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1、近代物理初步 第十二章 第2讲原子结构与原子核 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发现了 提出了原子的 枣糕模型 2 原子的核式结构 知识点1 历史 电子 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 粒子散射实验的结果 绝大多数 粒子穿过金箔后 基本上 但有少数 粒子发生了大角度偏转 偏转的角度甚至 也就是说它们几乎被 撞了回来 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 都集中在原子核里 带负电的电子在 粒子散射实验 仍沿原来的方向前进 大
2、于90 几乎全部质量和全部正电荷 核外空间运动 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 频率 和强度分布的记录 即光谱 2 光谱分类 知识点2 光谱 波长 连续 吸收 特征 特征谱线 1 玻尔的三条假设 1 定态 原子只能处于一系列 的能量状态中 在这些能量状态中原子是 的 电子虽然绕核运动 但并不向外辐射能量 2 跃迁 原子从一种定态跃迁到另一种定态时 它辐射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h h是普朗克常量 h 6 63 10 34J 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 因此电子的可能轨道也是
3、 知识点3 玻尔理论能级 不连续 稳定 Em En 不连续的 不连续的 2 基态和激发态原子能量最低的状态叫 其他能量较高的状态叫 3 氢原子的能级和轨道半径 1 氢原子的能级公式 E0 n 1 2 3 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 基态 激发态 13 6eV n2r1 4 氢原子的能级图 知识点1 原子核的组成 质子 中子 核子 质子 质子数 中子数 质量数 1 天然放射现象元素 地放出射线的现象 首先由 发现 天然放射现象的发现 说明 还具有复杂的结构 2 放射性和放射性
4、元素物质发射某种看不见的射线的性质叫 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 射线 射线 射线 知识点2 天然放射现象 自发 贝克勒尔 原子核 放射性 放射性元素 4 三种射线的比较 高速电子流 2e c 不偏转 最强 很弱 5 放射性同位素的应用与防护 1 放射性同位素 有 放射性同位素和 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 作 等 3 防护 防止放射性对人体组织的伤害 天然 人工 示踪原子 知识点3 原子核的衰变半衰期 粒子或 粒子 2 半衰期 1 定义 放射性元素的原子核有 发生衰变所需的时间 2 影响因素 放射性元
5、素衰变的快慢是由核 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 半数 内部 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 核力是强相互作用的一种表现 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内 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 的能量或原子核分解为核子时 的能量 叫做原子核的结合能 亦称核能 知识点4 核力 结合能 质量亏损 释放 吸收 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
6、 4 质能方程 质量亏损爱因斯坦质能方程E 原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小 m 这就是质量亏损 由质量亏损可求出释放的核能 E mc2 mc2 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 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
7、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 1 2018 山东烟台期末 卢瑟福提出了原子的核式结构模型 这一模型建立的基础是 A 粒子散射实验B 电子的发现C 光电效应现象的发现D 天然放射性现象的发现 解析 卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型 对阴极射线的研究发现了电子 使人们认识到原子还可以再分 光电效应揭示了光的粒子性 天然放射性现象说明原子核内部有复杂结构 故A正确 A 2 2018 云南曲靖一中模拟 多选 关于天然放射性 下列说法正确的是 A 天然元素都可能发生衰变B 天然放射性元素的半衰期与外界的温度条件有关C 天然放射性元素与其他元素形
8、成化合物后 仍具有放射性D 三种射线中 射线的电离能力最强 CD 解析 并不是所有的天然元素都能衰变 故A错误 天然放射性元素的半衰期只取决于原子核自身的内部结构 与外界因素无关 故B错误 放射性元素其放射性来自于原子核内部 与其他元素形成化合物并没有改变其内部原子核结构 所以仍具有放射性 故C正确 和 三种射线中 射线电离能力最强 故D正确 3 2018 湖北孝感一中等五校联考 下列关于玻尔原子理论及氢原子能级的说法 正确的是 A 原子中的电子在某一定态时 电子做加速运动 向外辐射能量B 原子中的电子运行轨道分布是连续的C 一群氢原子从n 3能级向n 1能级跃迁 最多能发出两种不同频率的光子
9、D 氢原子的核外电子由一个能级跃迁到另一个能级吸收光子时 氢原子的能量增大 D 解析 原子处于称为定态的能量状态时 虽然电子做加速运动 但并不向外辐射能量 故A错误 原子的能量是量子化的 所以电子的运行轨道分布是不连续的 故B错误 一群氢原子从n 3能级向n 1能级跃迁 最多能发出3种不同频率的光子 故C错误 氢原子的核外电子由一个能级跃迁到另一个能级吸收光子时 氢原子的能量增大 故D正确 核心考点突破 1 能级图中相关量意义的说明 考点一 氢原子能级及原子跃迁 例1 BD 类题演练1 A 解析 因为Em En h 知Eb Ea Ec 即h b h a h c 解得 b a c 故A正确 1
10、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 粒子或 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 粒子和 粒子的表示符号 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 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 2 知道 衰变和 衰变满足两种 守恒 衰变过程中 电荷数和质量数都守恒 考点二 原子核的衰变半衰期 注意 射线是伴随 衰变或 衰变产生的 放出 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 衰变或 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
11、 而辐射出光子 当放射性物质发生连续衰变时 原子核中有的发生 衰变 有的发生 衰变 同时伴有 射线产生 这时可连续放出三种射线 例2 BC 类题演练2 AB 1 核反应的四种类型 考点三 核反应类型及核反应方程 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 例3 C AB E F 解析 一个原子核自发地放出一个 粒子 生成一个新核的过程是 衰变 因此C项是 衰变 一个重核在一个粒子的轰击下 分裂
12、成几个中等质量原子核的过程是重核的裂变 因此E项是重核的裂变 两个较轻的原子核聚合成一个较大的原子核 并放出粒子的过程是轻核的聚变 因此F项是轻核的聚变 另外 A B项是 衰变 D项是原子核的人工转变 方法技巧 四种核反应的快速区分 1 衰变反应 反应方程左边只有一个原子核 右边有两项且其中包含一个氦核或电子 2 人工核反应 核反应方程左边有一个原子核和 粒子 中子 质子 氘核等粒子中的一个 右边有一个新核 也可能包括另一个粒子 3 重核的裂变 左边为重核与中子 右边为两个以上的核并放出若干个粒子 方程两边中子数不可抵消 4 轻核的聚变 左边为轻核 右边为质量数较大的核 例如氘核和氚核聚变成氦
13、核的反应 类题演练3 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 m 其能量也要相应减少 即 E mc2 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 m 吸收的能量为 E mc2 考点四 核能的计算 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
14、 2 原子核衰变过程中 粒子 粒子和新生原子核在磁场中的轨迹 衰变中 粒子和新生原子核在磁场中的轨迹外切 如图 甲 所示 衰变中 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 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 E mc2 根据1原子质量单位 u 相当于931 5MeV的能量 得 E 质量亏损的原子质量单位数 931 5MeV 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 有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算 此时应注意动量 动能关系式p2 2mEk的应用 例4 类题演练4 C 解析 根据核反应前后质量数守恒
15、和电荷数守恒 可判断X为中子 故A错误 该反应中的质量亏损为 m 2 0141u 3 0161u 4 0026u 1 0087u 0 0189u 故B错误 由爱因斯坦质能方程可知释放出的能量为 E 2 0141 3 0161 4 0026 1 0087 931 5MeV 17 6MeV 故C正确 该反应中释放一部分能量转化为X粒子的动能 故D错误 2年高考模拟 B A B 4 2018 天津理综 5 氢原子光谱在可见光区域内有四条谱线H H H 和H 都是氢原子中电子从量子数n 2的能级跃迁到n 2的能级时发出的光 它们在真空中的波长由长到短 可以判定 A H 对应的前后能级之差最小B 同一介质对H 的折射率最大C 同一介质中H 的传播速度最大D 用H 照射某一金属能发生光电效应 则H 也一定能 A A 解析 A是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程 B是用 粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程 C属于原子核的人工转变 D属于重核的裂变 因此只有A符合要求
