高考物理 專題十一 動量、波粒二象性和近代物理初步 第4講 原子結(jié)構(gòu)和原子核

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1、第4講 原子結(jié)構(gòu)和原子核一、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型1.湯姆生的“棗糕”模型湯姆生均勻(1)1897 年，_發(fā)現(xiàn)電子，提出原子的“棗糕”模型，揭開了人類研究原子結(jié)構(gòu)的序幕.(2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷_分布在整個球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里.2.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型(1)粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置：如圖 11-4-1 所示.圖 11-4-1實(shí)驗(yàn)規(guī)律盧瑟福的分析_粒子仍沿原來的方向前進(jìn)原子中間絕大部分是_少數(shù)粒子發(fā)生了較_的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)的偏轉(zhuǎn)角超過了_，個別甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到 180粒子碰到了質(zhì)量比自己大得多的帶正電的物質(zhì)，原子的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在一個很小的范圍內(nèi)(

2、2)粒子散射實(shí)驗(yàn)規(guī)律及盧瑟福對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析絕大多數(shù)大90空隙(3)原子核式結(jié)構(gòu)模型原子核正質(zhì)量在原子的中心有一個很小的核，叫_.原子的全部_電荷和幾乎全部的_都集中在原子核里.旋轉(zhuǎn)核子質(zhì)量質(zhì)子帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核_.(4)原子核大小：從粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)估算出原子核的半徑約為10151014 m(原子的半徑約為1010 m).3.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱_，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的_數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和.具有相同_數(shù)的原子屬于同一種元素；具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的原子互稱_.同位素【基礎(chǔ)檢測】1.(多選)如圖 11-4-2 所示為盧瑟福和他的同事們做粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的

3、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 11-4-2A.放在 A 位置時，相同時間內(nèi)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(nèi)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)極少解析：根據(jù)粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù)粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù)粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，A、B、D 正確.答案：ABD二、玻爾原子模型與原子光譜1.玻爾原子模型為解決原子核結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和原子發(fā)光的不連續(xù)性問題，玻爾提出了三條假設(shè)：量子化能量穩(wěn)定(1)軌道假設(shè)：軌道是_的

4、，其半徑只能是某些分立的值.能量輻射吸收能級差(2)定態(tài)假設(shè)：不同的軌道對應(yīng)著不同的_狀態(tài)，這些狀態(tài)中原子是_的，不向外輻射能量.(3)躍遷假設(shè)：原子在不同的狀態(tài)具有不同的_，從一個定態(tài)向另一個定態(tài)躍遷時要_或_一定頻率的光子，該光子的能量等于這兩個狀態(tài)的_.2.能級：在玻爾模型中，原子的可能狀態(tài)是_的，因此各狀態(tài)對應(yīng)的能量也是_的，這些能量值叫能級.3.基態(tài)與激發(fā)態(tài)：能量_狀態(tài)叫做基態(tài)；其他能量狀態(tài)叫激發(fā)態(tài).不連續(xù)不連續(xù)最低的4.光子的輻射與吸收：原子由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時要_光子，由基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷時要_光子.光子的頻率與能級的關(guān)系為_.輻射吸收hEmEn5.原子光譜(1)光譜分析：利用元素

5、的特征譜線(線狀譜)分析和確定物質(zhì)的組成成分.(2)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：【基礎(chǔ)檢測】2.氫原子從能級m躍遷到能級n時輻射紅光的頻率為1，從能級n躍遷到能級k時吸收紫光的頻率為2，已知普朗克常量為h，若氫原子從能級k躍遷到能級m，則()A.吸收光子的能量為h1h2B.輻射光子的能量為h1h2C.吸收光子的能量為h2h1D.輻射光子的能量為h2h1答案：D解析：氫原子從能級m躍遷到能級n時輻射紅光，說明能級m高于能級n，而從能級n躍遷到能級k時吸收紫光，說明能級k也比能級n高，而紫光的頻率2大于紅光的頻率1，所以h2h1，因此能級k比能級m高，所以若氫原子從能級k躍遷到能級m，應(yīng)輻射光子，且光子

6、能量應(yīng)為h2h1.故選項(xiàng)D正確.三、原子核1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)貝克勒爾8383(1)_發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，使人們認(rèn)識到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕.(2)通過對天然放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于或等于_的所有天然存在的元素都具有放射性，原子序數(shù)小于_的天然存在的元素有些也具有放射性，它們放射出來的射線常見的有三種：_.射線、射線、射線2.天然衰變中核的變化規(guī)律在核的天然衰變中，核變化的最基本的規(guī)律是_守恒和_守恒.質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)3.半衰期(1)定義：放射性元素的原子核有_發(fā)生衰變所需要的時間.半數(shù)快慢物理狀態(tài)(2)意義：反映了核衰變過程的_程度，具有統(tǒng)計(jì)性.(3)特征

7、：只由核本身的因素所決定，而與原子所處的_或_無關(guān).化學(xué)狀態(tài)4.原子核的人工轉(zhuǎn)變(1)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn).質(zhì)子中子(3)放射性同位素的人工合成.四、核力、核能、重核的裂變和輕核的聚變1.核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫侖力很大，受到這么大的庫侖斥力卻能處于穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有別的力把各核子緊緊地拉在一起，這種力叫做核力.核力具有以下特點(diǎn)：(1)核力是很強(qiáng)的力.相鄰(2)核力作用范圍很小，只在 2.01015 m的短距離內(nèi)起作用.(3)每個核子只跟它_的核子發(fā)生核力作用.2.核能(1)結(jié)合能：核子結(jié)合成_時放出一定的能量，_分解成核子時吸收一定的能量，這種能量叫結(jié)合能.(2)質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生

8、成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做_.(3)愛因斯坦質(zhì)能方程：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是_，這就是愛因斯坦質(zhì)能方程，其另一個表達(dá)形式是Emc2.原子核原子核質(zhì)量虧損Emc23.獲得核能的途徑(1)重核的裂變中等10重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個_質(zhì)量數(shù)的原子核，則這樣的反應(yīng)叫做重核的裂變.在裂變的同時，還會放出幾個中子和大量能量.2He(2)輕核的聚變較大4某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)_的原子核的反應(yīng)過程叫做輕核的聚變，同時放出大量的能量.輕核聚變只能發(fā)生在超高溫條件下，故輕核聚變也叫做熱核反應(yīng).【基礎(chǔ)檢測】3.(2016 年湖北黃岡高

9、三檢測)某些建筑材料可產(chǎn)生放射性氣體氡，氡可以發(fā)生或衰變，如果人長期生活在氡濃度過高的環(huán)境中，那么，氡經(jīng)過人的呼吸道沉積在肺部，并放出大量的射線，從而危害人體健康.原來靜止的氡核 發(fā)生一次衰變生成新核釙(Po)，并放出一個能量為 E00.09 MeV 的光子.已知放出的粒子動能為 E5.55 MeV；忽略放出光子的動量，但考慮其能量；1 u931.5 MeV/c2.(1)寫出衰變的核反應(yīng)方程.(2)衰變過程中總的質(zhì)量虧損為多少？(計(jì)算結(jié)果保留 3 位有效數(shù)字)由題意，質(zhì)量虧損對應(yīng)的能量以光子的能量和新核、粒子的動能形式出現(xiàn)，衰變時釋放出的總能量為EEEPoE0mc2故衰變過程中總的質(zhì)量虧損是m

10、0.006 16 u.考點(diǎn)1氫原子的能級躍遷 重點(diǎn)歸納1.氫原子能級公式電子繞核運(yùn)動的動能和電子與原子核組成的系統(tǒng)的電勢能；對應(yīng)的軌道半徑關(guān)系式為 rnn2r1，其中 n 叫量子數(shù)，只能取正整數(shù).n1 的狀態(tài)稱為基態(tài)，n1 時稱為激發(fā)態(tài)；量子數(shù) n 越大，動能越小，電勢能越大，總能量越大.2.光子的吸收與輻射原子從一種定態(tài)(能量為E初)躍遷到另一種定態(tài)(能量為E末)，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩種定態(tài)的能級差決定，即hE初E末.若E初E末，則輻射光子；若E初E末，則吸收光子.3.解答氫原子能級圖與原子躍遷問題的注意事項(xiàng)(1)氫原子能級圖：如圖 11-4-3 所示.圖 11-4-

11、3用數(shù)學(xué)中的組合知識求解：(2)能級之間躍遷時放出的光子頻率是不連續(xù)的.(3)能級之間發(fā)生躍遷時放出(或吸收)光子的頻率由hEmEn 求得.若求波長可由公式 c求得.(4)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為 n1.(5)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法：利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加. 典例剖析例 1：(多選)如圖 11-4-4 所示是氫原子的能級圖，大量處于n4 激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時，一共可以輻射出 6 種不同頻率的光子，其中巴耳末系是指氫原子由高能級向 n2 能級躍遷時釋放的光子，則()圖 11-4-4A.6 種光

12、子中波長最長的是 n4 激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生的B.6 種光子中有 2 種屬于巴耳末系C.使 n4 能級的氫原子電離至少要 0.85 eV 的能量D.若從 n2 能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應(yīng)，則從 n3 能級躍遷到 n2 能級釋放的光子也一定能使該板發(fā)生光電效應(yīng)答案：BC【考點(diǎn)練透】1.如圖 11-4-5 所示是某原子的能級圖，a、b、c 為原子躍遷所發(fā)出的三種波長的光.在下列該原子光譜的各選項(xiàng)中，譜線從左向右的波長依次增大，則正確的是()圖 11-4-5ABCD答案：C考點(diǎn)2核衰變及三種射線 重點(diǎn)歸納1.核衰變2.三種射線的本質(zhì)和特性空氣中射程為幾厘米，貫穿本領(lǐng)小，電離作

13、用強(qiáng).(2)射線：是高速的電子流，速度約為光速的十分之九，穿透本領(lǐng)較大，能穿透幾毫米的鋁板，電離作用較弱.(3)射線：是高能光子流，波長極短的電磁波，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，能穿透幾厘米的鉛板，電離作用小.(4)放射性元素有的原子核放出射線，有的放出射線，多余的能量以光子的形式射出.3.衰變次數(shù)的求解方法 典例剖析例 2：貝克勒爾在 120 年前首先發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象，如今原子核的放射性在眾多領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用.下列屬于放射性衰變的是()解析：A 為衰變方程，B 為重核裂變，C 為輕核聚變，D為原子核的人工轉(zhuǎn)變，所以A 正確.答案：A【考點(diǎn)練透】2.(2016 年廣西桂林第十八中學(xué)檢測)關(guān)于天然放射性，

14、下列說法正確的是()A.所有元素都有可能發(fā)生衰變B.放射性元素的半衰期與外界的溫度無關(guān)C.放射性元素與別的元素形成化合物時仍具有放射性D.、和三種射線中，射線的穿透能力最強(qiáng)解析：原子核可以自發(fā)地衰變，但不是所有元素都可以發(fā)生衰變，選項(xiàng) A 錯誤；放射性元素的半衰期由原子核決定，與外界的溫度無關(guān)，選項(xiàng) B 正確；放射性元素的放射性與核外電子無關(guān)，故放射性元素與別的元素形成化合物時仍具有放射性，選項(xiàng) C 正確；、和三種射線中，射線的穿透能力最強(qiáng)，電離能力最弱，選項(xiàng) D 正確.答案：BCD考點(diǎn)3核反應(yīng)方程與核能計(jì)算 重點(diǎn)歸納1.核反應(yīng)方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應(yīng)方程的基

15、(2)掌握核反應(yīng)方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫核反應(yīng)方程式時只能用“”表示反應(yīng)方向.(3)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.2.核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)Emc2 計(jì)算，計(jì)算時m 的單位是“kg”，c 的單位是“m/s”，E 的單位是“J”.(2)根據(jù)Em931.5 MeV 計(jì)算.因 1 原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于 931.5 MeV 的能量，所以計(jì)算時m 的單位是“u”，E 的單位是“MeV”.(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計(jì)算核能：原子核的結(jié)合能核子比結(jié)合能核子數(shù). 典例剖析B.核反應(yīng)方程過程中系統(tǒng)動量守恒C.核反應(yīng)前后核子數(shù)相等，所以生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量之和D.硅原子核速度的數(shù)量級為 105 m/s，方向與質(zhì)子初速度方向一致答案：ABD備考策略：由質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可知核反應(yīng)方程；由動量守恒可知硅原子核速度的數(shù)量級及速度方向，本大題包含了35 原子物理的內(nèi)容，難度不大，但從題目來看考查范圍很廣，要求能全面掌握.【考點(diǎn)練透】3.(2016 年新課標(biāo)全國卷改編)在下列描述的核反應(yīng)過程的方程中，屬于衰變的是_，屬于衰變的是_，屬于裂變的是_，屬于聚變的是_.下列方程式依次填入的順序是()A.B.C.D.答案：B