【物理】2019届一轮复习人教版原子和原子核学案 18页

第2讲　原子和原子核 一、原子物理 ‎1.原子的核式结构 ‎(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了核式结构模型.‎ ‎(2)α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α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 ‎(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动.‎ ‎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，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱.‎ ‎(2)光谱分类 ‎(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R(－)(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1).‎ ‎(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线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.‎ ‎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：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hν 的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 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.氢原子的能量和能级变迁 ‎(1)能级和半径公式：‎ ‎①能级公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV.‎ ‎②半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m.‎ ‎(2)氢原子的能级图，如图2所示 图2‎ 自测1　(多选)如图3所示为卢瑟福和他的同事们做α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(　　)‎ 图3‎ 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.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 答案　ABD 解析　根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，A、B、D正确.‎ ‎‎ 自测2　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，能量减少 C.吸收光子，能量增加 D.吸收光子，能量减少 答案　B 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 元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构.‎ ‎(2)放射性同位素的应用与防护 ‎①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.‎ ‎②应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.‎ ‎③防护：防止放射性对人体组织的伤害.‎ ‎2.原子核的组成 ‎(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.‎ ‎(2)基本关系 ‎①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数.‎ ‎②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数.‎ ‎(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数.‎ ‎3.原子核的衰变、半衰期 ‎(1)原子核的衰变 ‎①原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变.‎ ‎②分类 α衰变：X→Y＋He β衰变：X→Y＋e 当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射.‎ ‎③两个典型的衰变方程 α衰变：U→ Th＋He β衰变：Th→Pa＋e.‎ ‎(2)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影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，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·.‎ ‎4.核力和核能 ‎(1)原子核内部，核子间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Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2.‎ ‎(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Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2.‎ 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.γ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.Bi的半衰期是5天，100克Bi经过10天后还剩下50克 答案　B 解析　β射线是高速电子流，而γ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.10天为两个半衰期，剩余的Bi为100× g＝100×()2 g＝25 g，选项D错误.‎ 命题点一　玻尔理论和能级跃迁 ‎1.定态间的跃迁——满足能级差 ‎(1)从低能级(n)高能级(m)→吸收能量.‎ hν＝Em－En ‎(2)从高能级(m)低能级(n)→放出能量.‎ hν＝Em－En.‎ ‎2.电离 电离态与电离能 电离态：n＝∞，E＝0‎ 基态→电离态：E吸>0－(－13.6 eV)＝13.6 eV.‎ 激发态→电离态：E吸>0－En＝|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n＝3激发态的氢原子向低能级跃迁，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(　　)‎ 图4‎ A.该光子一定是氢原子从激发态n＝3跃迁到基态时辐射的光子 B.若大量氢原子从激发态n＝3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n＝4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n＝4跃迁到低能级，则会有3种光子使该金属产生光电效应 答案　ABC 变式1　(多选)如图5是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是(　　)‎ 图5‎ 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 eV C.从n＝3能级跃迁到n＝2能级时发出的光波长最长 D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁 答案　AC 解析　根据C＝3知，这群氢原子能够发出3种不同频率的光子，故A正确；由n＝3跃迁到n＝1，辐射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51) eV＝12.09 eV，故B错误；从n＝3跃迁到n＝2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n＝3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.‎ ‎‎ 命题点二　原子核的衰变及半衰期 ‎1.衰变规律及实质 ‎(1)α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变过程 X→Y＋He X→Y＋e 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 ‎2H＋2n→He n→H＋e 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)γ射线：γ射线经常伴随着α衰变或β衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β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 因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数.‎ ‎3.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.‎ 例2　(2017·全国卷Ⅱ·15)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为U→Th＋He，下列说法正确的是(　　)‎ A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能 B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小 C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间 D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 答案　B 解析　静止的铀核在α衰变过程中，满足动量守恒的条件，根据动量守恒定律得pTh＋pα＝0，即钍核的动量和α粒子的动量大小相等，方向相反，选项B正确；根据Ek＝可知，选项A错误；半衰期的定义是统计规律，对于一个α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α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α衰变后变为钍核，α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动.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(　　)‎ 图6‎ A.1是α粒子的径迹，2是钍核的径迹 B.1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹 C.3是α粒子的径迹，4是钍核的径迹 D.3是钍核的径迹，4是α粒子的径迹 答案　B 解析　由动量守恒可知，静止的铀核发生α衰变后，生成的均带正电的α粒子和钍核的动量大小相等，但方向相反，由左手定则可知它们的运动轨迹应为“外切”圆，又R＝＝，在p和B大小相等的情况下，R∝，因q钍>qα，则R钍