2022届高三物理大一轮复习-第13章-第3节-原子与原子核-教学讲义-.docx

第三节原子与原子核一、原子的核式结构1粒子散射试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，但少数粒子发生了大角度偏转，极少数粒子的偏转超过了90，有的甚至被撞了回来，如图所示2原子的核式结构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1.下列说法正确的是()A汤姆孙首先发觉了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕”式原子模型B卢瑟福做粒子散射试验时发觉绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数粒子发生大角度偏转C粒子散射试验说明白原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上D卢瑟福提出了原子“核式结构”模型，并解释了粒子发生大角度偏转的缘由答案：BCD二、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：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸取确定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差打算即hEmEn.(h是普朗克常量，h6.6261034 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，因此电子的可能轨道也是不连续的4氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图(如图所示)(2)氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV.氢原子的半径公式：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.2.依据玻尔理论，下列说法正确的是()A电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波B处于定态的原子，其电子绕核运动，但它并不向外辐射能量C原子内电子的可能轨道是不连续的D原子能级跃迁时，辐射或吸取光子的能量取决于两个轨道的能量差答案：BCD三、自然放射现象、原子核的组成1自然放射现象(1)自然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发觉自然放射现象的发觉，说明原子核具有简洁的结构(2)放射性和放射性元素：物质放射某种看不见的射线的性质叫放射性具有放射性的元素叫放射性元素(3)三种射线：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原子核(1)原子核的组成原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子原子核的核电荷数质子数，原子核的质量数质子数中子数(2)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子，在元素周期表中的位置相同，同位素具有相同的化学性质3.(2022高考福建卷)如图，放射性元素镭衰变过程中释放出、三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()A表示射线，表示射线B表示射线，表示射线C表示射线，表示射线D表示射线，表示射线答案：C四、原子核的衰变和半衰期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(2)分类衰变：XYHe衰变：XYe2半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间(2)衰变规律：NN0t/、mm0t/(3)影响因素：由原子核内部因素打算，跟原子所处的物理化学状态无关4.关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的有()A是原子核质量削减一半所需的时间B是原子核有半数发生衰变所需的时间C把放射性元素放在密封的容器中，可以减小放射性元素的半衰期D可以用来测定地质年月、生物年月等答案：BD五、核力、结合能、质量亏损、核反应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；每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用2核能(1)结合能核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸取的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能(2)比结合能定义：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3质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必定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Emc2.4获得核能的途径：(1)重核裂变；(2)轻核聚变5核反应(1)遵守的规律：电荷数守恒、质量数守恒(2)反应类型：衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变5.(2021扬州中学模拟)依据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界上第一套全超导核聚变试验装置，又称“人造太阳”，已完成了首次工程调试，下列关于“人造太阳”的说法正确的是()A“人造太阳”的核反应方程是HHHenB“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr3nC“人造太阳”释放的能量大小计算公式是Emc2D“人造太阳”核能大小计算公式是Emc2答案：AC考点一氢原子能级及能级跃迁 1原子跃迁的条件(1)原子跃迁条件hEmEn只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的状况(2)当光子能量大于或等于13.6 eV时，也可以被处于基态的氢原子吸取，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸取的光子能量大于13.6 eV时，氢原子电离后，电子具有确定的初动能(3)原子还可吸取外来实物粒子(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取，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(EEmEn)，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，可能的状况只有一种，但是假如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状况毁灭了(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状况下辐射(或吸取)光子的能量是不同的直接跃迁时辐射(或吸取)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸取)的全部光子的能量和(2022高考山东卷)氢原子能级如图，当氢原子从n3跃迁到n2的能级时，辐射光的波长为656 nm.以下推断正确的是()A氢原子从n2跃迁到n1的能级时，辐射光的波长大于656 nmB用波长为325 nm的光照射，可使氢原子从n1跃迁到n2的能级C一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D用波长为633 nm的光照射，不能使氢原子从n2跃迁到n3的能级解析依据氢原子的能级图和能级跃迁规律，当氢原子从n2能级跃迁到n1的能级时，辐射光的波长确定小于656 nm，因此A选项错误；依据发生跃迁只能吸取和辐射确定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，所以C选项正确答案CD总结提升(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的(2)能级之间发生跃迁时放出(吸取)光子的频率由hEmEn求得若求波长可由公式c求得(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)(4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法：用数学中的组合学问求解：NC.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状况一一画出，然后相加1.如图所示为氢原子能级示意图，现有大量的氢原子处于n4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光，下列说法正确的是()A这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光B由n2能级跃迁到n1能级产生的光频率最小C由n4能级跃迁到n1能级产生的光最简洁表现出衍射现象D用n2能级跃迁到n1能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV的金属铂能发生光电效应解析：选D.这些氢原子向低能级跃迁时可辐射出C6种光子，选项A错误；由n4能级跃迁到n3能级产生的光子能量最小，所以频率最小，选项B错误；由n4能级跃迁到n1能级产生的光子能量最大，频率最大，波长最小，最不简洁表现出衍射现象，选项C错误；从n2能级跃迁到n1能级辐射出的光子能量为10.20 eV6.34 eV，所以能使金属铂发生光电效应，选项D正确考点二氢原子的能量及其变化1原子能量：EnEknEpn，随n(r)增大而增大，其中E113.6 eV.2电子动能：电子绕氢原子核运动时静电力供应向心力，即km，所以Eknk，随n(r)增大而减小3电势能：通过库仑力做功推断电势能的增减当n减小，即轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；反之，n增大，即轨道半径增大时，电势能增加氢原子在基态时轨道半径r10.531010 m，能量E113.6 eV，求氢原子处于基态时：(1)电子的动能；(2)原子的电势能；(3)用波长是多少的光照射可使其电离？解析(1)设处于基态的氢原子核外电子速度为v1，则：k.所以电子动能Ek1mv eV13.6 eV.(2)由于E1Ek1Ep1，所以Ep1E1Ek113.6 eV13.6 eV27.2 eV.(3)设用波长为的光照射可使氢原子电离：0E1.所以 m9.14108 m.答案(1)13.6 eV(2)27.2 eV(3)9.14108 m2.依据玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量_(选填“越大”或“越小”)已知氢原子的基态能量为E1(E12，那么原子从a能级状态跃迁到c能级状态时将要吸取波长为的光子解析：选ACD.发觉质子的核反应方程为HeNOH，A正确；用中子轰击铀核才能发生裂变反应，B错误；由质能方程，知质子和中子结合成一个粒子，质量亏损为(2m12m2m3)，释放的能量为(2m12m2m3)c2，C正确；原子从a能级状态跃迁到b能级状态放射波长为1的光子，则a能级比b能级能量高hc/1，原子从b能级状态跃迁到c能级状态时吸取波长为2的光子，则c能级比b能级的能量高hc/2，则a能级比c能级的能量低hc/2hc/1，从a能级跃迁到c能级要吸取的光子波长为，能量为hc/hc/2hc/1，吸取光子的波长为，D正确3(2021武汉武昌区调研)一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)u为原子质量单位该核衰变反应方程式为_；该反应中的质量亏损为_u；释放的核能为_MeV.解析：依据质量数守恒和核电荷数守恒可知核反应方程式为UThHe.质量亏损为mmUmThm(232.037 2228.028 74.002 6)u0.005 9 u释放的核能为Emc20.005 9931.5 MeV5.5 MeV.答案：UThHe0.005 95.54氢原子的能级图如图所示，一群处于n4能级的氢原子向低能级跃迁过程中可以辐射出光子，则()A最多能辐射出6种频率的光子B辐射出的波长最大的光子最简洁使某种金属发生光电效应C辐射出的光子最大能量为12.75 eVD一群处于n1能级的氢原子吸取11.0 eV的光子，确定有氢原子可以跃迁到n2能级E从n4能级跃迁到n3能级辐射出的光子频率最低解析：选ACE.由n4能级向低能级跃迁过程中可以辐射出的不同频率的光子种数为C6，A正确；光子的能量EEmEn，所以最大能量为EE4E112.75 eV，C正确；由c和Eh可知，频率越大的光子能量越大，波长越短，故应当是波长越短的光子越简洁使某种金属发生光电效应，B错误；11.0 eV的光子，其能量值不能满足EEmEn，D错误；从n4能级跃迁到n3能级时EE4E30.66 eV，最小，故辐射出的光子频率最低，E正确5(2021南京模拟)钚的一种同位素Pu衰变时释放巨大能量，其衰变方程为PuUHe，则()A核燃料总是利用比结合能小的核B核反应中光子的能量就是结合能C.U核比Pu核更稳定，说明U的结合能大D由于衰变时释放巨大能量，所以Pu比U的比结合能小答案：AD6为应对月球表面夜晚的150 以下的低温，“嫦娥三号”接受了放射性同位素热源(RHU)放射性同位素热源一般利用半衰期较长的同位素，比如钚238(半衰期约为90年)，放射性同位素放射高能量的射线，在热电元件中将热量转化成电流一种得到钚238的核反应为UHXyn；XPue，由反应式可知，新核X的中子数为_，y_；10 g钚238经过180年大约还剩下_g.解析：由XPue可知新核的电荷数为93，质子数为93，质量数为238，则中子数为145，由UHXyn，可知y2；由半衰期的概念知经过180年大约还剩下2.5 g钚238.答案：14522.5一、选择题1(2021南京模拟)以下说法中正确的是()A汤姆孙通过试验发觉了质子B贝克勒尔通过试验发觉了中子C卢瑟福通过试验提出了原子的核式结构模型D查德威克发觉了自然放射现象，说明原子具有简洁的结构解析：选C.汤姆孙通过试验发觉了电子而不是质子，A错误；贝克勒尔发觉了自然放射现象，揭示了原子核的简洁性，而中子是由英国物理学家查德威克发觉的，所以B、D错误；卢瑟福通过粒子散射试验提出了原子的核式结构模型，C正确2(2022高考新课标全国卷)关于自然放射性，下列说法正确的是()A全部元素都有可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透力气最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线解析：选BCD.自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；、和三种射线电离力气依次减弱，穿透力气依次增加，选项D正确；原子核发生衰变时，不能同时发生和衰变，射线伴随这两种衰变产生，故选项E错误3(2021高考上海卷)在一个U原子核衰变为一个Pb原子核的过程中，发生衰变的次数为()A6次B10次C22次 D32次解析：选A.一个U原子核衰变为一个Pb原子核的过程中，发生衰变的次数为(238206)48次，发生衰变的次数为28(9282)6次，选项A正确4自然放射性元素放出的三种射线的穿透力气试验结果如图所示，由此可推知()A来自于原子核外的电子B的电离作用最强，是一种电磁波C的电离作用较强，是一种电磁波D的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子解析：选D.由图知三种射线的穿透力气由弱到强是5.9 eV，故A错；由于11.0 eV10.2 eV，故通过碰撞的方式可使基态氢原子跃迁，B正确；使n2能级的氢原子电离所需最小能量为3.4 eV，但有的紫外线光子能量小于3.4 eV，故C错；使n4能级的氢原子电离所需最小能量为0.85 eV，紫外线光子能量大于3.11 eV，故D正确7放射性元素X的衰变反应是XYN，其中N是未知的射线，则下列说法正确的是()A若此衰变为衰变，则bd1B若此衰变为衰变，则ac4C射线N是从Y核中放出的D若放射性元素X经过6 h还剩下1/8没有衰变，则它的半衰期为2 hE用射线N照射锌板确定可使锌板带电解析：选BDE.核反应遵循质量数守恒与电荷数守恒，若此衰变为衰变，则bd1，A错误；若此衰变为衰变，则ac4，B正确；若N为或射线，则其是从X核中放出的，C错误；X经过6 h还剩下1/8没有衰变，则它的半衰期是2 h，D正确；N可能是射线或射线或射线，其中射线与射线是由带电粒子组成的，射线虽不带电，但它能使锌板发生光电效应，故E正确8(2021高考重庆卷)铀是常用的一种核燃料，若它的原子核发生了如下的裂变反应： Unab2n则ab可能是()A. 54XeKr B.BaKrC.BaSr D.XeSr解析：选D.利用质量数守恒和电荷数守恒可以推断出可能的核反应方程选项A不满足电荷数守恒也不满足质量数守恒，选项C不满足电荷数守恒；选项B不满足质量数守恒；只有选项D正确9.Co发生一次衰变后变为Ni核，在该衰变过程中还发出两个频率为的光子，假如衰变前Co的质量为MCo，衰变后产生的Ni核质量为MNi，粒子的质量为m，则下列说法中正确的是()A衰变反应方程为CoNieB衰变过程的质量亏损为mMCo(MNim)C光子能量Ehmc2D两个光子的总能量为E总2hmc2解析：选AB.由核反应过程的质量数守恒和电荷数守恒可知，A正确；质量亏损就是反应后的总质量与反应前的总质量的差值，故B正确；依据质能方程可知，亏损的质量全部转化成能量即核反应释放的核能，但产生的核能还要供应反应后新核和粒子的动能，故C、D错误10.(2021湖北八市联考)人们发觉，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系下列说法正确的是()A由图可知，原子核D和E聚变成原子核F时会有质量亏损，要吸取能量B由图可知，原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能C已知原子核A裂变成原子核B和C时放出的射线能使某金属板逸出光电子，若增加射线强度，则逸出的光电子的最大初动能增大D在核反应堆的铀棒之间插入镉棒是为了把握核反应速度E在核反应堆的外面修建很厚的水泥层能防止放射线和放射性物质的泄漏解析：选BDE.原子核D和E聚变成原子核F时会放出能量，A错；由EkhW知增加射线强度，逸出光电子的最大初动能不变，只是单位时间内逸出光电子的个数增多，C错. 二、非选择题11(2021福建福州模拟)宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应自然界的14C大部分是宇宙射线中的中子轰击“氮14”产生的，核反应方程式为NnCH.若中子的速度为v18106 m/s，反应前“氮14”的速度认为等于零反应后生成的14C粒子的速度为v22.0105 m/s，其方向与反应前中子的运动方向相同(1)求反应中生成的另一粒子的速度；(2)假设此反应中放出的能量为0.9 MeV，求质量亏损解析：(1)轰击前后系统动量守恒，选中子速度方向为正方向，m1v1m2v2m3v3解得氢核速度为v35.2106 m/s，方向与中子原速度方向相同(2)由质能方程Emc2，得m1.61030 kg.答案：(1)5.2106 m/s，方向与中子原速度方向相同(2)1.61030 kg12.(2021石家庄模拟)试验室考查氢原子跃迁时的微观效应已知氢原子能级图如图所示，氢原子质量为mH1.671027 kg.设原来处于静止状态的大量激发态氢原子处于n5的能级状态(1)求氢原子由高能级向低能级跃迁时，可能放射出多少种不同频率的光；(2)若跃迁后光子沿某一方向飞出，且光子的动量可以用p表示(h为普朗克常量，为光子频率，c为真空中光速)，求发生电子跃迁后氢原子的最大反冲速率(保留三位有效数字)解析：(1)不同频率的光的种类为NC10(种)(2)由动量守恒mHvHp光子知：当最大时，反冲速率vH最大又hE5E10.54 eV(13.6)eV13.06 eV2.0901018 J.故vHm/s4.17 m/s.答案：(1)10种(2)4.17 m/s