高中物理高考 第2讲　原子和原子核 教案

《金版教程》高考总复习·物理（新教材） 第2讲　原子和原子核 知识点　　原子结构、光谱和能级跃迁　Ⅰ 1．原子的核式结构 (1)电子的发现：英国物理学家J．J.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)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数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，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞”了回来。 (3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。 2．光谱 (1)光谱 用棱镜或光栅可以把各种颜色的光按波长(频率)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 有些光谱是一条条的亮线，叫作谱线，这样的光谱叫作线状谱，又叫原子的特征谱线。有的光谱是连在一起的光带，叫作连续谱。 (3)氢原子光谱的实验规律 1885年，巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线作了分析，发现这些谱线的波长满足公式＝R∞(n＝3,4，5，…)，R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1.10×107 m－1。这个公式称为巴耳末公式，它确定的这一组谱线称为巴耳末系。 3．氢原子的能级跃迁 (1)玻尔理论 ①轨道量子化与定态：电子的轨道是量子化的。电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。因此，原子的能量也只能取一系列特定的值，这些量子化的能量值叫作能级。原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态。能量最低的状态叫作基态，其他的状态叫作激发态。 ②频率条件：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hν＝En－Em(m＜n，h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)。 (2)氢原子的能级图 知识点　　天然放射性、原子核的组成　Ⅰ1.天然放射现象 (1)放射性与放射性元素：物质发出射线的性质称为放射性。具有放射性的元素称为放射性元素。 (2)天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核内部是有结构的。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。 (3)三种射线的比较 射线名称 比较项目 α射线 β射线 γ射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高 频电磁波) 电荷量 2e －e 0 质量 4mp 静止质量 为零 符号 He e γ 速度 可达c 接近c c 垂直进入电场或磁场的偏转情况 偏转 偏转 不偏转 穿透能力 最弱 较强 最强 对空气的 电离作用 很强 较弱 很弱 2．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)原子核常用符号X表示，X为元素符号，A表示核的质量数，Z表示核的电荷数。 (3)原子核的电荷数＝核内的质子数＝元素的原子序数＝中性原子的核外电子数，原子核的质量数＝核内的核子数＝质子数＋中子数，质子和中子都为一个单位质量。 (4)同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素，具有相同的化学性质。 知识点　　放射性元素的衰变　Ⅰ 射线的危害和防护　Ⅰ1.原子核的衰变 (1)原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化，称为原子核的衰变。原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 (2)分类 α衰变：X→Y＋He； β衰变：X→Y＋e。 注：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。 (3)两个重要的衰变 ①U→Th＋He； ②Th→Pa＋e。 2．α衰变、β衰变和γ辐射的实质 (1)α衰变：原子核中的两个中子和两个质子结合起来形成α粒子，并被释放出来。 (2)β衰变：核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，电子发射到核外。 (3)γ辐射：原子核的能量不能连续变化，存在着能级。放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。因此，γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。 3．半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 4．放射性的应用与防护 (1)放射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。 例如：Al＋He→P＋n，P→Si＋e。 有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类。 (2)应用：工业测厚，放射治疗，培优、保鲜，作为示踪原子等。 (3)防护：防止过量射线对人体组织的破坏。 知识点　　核反应方程　Ⅰ 1．核反应 (1)核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程，称为核反应。 (2)核反应中遵循两个守恒规律，即质量数守恒和电荷数守恒。 2．衰变及核反应的三种类型的比较 类型 可控性 方程典例 衰变 α衰变 自发 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工控制 14 7N＋He→O＋H (卢瑟福发现质子) He＋Be→C＋n (查德威克发现中子) 重核裂变 比较容易进行人工控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n 轻核聚变 较难进行人工控制 H＋H→He＋n 知识点　　核力、结合能、质量亏损　Ⅰ 1．核力 (1)定义：原子核中的核子之间存在的一种很强的相互作用力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核。 (2)特点 ①核力是强相互作用的一种表现； ②核力是短程力，作用范围只有约10－15 m，即原子核的大小。 2．结合能 原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。 3．比结合能 (1)定义：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。 (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，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 爱因斯坦质能方程E＝mc2。原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这就是质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。 知识点　　核裂变和核聚变、裂变反应堆　Ⅰ 1．重核裂变 (1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。 (2)特点 ①核裂变过程中能够放出巨大的能量。 ②核裂变的同时能够放出2或3个中子。 ③核裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变，有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率非常小。 (3)典型的核裂变反应方程 U＋n→Kr＋Ba＋3n。 (4)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。 (5)临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 (6)核裂变的应用：原子弹、核反应堆。 (7)反应堆构造：核燃料、慢化剂(如重水、石墨)、镉棒(也叫控制棒，它可以吸收中子，用于调节中子数目以控制反应速度)、防护层。 2．轻核聚变 (1)定义 两个轻核结合成质量较大的核的核反应。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。 (2)特点 ①核聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。 ②核聚变反应比核裂变反应更剧烈。 ③核聚变反应比核裂变反应更安全、清洁。 ④自然界中核聚变反应原料丰富。 (3)典型的核聚变反应方程 H＋H→He＋n＋17.6 MeV。 一 堵点疏通 1．α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。(　　) 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．氢原子可以吸收任何能量的光子而发生跃迁。(　　) 4．氢原子光谱是线状的，不连续的，波长只能是分立的值。(　　) 5．β射线中的电子来源于原子核外电子。(　　) 6．目前核电站多数是采用核聚变反应发电。(　　) 7．人工放射性同位素被广泛地应用。(　　) 8．核力是弱相互作用力。(　　) 9．质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(　　) 10．质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。(　　) 答案　1.√　2.×　3.×　4.√　5.×　6.×　7.√ 8．×　9.×　10.× 二 对点激活 1. (人教版选择性必修第三册·P80实验改编)如图所示为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法不正确的是(　　) A．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多 B．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多 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 答案　C 解析　根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到的闪光次数最多，故A正确；少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少，因此B、D正确，C错误。本题选说法不正确的，故选C。 2．关于巴耳末公式：＝R∞(n＝3,4,5…)，理解正确的是(　　) A．式中n只能取整数，R∞称为巴耳末常量 B．巴耳末线系有4条谱线位于红外区 C．在巴耳末线系中n值越大，对应的波长越短 D．巴耳末线系的谱线是氢原子从n＝2的能级向n＝3、4、5、6…能级跃迁时辐射产生的 答案　C 解析　巴耳末公式中n为量子数，不可以取任意值，只能取整数，且为3,4,5，…，R∞称为里德伯常量，故A错误；根据巴耳末公式：＝R∞，可知在巴耳末线系中n值越大，对应的波长λ越短，故C正确；巴耳末线系有4条谱线位于可见光区，其余谱线位于紫外光区，故B错误；巴耳末线系的谱线是氢原子从n＝3、4、5、6…能级向n＝2能级跃迁时辐射产生的，故D错误。 3．(人教版选择性必修第三册·P91·T4改编)(2016·北京高考)处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有(　　) A．1种 B．2种 C．3种 D．4种 答案　C 解析　处于能级为n的大量氢原子向低能级跃迁能辐射光的种类为C，所以处于n＝3能级的大量氢原子向低能级跃迁，辐射光的频率有C＝3种，故C项正确。 4．(多选)下列说法正确的是(　　) A．阴极射线和β射线的本质都是电子流，在原子内的来源是相同的 B．太阳辐射的能量主要来源于太阳中的裂变反应 C．γ射线的穿透能力比α射线强 D．红外线的波长比X射线的波长长 答案　CD 解析　阴极射线和β射线的本质都是电子流，但是阴极射线的来源是原子核外的电子，而β射线的来源是原子核内的中子转化为质子时产生的电子，故A错误；太阳辐射的能量主要来源于太阳中的聚变反应，故B错误；γ射线的穿透能力比α射线强，故C正确；红外线的波长比X射线的波长长，故D正确。 5．已知钍234(Th)衰变产生Pa，半衰期是24天，下列说法正确的是(　　) A.Th发生的是α衰变 B．极低温条件下Th的衰变会变慢 C．1 g钍经过120天后还剩0.03125 g D．32个钍原子核Th经过72天后还剩4个 答案　C 解析　由电荷数守恒和质量数守恒可知衰变方程为Th→Pa＋e，是β衰变，A错误；放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，与所处物理状态、化学状态无关，B错误；m余＝m原＝1× g＝0.03125 g，C正确；放射性元素的半衰期描述的是统计规律，对少数核的衰变不适用，D错误。 6．(