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2019年高考物理人教版一轮复习第14章近代物理初步:第14章 第2讲原子结构与原子核

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第 十四 章

           近代物理初步

       第2讲 原子结构与原子核
1      知识梳理自测

2      核心考点突破

3      2年高考模拟
知识梳理自测
•  一、原子结构 光谱和能级跃迁
      •原子的核式结构 
•  1.电子的发现:英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时电子 
发现了________,提出了原子的“枣糕模型”。
•  2.原子的核式结构:


                               α粒子散射实验 
•  观察上面两幅图,完成以下空格:
•  (1)1909~1911年,英国物理学家卢瑟福进行了
____________________,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”。
•几乎全部质量和全部正电荷(3)原子的结构模型:在原子的中心有一个很小的核,叫 
原子核,原子的核外空间运动  ____________________________都集中
在原子核里,带负电的电子在________________。
      •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:
特征谱线  
      •玻尔理论 能级 
•  1.玻尔的三条假设
•  (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。
                                  E -E
•  (2)跃迁:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,它辐射m       n 
或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差
决定,即hν=__________。(h是普朗克常量,h=6.63×10
-34J·s)  不连续的                    不连续的 
•  (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____________,因此电子
的可能轨道也是___________。
•  2.基态和激发态
•  原子能量最低的状态叫基态 ________,其他能量较高的状态激发态 
叫________。
•  3.氢原子的能级和轨道半径

         -13.6eV 
•  (1)氢原子的能级公式:E       =________(n=1,2,3,…),
                     2 0
                    n r1 

其中E1为基态能量,其数值为E1=__________。

•  (2)氢原子的半径公式:rn=________(n=1,2,3,…),
                                            -
其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.53×10
10m。
• 4.氢原子的能级图
•  二、原子核 核反应和核能
      •原子核的组成 
•  (1)原子核由质子________ 中子和 ________组成,质子和中子统核子 
称为________。       质子                质子数+中子数 
•  (2)原子核的核电荷数=________数,原子核的质量数
=_______________,质子和中子都为一个单位质量。质量数 
•  (3)X元素的原子核的符号为X,其中A表示________,Z
表示核电荷数。
      •天然放射现象 
•  1.天然放射现象
•  元素________自发 地放出射线的现象贝克勒尔,首先由   __________
发现。天然放射现象的发现,说明原子核         ________还具有复杂的
结构。
•  2.放射性和放射性元素           放射性 
•  物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性元素       ________。
•  具有放射性的元素叫______________。
•  3.三种射线
•  放射性元素放射出的射线共有三种,分别是α射线、β射
线、γ射线。
•  4.三种射线的比较


                        高速电子流 

                 2e 
    射线名称
              α射线        β射线         γ射线
比较项目

    符号       ________    0-1e         γ
    速度       可达0.1c    可达0.99c     ________
垂直进入电场                                 c
或磁场的偏转         偏转        偏转        ________
                                     不偏转 
    情况
  贯穿本领         最弱        较强        ________最强 
对空气的电离
               很强        较弱        ________很弱
    作用                                   
•  5.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。                      示踪原子 
•  (2)应用:消除静电、工业探伤,作____________等。
•  (3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。
•原子核的衰变 半衰期 

     α粒子或β粒子  
半数 
         内部 
      •核力、结合能、质量亏损 
•  1.核力
•  (1)定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。
•  (2)特点
•  ①核力是强相互作用的一种表现;
•  ②核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内;
•  ③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。
•  2.结合能
•  核子结合为原子核时释放 ________的能量或原子核分解为核吸收 
子时________的能量,叫做原子核的结合能,亦称核能。
•  3.比结合能
•  (1)定义:原子核的结合能与核子数之比,称做比结合能
,也叫平均结合能。
•  (2)特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合
能越大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
•  4.质能方程、质量亏损
                   2 
•  爱因斯坦质能方程Emc=________,原子核的质量必然比
组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损。由质量Δmc2
亏损可求出释放的核能ΔE=________。
•  思维诊断:
•  (1)原子中绝大部分是空的,原子核很小√          。(  )
•  (2)核式结构学说是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提√
出的。(  )                     √
•  (3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。(  )
 ×
•  (4)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。(  )                              ×
•  (5)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨
         √
道上。(  )
•  (6)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙
研究阴极射线发现电子开始的。(  )
•  (7)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开×
始的。(  )
• × (8)如果某放射性元素的原子核有100个,经过一个半衰
期后还剩50个。(  )                        ×
•  (9)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。(
  )
AD 
•  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
•  [解析] α粒子散射实验的结果是,绝大多数α粒子穿过
金箔后基本上仍沿原来的方向前进,少数α粒子发生了较大
偏转,极少数α粒子被反弹回来。因此,荧光屏和放大镜一
起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,在相同时间内
观察到屏上的闪光次数分别为绝大多数、少数、少数、极少
数,故A、D正确。
 C 


•  [解析] 各种原子的发射光谱都是线状谱,C错误。其他
选项的说法均正确,故本题答案为C项。
            D 


•  [解析] 光电效应说明光具有粒子性,A错误;阴极射线
实验说明能从原子中打出电子来,说明原子还可以再分,原
子具有复杂的结构,B错误;卢瑟福根据α粒子散射实验提
出了原子的核式结构模型,C错误;放射性元素自发地发出
射线的现象叫天然放射现象,使人们认识到原子核内具有复
杂的结构,D正确。
CD 
•  [解析] 原子序数大于83的元素都具有放射性,但不是
只有原子序数大于83的元素才具有放射性,故A错误。α射
线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两
个质子结合在一起从原子核中释放出来的,故B错误。β射
线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质
子同时释放出的一个高速电子即β粒子,发生β衰变时,元
素原子核的质量数不变,电荷数增加1,故C正确。原子核
在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放,故
D正确。
核心考点突破
       •氢原子能级及原子跃迁 
•  1.能级图中相关量意义的说明
        相关量                     意义
                      表示氢原子可能的能量状态—
能级图中的横线
                      —定态
横线左端的数字
                      表示量子数
“1,2,3…”
横线右端的数字“-13.6,
                      表示氢原子的能量
-3.4…”
                      表示相邻的能量差,量子数越
相邻横线间的距离              大相邻的能量差越小,距离越
                      小
                      表示原子由较高能级向较低能
带箭头的竖线                级跃迁,原子跃迁的条件为hν

                      =Em-En


C 
•  A.这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光
•  B.由n=2能级跃迁到n=1能级产生的光的频率最小
•  C.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
•  D.由n=4能级跃迁到n=1能级产生的光波长最大

〔类题演练 1 〕


                                            A 
•  [解析] 13eV的光子的能量小于基态的电离能,又不等
于基态与其他激发态间的能量差,该光子不会被吸收,电子
与氢原子碰撞,可以把一部分或全部能量传递给氢原子,而
使其发生跃迁,所以13eV的电子和10.2eV的电子都可以被
吸收。10.2eV的光子正好等于n=1能级和n=2能级的能量
差,可以被氢原子吸收发生跃迁。所以不能使基态氢原子吸
收能量而发生跃迁的是A。
〔类题演练 2 〕

                             C 
•  A.氦离子(He+)处于n=1能级时,能吸收45eV的能量
跃迁到n=2能级
•  B.大量处在n=3能级的氦离子(He+)向低能级跃迁时,
只能发出2种不同频率的光子
•  C.氦离子(He+)从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3
能级跃迁到n=2能级辐射出光子的波长大
•  D.若氦离子(He+)从n=2能级跃迁到基态,辐射出的光
子能使某金属板发生光电效应,则从n=4能级跃迁到n=2
能级释放的光子一定也能使该金属板发生光电效应
•  [解析] 吸收的光子能量等于两能级间的能量差,才能
发生跃迁,从n=1能级跃迁到n=2能级,吸收的光子能量
为40.8eV,故A错误。大量处在n=3能级的氦离子(He+)向
低能级跃迁,能发出3种不同频率的光子,故B错误。由图
可知,n=4能级和n=3能级的能量差小于n=3能级和n=2
能级的能量差,则从n=4能级跃迁到n=3能级辐射的光子
能量小于从n=3能级跃迁到n=2能级辐射的光子能量,所
以从n=4能级跃迁到n=3能级比从n=3能级跃迁到n=2能
级辐射出光子的频率低,波长大,故C正确。从n=2能级跃
迁到基态释放的光子能量为-13.6eV-(-54.4eV)=
40.8eV,若能使某金属板发生光电效应,从n=4能级跃迁
到n=2能级释放的光子能量为-3.4eV-(-13.6eV)=
10.2eV<40.8eV,则不一定能使该金属板发生光电效应,故
D错误。
       •原子核的衰变 半衰期 
•  1.确定衰变的种类及衰变次数的方法
•  不稳定的原子核自发地放出α粒子或β粒子后,转变为新
核的变化称为原子核的衰变。判断衰变的种类及衰变次数要
掌握几个要点。
•  (1)知道α粒子和β粒子的表示符号
•  α粒子实质是氦原子核,符号是He,其中4表示氦的质量
数,2表示氦的电荷数。β粒子实质是电子,符号是e,其中
0表示电子的质量数,-1表示电子的电荷数。


•  注意:①γ射线是伴随α衰变或β衰变产生的。放出γ射线
后,原子核的电荷数和质量数都不变,其实质是放射性元素
的原子核在发生α衰变或β衰变时,由于产生的某些新核具
有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子。
•  ②当放射性物质发生连续衰变时,原子核中有的发生α衰
变,有的发生β衰变,同时伴有γ射线产生,这时可连续放出
三种射线。

B 

〔类题演练 3 〕


 AB 

      •核反应类型及核反应方程 
• 1.核反应的四种类型

•  2.核反应过程一般是不可逆的,书写核反应方程不能用
等号,只能使用单向箭头“―→”连接,并表示反应方向。
•  3.核反应过程遵循质量数守恒,而不是质量守恒,核反
应过程中伴随着能量的巨大变化,反应前后质量会变化,一
般质量会亏损。
•  4.核反应过程中遵循电荷数守恒原理。
•  (1)________E 是发现中子的核反应方程B    ,________是研
究原子弹的基本核反应方程,A         ________是研究氢弹的基本
核反应方程。
•  (2)求B中X的质量数和中子数。
•  (3)判断以上五个核反应的反应类型。
•  解题导思:(1)试写出α粒子、β粒子、中子的符号。
•  (2)原子弹利用的反应类型是什么?
•  (3)氢弹利用的反应类型是什么?
•  答案:(1)α粒子符号是He,β粒子符号是e,中子的符号
是n。
•  (2)原子弹利用的是核裂变反应。
•  (3)氢弹利用的是核聚变反应。
•  [解析] (1)人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与
常见元素的原子核,箭头的右边也是常见元素的原子核。E
是查德威克发现中子的核反应方程。B是裂变反应,是研究
原子弹的核反应方程。A是聚变反应,是研究氢弹的核反应
方程。
•  (2)由电荷数守恒和质量数守恒可以判定,X质量数为144
,电荷数为56,所以中子数为144-56=88。
•  答案:(2)144 88 (3)轻核聚变 重核裂变 β衰变 α
衰变 人工转变
〔类题演练 4 〕
       •  核能的计算 
•  1.质能方程的理解
•  (1)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=mc2。
•  方程的含义是:物体具有的能量与它的质量之间存在简
单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量
减少,质量也减少。
•  (2)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=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。
•  2.核能释放的两种途径的理解
•  中等大小的原子核的比结合能最大,这些核最稳定。
•  (1)使较重的核分裂成中等大小的核。
•  (2)较小的核结合成中等大小的核,核子的比结合能都会
增加,都可以释放能量。

•  (2)原子核衰变过程中,α粒子、β粒子和新生原子核在磁
场中的轨迹。
•  ①α衰变中,α粒子和新生原子核在磁场中的轨迹外切,
如图(甲)所示。


•  ②β衰变中,β粒子和新生原子核在磁场中的轨迹内切,
如图(乙)所示。
•  (3)计算核能的方法
•  ①根据爱因斯坦质能方程,用核反应过程中质量亏损的
千克数乘以真空中光速的平方,即ΔE=Δmc2;
•  ②根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量,得
ΔE=质量亏损的原子质量单位数×931.5MeV。
•  ③根据平均结合能来计算核能
•  原子核的结合能=平均结合能×核子数。
•  ④有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算,此时
                    2
应注意动量、动能关系式p         =2mEk的应用。
                3

大于 
•  答案:(2)4.3×10-12J
〔类题演练 5 〕



2年高考模拟
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