2021高考物理一轮复习-第15章-波粒二象性-原子与原子核-第2讲-原子和原子核学案.doc
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1、2021高考物理一轮复习 第15章 波粒二象性 原子与原子核 第2讲 原子和原子核学案2021高考物理一轮复习 第15章 波粒二象性 原子与原子核 第2讲 原子和原子核学案年级:姓名:- 26 -第2讲原子和原子核 知识点原子结构、光谱和能级跃迁1原子的核式结构(1)电子的发现:英国物理学家JJ.汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子,提出了原子的“枣糕模型”。(2)粒子散射实验:19091911年,英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验,实验发现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。(3
2、)原子的核式结构模型:在原子中心有一个很小的核,原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。2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)光谱分类有些光谱是一条条的亮线,这样的光谱叫做线状谱,又叫原子的特征谱线。有的光谱是连在一起的光带,这样的光谱叫做连续谱。(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,其波长公式R(n3,4,5,),R是里德伯常量,R1.10107 m1,n为量子数。3氢原子的能级跃迁(1)玻尔理论定态: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
3、是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量。轨道量子化: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。原子能量最低的状态叫基态,其他能量较高的状态叫激发态。跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,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hEmEn。(h是普朗克常量,h6.631034 Js)(2)氢原子能级和半径公式:EnE1(n1,2,3,),其中E1为基态能量,其数值为E113.6 eV。rnn2r1(n1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r10.531010 m。(3)氢原
4、子的能级图(4)玻尔理论的局限性:不能解释除氢原子之外其他原子的光谱现象。4量子力学的建立及应用(1)量子力学的建立:普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说都成功地解释了特定的实验规律,但都不是统一的普遍性理论。这些理论中都含有普朗克常量,预示着存在统一描述微观世界行为的普遍性规律,这种描述微观世界行为的理论被称为量子力学。(2)量子力学的应用:借助量子力学,人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。量子力学推动了核物理、粒子物理、原子、分子物理、光学和固体物理的发展。知识点天然放射性、原子核的组成、射线的危害和防护1.天然放射现象(1)
5、概念:放射性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,说明原子核还具有复杂的结构。物质发射射线的性质叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。放射性元素放射出的射线共有三种,分别是射线、射线、射线。(2)三种射线的比较射线名称比较项目射线射线射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电量2ee0质量4mp静止质量为零符号Hee速度可达0.1c可达0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱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)X元素的原子核的符号为X
6、,其中A表示质量数,Z表示核电荷数。(3)原子核的核电荷数质子数元素的原子序数中性原子的核外电子数,原子核的质量数核子数质子数中子数,质子和中子都为一个单位质量。(4)同位素:具有相同质子数、不同中子数的原子。同位素在元素周期表中的位置相同,具有相同的化学性质。3放射性的应用与防护(1)放射性同位素:具有放射性的同位素叫放射性同位素。例如:AlHePn,PSie。有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类。(2)应用:工业测厚、放射治疗、作示踪原子等。(3)防护:防止过量射线对人体组织的伤害。知识点放射性元素的衰变1原子核的衰变(1)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。
7、(2)分类衰变:XYHe;衰变:XY_01e。注: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。(3)两个重要的衰变UThHe;ThPae。2半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。3衰变、衰变和辐射的实质(1)衰变:核内两个中子和两个质子结合得比较紧密,作为一个整体从较大的原子核内发射出来。(2)衰变:核内的一个中子转化为一个质子,同时放出一个电子。(3)辐射:原子核的能量不能连续变化,存在着能级。放射性的原子核在发生衰变、衰变时,蕴藏在核内的能量会释放出来,使产生的新核处于高能级,这时它要向低能级跃迁,能量以光子的形式辐射出来。因此射线经常是伴随
8、射线和射线产生的。知识点核反应方程1核反应(1)核反应:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应。(2)核反应中遵循两个守恒规律,即质量数守恒和电荷数守恒。2衰变及核反应的三种类型的比较类型可控性方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制14 7NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn(约里奥居里夫妇发现放射性同位素及正电子)PSie重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变除氢弹外无法控制HHHen知识点核力、结合能、质量亏损1核力(1)定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。(2)特点核力是
9、强相互作用的一种表现;核力是短程力,作用范围在1.51015 m之内;每个核子只跟它邻近的核子间才有核力作用。2结合能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫做原子核的结合能,亦称核能。3比结合能(1)定义:原子核的结合能与核子数之比,称做比结合能,也叫平均结合能。(2)特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。4质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能Emc2。知识点裂变反应和聚变反应、裂变反应堆1重核裂变(1)定义:质量数
10、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)特点裂变过程中能够放出巨大的能量。裂变的同时能够放出23(或更多)个中子。裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小。(3)典型的裂变反应方程UnKrBa3n。(4)链式反应:由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。(5)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叫做它的临界体积,相应的质量叫做临界质量。(6)裂变的应用:原子弹、核反应堆。(7)反应堆构造:核燃料、慢化剂(如重水、石墨)、镉棒(也叫控制棒,它可以吸收中子,用于调节中子数目以控制反
11、应速度)、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)特点聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3至4倍。聚变反应比裂变反应更剧烈。聚变反应比裂变反应更安全、清洁。自然界中聚变反应原料丰富。(3)典型的聚变反应方程HHHen17.60 MeV。一 堵点疏通1粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。()2玻尔理论成功地解释了氢原子光谱,也成功的解释了氦原子光谱。()3氢原子可以吸收任何能量的光子而发生跃迁。()4氢原子光谱是线状的,不连续的,波长只能
12、是分立的值。()5射线中的电子来源于原子核外电子。()6目前核电站多数是采用核聚变反应发电。()7人造放射性同位素被广泛地应用。()8核力是弱相互作用力。()9质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。()10质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。()答案1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.二 对点激活1(人教版选修35P52实验改编) 如图所示为粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,关于观察到的现象,下列说法不正确的是 ()A相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多B相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
13、C放在C、D位置时屏上观察不到闪光D放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光,但次数极少答案C解析根据粒子散射实验的现象,绝大多数粒子穿过金箔后,基本上沿原方向前进,因此在A位置观察到的闪光次数最多,故A正确;少数粒子发生大角度偏转,因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少,因此B、D正确,C错误。2(2019湖南岳阳高三二模)关于巴耳末公式:R(n3,4,5),理解正确的是()A式中n只能取整数,R称为巴耳末常量B巴耳末线系的4条谱线位于红外区C在巴耳末线系中n值越大,对应的波长越短D巴耳末线系的4条谱线是氢原子从n2的能级向n3、4、5、6能级跃迁时辐射产生的答案C解析此公式中n不可以取任意值,只
14、能取整数,且为3,4,5,n为量子数,R称为里德伯常量,故A错误;根据巴耳末公式:R,可知n值越大,对应的波长越短,故C正确;巴耳末线系的4条谱线位于可见光区,其余谱线位于紫外光区,故B错误;巴耳末线系的4条谱线是氢原子从n3,4,5,6能级向n2能级跃迁时产生的,故D错误。3(人教版选修35P63T3改编)(2016北京高考)处于n3能级的大量氢原子,向低能级跃迁时,辐射光的频率有()A1种 B.2种 C.3种 D.4种答案C解析处于能级为n的大量氢原子向低能级跃迁能辐射光的种类为C,所以处于n3能级的大量氢原子向低能级跃迁,辐射光的频率有C3种,故C项正确。4(多选)下列说法正确的是()A
15、阴极射线和射线的本质都是电子流,在原子内的来源是相同的B太阳辐射的能量主要来源于太阳中的裂变反应C射线的贯穿本领比射线强D红外线的波长比X射线的波长长答案CD解析阴极射线和射线的本质都是电子流,但是阴极射线的来源是原子核外的电子,而射线的来源是原子核内的中子转化为质子时产生的电子,故A错误;太阳辐射的能量主要来源于太阳中的聚变反应,故B错误;射线的贯穿本领比射线强,故C正确;红外线的波长比X射线的波长长,故D正确。5(人教版选修35P73T5改编)已知钍234(Th)衰变产生Pa,半衰期是24天,下列说法正确的是()A.Th发生的是衰变B极低温条件下Th的衰变会变慢C1 g钍经过120天后还剩
16、0.03125 gD32个钍原子核Th经过72天后还剩4个答案C解析由电荷数守恒和质量数守恒可知衰变方程为ThPae,是衰变,A错误;原子核的衰变快慢与所处物理状态、化学状态无关,B错误;m余m原1 g0.03125 g,C正确;半衰期是统计规律,少数核的衰变不适用,D错误。6(人教版选修35P78T2改编)下列核反应方程正确的是()A.NaHeXH,X为MgB.AlHeYn,Y为PC.OnMH,M为ND.SiHNn,N为P答案D解析由电荷数守恒和质量数守恒可知X为Mg,Y为P,M为N,N为P,故A、B、C错误,D正确。7(多选)铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块,这类核反应被定名为
17、核裂变。1947年我国科学家钱三强、何泽慧在实验中观察到铀核也可以分裂为三部分或四部分。关于铀核的裂变,下列说法正确的是()A裂变的产物不是唯一的B裂变的同时能放出23个或更多个中子C裂变能够释放巨大能量,每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的大D裂变物质达到一定体积(即临界体积)时,链式反应才可以持续下去答案ABD解析因铀核也可以分裂为三部分或四部分,可知裂变的产物不是唯一的,A正确;裂变是链式反应,在裂变的同时能放出23个或更多个中子,这些中子再轰击其他铀核发生裂变,B正确;裂变物质达到一定体积(即临界体积),链式反应才可以持续下去,D正确。在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂
18、变反应多,但每个核子平均释放的能量在聚变反应中一般比在裂变反应中的大,C错误。8(人教版选修35P81例题改编)已知中子的质量是mn1.67491027 kg,质子的质量是mp1.67261027 kg,氦核的质量m6.64671027 kg,真空中光速c3.00108 m/s。(1)写出2个质子和2个中子结合成氦核的核反应方程;(2)求氦核的平均结合能。(结果保留三位有效数字)答案(1)2H2nHe(2)1.091012 J解析(1)核反应方程为:2H2nHe。(2)该反应过程中的质量亏损为:m2mn2mpm0.04831027 kg,该反应释放的核能Emc20.0483102791016
19、J4.3471012 J,平均结合能为 J1.091012 J。 考点细研 悟法培优考点1氢原子能级图及原子跃迁1.对原子跃迁条件hEmEn的说明(1)原子跃迁条件hEmEn只适用于原子在各定态之间跃迁的情况。(2)当光子能量大于或等于13.6 eV(或|En|)时,也可以被处于基态(或n能级)的氢原子吸收,使氢原子电离;当处于基态(或n能级)的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV(或|En|)时,氢原子电离后,电子具有一定的初动能。(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发。由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收,所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(EEm
20、En),均可使原子发生能级跃迁。2跃迁中两个易混问题(1)一群原子和一个原子氢原子核外只有一个电子,这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上,在某段时间内,由某一轨道跃迁到另一个轨道时,可能的情况只有一种,但是如果容器中盛有大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了。(2)直接跃迁与间接跃迁原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时,有时可能是直接跃迁,有时可能是间接跃迁。两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的。直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和。3氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律(1)电子动能变化规律从公式上
21、判断,电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力,即km,所以Ekn,随r增大而减小。从库仑力做功上判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,故电子的动能减小。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,电子的动能增大。(2)原子的电势能的变化规律通过库仑力做功判断,当轨道半径增大时,库仑引力做负功,原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能减小。利用原子能量公式EnEknEpn判断,当轨道半径增大时,原子能量增大,电子动能减小,原子的电势能增大。反之,当轨道半径减小时,原子能量减小,电子动能增大,原子的电势能减小。例1(2019福建南平二模)氢原子能级如图所示,则下列说法正确
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