高考物理专题综合复习3 16页

高考综合复习——原子结构 原子核专题复习 总体感知 ‎ 知识网络 考纲要求 考点 要求 氢原子光谱 氢原子的能级结构、能级公式 原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期 放射性同位素 核力、核反应方程 结合能、质量亏损 裂变反应、聚变反应、裂变反应堆 放射性的防护 命题规律 1．从近五年的高考试题来看，本专题所考查的内容主要集中在原子的核式结构、玻尔理论、原子核的衰变、质能方程和核反应方程等知识点。 2．本专题内容考查的形式多以选择题和填空题为主，例如 2008年广东单科的第2题，第 6题和第 9题等均为选择题，再如 2008年山东理综的38（1），江苏单科的‎12C（3），宁夏理综的33（1）和海南单科的19（1）均是以填空题形式出现。 3．本专题内容偶尔也有与动量、能量结合的计算题，如2007年山东理综第37题，2006年江苏物理第18题等。 4．从考查的频率来看，对本专题内容的考查有越来越高的趋势，复习时应引起重视。 本专题属选考内容，作为选修3—5一个模块中的内容，在高考中出题的可能性很大。 预计今后的高考对本专题命题有以下特点：一是难度不大，大多直接考查理解和记忆；二是考查细节较多；三是体现时代气息，用新名词包装试题；四是有少数试题与力学、电磁学相结合，体现学科内综合。 当然由于各个考区对本专题的要求不同，因而出题的形式也可能各不相同，选择题、填空题、计算题都有可能。比如在山东考区此专题内容将以非选择题的形式出现，因而与动量结合在一起出一道中等难度的计算题的可能性很大。 复习策略 本章知识是学习现代物理的基础，在复习时要采用系统理解、重点记忆的办法。要做到： 1．对每个概念、规律、现象有正确的理解，并弄清其来龙去脉，只有这样才能记忆深刻、明辨是非、正确表达。 2．紧扣课本，重点掌握原子的核式结构理论、能级跃迁规律、核反应方程中质量数和核电荷数守恒、衰变衰变规律。 3．对一些粒子的特性，如、、等的属性要有清晰的了解，它们属于当今物理学的前沿、高能物理学基础。 重点掌握核反应方程式的写法和核能释放的知识。‎ 第一部分 原子结构 知识要点梳理 知识点一——原子的核式结构模型 ▲知识梳理 一、电子的发现 1．阴极射线的发现 19世纪，科学家研究稀薄气体放电，发现阴极发出一种射线——阴极射线。 2．电子的发现 汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成，并测定出它的荷质比，之后用油滴实验测定了它的电量，确定它是组成各种物质的基本成分，称之为电子。 3．电子的发现说明原子也是有结构的。 二、原子的核式结构模型 粒子散射实验 （1）实验装置 （2）实验条件：金属箔是由重金属原子组成，很薄，厚度接近单原子的直径。全部设备装在真空环境中，因为粒子很容易使气体电离，在空气中只能前进几厘米。显微镜可在底盘上旋转，可在的范围内进行观察。 （3）实验现象 绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，个别粒子偏转超过了有的甚至近。 （4）实验结论 ‎ ‎ 原子有一个很小的核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，电子绕核运转。——这就是卢瑟福原子核式结构模型。 根据粒子散射实验的数据，可以估算原子核的大小为～m。 ‎ ‎ ▲疑难导析 1．英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。 实验装置如图所示。 从高压电场的阴极发出的阴极射线，穿过后沿直线打在荧光屏上。 （1）当在平行极板上加一如图所示的电场，发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏，则可判定，阴极射线带有负电荷。 （2）为使阴极射线不发生偏转，则请思考可在平行极板区域采取什么措施。在平行极板区域加一磁场，且磁场方向必须垂直纸面向外。当满足条件时，则阴极射线不发生偏转。则：。 （3）如图所示，根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知，其速度偏转角为： ，又因为，且 则，根据已知量，可求出阴极射线的比荷。 ‎ ‎ 2．粒子散射现象的分析 （1）由于电子质量远远小于粒子的质量（电子质量约为粒子质量的1/7 300），即使粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就像一颗飞行的子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使粒子发生大角度的散射。 （2）使粒子发生大角度散射的只能是原子核带正电的部分，按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不可能把粒子反向弹回，这与粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆孙的原子模型。 （3）实验中，粒子绝大多数不发生偏转，少数发生较大的偏转，极少数偏转，个别甚至被弹回，都说明原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很小的体积内（原子核）。 3．粒子散射的实质 粒子散射的实质是带正电荷的粒子向固定的正电粒子靠近，由于斥力的作用，使粒子偏转，此过程中，开始电场力做负功，电势能增加，后来电场力做正功，电势能减小。 ：卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析，提出（ ） A．原子的核式结构模型 B．原子核内有中子存在 C．电子是原子的组成部分 D．原子核是由质子和中子组成的 答案：A 解析：英国物理学家卢瑟福的粒子散射实验的结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原方向前进，但有少数粒子发生较大的偏转。粒子散射实验只发现原子可以再分，但并不涉及原子核内的结构。查德威克在用粒子轰击铍核的实验中发现了中子，卢瑟福用粒子轰击氮核时发现了质子。 知识点二——玻尔的原子模型和氢原子的能级 ▲知识梳理 ‎ 一、玻尔的原子模型 1．原子只能处于一系列的不连续的能量状态之中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。 2．原子从一种定态（设能量为）跃迁到另一种定态（设能量为）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即。 3．原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形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的分布也是不连续的。 特别提醒：玻尔模型的成功之处在于它引入了量子概念，局限之处在于它过多地保留了经典理论，现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述。 二、氢原子光谱 1．光谱 （1）定义：用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的波长（频率）成分和强度分布的记录。 （2）分类： 发射光谱：物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。发射光谱有连续光谱和明线光谱两种。 连续光谱由炽热的固体、液体或高压气体所发出的光形成； 明线光谱是稀薄气体或蒸气发出的光生成的。 原子的特征光谱为明线光谱，不同原子的明线光谱不同。 吸收光谱：吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光，通过温度较低的蒸气或气体后产生的。 太阳光谱为吸收光谱。 （3）特征谱线：线状谱中的亮线，不同原子中是不一样的，这些亮线称为原子的特征谱线。 （4）光谱分析：用原子的特征谱线，来鉴别和确定物质的组成成分。 光谱分析的优点：灵敏度高。样本中一种元素的含量达到 g时就可以检测到。 ‎ ‎2．氢原子光谱 （1）氢光谱：如图所示。 （2）氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式式中 R为里德伯常量，。 特别提醒：卢瑟福的原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾主要有两点：按照经典电磁理论，电子在绕核做加速运动的过程中，要向外辐射电磁波，因此能量要减少，电子轨道半径也要变小，最终会落到原子核上，因而原子是不稳定的；电子在转动过程中，随着转动半径的缩小，转动频率不断增大，辐射电磁波的频率不断变化，因而大量原子发光的光谱应该是连续光谱。然而事实上，原子是稳定的，原子光谱也不是连续光谱而是线状光谱。 三、氢原子的能级和能级图 1．氢原子的能级和能级图 原子各定态的能量值叫做 原子的能级，能级图如图所示。 对于氢原子，其能级公式为，轨道半径公式为，其中n称为量子数，只能取正整数。 13.6eV，。 特别提醒：相邻横线间的距离，表示相邻的能级差，量子数越大，相邻的能级差越小。 2．氢原子的跃迁及电离 （1）氢原子受激发由低能级向高能级跃迁 当光子作用使原子发生跃迁时，只有光子能量满足的跃迁条件时，原子才能吸收光子的全部能量而发生跃迁。 当用电子等实物粒子作用在原子上，只要入射粒子的动能大于或等于原子某两“定态”能量之差，即可使原子受激发而向较高能级跃迁。 如果光子或实物粒子与原子作用而使原子电离（绕核电子脱离原子的束缚而成为“自由电子”，即∞的状态）时，不受跃迁条件限制，只不过入射光子能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。 （2）氢原子自发辐射由高能级向低能级跃迁 当一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为 ‎ ‎ 当单个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时，最多可能产生(n一1)个频率的光子。 四．激光 1．自发发射：处于能量较高状态的原子是不稳定的，会自发地跃迁到较低能量状态，同时放出光子。 2．受激吸收：一个入射光子的能量恰好等于原子基态与某个激发态的能量差，原子吸收这个光子而跃迁到这个激发态。 3．受激发射：一个入射光子的能量正好等于原子的某一对能级的能量差，则处于激发态的原子就可能受到这个光子的激发而跃迁到能量较低的状态，同时发射－个与入射光子完全相同的光子。 4．激光的产生：受激发射的过程不断进行，形成光子的“雪崩”，这样的输出光即激光。 5. 激光器 构造：激活介质、抽运装置、光学共振腔。 激光器工作原理图：如图。 种类：固体、液体、气体、染料、半导体激光器等 红宝石激光器 激介质：红宝石 氦、氖激光器 激介质：氖；辅助物质：氦 ▲疑难导析 1．某定态时氢原子中的能量关系 设r为某定态时氢原子核外电子的轨道半径，电子绕核运动的向心力由库仑力提供，有： ① ‎ ‎ 由电子动能： ② 电子在轨道r上的电势能： ③ 该定态能级能量为： ④ 将②③④式比较可得： （1）某定态时，核外电子的动能总是等于该定态总能量的绝对值，原子系统的电势能总是等于该定态总能量值的两倍。 （2）电子动能随轨道半径r的减小而增大，随r增大而减小（与v也直接相关）；系统电势能随轨道半径r的增大而增大，随r的减小而减小；原子的总能量也随轨道半径r的增大而增大，随r的减小而减小。 （3）某定态能量，表明氢原子核外电子处于束缚态，欲使氢原子电离，外界必须对系统至少补充的能量，原子的能级越低，需要的电离能就越大。 例如：当氢原子处于n=1能级时，13. 6eV，立即得出该态下电子动能13.6eV，电势能－27.2eV，最小电离能13.6eV，当氢原子处于n=5激发态时，0. 544eV，即刻可知此定态下电子动能0.544eV，电势能－1.088eV，最小电离能0.544eV，这的确快捷、准确。 2．玻尔理论对氢光谱的解释 玻尔理论很好地解释了氢光谱 ‎ ‎ （1）由玻尔的频率条件可得出巴耳末公式代表的是电子从量子数的能级向量子数为2的能级跃迁时发出的光谱线。玻尔理论很好地解释并预言了氢原子的其他谱线系。 （2）通常情况原子处于基态，是最稳定的，原子吸收光子或受到电子的撞击，跃迁到激发态，不稳定，自发地向能量较低的能级跃迁，放出光子。 （3）原子跃迁放出的光子，，能级是分立的，所以光子的能量也是分立的，所以发射光谱只有一些分立的亮线。不同原子结构不同，能级各不相同，辐射（或吸收）的光子频率也不相同．因此不同元素的原子具有不同的特征谱线。 ‎ ‎3．夫兰克一赫兹实验 （1）原理图 （2）激发原子可以通过吸收电磁辐射、加热或使粒子碰撞等方式。夫兰克一赫兹实验证实了能量是量子化的。 ：处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时，只发射波长为 、、的三种单色光，且 ＞＞，则照射光的波长为（ ） A． B．＋＋ C． D． 答案：D 解析：处于基态的氢原子吸收单色光发出三种波长的光，一定是由基态跃迁到n＝3的激发态，吸收的光的波长是，①，②，③，由①②③可得 ‎，D正确。 典型例题透析 题型一——粒子散射实验和原子核式结构 （1）原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动。 （2）核式结构模型的实验基础是粒子散射实验。从粒子散射的实验数据，估计原子核半径的数量级为m～m，而原子半径的数量级是m。 （3）在粒子散射中，注意构建物理模型。散射中，动量守恒，能量守恒。 1、卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验，获得了重要发现： （1）关于粒子散射实验的结果，下列说法正确的是（ ） A．证明了质子的存在 B．证明了原子核是由质子和中子组成的 C．证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D．说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 （2）在粒子散射实验中，现有一个粒子以m/s的速度去轰击金箔，若金原子的核电荷数为79。求该粒子与金原子核间的最近距离（已知带电粒子在点电荷电场中的电势能表达式为，粒子质量为6. ‎64 kg）。 思路点拨：粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构，从能量转化角度看，当粒子靠近原子核运动时，粒子的动能转化为电势能，达到最近距离时，动能全部转化为电势能，可以估算原子核的大小。 解析： （1）选C 粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核。 数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子，所以C对，A、B错。 玻尔发现了电子轨道量子化，D错。 ‎ ‎ （2）粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为d。 总结升华：粒子轰击金箔并不是直接接触原子核，所以只能是估算原子核的大小。 举一反三 【变式】在用粒子轰击金箔时，测得粒子能够接近金箔的最小距离约为2×m，原子核的平均密度约为多少？（阿伏加德罗常数N = 6） 解析：把粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原子核的半径，计算出每一个核的体积， 便可求密度。 把粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原子核的半径R，金核的体积 一个金原子的质量是 金原子核的平均密度是 题型二——能级跃迁与光谱线 （1）原子跃迁条件只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和原子作用而使原子电离时，只要入射光的能量13.6 eV，原子就能吸收。对于实物粒子与原子作用使原子激发时，粒子能量大于或等于能级差即可。 （2）原子跃迁发出的光谱线条数 ‎，是一群氢原子，而不是一个，因为某一个氢原子有固定的跃迁路径。 2、如图所示为氢原子最低的四个能级，当氢原子在这些能级间跃迁时： （1）有可能放出_____________种能量的光子。 （2）在哪两个能级间跃迁时，所放出光子波长最长？波长是多少？ 思路点拨：本题考查了能级及跃迁公式，辐射出的光谱线条数。要正确理解公式中各量的物理量含义。 解析： （1）由，得6种。 （2）氢原子由第四能级向第三能级跃迁时，能级差最小，辐射的光子波长最长。 由，得 所以。 总结升华： （1）如果是一个氢原子，向低能级跃迁时最多发出的光子数为； （2）理解氢原子能级图，量子数越大，能级差越小，发出光子波长越长。 举一反三 【变式】氢原子处于基态时，原子的能级为13.6 eV，普朗克常量，氢原子在n=4的激发态时，问： （‎ ‎1）要使氢原子电离，入射光子的最小能量是多少？ （2）能放出的光子的最大能量是多少？ 解析： （1） 使氢原子电离需要的最小能量 （2）从n＝4能级跃迁到n＝1能级时，辐射的光子能量最大为。 ‎ ‎ 题型三——跃迁时电子动能、原子势能与原子能量的变化 规定无穷远处原子的能量为零，则原子各能级的能量为负值。而，。 ，随轨道半径的增大，能量增大。 另外由经典理论知，其动能，即，随n的增大，电子的动能减小。 其电势能，随n的增大，原子的电势能增大。 3、氢原子辐射出一个光子后，则（ ） A．电子绕核旋转的半径增大 B．电子的动能增大 C．氢原子的电势能增大 D．原子的能级值增大 思路点拨：明确氢原子放出光子是由高能级向低能级跃迁的，轨道半径变小，电子绕原子核做圆周运动其向心力由库仑力来提供，问题便可解决。 解析：‎ 由玻尔理论可知，氢原子辐射光子后，应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道，在此跃迁过程中，电场力对电子做了正功，因而电势能应减小。另由经典电磁理论知，电子绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力，所以。可见，电子运动半径越小，其动能越大。再结合能量转化和守恒定律，氢原子放出光子，辐射出一定的能量，所以原子的总能量减小。综上讨论，可知该题只有答案B正确。 答案：B 总结升华：在原子中，由于原子核与核外电子库仑引力的作用而具有电势能，电势能属于相互作用的系统——原子。‎ 举一反三 【变式】氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值，它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能。当氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时（ ） A．氢原子的能量减小，电子的动能增大 B．氢原子的能量增加，电子的动能增大 C．氢原子的能量减小，电子的动能减小 D．氢原子的能量增加，电子的动能减小 答案：A 解析：氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时，氢原子放出光子能量，氢原子能量减小，核外电子所受库仑力做正功，其动能增加，故选A。‎