2019年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第十二章 近代物理初步 第2講 原子和原子核學(xué)案.doc
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第2講 原子和原子核 一、原子物理 1.原子的核式結(jié)構(gòu) (1)1909～1911年，英籍物理學(xué)家盧瑟福進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了核式結(jié)構(gòu)模型. (2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，基本上仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90，也就是說它們幾乎被“撞了回來”，如圖1所示. 圖1 (3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎占有全部質(zhì)量，電子在正電體的外面運(yùn)動(dòng). 2.氫原子光譜 (1)光譜：用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開，獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄，即光譜. (2)光譜分類 (3)氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：巴耳末系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長(zhǎng)公式＝R(－)(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10107 m－1). (4)光譜分析：利用每種原子都有自己的特征譜線可以用來鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分，且靈敏度很高.在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義. 3.玻爾理論 (1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量. (2)躍遷：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＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.6310－34 Js) (3)軌道：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)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的. 4.氫原子的能量和能級(jí)變遷 (1)能級(jí)和半徑公式： ①能級(jí)公式：En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E1＝－13.6 eV. ②半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1為基態(tài)軌道半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r1＝0.5310－10 m. (2)氫原子的能級(jí)圖，如圖2所示 圖2 自測(cè)1 (多選)如圖3所示為盧瑟福和他的同事們做α粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)觀察到的現(xiàn)象，下述說法中正確的是( ) 圖3 A.放在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多 B.放在B位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時(shí)稍少些 C.放在C、D位置時(shí)，屏上觀察不到閃光 D.放在D位置時(shí)，屏上仍能觀察到一些閃光，但次數(shù)極少 答案 ABD 解析 根據(jù)α粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù)α粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù)α粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，A、B、D正確. 自測(cè)2 一個(gè)氫原子從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)，該氫原子( ) A.放出光子，能量增加 B.放出光子，能量減少 C.吸收光子，能量增加 D.吸收光子，能量減少 答案 B 二、天然放射現(xiàn)象和原子核 1.天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象 元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu). (2)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù) 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兩類，放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同. ②應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、做示蹤原子等. ③防護(hù)：防止放射性對(duì)人體組織的傷害. 2.原子核的組成 (1)原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子.質(zhì)子帶正電，中子不帶電. (2)基本關(guān)系 ①核電荷數(shù)(Z)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù). ②質(zhì)量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù). (3)X元素的原子核的符號(hào)為X，其中A表示質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù). 3.原子核的衰變、半衰期 (1)原子核的衰變 ①原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變. ②分類 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋e 當(dāng)放射性物質(zhì)連續(xù)發(fā)生衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時(shí)伴隨著γ輻射. ③兩個(gè)典型的衰變方程 α衰變：U→ Th＋He β衰變：Th→Pa＋e. (2)半衰期 ①定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間. ②影響因素：放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系. (3)公式：N余＝N原，m余＝m原. 4.核力和核能 (1)原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力. (2)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＝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. 自測(cè)3 (2015福建理綜30(1))下列有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和原子核的認(rèn)識(shí)，其中正確的是( ) A.γ射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流 B.氫原子輻射光子后，其繞核運(yùn)動(dòng)的電子動(dòng)能增大 C.太陽(yáng)輻射能量的主要來源是太陽(yáng)中發(fā)生的重核裂變 D.Bi的半衰期是5天，100克Bi經(jīng)過10天后還剩下50克 答案 B 解析 β射線是高速電子流，而γ射線是一種電磁波，選項(xiàng)A錯(cuò)誤.氫原子輻射光子后，繞核運(yùn)動(dòng)的電子距核更近，動(dòng)能增大，選項(xiàng)B正確.太陽(yáng)輻射能量的主要來源是太陽(yáng)內(nèi)部氫核的聚變，選項(xiàng)C錯(cuò)誤.10天為兩個(gè)半衰期，剩余的Bi為100 g＝100()2 g＝25 g，選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 命題點(diǎn)一 玻爾理論和能級(jí)躍遷 1.定態(tài)間的躍遷——滿足能級(jí)差 (1)從低能級(jí)(n)高能級(jí)(m)→吸收能量. hν＝Em－En (2)從高能級(jí)(m)低能級(jí)(n)→放出能量. hν＝Em－En. 2.電離 電離態(tài)與電離能 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，獲得自由的電子還攜帶動(dòng)能. 例1 (多選)(2017江西南昌檢測(cè))如圖4所示是氫原子的能級(jí)圖，現(xiàn)有大量處于n＝3激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級(jí)躍遷，所輻射的光子中只有一種能使某金屬產(chǎn)生光電效應(yīng).以下判斷正確的是( ) 圖4 A.該光子一定是氫原子從激發(fā)態(tài)n＝3躍遷到基態(tài)時(shí)輻射的光子 B.若大量氫原子從激發(fā)態(tài)n＝3躍遷到低能級(jí)，可輻射出3種頻率的光子 C.若氫原子從激發(fā)態(tài)n＝4躍遷到基態(tài)，輻射出的光子一定能使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng) D.若大量氫原子從激發(fā)態(tài)n＝4躍遷到低能級(jí)，則會(huì)有3種光子使該金屬產(chǎn)生光電效應(yīng) 答案 ABC 變式1 (多選)如圖5是氫原子的能級(jí)圖，一群氫原子處于n＝3能級(jí)，下列說法中正確的是( ) 圖5 A.這群氫原子躍遷時(shí)能夠發(fā)出3種不同頻率的波 B.這群氫原子發(fā)出的光子中，能量最大為10.2 eV C.從n＝3能級(jí)躍遷到n＝2能級(jí)時(shí)發(fā)出的光波長(zhǎng)最長(zhǎng) D.這群氫原子能夠吸收任意光子的能量而向更高能級(jí)躍遷 答案 AC 解析 根據(jù)C＝3知，這群氫原子能夠發(fā)出3種不同頻率的光子，故A正確；由n＝3躍遷到n＝1，輻射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51) eV＝12.09 eV，故B錯(cuò)誤；從n＝3躍遷到n＝2輻射的光子能量最小，頻率最小，則波長(zhǎng)最長(zhǎng)，故C正確；一群處于n＝3能級(jí)的氫原子發(fā)生躍遷，吸收的能量必須等于兩能級(jí)的能級(jí)差，故D錯(cuò)誤. 命題點(diǎn)二 原子核的衰變及半衰期 1.衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì) (1)α衰變、β衰變的比較 衰變類型 α衰變 β衰變 衰變過程 X→Y＋He X→Y＋e 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)整體射出 1個(gè)中子轉(zhuǎn)化為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子 2H＋2n→He n→H＋e 勻強(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 (2)γ射線：γ射線經(jīng)常伴隨著α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生.其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子. 2.確定衰變次數(shù)的方法 因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無影響，所以先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù). 3.半衰期 (1)公式：N余＝N原，m余＝m原. (2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān). 例2 (2017全國(guó)卷Ⅱ15)一靜止的鈾核放出一個(gè)α粒子衰變成釷核，衰變方程為U→Th＋He，下列說法正確的是( ) A.衰變后釷核的動(dòng)能等于α粒子的動(dòng)能 B.衰變后釷核的動(dòng)量大小等于α粒子的動(dòng)量大小 C.鈾核的半衰期等于其放出一個(gè)α粒子所經(jīng)歷的時(shí)間 D.衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量 答案 B 解析 靜止的鈾核在α衰變過程中，滿足動(dòng)量守恒的條件，根據(jù)動(dòng)量守恒定律得pTh＋pα＝0，即釷核的動(dòng)量和α粒子的動(dòng)量大小相等，方向相反，選項(xiàng)B正確；根據(jù)Ek＝可知，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；半衰期的定義是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于一個(gè)α粒子不適用，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；鈾核在衰變過程中，伴隨著一定的能量放出，即衰變過程中有一定的質(zhì)量虧損，故衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和小于衰變前鈾核的質(zhì)量，選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 變式2 (2017湖南長(zhǎng)沙三月模擬)一個(gè)靜止的鈾核，放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，它發(fā)生一次α衰變后變?yōu)殁Q核，α粒子和釷核都在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).某同學(xué)作出如圖6所示運(yùn)動(dòng)徑跡示意圖，以下判斷正確的是( ) 圖6 A.1是α粒子的徑跡，2是釷核的徑跡 B.1是釷核的徑跡，2是α粒子的徑跡 C.3是α粒子的徑跡，4是釷核的徑跡 D.3是釷核的徑跡，4是α粒子的徑跡 答案 B 解析 由動(dòng)量守恒可知，靜止的鈾核發(fā)生α衰變后，生成的均帶正電的α粒子和釷核的動(dòng)量大小相等，但方向相反，由左手定則可知它們的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)為“外切”圓，又R＝＝，在p和B大小相等的情況下，R∝，因q釷>qα，則R釷下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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