2021高考物理教科版一轮复习学案 作业:第十二章 第2讲 原子和原子核 WORD版含解析.docx
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1、第2讲原子和原子核一、原子物理1原子的核式结构(1)19091911年,英籍物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验,提出了原子核式结构模型(2)粒子散射实验的结果:绝大多数粒子穿过金箔后,基本上仍沿原来的方向前进,但有少数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1所示图1(3)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2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:巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线,其波长
2、公式R()(n3,4,5,R是里德伯常量,R1.10107 m1)(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3玻尔理论(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:电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时,会放出能量为h的光子,这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即hEmEn.(h是普朗克常量,h6.631034 Js)(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
3、此电子的可能轨道也是不连续的4氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式:能级公式:EnE1(n1,2,3,),其中E1为基态能量,其数值为E113.6 eV.半径公式:rnn2r1(n1,2,3,),其中r1为基态轨道半径,又称玻尔半径,其数值为r10.531010 m.(2)氢原子的能级图,如图2所示图2自测1(2019湖北武汉市四月调研)已知氢原子的基态能量为E1,激发态能量En,其中n2,3,4,.若氢原子从n3能级跃迁到n2能级放出光子的频率为,能使氢原子从基态电离的光子的最小频率为()A. B4 C. D9答案C解析由题意可知:h;能使氢原子从基态电离的光子的最小频率满足:0E1h
4、,解得,故选C.二、天然放射现象和原子核1天然放射现象(1)天然放射现象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)放射性同位素的应用与防护放射性同位素: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应用:消除静电、工业探伤、做示踪原子等防护:防止放射性对人体组织的伤害2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)基本关系核电荷数(Z)质子数元素的原子序数原子的核外电子数质量数(A)核子数质子数中子数(3)X元素的原子核的符号为X,其中A表示质量数,Z表示核电荷数3原子核的衰变
5、、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出粒子或粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变分类衰变:XYHe衰变:XYe当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生衰变,有的发生衰变,同时伴随着辐射两个典型的衰变方程衰变:UThHe衰变:ThPae.(2)半衰期定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间影响因素: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(3)公式:N余N原,m余m原.4核力和核能(1)原子核内部,核子间所特有的相互作用力(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其对应的能量Emc2.(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的
6、质量增加m,吸收的能量为Emc2.自测2(2018全国卷14)1934年,约里奥居里夫妇用粒子轰击铝核Al,产生了第一个人工放射性核素X:AlnX.X的原子序数和质量数分别为()A15和28 B15和30C16和30 D17和31答案B解析将核反应方程式改写成HeAlnX,由电荷数和质量数守恒知,X应为X.1定态间的跃迁满足能级差(1)从低能级(n)高能级(m)吸收能量hEmEn(2)从高能级(m)低能级(n)放出能量hEmEn.2电离电离态与电离能电离态:n,E0基态电离态:E吸0(13.6 eV)13.6 eV.激发态电离态:E吸0En|En|.若吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电
7、子还携带动能例1(2019全国卷14)氢原子能级示意图如图3所示光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见光要使处于基态(n1)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()图3A12.09 eV B10.20 eV C1.89 eV D1.51 eV答案A解析因为可见光光子的能量范围是1.63 eV3.10 eV,所以处于基态的氢原子至少要被激发到n3能级,要给氢原子提供的能量最少为E(1.5113.60) eV12.09 eV,故选项A正确变式1(2019河南郑州市第三次质量检测)如图4所示为氢原子能级示意图,下列有关说法正确的是()图4A处于基态的氢原子吸收10
8、.5 eV的光子后能跃迁至n2能级B大量处于n4能级的氢原子向低能级跃迁时,最多可辐射出3种不同频率的光C若用从n3能级跃迁到n2能级辐射出的光,照射某金属时恰好发生光电效应,则用从n4能级跃迁到n3能级辐射出的光,照射该金属时一定能发生光电效应D用n4能级跃迁到n1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答案D解析处于基态的氢原子吸收10.2 eV的光子后能跃迁至n2能级,不能吸收10.5 eV能量的光子,故A错误;大量处于n4能级的氢原子,最多可以辐射出C6种不同频率的光子,故B错误;从n3能级跃迁到n2能级辐射出的光子的能量大于从n4能级
9、跃迁到n3能级辐射出的光子的能量,用从n3能级跃迁到n2能级辐射出的光,照射某金属时恰好发生光电效应,则用从n4能级跃迁到n3能级辐射出的光,照射该金属时一定不能发生光电效应,故C错误;处于n4能级的氢原子跃迁到n1能级辐射出的光子的能量为:EE4E10.85 eV(13.6 eV)12.75 eV,根据光电效应方程,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:EkEW012.75 eV6.34 eV6.41 eV,故D正确1衰变规律及实质(1)衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变过程XYHeXYe衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子2
10、H2nHenHe匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒(2)射线:射线经常伴随着衰变或衰变同时产生其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中,产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子2确定衰变次数的方法因为衰变对质量数无影响,所以先由质量数的改变确定衰变的次数,然后再根据衰变规律确定衰变的次数3半衰期(1)公式:N余N原,m余m原.(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关4衰变中的动量问题:满足动量守恒定律例2(2017全国卷15)一静止的铀核放出一个粒子衰变
11、成钍核,衰变方程为UTh+He,下列说法正确的是() A衰变后钍核的动能等于粒子的动能B衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案B解析静止的铀核在衰变过程中,满足动量守恒的条件,根据动量守恒定律得pThp0,即钍核的动量和粒子的动量大小相等,方向相反,选项B正确;根据Ek可知,选项A错误;铀核的半衰期是大量的铀核半数发生衰变所用的时间,而不是放出一个粒子所经历的时间,选项C错误;铀核在衰变过程中,伴随着一定的能量放出,即衰变过程中有一定的质量亏损,故衰变后粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量,选项
12、D错误变式2(多选)(2019四川成都市第二次诊断)如图5,匀强磁场中的O点有一静止的原子核Th发生了某种衰变,衰变方程为ThYe,反应生成的粒子e的速度方向垂直于磁场方向关于该衰变,下列说法正确的是()图5A.Th发生的是衰变B.Th发生的是衰变CA234,Z91D新核Y和粒子e在磁场中的轨迹外切于O点答案BC解析衰变放出一个电子,所以为衰变,故A错误,B正确;由质量数和电荷数守恒得:A234,Z91,故C正确;由于新核Y和粒子e电性相反,由左手定则可知,新核Y和粒子e在磁场中的轨迹内切于O点,故D错误变式3(2019湖南衡阳市第二次联考)在匀强磁场中,一个原来静止的原子核,由于衰变放射出某
13、种粒子,结果得到一张两个相切圆1和2的径迹照片如图6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()图6A原子核可能发生衰变,也可能发生衰变B径迹2可能是衰变后新核的径迹C若衰变方程是UThHe,则衰变后新核和射出的粒子的动能之比为1172D若衰变方程是UThHe,则r1r2145答案D解析原子核衰变过程系统动量守恒,由动量守恒定律可知,衰变生成的两粒子的动量方向相反,粒子速度方向相反,由左手定则可知,若生成的两粒子电性相反则在磁场中的轨迹为内切圆,若电性相同则在磁场中的轨迹为外切圆,所以该原子核发生的是衰变,故A错误;核反应过程系统动量守恒,原子核原来静止,初动量为零,由动量
14、守恒定律可知,原子核衰变生成的两核动量大小相等,方向相反,粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得:qvBm,解得:r,由于p、B相同,则粒子电荷量q越大,轨道半径越小,由于新核的电荷量大,所以新核的轨道半径小于粒子的轨道半径,所以径迹2是衰变后粒子的运动轨迹,故B错误;由动能与动量的关系Ek可知,动能之比等于质量的反比,即为2117,故C错误;由B项分析知,r1r2290145,故D正确1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇
15、发现放射性同位素,同时发现正电子PSie重核裂变容易控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变现阶段很难控制HHHen2.核反应方程式的书写(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)、粒子(He)、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,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(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒例3(2016全国卷35(1)在下列描述核过程的方程中,属于衰变的是_,属于衰变的是_,属于裂变的是_,属于聚变的是_(
16、填正确答案标号)A.CNe B.PSeC.UThHe D.NHeOHE.UnXeSr2n F.HHHen答案CABEF解析衰变是一种放射性衰变,粒子(He)会从原子核中射出,C项符合要求;衰变是指自原子核内自发地放出一个电子(e),同时原子序数增加1的过程,A、B两项符合要求;裂变是指一些质量较大的原子核,如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核,同时放出多个中子和很大能量的过程,只有E项符合要求;聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过程,F项符合要求变式4(2019河南安阳市二模)下列说法正确的是()A.UThX中X为中子,
17、核反应类型为衰变B.HHHeY中Y为中子,核反应类型为人工核转变C.UnXeSrK,其中K为10个中子,核反应类型为重核裂变D.NHeOZ,其中Z为氢核,核反应类型为轻核聚变答案C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,为粒子,核反应类型为衰变,选项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,选项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,选项C正确; D选项反应中的Z质量数为1,电荷数为1,为质子,核反应类型为人工核转变,选项D错误变式5(2019四川第二次诊断)下列核
18、反应属于人工转变的是()A.ThPaeB.HeBeCnC.UnXeSr10nD.HHHen答案B解析Th234变成Pa234,同时有一个电子产生,属于衰变,故A错误;用粒子轰击Be,产生了碳原子,属于原子核的人工转变,故B正确;C选项中反应方程为重核的裂变,故C错误;氘与氚反应生成氦核,属于轻核聚变反应,故D错误1利用质能方程计算核能(1)根据核反应方程,计算出核反应前与核反应后的质量亏损m.(2)根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能质能方程Emc2中m的单位用“kg”,c的单位用“m/s”,则E的单位为“J”(3)Emc2中,若m的单位用“u”,则可直接利用Em931.5 MeV计算E,此时
19、E的单位为“MeV”,即1 u1.660 61027 kg,相当于931.5 MeV,这个结论可在计算中直接应用2利用比结合能计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能的差值,就是该核反应所释放(或吸收)的核能例4(2019全国卷15)太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循坏,循环的结果可表示为4HHe2e2,已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u,1 u931 MeV/c2,c为光速在4个H转变成1个He的过程中,释放的能量约为()A8 MeV B16 MeVC26 MeV D52 MeV
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