2020高考物理一轮总复习第十二章第2讲原子结构和原子核讲义含解析新人教版.pdf
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1、第 2 讲 原子结构和原子核第 2 讲 原子结构和原子核 基础知识填一填 知识点 1 原子结构 光谱和能级跃迁 1电子的发现 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了 电子 ,提出了原子的“枣糕模型” 2原子的核式结构 (1)19091911 年,英国物理学家 卢瑟福 进行了 粒子散射实验,提出了原子的 核式结构模型 (2) 粒子散射实验 实验装置:如下图所示; 实验结果: 粒子穿过金箔后,绝大多数沿 原方向 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
2、 电子 在核外空间绕核旋转 3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:巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式R 1 (n3,4,5,R是里德伯常量,R1.10107 m1) ( 1 22 1 n2) (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 4玻尔理论和能级跃迁 (1)玻尔理论 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
3、核运动,但并不向外辐射能量 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 Em-En .(h是普朗克常 量,h6.631034 Js) 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 . (2)氢原子的能级图(如图所示) (3)氢原子的能级和半径公式 能级公式:EnE1(n1,2,3,),其中E1为基态能量,其数值为E1 -13.6 1 n2 eV. 半径公式:rn n2r1 (n1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数 值为
4、r10.531010 m. 判断正误,正确的划“” ,错误的划“” (1)氢原子光谱是由不连续的亮线组成的() (2)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱,也成功地解释了氦原子光谱() (3)按照玻尔理论,核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上() (4)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时,氢原子辐射的光子能量为hEn.() 知识点 2 原子核 核反应和核能 1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 核电荷数质子数(Z)元素的原子序数 核外电子数 . 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
5、A表示 质量数 ,Z表示核电荷数 A Z 2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 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 应用:消除静电、工业探伤、做 示踪原子 等 防护:防止放射性对人体组织的伤害 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 原子核 的变化称为原子核的衰变 分类 衰变: XY He . A ZA4Z24 2 衰变: XY e A ZAZ101 当放射性物质
6、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 两个典型的衰变方程 衰变:UTh He 23892234904 2 衰变:ThPae. 234902349101 (2)半衰期 定义:放射性元素的原子核有 半数 发生衰变所需的时间 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 ( 1 2) t ( 1 2) t 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 m,其对应的能量 E mc2 . (3)原子核分解成核子时要吸收一定
7、的能量,相应的质量增加 m,吸收的能量为 E mc2 . 5核反应、核裂变、核聚变 (1)核反应规律:在核反应中, 质量数 守恒, 电荷数 守恒 (2)重核裂变 定义:使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应 铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,一种典型的反应是生成钡和氪,同时 放出三个中子,核反应方程为:U nBa Kr3 n. 235921 01445689361 0 链式反应:由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做核裂变的 链式反应 链式反应的条件:a.要有足够浓度的U;b.铀块体积需 大于 临界体积,或铀块 23592 质量 大于 临界质量 (3)轻核聚变 定义
8、:两个轻核结合成 较重 的核,这样的核反应叫 聚变 . 聚变发生的条件:使物体达到几百万度的高温 判断正误,正确的划“” ,错误的划“” (1)氡的半衰期为 3.8 天,若取 4 个氡原子核,经 7.6 天后就剩下一个原子核了() (2)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,同时遵循电荷数守恒() (3)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量,它们之间可以相互转化() (4)三种射线,按穿透能力由强到弱的排列顺序是 射线、 射线、 射线() (5)原子核越大,它的结合能越大,原子核中核子结合得越牢固() 教材挖掘做一做 1(人教版选修 35 P65 思考与讨论改编)如图,放射性元素镭衰变过程中
9、释放出 、 、 三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是( ) A表示 射线,表示 射线 B表示 射线,表示 射线 C表示 射线,表示 射线 D表示 射线,表示 射线 解析:C 由于在放射现象中, 射线带正电, 射线带负电, 射线不带电,所以, 可判断 C 正确,A、B、D 错误 2(人教版选修 35 P63 第 3 题改编)(多选)如图是氢原子的能级图,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生 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n3 能级跃迁到n2 能级时发出的光波长最长 D这群氢原子能够吸收
10、任意光子的能量而向更高能级跃迁 答案:AC 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 2 3 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 3(人教版选修 35 P85 图 19.66 改编)如图是慢中子反应堆的示意图,对该反应堆 的下列说法中正确的是( ) A铀 235 容易吸收快中子后发生裂变反应 B快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成
11、慢中子,慢中子容易被铀 235 俘获 而引起裂变反应 C控制棒由镉做成,当反应过于激烈时,使控制棒插入浅一些,让它少吸收一些中子, 链式反应的速度就会慢一些 D要使裂变反应更激烈一些,应使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后变 成慢中子,链式反应的速度就会快一些 解析:B 快中子容易与轴 235 擦肩而过,快中子跟减速剂(慢化剂)的原子核碰撞后能 量减少,变成慢中子,慢中子容易被铀 235 俘获而引起裂变反应,选项 B 正确,A 错误;控 制棒由镉做成,镉吸收中子的能力很强,当反应过于激烈时,使控制棒插入深一些,让它多 吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些,选项 C、D 都错误 考点一
12、 原子的核式结构 玻尔理论 考点解读 1对氢原子的能级图的理解 (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:hEmEn. 2定态间的跃迁满足能级差 (1)从低能级(n小)高能级(n大)吸收能量 跃迁 hEn大En小 (2)从高能级(n大)低能级(n小)放出能量 跃迁 hEn大En小 3两类能级跃迁 (1)自发跃迁:高能级低能级,释放能量,发出光
13、子 光子的频率. E h E高E低 h (2)受激跃迁:低能级高能级,吸收能量 光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级差,hE. 碰撞、加热等:只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外E. 大于电离能的光子被吸收,将原子电离 4谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1) (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法 用数学中的组合知识求解:NC . 2n nn 1 2 利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相 加 典例赏析 典例 1 (2019北京东城区一模)如图是氢原子的能级图一个氢原子从n4 的能 级向低能级
14、跃迁,则以下判断正确的是( ) A该氢原子最多可辐射出 6 种不同频率的光子 B该氢原子跃迁到基态时需要吸收 12.75 eV 的能量 C该氢原子只有吸收 0.85 eV 的光子时才能电离 D该氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量是特定值 解析 D 本题研究的是单个氢原子,单个处于n能级的氢原子向低能级跃迁时最多 可辐射出n1 条不同频率的光子,故该氢原子向低能级跃迁时最多可辐射出 3 种不同频率 的光子,选项 A 错误;该氢原子跃迁到基态时需要释放0.85 eV(13.6 eV)12.75 eV 的能量,选项 B 错误;只要吸收的光子的能量大于 0.85 eV,该氢原子就能电离,选项
15、C 错 误;氢原子向低能级跃迁时,向外辐射的光子的能量等于两能级的能量差,此能量差为一特 定值,选项 D 正确 1能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的 2能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hEmEn求得若求波长可由公 式c求得 题组巩固 1(多选)氢原子能级如图,当氢原子从n3 跃迁到n2 的能级时,辐射光的波长为 656 nm.以下判断正确的是( ) A氢原子从n2 跃迁到n1 的能级时,辐射光的波长大于 656 nm B用波长为 325 nm 的光照射,可使氢原子从n1 跃迁到n2 的能级 C一群处于n3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生 3 种谱线 D用波长为 633 nm
16、 的光照射,不能使氢原子从n2 跃迁到n3 的能级 解析:CD 根据氢原子的能级图和能级跃迁规律,当氢原子从n2 能级跃迁到n1 能级时,辐射光的波长一定小于 656 nm,因此选项 A 错误;根据发生跃迁只能吸收和辐射 一定频率的光子,可知选项 B 错误,D 正确;一群处于n3 能级上的氢原子向低能级跃迁 时可以产生 3 种频率的光子,所以选项 C 正确 2(多选)如图所示为氢原子的能级图氢原子从n5 的能级跃迁到n3 的能级时辐 射出a光子,从n4 的能级跃迁到n2 的能级时辐射出b光子下列说法正确的是( ) Aa光子的能量比b光子的能量大 B若a、b两种光在同一种均匀介质中传播,则a光的
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