高考物理人教版一轮复习课件-13原子结构 65页

原子结构[记一记]1．原子的核式结构(1)1909～1911年，英国物理学家进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型。(2)α粒子散射实验：①实验装置：如图13－3－1所示。图13－3－1卢瑟福 ②实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回。(3)核式结构模型：原子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空间绕核旋转。原方向 3．玻尔的原子模型(1)玻尔理论：①轨道假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道是。②定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，因而具有不同的能量，即原子的能量是不连续的。这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，原子是稳定的，不向外辐射能量。③跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，光子的能量等于两个状态的能量差，即hν＝。不连续的Em－En (2)几个概念：①能级：在玻尔理论中，原子各个状态的能量值。②基态：原子能量的状态。③激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他较高的状态。④量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的。(3)氢原子的能级和轨道半径：①氢原子的半径公式：rn＝(n＝1,2,3…)，其中r1为基态半径，r1＝0.53×10－10m。最低正整数n2r1 [试一试]1．卢瑟福利用α粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是()图13－3－2解析：α粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C错误，D正确答案：D 原子核[想一想]如图13－3－3甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图。图13－3－3 请思考：(1)图甲中到达铝板和到达混凝土的射线各是什么射线？(2)图乙中用于金属内部探伤的是哪种射线？[提示](1)α射线的穿透能力很弱，一张纸就能挡住，β射线的穿透能力很强，能穿透几毫米厚的铝板，γ射线的穿透能力更强，可以穿透几厘米厚的铅板，故到达铝板的为β和γ射线，到达混凝土的是γ射线。(2)只有γ射线才具有足够的穿透力，能进行金属内部的伤痕检查。 [记一记]1．四个概念(1)放射性：物质放射出的性质。(2)放射性元素：具有的元素。(3)同位素：具有相同数和不同数的原子核。(4)放射性同位素：具有的同位素。射线放射性中子质子放射性 2．原子核的组成(1)原子核：由和组成，质子和中子统称为。(2)核电荷数(Z)：等于核内，也等于核外，还等于元素周期表中的。(3)核质量数(A)：等于核内的，即与之和。质子中子核子质子数电子数原子序数核子数质子数中子数 3．原子核的衰变(1)三种射线的比较：氦核电子光子2e－e 种类α射线β射线γ射线符号___________γ速度____________c在电磁场中偏转与α射线反向偏转不偏转贯穿本领最弱，用纸能挡住较强，穿透几毫米的铝板最强，穿透几厘米的铅板对空气的电离作用_____较弱______0.1c0.99c很强很弱 4．核力与核能(1)核力：①含义：原子核里的存在互相作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。②特点：a．核力是的一种表现。b．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内。c．每个核子只跟的核子发生核力作用。核子间强相互作用邻近 (2)核能：①结合能：把构成原子核的结合在一起的分开所需的能量。②质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝。核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝。③质能方程的意义：质量和能量是物质的两种属性，质能方程揭示了质量和能量是不可分割的，它建立了两个属性在数值上的关系。核子mc2Δmc2 (3)获得核能的途径：①重核裂变：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。特点：a.裂变过程中能够放出巨大的能量；b.裂变的同时能够放出2～3(或更多)个中子；c.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。 [试一试]2．一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m，铀发生一系列衰变，最终生成物为铅，已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的是() 答案：C 能级跃迁与光谱线1.对氢原子的能级图的理解(1)氢原子的能级图(如图13－3－4)。图13－3－4 (2)氢原子能级图的意义：①能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态。②横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能级。③相邻横线间的距离不相等，表示相邻的能级差不等，量子数越大，相邻的能级差越小。④带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hν＝Em－En。 2．关于能级跃迁的三点说明(1)当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV，氢原子电离后，电子具有一定的初动能。(2)当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，原子能量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大、电子动能减小，原子能量增大。 [例1](2013·聊城模拟)如图13－3－5为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光下列说法正确的是()图13－3－5 A．最容易表现出衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的B．频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射逸出功为6.34eV的金属铂能发生光电效应[审题指导]解答本题时应注意以下三点：(1)明显衍射条件与波长的关系。 (2)发生光电效应的条件。(3)能级差大小与光的频率、波长的大小关系。[答案]D 原子跃迁的两种类型(1)原子吸收光子的能量时，原子将由低能级态跃迁到高能级态。但只吸收能量为能级差的光子，原子发光时是由高能级态向低能级态跃迁，发出的光子能量仍为能级差。(2)实物粒子和原子作用而使原子激发或电离，是通过实物粒子和原子碰撞来实现的。在碰撞过程中，实物粒子的动能可以全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两个能级差值，就可以使原子受激发而跃迁到较高的能级；当入射粒子的动能大于原子在某能级的能量值时，也可以使原子电离。 原子核的衰变规律1.衰变方程2．三种衰变的实质(1)α衰变：α衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)的过程，每发生一次α衰变，新元素与原元素比较，核电荷数减少2，质量数减少4。 (2)β衰变：β衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子的过程。每发生一次β衰变，新元素与原元素比较，核电荷数增加1，质量数不变。(3)γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变或β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。3．对衰变的说明(1)原子核在发生衰变时，质量数守恒，电荷数守恒。(2)外界条件，如压强、温度、化学反应等都不能改变放射性元素的半衰期。 A．铅核比钍核少8个质子B．铅核比钍核少16个中子C．共经过4次α衰变和6次β衰变D．共经过6次α衰变和4次β衰变 图13－3－6 [审题指导]解答本题时应注意以下三点：(1)原子核发生α、β衰变次数的确定方法。(2)质子数、中子数与质量数的关系。[尝试解题](1)设α衰变次数为x，β衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得232＝208＋4x90＝82＋2x－y 解得x＝6，y＝4，C错D对。铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对。铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对。[答案](1)ABD(2)正电子56天 核反应方程的书写与核能的计算1.核反应的四种类型人工控制人工转变自发β衰变自发α衰变衰变核反应方程典例可控性类型 (约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)人工控制人工转变核反应方程典例可控性类型 很难控制轻核聚变比较容易进行人工控制重核裂变核反应方程典例可控性类型 2．核反应方程式的书写(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。 3．核能的计算方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE＝Δm×931.5MeV计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。(3)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。 (1)写出铀核裂变的核反应方程；(2)求9.2kg纯铀235完全裂变所释放的能量是多少？(取两位有效数字)[审题指导](1)发生一次核反应释放的核能可用ΔE＝Δmc2计算。(2)要确定9.2kg纯铀235完全裂变释放的核能应确定其核反应发生的总次数。 (2)因为一个铀核裂变的质量亏损Δm＝(235.0439u＋1.0087u)－(89.9077u＋135.9072u＋10×1.0087u)＝0.1507u，故9.2kg的铀裂变后总的质量亏损为ΔM＝(6.02×1023×0.1507×9.2×103/235)u＝3.55×1024u， 所以ΔE＝ΔMc2＝3.55×1024×931.50MeV＝3.3×1027MeV。求解核能问题的三种技巧(1)根据质量亏损计算：ΔE＝Δmc2及1u相当于931.5MeV。(2)根据能量守恒和动量守恒计算。(3)在计算具有宏观质量的物质中所有原子核发生核反应所释放能量时常用到阿伏加德罗常数。 [随堂巩固落实]1．放射性同位素电池是一种新型电池，它是利用放射性同位素衰变放出的高速带电粒子(α射线、β射线)与物质相互作用，射线的动能被阻止或吸收后转变为内能，再通过换能器转化为电能的一种装置。其构造大致是：最外层是由合金制成的保护层，次外层是防止射线泄漏的辐射屏蔽层，第三层是把热能转化成电能的换能器，最里层是放射性同位素。电池使用的三种放射性同位素的半衰期和发出的射线如下表： 89.6年138天28年半衰期射线238Pu210Po90Sr同位素βαα若选择上述某一种同位素作为放射源，使用相同材料制成的辐射屏蔽层，制造用于执行长期航天任务的核电池，则下列论述正确的是()A．90Sr的半衰期较长，使用寿命较长，放出的β射线比α射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄B．210Po的半衰期最短，使用寿命最长，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄 C．238Pu的半衰期最长，使用寿命最长，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄D．放射性同位素在发生衰变时，出现质量亏损，但衰变前后总质量数不变解析：半衰期越长，使用寿命越长，B错；β射线比α射线的贯穿本领强，A错；由表中信息可知，238Pu的半衰期最长，使用寿命最长，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄，C对；放射性同位素在发生衰变时放出能量，但总质量数不变，D对。答案：CD 2．(2012·江苏高考)如图13－3－7所示是某原子的能级图，a、b、c为原子跃迁所发出的三种波长的光。在下列该原子光谱的各选项中，谱线从左向右的波长依次增大，则正确的是()图13－3－7 图13－3－8答案：C A．m＝7，n＝3B．m＝7，n＝4C．m＝14，n＝9D．m＝14，n＝18答案：B 4．(2012·北京高考)一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级。该氢原子()A．放出光子，能量增加B．放出光子，能量减小C．吸收光子，能量增加D．吸收光子，能量减少解析：氢原子由高能级跃迁到低能级要放出光子，能量减少；由低能级跃迁到高能级要吸收光子，能量增加。氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，即从高能级向低能级跃迁，则要放出光子，能量减少，故A、C、D错误，B正确。答案：B 解析：根据电荷数守恒和质量数守恒可知，x的质量数为1，电荷数为零，故x为中子。质量亏损Δm＝2.0141u＋3.0161u－(4.0026u＋1.0087u)＝0.0189u，E＝Δmc2＝0.0189×931.5MeV＝17.6MeV。 （给有能力的学生加餐） 答案：B A．1次α衰变，6次β衰变B．4次β衰变C．2次α衰变D．2次α衰变，2次β衰变 答案：B 答案：C 4．如图1所示为氢原子能级图，可见光的光子能量范围约为1.62～3.11eV。下列说法正确的是()图1 A．大量处在n＞3的高能级的氢原子向n＝3能级跃迁时，发出的光有一部分是可见光B．大量处在n＝3能级的氢原子向n＝2能级跃迁时，发出的光是紫外线C．大量处在n＝3能级的氢原子向n＝1能级跃迁时，发出的光都应具有显著的热效应D．处在n＝3能级的氢原子吸收任意频率的紫外线光子都能发生电离 解析：当处在n＞3的高能级的氢原子向n＝3能级跃迁时，放出光子的最大能量ΔE＝1.51eV，故不可能为可见光，A错；当从n＝3向n＝2跃迁时，光子能量ΔE＝－1.51eV－(－3.4eV)＝1.89eV，为可见光，B错；当从n＝3向n＝1跃迁时，光子能量ΔE＝12.09eV，在紫外区，无显著的热效应，C错；紫外线光子的能量hν＞3.11eV，大于处于n＝3能级的氢原子的电离能，故D正确。答案：D (1)原子系统具有的能量；(2)电子在n＝4轨道上运动的动能；(3)若要使处于n＝2的氢原子电离，至少要用频率多大的电磁波照射氢原子？ 答案：(1)－0.85eV(2)0.85eV(3)8.21×1014Hz (1)写出衰变方程；(2)求出反冲核的速度；(3)求出这一衰变过程中亏损的质量。