重难点10 原子结构和原子核

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1、重难点10原子结构和原子核【知识梳理】一、氢原子光谱、氢原子的能级、能级公式1 .原子的核式结构(1) 电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。(2) a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a粒子轰击金箔的 实验，实验发现绝大多数a粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数a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) 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光按波长展开，获得光的波长(频率

2、)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。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线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公M=R一)，( = 3,4,5,)，R是里 德伯常量，R=1.10x107 m-1，n为量子数。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：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hv=Em-En(h是普朗克常量，h

3、= 6.63x10-34 J-s)(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：En=n2E1 (n = 1,2,3,)，其中E1为基态能量，其数值为与=13.6 eV。 氢原子的半径公式：rn=n2r1 (n= 1,2,3, .)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1 = 0.53x100 m。二、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1. 原子核的组成：原子核是由质子和中子

4、组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2. 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，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的 结构。(2) 放射性和放射性元素物质发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a射线、P射线、y射线。(4) 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、作示踪原子等。 防护：防止放射性对人体组织的伤害。3. 原子核的衰变(1) 衰变：原子核放出a粒子或p粒子

5、，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2) 分类a衰变：aX多宣丫+担。P 衰变：ZXzAiY+_?e(3) 半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定， 跟原子所处的物理、化学状态无关。三、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： 核力是强相互作用的一种表现； 核力是短程力，作用范围在1.5x10-15m之内； 每个核子只跟它的相邻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

6、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E=mc2,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小虹，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能AE=Amc2o四、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆核反应方程1 .重核裂变(1) 定义：质量数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) 典型的裂变反应方程：萤0+杪86氏+153+30族(3) 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。（4）临界

7、体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。（5）裂变的应用：原子弹、核反应堆。（6）反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2. 轻核聚变（1）定义：两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）典型的聚变反应方程：?H+jH一2He+0n+17.6 MeV【限时检测】（建议用时：30分钟）1. （2019-新课标全国I卷）氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV3.10 eV的光为可见 光。要使处于基态（=1）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3 40I13 何A. 12.09 e

8、V B. 10.20 eV C. 1.89 eV D. 1.5l eV【答案】A【解析】由题意可知，基态（n=1）氢原子被激发后，至少被激发到n=3能级后，跃迁 才可能产生能量在1.63eV3.10eV的可见光。故E = -1.51-（-13.60）eV = 12.09eV。故 本题选A。2. （2019-新课标全国II卷）太阳内部核反应的主要模式之一是质子一质子循环，循环的结果可表 示为 41H 4He+20e+2v，已知 1H 和 4He 的质量分别为 mp=1.0078u 和 m侦 4.0026u，1u=931MeV/c2，c 为光速。在4个1H转变成1个4He的过程中，释放的能量约为1

9、2A. 8 MeV B. 16 MeV C. 26 MeV D. 52 MeV【答案】C【解析】由 AE = AmC2知 AE =(4xm -m-2m ) c2, Am = AaE931X106X10* 侦10-27kg ? OX10-31kg，忽略电子质量，则:AE =(4x 1.0078 - 4.0026) c2 w 26MeV，故 C 选项符合题意;3. （2019-天津卷）如图为、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。由a、 b、 c组成的复色光通过三棱镜时，下述光路图中正确的是动能定理出=气“ hv W两式联立可得U=-，故 e e【答案】C【解析】由光电效应的方

10、程Ek = hv - Wk截止电压越大说明光的频率越大，则有三种光的频率vbvc v.，则可知三种光的折射率的关 系为nb nc na，因此光穿过三棱镜时b光偏折最大，c光次之，a光最小，故选C，ABD错误。4. （2019-天津卷）我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中 心电子温度首次达到1亿度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变 的说法正确的是A. 核聚变比核裂变更为安全、清洁B. 任何两个原子核都可以发生聚变C. 两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D. 两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加【答案】AD【解析

11、】核聚变的最终产物时氦气无污染，而核裂变会产生固体核废料，因此核聚变更加清洁和 安全，A正确；发生核聚变需要在高温高压下进行，大核不能发生核聚变，故8错误；核聚变反 应会放出大量的能量，根据质能关系可知反应会发生质量亏损，故C错误；因聚变反应放出能量， 因此反应前的比结合能小于反应后的比结合能，故D正确。5. 下列说法正确的是A. 某种金属能否发生光电效应取决于照射光的强度B. 卢瑟福通过a粒子轰击氮核实验，证实了在原子核内部存在中子C. 一个23町原子核衰变为一个2。6 Pb原子核的过程中，发生8次衰变9282D. 大量处于基态的氢原子在单色光的照射下，发出多种频率的光子，其中一种必与入射光

12、频率 相同【答案】D【解析】某种金属能否发生光电效应取决于照射光的频率，选项A错误；卢瑟福通过a粒子轰 击氮核实验，证实了在原子核内部存在质子，而查德韦克通过实验证实中子，故B错误；由质量 数与质子数守恒，一个238U原子核衰变为一个206P原子核的过程中，发生8次a衰变，发生69282 b次P衰变，故C错误；处于基态的氢原子在某单色光束照射下，先吸收能量向高能级跃迁，然后 再从高能级向低能级跃迁，其中从吸收光子后的最高的能级向基态跃迁时发出的光子的能量与吸 收的光子的能量是相等的。故D正确；故选D.6. 下列说法正确的是A. 用同一频率的光照射不同的金属表面时均有光电子逸出，从金属表面逸出的

13、光电子的最大初动能Ek越大，则这种金属的逸出功W越小B. 一个氢原子处在n=5的能级，当它跃迁到较低能级时，最多可发出10种频率的光子C. Csl37是核泄漏时对人体产生有害辐射的重要污染物，其核反应方程式为37Cs - i37Ba+X，5556其中的X为质子D. 每个核子只与邻近核子产生核力作用，比结合能越大的原子核越稳定【答案】AD【解析】A.据光电效应方程匕妨=加一W可知，用同种频率的光照射不同的金属表面，从金属 km表面逸出的光电子的最大初动能越大，则这种金属的逸出功越小，故选项A正确；B.一个氢原 子处在n=5的能级，由较高能级跃迁到较低能级时，最多可以发出5一4、4一3、3一2和2

14、一1四 种频率的光，故选项B错误；C.核泄漏污染物Cs137能够产生对人体有害的辐射.其核反应方程式为i37Cs - i37Ba+X，由此可以判断X质量数为零，电荷数为-1，则为负电子，故选项C错 5556误；D.原子核内每个核子只跟邻近的核子发生核力作用，且比结合能越大的原子核，原子核越 稳定，故选项D正确；故选AD。7. 如图所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n=3的激发态，在向较低能级跃迁的过程中向 外辐射能量。下列说法正确的是D4 -P.55-31.51? I13.6A. 这群氢原子能发出三种频率不同的光B. 从n=3能级跃迁到n=1能级发出的光最容易发生衍射现象C. 从n=3能

15、级跃迁到n=1能级发出的光子动量最大D. 从n=3能级跃迁到n=1能级发出的光照射逸出功为2.49eV的金属钠，产生的光电子初动能一定为 9.60eV【答案】AC【解析】一群处于激发态的氢原子在向低能级跃迁时，放出C：种光子频率，频率最大的光子， 波长最短；结合发生明显衍射的条件分析；根据光电效应方程求出光电子的最大初动能，要理解 发生光电效应时产生的光电子的初动能不一定都是最大。因为C=3，所以这群氢原子能发出三种频率不同的光，A正确；这群氢原子能发出三种频率知频率最高的光子，波不同的光，其中从n=3跃迁到n=1所发出的光子频率最高，根据* = C长最短，最不容易发生衍射现象，B错误；从n=

16、3跃迁到n=1所发出的光子频率最高，根据：hP =，其动量也最大，C正确；氢原子跃迁时产生的最大光子能量 cE =加=13.6L51（eV）= 12.09（eV），根据光电效应方程知，产生的光电子最大初动能为EKm = hr W = 12.09 2.49（eV）= 9.60 （eV ），但不一定都是 9.60eV，D 错误。8. 关于原子和原子核，下列说法中正确的是A. a粒子散射实验揭示了原子核内部的复杂性B. 根据玻尔理论可知，一个氢原子核外电子从n=4能级向低能级跃迁最多可辐射3种频率的光子C. 已知234Th的半衰期是24d，48g的234Th经过72d后衰变了 42g9090D. 氢

17、原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量可以稍大于两能级间能量差【答案】BC【解析】A. a粒子散射实验中没有涉及原子核内部问题，是提出了原子核式结构模型的实验基础，故A错误；B.一个氢原子核外电子从n=4能级向低能级跃迁最多只能辐射n 1 = 3种频率的光子，故B正确；C.经过72 =3个半衰期后，48g的204Th还剩下48x（!）3g = 6g，衰变了 48g6g=42g，故C正确；D.氢原子由低能级向高能级跃迁时，吸收光子的能量等于两能级 间能量差，故D错误。9. 氦3与氘的核聚变发电不产生温室气体，不产生放射性物质，是一种十分清洁、安全和环保的 能源，开发月壤中蕴藏丰富的氦3资源，

18、对人类社会今后的可持续发展具有深远意义。该核反 应可表示为；He + jH 一4Li+X（X表示某种粒子），若；He、jH和4Li、X的质量分别为m.m2、m3、m4，则下列选项正确的是A. 该反应释放的核能AE=（m1+m 2m 3m 4）c2B. 3He的核子比结合能小于4Li的比结合能23C. 高速的X粒子具有很强的穿透能力，可以用来工业探伤D. 核聚变的实现为人类寻找到突破能量守恒定律的可能【答案】AB【解析】A.根据质能方程可知该反应放出的核能为强=(m1+m2-m3-m4)C2,故A正确；B.反应过程放出能量，说明后面的能量低，更稳定，而比结合能越大，越稳定，说明；4Li的比结 3

19、合能大于；He的核子比结合能，故B正确；C.根据质量数和电荷数守恒可知X的质量数为1， 电荷 数为0，所以X为中子，不是 射线，不可以用来工业探伤，故C错误；D.能量守恒定 律是自然 界遵守的规律，无法突破，故D错误。10. 现有两动能均为气=0.35 MeV的jH在一条直线上相向运动，两个2H发生对撞后能发生核反应，得到3He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为3He和新粒子的动能.已知的 22jH质量为2.014 1 u，;He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV(如果涉及计算，结果保留整数)。则下列说法

20、正确的是A. 核反应方程为2H+2H r ;He+；HB. 核反应前后满足能量守恒定律C. 新粒子的动能约为3 MeVD. 3He的动能约为4 MeV 2【答案】BC【解析】A.由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知2H+2H - 2He+in，则新粒子为中子m，所以A错误；B.核反应过程中质量亏损，释放能量，但仍然满足能量守恒定律，B正确； 0CD.由题意可知AE=(2.014 1 ux2-3.016 0 u 1.008 7 u)x931 MeV/u=3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHe+Ek2E+AE，根据核反应中系统的动量守恒有He心=0，由 E = p 得 E =巴(2

21、E +AE)=1 MeV E =(2E +AE)=3 MeVk 2m，、kHe m + m 0， kn m + m0所以C正确，D错误。11. 自然界存在的放射性元素的原子核并非只发生一次衰变就达到稳定状态，而是要发生一系列连续的衰变，最终达到稳定状态。如232Th经过一系列a衰变和p衰变后变成了 208Pb，已知232Th、908290a粒子、P粒子、208Pb的质量分别为m1、m2、m3. m4, 已知瑙Th的半衰期是兀则下列说法正 确的是A. 8个232Th经过2T时间后还剩2个90B. 从232Th到208Pb共发生6次a衰变和4次P衰变9082C. 衰变过程中释放出的a射线的穿透能力比。射线的弱D. 一个232Th衰变成208Pb释放的核能为(m m m m )c290821234【答案】BC【解析】A.半衰期是一个宏观统计的物理量，原子核数量比较少时不适用，A错误；B.从232Th 90变成208Pb，质量数减少了 24,可知发生了 6次a衰变，再根据电荷数的变化，可知发生了 4次 82P衰变，B正确；C.a射线的穿透能力比P射线的弱，C正确；D.一个232Th衰变成208Pb释放的 9082核能为(m6m24m3m4)c2，D 错误。