第2講原子結(jié)構(gòu)和原子核第十五章近代物理1.理解原子的核式結(jié)構(gòu),了解氫原子光譜,理解玻爾原子結(jié)構(gòu)理論,會(huì)分析能級(jí)躍遷問題。

2.理解原子核的衰變,會(huì)計(jì)算原子核的半衰期。3.理解原子核的人工轉(zhuǎn)變、重核的裂變、輕核的聚變,會(huì)書寫核反應(yīng)方程,會(huì)計(jì)算核反應(yīng)過程的核能。學(xué)習(xí)目標(biāo)目

錄CONTENTS考點(diǎn)01限時(shí)作業(yè)02考點(diǎn)1考點(diǎn)二玻爾理論與能級(jí)躍遷考點(diǎn)一原子的核式結(jié)構(gòu)和氫原子光譜考點(diǎn)三原子核的衰變及半衰期考點(diǎn)四核反應(yīng)及核能的計(jì)算考點(diǎn)一原子的核式結(jié)構(gòu)和氫原子光譜

湯姆孫盧瑟福絕大多數(shù)少數(shù)極少數(shù)3.原子的核式結(jié)構(gòu)模型全部的在原子中心有一個(gè)很小的核,原子_________正電荷和____________質(zhì)量都集中在核里,帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。4.氫原子光譜 (1)光譜:用棱鏡或光柵可以把光按波長(zhǎng)(頻率)展開,獲得光的______(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄,即光譜。幾乎全部波長(zhǎng)(2)光譜分類吸收連續(xù)特征

特征譜線判斷正誤×√(1)各種原子的發(fā)射光譜都是線狀譜,并且只能發(fā)出幾個(gè)特定的頻率。()(2)可以利用光譜分析來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分。()(3)巴耳末公式中的n既可以取整數(shù)也可以取小數(shù)。()√例1

如圖所示為盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖,圖中的顯微鏡可在圓周軌道上轉(zhuǎn)動(dòng),通過顯微鏡前相連的熒光屏可觀察α粒子在各個(gè)角度的散射情況。下列說法中正確的是(

)CA.在圖中的A、B兩位置分別進(jìn)行觀察,相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)一樣多B.在圖中的B位置進(jìn)行觀察,屏上觀察不到任何閃光C.盧瑟福選用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶,觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相似D.α粒子發(fā)生散射的主要原因是α粒子撞擊到金箔原子后產(chǎn)生的反彈解析

α粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進(jìn),少數(shù)α粒子有大角度散射。所以A處觀察到的粒子數(shù)多,B處觀察到的粒子數(shù)少,且用不同金屬箔片作為α粒子散射的靶時(shí),觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤,C正確;α粒子發(fā)生散射的主要原因是受到原子核庫(kù)侖斥力的作用,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。

CA.照射同一單縫衍射裝置,Hδ光的中央明條紋寬度寬B.以相同的入射角斜射入同一平行玻璃磚,Hδ光的側(cè)移量小C.以相同功率發(fā)射的細(xì)光束,真空中單位長(zhǎng)度上Hγ光的平均光子數(shù)多D.相同光強(qiáng)的光分別照射同一光電效應(yīng)裝置,Hγ光的飽和光電流小

考點(diǎn)二玻爾理論與能級(jí)躍遷1.玻爾理論的基本假設(shè)(1)定態(tài)假設(shè):原子只能處于一系列_________的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是______的,電子雖然繞核運(yùn)動(dòng),但并不向外輻射能量。(2)躍遷假設(shè):電子從能量較高的定態(tài)軌道躍遷到能量較低的定態(tài)軌道時(shí),會(huì)放出能量為hν的光子,這個(gè)光子的能量由前后兩個(gè)能級(jí)的能量差決定,即hν=__________

(m<n,h是普朗克常量,h=6.63×10-34

J·s)。(3)軌道假設(shè):原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是____________,因此電子的可能軌道也是____________。不連續(xù)穩(wěn)定En-Em不連續(xù)的不連續(xù)的2.氫原子能級(jí)和能級(jí)公式

(1)氫原子能級(jí)圖(如圖所示)(2)氫原子能級(jí)公式En

=_______

(n=1,2,3,…),其中基態(tài)的能量E1最低,其數(shù)值為E1=-13.6

eV。3.兩類能級(jí)躍遷

(2)受激躍遷低能級(jí)(m)高能級(jí)(n)→吸收能量。①光照(吸收光子):光子的能量必須恰好等于能級(jí)差,hν=En-Em。②碰撞、加熱等:只要入射粒子的能量大于或等于能級(jí)差即可,E外≥En-Em。③大于電離能的光子被吸收,原子將電離。4.電離電離態(tài):n=∞,E=0。基態(tài)→電離態(tài):E吸=0-(-13.6

eV)=13.6

eV。激發(fā)態(tài)→電離態(tài):E吸>0-En=|En|。若吸收能量足夠大,克服電離能后,獲得的自由電子還攜帶動(dòng)能?！痢?1)玻爾認(rèn)為原子的能量是量子化的,不能連續(xù)取值。()(2)處于基態(tài)的原子是不穩(wěn)定的,會(huì)自發(fā)地向其他能級(jí)躍遷,放出光子。()判斷正誤例3

(2024·安徽卷,1)大連相干光源是我國(guó)第一臺(tái)高增益自由電子激光用戶裝置,其激光輻射所應(yīng)用的玻爾原子理論很好地解釋了氫原子的光譜特征。圖為氫原子的能級(jí)示意圖,已知紫外光的光子能量大于3.11

eV,當(dāng)大量處于n=3能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射不同頻率的紫外光有(

)BA.1種 B.2種 C.3種 D.4種

例4

(2023·山東卷,1)“夢(mèng)天號(hào)”實(shí)驗(yàn)艙攜帶世界首套可相互比對(duì)的冷原子鐘組發(fā)射升空,對(duì)提升我國(guó)導(dǎo)航定位、深空探測(cè)等技術(shù)具有重要意義。如圖所示為某原子鐘工作的四能級(jí)體系,原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級(jí)Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí)Ⅱ,然后自發(fā)輻射出頻率為ν1的光子,躍遷到鐘躍遷的上能級(jí)2,并在一定條件下可躍遷到鐘躍遷的下能級(jí)1,實(shí)現(xiàn)受激輻射,發(fā)出鐘激光,最后輻射出頻率為ν3的光子回到基態(tài)。該原子鐘產(chǎn)生的鐘激光的頻率ν2為(

)DA.ν0+ν1+ν3

B.ν0+ν1-ν3C.ν0-ν1+ν3 D.ν0-ν1-ν3解析

原子吸收頻率為ν0的光子從基態(tài)能級(jí)Ⅰ躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí)Ⅱ時(shí)有EⅡ-EⅠ=hν0,且從激發(fā)態(tài)能級(jí)Ⅱ躍遷到基態(tài)Ⅰ的過程有EⅡ-EⅠ=hν1+hν2+hν3,聯(lián)立解得ν2=ν0-ν1-ν3,故D正確。1.原子核的組成:原子核是由______和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的_________。2.天然放射現(xiàn)象 (1)放射性元素______地發(fā)出射線的現(xiàn)象,首先由____________發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明_________具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 (2)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)

應(yīng)用:消除靜電、工業(yè)探傷、作為示蹤原子、培養(yǎng)優(yōu)良品種。

防護(hù):防止放射線對(duì)人體組織的傷害。考點(diǎn)三原子核的衰變及半衰期質(zhì)子質(zhì)子數(shù)自發(fā)貝克勒爾原子核3.原子核的衰變(1)衰變:原子核自發(fā)地放出_____________________,變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)α衰變和β衰變?chǔ)亮Ｗ踊颚铝Ｗ铀プ冾愋挺了プ儲(chǔ)滤プ兯プ兎匠蘕YHeXYe衰變實(shí)質(zhì)2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)He射出1個(gè)中子轉(zhuǎn)化為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子H+nHenHe衰變類型α衰變?chǔ)滤プ儎驈?qiáng)磁場(chǎng)中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動(dòng)量守恒(3)三種射線的比較名稱構(gòu)成符號(hào)電荷量質(zhì)量電離能力貫穿本領(lǐng)α射線氦核He+2e4

u最強(qiáng)最弱β射線電子e-eu較強(qiáng)較強(qiáng)γ射線光子γ00最弱最強(qiáng)4.半衰期半數(shù)

內(nèi)部5.放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)天然(1)放射性同位素:有______放射性同位素和______放射性同位素兩類,放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同。(2)應(yīng)用:放射治療、培優(yōu)、保鮮、做____________等。(3)防護(hù):防止放射性對(duì)人體組織的傷害。人工示蹤原子×√(1)α和β射線是同時(shí)由一個(gè)原子核射出的。()(2)原子核發(fā)生衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都改變。()(3)原子核可以單純地發(fā)生γ衰變。()(4)半衰期就是兩個(gè)原子核中有一個(gè)發(fā)生了衰變時(shí)用的時(shí)間。()(5)放射性元素衰變的快慢與原子所處的化學(xué)狀態(tài)以及溫度、壓強(qiáng)等外部條件無關(guān)。()判斷正誤×××

D

例6

(多選)有一勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,方向垂直紙面向外,一個(gè)原來靜止在A處的原子核,發(fā)生衰變放射出某種粒子,兩個(gè)新核的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,已知兩個(gè)相切圓半徑分別為r1、r2。下列說法正確的是(

)BCA.原子核發(fā)生α衰變,根據(jù)已知條件可以算出兩個(gè)新核的質(zhì)量比B.衰變形成的兩個(gè)粒子帶同種電荷C.衰變過程中原子核遵循動(dòng)量守恒定律D.衰變形成的兩個(gè)粒子電荷量的關(guān)系為q1∶q2=r1∶r2

1.核力與結(jié)合能 (1)核力:原子核內(nèi)部,______間所特有的相互作用力,作用范圍只有10-15

m。 (2)質(zhì)能方程:核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm,其對(duì)應(yīng)的能量ΔE=_______。 (3)結(jié)合能:核子結(jié)合為原子核時(shí)______的能量或原子核分解為核子時(shí)______的能量,叫作原子核的結(jié)合能,亦稱核能。 (4)比結(jié)合能:原子核的結(jié)合能與_________之比,稱作比結(jié)合能,也叫平均結(jié)合能。比結(jié)合能越___,原子核中核子結(jié)合得越牢固,原子核越______。考點(diǎn)四核反應(yīng)及核能的計(jì)算核子Δmc2釋放吸收核子數(shù)大穩(wěn)定類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變?chǔ)了プ冏园l(fā)UTh+______β衰變自發(fā)ThPa+_____重核裂變?nèi)菀兹斯た刂芔nBaKr+UnXeSr+_______輕核聚變很難控制HH_____n

類型可控性核反應(yīng)方程典例人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芅He→____H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)HeBe→

_____n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)AlHe→n約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素,同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子P→Si+_______3.核反應(yīng)方程式的書寫

4.核能的計(jì)算(1)對(duì)質(zhì)能方程的理解①一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系,物體的總能量和它的質(zhì)量成正比,即E=mc2。②核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm,其能量也要相應(yīng)減少,即ΔE=Δmc2。③原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量,相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm,吸收的能量為ΔE=Δmc2。(2)核能的計(jì)算①根據(jù)ΔE=Δmc2計(jì)算,Δm的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,ΔE的單位是“J”。②根據(jù)ΔE=Δm×931.5

MeV/u計(jì)算。因?yàn)?原子質(zhì)量單位(1

u)相當(dāng)于931.5

MeV,所以計(jì)算時(shí)Δm的單位是“u”,ΔE的單位是“MeV”。③根據(jù)核子比結(jié)合能來計(jì)算核能原子核的結(jié)合能=核子比結(jié)合能×核子數(shù)?！痢?1)核力同萬有引力一樣總是相互吸引的。()(2)核力只發(fā)生在相鄰的核子之間。()(3)質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量,能量也可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。()(4)熱核反應(yīng)就是原子核的溫度很高的反應(yīng)。()判斷正誤××

D

B

限時(shí)作業(yè)2基礎(chǔ)對(duì)點(diǎn)練D對(duì)點(diǎn)練1

原子的核式結(jié)構(gòu)和氫原子光譜1.(人教版選擇性必修第三冊(cè)P81圖4.3-3改編)20世紀(jì)初,物理學(xué)家盧瑟福及蓋革等用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),α粒子穿過金箔后只有極少數(shù)發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),此現(xiàn)象說明(

)A.原子不顯電性B.原子核由質(zhì)子和中子組成C.電子占原子質(zhì)量小部分但體積大,帶負(fù)電D.原子核占原子質(zhì)量絕大部分且體積小,帶正電解析

絕大多數(shù)α粒子穿過金箔方向不變,說明原子內(nèi)部有相對(duì)較大的空間,極少數(shù)α粒子發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn),說明原子內(nèi)有帶正電荷的微粒,且原子全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在體積較小的原子核里,該實(shí)驗(yàn)不能說明原子不顯電性,也不能說明原子核由質(zhì)子和中子組成,及電子占原子質(zhì)量小部分但體積大帶負(fù)電,故A、B、C錯(cuò)誤,D正確。A

A.紅外線波段的光子

B.可見光波段的光子C.紫外線波段的光子

D.X射線波段的光子

C

D4.(2023·河北卷,1)2022年8月30日,國(guó)家航天局正式發(fā)布了“羲和號(hào)”太陽探測(cè)衛(wèi)星國(guó)際上首次在軌獲取的太陽Hα譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)。Hα是氫原子巴耳末系中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的譜線,其對(duì)應(yīng)的能級(jí)躍遷過程為(

)A.從∞躍遷到n=2 B.從n=5躍遷到n=2C.從n=4躍遷到n=2 D.從n=3躍遷到n=2

D

C

D

A8.(2023·北京卷,3)下列核反應(yīng)方程中括號(hào)內(nèi)的粒子為中子的是(

)

A

解析

相同質(zhì)量的核燃料,輕核聚變要比重核裂變質(zhì)量虧損更多,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程可知,輕核聚變放出的核能更多,A正確,D錯(cuò)誤;根據(jù)核反應(yīng)過程