外部环境来改变碘131衰变的快慢

B.若碘131的半衰期为8.3天,则4个碘原子核经16.6天后就一定剩下一个原子核

C.β射线与γ射线都是电磁波,但γ射线穿透本领比β射线强

D.碘131发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的

解析:衰变的快慢是由放射性元素本身决定的,与外部环境无关,A项正确;半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对少数几个原子核无意义,B项错误;β射线是高速电子流,γ射线是电磁波,故C项错误;β衰变的实质是He,D项正确.

考点四　核反应类型与核反应方程

1.核反应方程的四种类型

2.核反应方程的书写

(1)熟记常见粒子的符号,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)核反应过程一般都不是可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接.

(3)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据质量数守恒、电荷数守恒凭空杜撰出生成物来写核反应方程.

[例4] (2019·湖南岳阳二模)(多选)关于核衰变和核反应的类型,下列表述正确的有(　AC　)

AUThHe是α衰变

BNHeOH是β衰变

CHHHen是轻核聚变

DSeKr+e是重核裂变

解析:B项是卢瑟福发现质子的核反应方程;D项是β衰变,A,C两项正确.

[针对训练] (2019·湖南株洲联考)一个U原子核在中子的轰击下发生一种可能的核反应为UnX+Sr+n,则下列说法中正确的是(　D　)

A.该反应是核聚变反应

B.X原子核中含有86个核子

C.这种核反应是太阳内部进行的主要核反应

D.虽然该反应出现质量亏损,但反应前后的原子核总质量数不变

解析:根据核反应过程中质量数和电荷数守恒,可知X为X,其电荷数为54、中子数为86、核子数为140,B项错误;该反应为核裂变,在太阳内部主要进行聚变反应,A,C两项错误;在所有的核裂变和核聚变反应中都会出现质量亏损,反应前后的原子核总质量数不变,D项正确.

考点五　核力与核能

　核反应中释放核能的计算

(1)根据ΔE=Δmc2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计算时,Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”.

(3)根据核子平均结合能计算,即ΔE等于(反应后核子平均结合能-反应前核子平均结合能)×核子数.

[例5] (2019·湖南长沙一模)(多选)太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为一个氦核的热核反应,这个核反应释放出的大量能量就是太阳能的来源.已知mp=1.007 3 u,mα=4.0015 u,me=0.000 55 u,1 u相当于931.5 MeV,太阳的质量为2×1030 kg,则下列说法中正确的是(　ABD　)

A.太阳内部的核反应方程为HHe+e

B.太阳内4个质子核反应能释放出的能量约为24.78 MeV

C.若太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳每秒减少的质量约为4.2×108 kg

D.若太阳质量减少万分之三时热核反应不能继续进行,每秒释放的能量为3.8×1026 J,则太阳还能存在约4.4×109年

解析:太阳内部的核反应方程为HHe+e,故A正确;这一核反应的质量亏损Δm=4mp-mα-2me=0.026 6 u,释放的能量ΔE=Δmc2=0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV,故B正确;由ΔE=Δmc2得,太阳每秒减少的质量Δm== kg≈4.2×109 kg,故C错误;太阳的质量为2×1030 kg,太阳还能存在的时间t== s≈1.4×1017 s=4.4×109年,故D正确.

书写核反应方程→计算质量
亏损Δm→利用ΔE=Δmc2
计算释放的核能

②核反应中我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能.

1.(结合能与平均结合能)(2019·重庆期末)(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是(　ABC　)

A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量

B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能

C.铯原子核Cs)的结合能小于铅原子核Pb)的结合能

D.平均结合能越大,原子核越不稳定

解析:结合能是把核子分开所需的最小能量,A项正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,存在质量亏损,核子平均结合能增大,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,B项正确;核子数越多,结合能越大,C项正确;平均结合能越大,分开每个核子所需的能量越大,原子核越稳定,D项错误.

2.(核能与质量亏损)(2019·山东烟台月考)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(　B　)

A.核反应方程是HnH+γ

B.聚变反应中的质量亏损Δm=m1+m2-m3

C.辐射中的γ光子的能量E=(m3-m1-m2)c2

D.γ光子的波长λ=

解析:根据核反应过程中质量数和电荷数守恒可知,核反应方程为HnH+γ,A项错误;聚变过程中辐射出γ光子,质量亏损 Δm=m1+m2-m3,B项正确;由质能方程可知,辐射出的γ光子的能量E=(m1+m2-m3)c2,C项错误;由E=可知,γ光子的波长λ=,D项错误.

1.(2015·福建卷,30)下列有关原子结构和原子核的认识,其中正确的是(　B　)

A.γ射线是高速运动的电子流

B.氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能增大

C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变

DBi的半衰期是5天,100克Bi经过10天后还剩下50克

解析:γ射线是光子流,选项A错误;氢原子辐射光子后能量减小,轨道半径减小,其绕核运动的电子动能增大,选项B正确;太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的氢核聚变,选项C错误;由m=,n=得m== g=25 g,选项D错误.

2.

(2019·全国Ⅰ卷,14)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　)

A.12.09 eV

B.10.20 eV

C.1.89 eV

D.1.51 eV

解析:由题意可知,基态(n=1)氢原子被激发后,至少被激发到n=3能级后,跃迁才可能产生可见光,故ΔE=E3-E1=-1.51 eV-(-13.60)eV=12.09 eV,故A正确.

3.(2018·全国Ⅲ卷,14)1934年,约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝核Al,产生了第一个人工放射性核素X:α+Aln+X.X的原子序数和质量数分别为(　B　)

A.15和28 B.15和30

C.16和30 D.17和31

解析:核反应方程αAln+X该写成HeAln+X,由电荷数和质量数守恒知,X应为X,即X的原子序数和质量数分别为15和30,选项B正确.

4.(2017·全国Ⅰ卷,17)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电,氘核聚变反应方程是HHHen,已知H的质量为2.013 6 uHe的质量为3.015 0 un的质量为1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　B　)

A.3.7 MeV B.3.3 MeV

C.2.7 MeV D.0.93 MeV

解析:氘核聚变反应中亏损的质量Δm=2.013 6 u×2-3.015 0 u-1.008 7 u=0.003 5 u,释放的核能ΔE=0.003 5×931 MeV≈3.3 MeV,选项B正确.

5.(2019·辽宁沈阳一模)贝克勒尔在120年前首先发现了天然放射现象,如今原子核的放射性在众多领域中有着重要作用,下列属于放射性元素衰变的是(　A　)

AUThHe

BUnIY+n

CHHHen

DHeAlPn

解析:A选项的反应释放出α粒子,属于α衰变,故A正确;B选项的反应是铀核裂变,属于重核裂变,故B错误;C选项是氘核和氚核的聚变反应,属于轻核聚变,故C错误;D选项是原子核的人工转变,不是放射性元素衰变,故D错误.