物理第十二章 近代物理初步 第2讲 原子和原子核

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1、第十二章第十二章 近代物理初步近代物理初步第第2 2讲原子和原子核讲原子和原子核过好双基关一、原子物理一、原子物理1.原子的核式结构(1)19091911年，英籍物理学家 进行了粒子散射实验，提出了核式结构模型.(2)粒子散射实验的结果：绝大多数粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有 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”，如图1所示.图1卢瑟福少数(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积 ，但几乎占有全部 ，电子在正电体的外面运动.很小质量2.氢原子光谱(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(频率)和强度分布的记录

2、，即光谱.(2)光谱分类波长连续吸收特征(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的 可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高.在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义.特征谱线3.玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列 的能量状态中，在这些能量状态中原子是 的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量.(2)跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为h的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即h .(h是普朗克常量，h6.631034 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 ，因此电子的可能轨道也是 .不连续稳

3、定EmEn不连续的不连续的4.氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式：能级公式：En (n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E1 eV.半径公式：rn (n1,2,3，)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010 m.13.6n2r1(2)氢原子的能级图，如图2所示图2答案自测自测1(多选)如图3所示为卢瑟福和他的同事们做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四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪 光次数最多B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C

4、.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，但次数极少图3解析解析解析根据粒子散射现象，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，A、B、D正确.答案自测自测2一个氢原子从n3能级跃迁到n2能级，该氢原子A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少二、天然放射现象和原子核二、天然放射现象和原子核1.天然放射现象(1)天然放射现象元素 地放出射线的现象，首先由 发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有 的结构.(2)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有 放射性同位素和 放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质

5、相同.应用：消除静电、工业探伤、做 等.防护：防止放射性对人体组织的伤害.自发贝可勒尔复杂天然人工示踪原子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 .质子带正电，中子不带电.(2)基本关系核电荷数(Z)质子数元素的原子序数 .质量数(A) 质子数中子数.(3)X元素的原子核的符号为 X，其中A表示 ，Z表示核电荷数.核子核外电子数核子数质量数3.原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出粒子或粒子，变成另一种 的变化称为原子核的衰变.分类原子核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.(2)半衰期定义：放射性元素的原子核有 发生

6、衰变所需的时间.影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核 自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系.(3)公式：N余N原 ，m余m原 .半数内部1( )2t1( )2t4.核力和核能(1)原子核内部， 所特有的相互作用力.(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量E .(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为E .核子间mc2mc2答案自测自测3(2015福建理综30(1)下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是A.射线是高速运动的电子流B.氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D.

7、 Bi的半衰期是5天，100克 Bi经过10天后还剩下50克解析解析解析射线是高速电子流，而射线是一种电磁波，选项A错误.氢原子辐射光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项B正确.太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项C错误.1( )2t研透命题点命题点一玻尔理论和能级跃迁基础考点自主悟透基础考点自主悟透2.电离电离电离态与电离能电离态：n，E0基态电离态：E吸0(13.6 eV)13.6 eV.激发态电离态：E吸0En|En|.若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能.例例1(多选)(2017江西南昌检测)如图4所示是氢原子的能级图，现有大量处于n3激发态的氢

8、原子向低能级跃迁，所辐射的光子中只有一种能使某金属产生光电效应.以下判断正确的是A.该光子一定是氢原子从激发态n3跃迁到基态时 辐射的光子B.若大量氢原子从激发态n3跃迁到低能级，可辐射出3种频率的光子C.若氢原子从激发态n4跃迁到基态，辐射出的光子一定能使该金属产 生光电效应D.若大量氢原子从激发态n4跃迁到低能级，则会有3种光子使该金属产 生光电效应图4答案变式变式1(多选)如图5是氢原子的能级图，一群氢原子处于n3能级，下列说法中正确的是A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的波B.这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2 eVC.从n3能级跃迁到n2能级时发出的光波长最长D.这群氢

9、原子能够吸收任意光子的能量而向更高能 级跃迁答案解析图5由n3跃迁到n1，辐射的光子能量最大，E(13.61.51) eV12.09 eV，故B错误；从n3跃迁到n2辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故C正确；一群处于n3能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故D错误.1.衰变规律及实质衰变规律及实质(1)衰变、衰变的比较 命题点二原子核的衰变及半衰期能力考点师生共研能力考点师生共研衰变类型衰变衰变衰变过程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒(2)射线：射线经常伴随着衰变

10、或衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子.2.确定衰变次数的方法确定衰变次数的方法因为衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定衰变的次数，然后再根据衰变规律确定衰变的次数.3.半衰期半衰期(1)公式：N余N原 ，m余m原 .(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关.1( )2t1( )2t例例2(2017全国卷15)一静止的铀核放出一个粒子衰变成钍核，衰变方程为 ，下列说法正确的是A.衰变后钍核的动能等于粒子的动能B

11、.衰变后钍核的动量大小等于粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个粒子所经历的时间D.衰变后粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量答案解析解析解析静止的铀核在衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pThp0，即钍核的动量和粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；半衰期的定义是统计规律，对于一个粒子不适用，选项C错误；铀核在衰变过程中，伴随着一定的能量放出，即衰变过程中有一定的质量亏损，故衰变后粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量，选项D错误.变式变式2(2017湖南长沙三月模拟)一个静止的铀核，放在匀强磁场中，它发生一次衰变后变为钍核，粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周

12、运动.某同学作出如图6所示运动径迹示意图，以下判断正确的是A.1是粒子的径迹，2是钍核的径迹B.1是钍核的径迹，2是粒子的径迹C.3是粒子的径迹，4是钍核的径迹D.3是钍核的径迹，4是粒子的径迹答案解析图6变式变式3(2017山西五校四联)在很多装饰材料中，都不同程度地含有放射性元素.下列说法正确的是A.射线、射线和射线都是电磁波B.在、三种射线中，射线的电离能力最强C.氡的半衰期为3.8天，4个氡原子核经过7.6天后一定只剩下1个氡原子核D.放射性元素发生衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时 产生的答案解析在、三种射线中，射线的电离能力最强，射线的电离能力最弱，B项错误.半衰期是对

13、大量原子核的衰变行为作出的统计规律，对于少数原子核无意义，C项错误.1.核反应的四种类型核反应的四种类型 命题点三核反应及核反应类型基础考点自主悟透基础考点自主悟透(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向.(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒.例例3(1)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有_.答案解析解析解析A为衰变，B为原子核的人工转变，C为轻核聚变，D为衰变，故只有D正确.(2)现有四个核反应：答案解析_是发现中子的核反应方程，_是研究原子弹的基本核反应方程，_是研究氢

14、弹的基本核反应方程.DBA解析解析D为查德威克发现中子的核反应方程；B是研究原子弹的基本核反应方程；A是研究氢弹的基本核反应方程；C是一种衰变反应.答案解析B项中X的质量数为_，中子数为_.解析解析X的质量数为(2351)(893)144X的质子数为923656X的中子数为1445688.14488解析解析X的质量数为(2351)(893)144X的质子数为923656X的中子数为1445688.变式变式4(2017天津理综1)如图7所示，我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献.下列核反应方程中属于聚变反应的是答案解析图7答案解

15、析B.核反应过程中系统动量守恒C.核反应过程中系统能量不守恒D.核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和核反应过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D错误.答案解析变式变式6(2016全国卷35(1)在下列描述核过程的方程中，属于衰变的是_，属于衰变的是_，属于裂变的是_，属于聚变的是_.(填正确答案标号)CABEF1.利用质能方程计算核能利用质能方程计算核能(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损m.(2)根据爱因斯坦质能

16、方程Emc2计算核能.质能方程Emc2中m的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则E的单位为“J”.(3)Emc2中，若m的单位用“u”，则可直接利用Em931.5 MeV计算E，此时E的单位为“MeV”，即1 u1.660 61027 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用. 命题点四质量亏损及核能的计算能力考点师生共研能力考点师生共研2.利用比结合能计算核能利用比结合能计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能.答案解析解析解析根据质能方程，释放的核能Em

17、c2，m2mHmHemn0.003 5 u，则E0.003 5931 MeV3.258 5 MeV3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误.例例5(多选)原子核的比结合能曲线如图8所示.根据该曲线，下列判断正确的有答案解析图8变式变式7用放射源钋放出的射线轰击铍 Be时，能放出一种穿透力极强的中性射线，这就是所谓的铍“辐射”.1932年，英国物理学家查德威克用铍“辐射”分别照射(轰击)氢和氮(氢和氮可视为静止)，测得照射后沿铍“辐射”方向高速运动的氢核和氮核的速度之比为71.查德威克假设铍“辐射”是由一种质量不为零的中性粒子构成的，从而通过上述实验在历史上首次发现了中子，为人类确定原子核的结构

18、做出了重要贡献.若已知粒子的质量为4.001 509 u，中子的质量为1.008 665 u，铍核的质量为9.012 19 u，碳核的质量为12.000 00 u，试确定核反应中所释放的核能为多少？答案答案4.7 MeV答案解析变式变式8已知氘核的比结合能为1.1 MeV，氦核的比结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时A.释放出4.9 MeV的能量B.释放出6.0 MeV的能量C.释放出24.0 MeV的能量D.吸收4.9 MeV的能量答案解析课时作业1.(多选)下列说法正确的是A.天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构B.一群处于n3能级激发态的氢原子，自发跃迁时能发出最多3种不

19、同频 率的光C.放射性元素发生一次衰变，原子序数增加1D. U的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短答案12345678910111213双基巩固练双基巩固练142.在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看做静止不动，下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是答案解析12345678910111213141234567891011121314解析解析金箔中的原子核与粒子都带正电，粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错；由原子核对粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向粒子所受力的方向，B错，C对.3.下列说法正确的是

20、A. 是一种核裂变反应B.核反应堆产生的能量一定来自轻核聚变C.太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应D.卢瑟福为解释粒子散射实验现象提出了原子核式结构学说答案12345678910111213144.关于天然放射现象，以下叙述正确的是A.若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B.衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C.在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D.铀核( U)衰变为铅核( Pb)的过程中，要经过8次衰变和6次衰变答案12345678910111213145.(多选)下列说法正确的是A.天然放射性现象说明原子核内部具有复杂的结构B.粒子散射实验

21、说明原子核内部具有复杂的结构C.原子核发生衰变生成的新核原子序数增加D.氢原子从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的波长小于从能级2跃迁到 基态辐射出的光子的波长答案1234567891011121314解析解析解析天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构，A正确.粒子散射实验说明原子具有核式结构，B错误.根据电荷数守恒、质量数守恒知，衰变放出了一个电子，新核的电荷数增加1，即原子序数增加，C正确.氢原子从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的能量小于从能级2跃迁到基态辐射出的光子的能量，故从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的波长大于从能级2跃迁到基态辐射出的光子的波长，D错误.1234567891011

22、1213146.(多选)(2014新课标全国卷35(1)改编)关于天然放射性，下列说法正确的是A.所有元素都可能发生衰变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，射线的穿透能力最强答案12345678910111213解析14解析解析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；、和三种射线电离能力依次减弱，穿透能力依次增强，选项D正确.7.(2017天津和平质量调查)下列说法正确的是A.卢瑟福用粒子轰击 N核获得反冲核 O发现了质子B.普朗克通过对光电效应现象

23、的分析提出了光子说C.玻尔通过对天然放射现象的研究提出了氢原子能级理论D.汤姆孙发现电子从而提出了原子的核式结构模型答案解析1234567891011121314解析解析光子说是爱因斯坦提出的，B错误.玻尔通过对氢原子光谱的成因的研究提出了氢原子能级理论，C项错误.卢瑟福通过粒子的散射实验，提出了原子的核式结构模型，D项错误.答案解析123456789101112131412345678910111213解析解析原子核衰变时质量数守恒，电荷数守恒，2354m207,92822mn，两式联立解得：m7，n4，A项错误.14半衰期由原子核内部自身的因素决定，与温度和压强无关，D项错误.答案解析12

24、34567891011121314综合提升练综合提升练解析解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出X为 e，所以此反应为衰变，A正确；1234567891011121314利用半衰期公式m余 m原，解得m余2 g，则D错误.1( )2t10.用频率为0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为1、2和3的三条谱线，且321，则A.01 B.321C.0123 D.答案123456789101112131411.处于激发状态的原子，在入射光的电磁场的影响下，从高能态向低能态跃迁，两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射.原子发生受激辐射时，发

25、出的光子频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理.那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量E、电势能Ep、电子动能Ek的变化情况是A.Ep增大、Ek减小，E减小 B.Ep减小、Ek增大，E减小C.Ep增大、Ek增大，E增大 D.Ep减小、Ek增大，E不变12345678910111213答案1412.(多选)以下有关近代物理内容的若干叙述，正确的是A.紫外线照射到金属锌板表面时能发生光电效应，则当增大紫外线的照 射强度时，从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大B.玻尔认为，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的C.光子不仅具有能量，也具有动量D

26、.根据玻尔能级理论，氢原子辐射出一个光子后，将由高能级向较低能 级跃迁，核外电子的动能增加答案123456789101112131413.(2017河南六市一联)以下说法正确的是A.氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的 动能减小，原子电势能增大，原子能量减小B.紫外线照射到金属锌板表面时能够产生光电效应，则当增大紫外线的 照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的个数增多，光电子的最大初 动能增大C.氢原子光谱有很多不同的亮线，说明氢原子能发出很多不同的频率的 光，但它的光谱不是连续谱D.天然放射现象的发现揭示了原子核有复杂的结构，阴极射线是原子核 内的中子转变为质子时产生的

27、高速电子流12345678910111213答案解析1412345678910111213解析解析氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，原子电势能增大，原子能量增大，A项错误.由EkhW0可知，只增加光照强度而不改变光的频率，光电子的最大初动能不变，B项错误.原子核内的中子转变为质子时产生的高速电子流是射线，不是阴极射线，D项错误.1414.用速度大小为v的中子轰击静止的锂核( Li)，发生核反应后生成氚核和粒子，生成的氚核速度方向与中子的初速度方向相反，氚核与粒子的速度之比为78，中子的质量为m，质子的质量可近似看做m，光速为c.(1)写出核反应方程.答案解析1234567891011121314(2)求氚核与粒子的速度大小.1234567891011121314解析解析设中子的初速度方向为正方向，由动量守恒定律得mv3mv14mv2由题意得v1v278答案解析(3)若核反应过程中放出的核能全部转化为粒子和氚核的动能，求出质量亏损.答案解析123456789101112131412345678910111213解析解析氚核和粒子的动能之和为14释放的核能为由爱因斯坦质能方程得，质量亏损为