2019年度高考物理一輪復習 第十二章 近代物理初步 第2講 原子和原子核學案.doc
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第2講 原子和原子核 一、原子物理 1.原子的核式結構 (1)1909～1911年，英籍物理學家盧瑟福進行了α粒子散射實驗，提出了核式結構模型. (2)α粒子散射實驗的結果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90，也就是說它們幾乎被“撞了回來”，如圖1所示. 圖1 (3)原子的核式結構模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質量，電子在正電體的外面運動. 2.氫原子光譜 (1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜. (2)光譜分類 (3)氫原子光譜的實驗規(guī)律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式＝R(－)(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10107 m－1). (4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質和確定物質的組成成分，且靈敏度很高.在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學元素上有著重大的意義. 3.玻爾理論 (1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量. (2)躍遷：電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時，會放出能量為hν的光子，這個光子的能量由前后兩個能級的能量差決定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.6310－34 Js) (3)軌道：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應.原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的. 4.氫原子的能量和能級變遷 (1)能級和半徑公式： ①能級公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝－13.6 eV. ②半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)軌道半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.5310－10 m. (2)氫原子的能級圖，如圖2所示 圖2 自測1 (多選)如圖3所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時觀察到的現(xiàn)象，下述說法中正確的是( ) 圖3 A.放在A位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B.放在B位置時，相同時間內觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時稍少些 C.放在C、D位置時，屏上觀察不到閃光 D.放在D位置時，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少 答案 ABD 解析 根據(jù)α粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進，少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉，A、B、D正確. 自測2 一個氫原子從n＝3能級躍遷到n＝2能級，該氫原子( ) A.放出光子，能量增加 B.放出光子，能量減少 C.吸收光子，能量增加 D.吸收光子，能量減少 答案 B 二、天然放射現(xiàn)象和原子核 1.天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象 元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結構. (2)放射性同位素的應用與防護 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兩類，放射性同位素的化學性質相同. ②應用：消除靜電、工業(yè)探傷、做示蹤原子等. ③防護：防止放射性對人體組織的傷害. 2.原子核的組成 (1)原子核由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱為核子.質子帶正電，中子不帶電. (2)基本關系 ①核電荷數(shù)(Z)＝質子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù). ②質量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質子數(shù)＋中子數(shù). (3)X元素的原子核的符號為X，其中A表示質量數(shù)，Z表示核電荷數(shù). 3.原子核的衰變、半衰期 (1)原子核的衰變 ①原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變. ②分類 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋e 當放射性物質連續(xù)發(fā)生衰變時，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時伴隨著γ輻射. ③兩個典型的衰變方程 α衰變：U→ Th＋He β衰變：Th→Pa＋e. (2)半衰期 ①定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間. ②影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關系. (3)公式：N余＝N原，m余＝m原. 4.核力和核能 (1)原子核內部，核子間所特有的相互作用力. (2)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損Δm，其對應的能量ΔE＝Δmc2. (3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2. 自測3 (2015福建理綜30(1))下列有關原子結構和原子核的認識，其中正確的是( ) A.γ射線是高速運動的電子流 B.氫原子輻射光子后，其繞核運動的電子動能增大 C.太陽輻射能量的主要來源是太陽中發(fā)生的重核裂變 D.Bi的半衰期是5天，100克Bi經(jīng)過10天后還剩下50克 答案 B 解析 β射線是高速電子流，而γ射線是一種電磁波，選項A錯誤.氫原子輻射光子后，繞核運動的電子距核更近，動能增大，選項B正確.太陽輻射能量的主要來源是太陽內部氫核的聚變，選項C錯誤.10天為兩個半衰期，剩余的Bi為100 g＝100()2 g＝25 g，選項D錯誤. 命題點一 玻爾理論和能級躍遷 1.定態(tài)間的躍遷——滿足能級差 (1)從低能級(n)高能級(m)→吸收能量. hν＝Em－En (2)從高能級(m)低能級(n)→放出能量. hν＝Em－En. 2.電離 電離態(tài)與電離能 電離態(tài)：n＝∞，E＝0 基態(tài)→電離態(tài)：E吸>0－(－13.6 eV)＝13.6 eV. 激發(fā)態(tài)→電離態(tài)：E吸>0－En＝|En|. 若吸收能量足夠大，克服電離能后，獲得自由的電子還攜帶動能. 例1 (多選)(2017江西南昌檢測)如圖4所示是氫原子的能級圖，現(xiàn)有大量處于n＝3激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷，所輻射的光子中只有一種能使某金屬產(chǎn)生光電效應.以下判斷正確的是( ) 圖4 A.該光子一定是氫原子從激發(fā)態(tài)n＝3躍遷到基態(tài)時輻射的光子 B.若大量氫原子從激發(fā)態(tài)n＝3躍遷到低能級，可輻射出3種頻率的光子 C.若氫原子從激發(fā)態(tài)n＝4躍遷到基態(tài)，輻射出的光子一定能使該金屬產(chǎn)生光電效應 D.若大量氫原子從激發(fā)態(tài)n＝4躍遷到低能級，則會有3種光子使該金屬產(chǎn)生光電效應 答案 ABC 變式1 (多選)如圖5是氫原子的能級圖，一群氫原子處于n＝3能級，下列說法中正確的是( ) 圖5 A.這群氫原子躍遷時能夠發(fā)出3種不同頻率的波 B.這群氫原子發(fā)出的光子中，能量最大為10.2 eV C.從n＝3能級躍遷到n＝2能級時發(fā)出的光波長最長 D.這群氫原子能夠吸收任意光子的能量而向更高能級躍遷 答案 AC 解析 根據(jù)C＝3知，這群氫原子能夠發(fā)出3種不同頻率的光子，故A正確；由n＝3躍遷到n＝1，輻射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51) eV＝12.09 eV，故B錯誤；從n＝3躍遷到n＝2輻射的光子能量最小，頻率最小，則波長最長，故C正確；一群處于n＝3能級的氫原子發(fā)生躍遷，吸收的能量必須等于兩能級的能級差，故D錯誤. 命題點二 原子核的衰變及半衰期 1.衰變規(guī)律及實質 (1)α衰變、β衰變的比較 衰變類型 α衰變 β衰變 衰變過程 X→Y＋He X→Y＋e 衰變實質 2個質子和2個中子結合成一個整體射出 1個中子轉化為1個質子和1個電子 2H＋2n→He n→H＋e 勻強磁場中軌跡形狀 衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒、動量守恒 (2)γ射線：γ射線經(jīng)常伴隨著α衰變或β衰變同時產(chǎn)生.其實質是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子. 2.確定衰變次數(shù)的方法 因為β衰變對質量數(shù)無影響，所以先由質量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù). 3.半衰期 (1)公式：N余＝N原，m余＝m原. (2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內部自身因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關. 例2 (2017全國卷Ⅱ15)一靜止的鈾核放出一個α粒子衰變成釷核，衰變方程為U→Th＋He，下列說法正確的是( ) A.衰變后釷核的動能等于α粒子的動能 B.衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小 C.鈾核的半衰期等于其放出一個α粒子所經(jīng)歷的時間 D.衰變后α粒子與釷核的質量之和等于衰變前鈾核的質量 答案 B 解析 靜止的鈾核在α衰變過程中，滿足動量守恒的條件，根據(jù)動量守恒定律得pTh＋pα＝0，即釷核的動量和α粒子的動量大小相等，方向相反，選項B正確；根據(jù)Ek＝可知，選項A錯誤；半衰期的定義是統(tǒng)計規(guī)律，對于一個α粒子不適用，選項C錯誤；鈾核在衰變過程中，伴隨著一定的能量放出，即衰變過程中有一定的質量虧損，故衰變后α粒子與釷核的質量之和小于衰變前鈾核的質量，選項D錯誤. 變式2 (2017湖南長沙三月模擬)一個靜止的鈾核，放在勻強磁場中，它發(fā)生一次α衰變后變?yōu)殁Q核，α粒子和釷核都在勻強磁場中做勻速圓周運動.某同學作出如圖6所示運動徑跡示意圖，以下判斷正確的是( ) 圖6 A.1是α粒子的徑跡，2是釷核的徑跡 B.1是釷核的徑跡，2是α粒子的徑跡 C.3是α粒子的徑跡，4是釷核的徑跡 D.3是釷核的徑跡，4是α粒子的徑跡 答案 B 解析 由動量守恒可知，靜止的鈾核發(fā)生α衰變后，生成的均帶正電的α粒子和釷核的動量大小相等，但方向相反，由左手定則可知它們的運動軌跡應為“外切”圓，又R＝＝，在p和B大小相等的情況下，R∝，因q釷>qα，則R釷
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