(新高考)高考物理一轮复习课时练习第13章第2讲《原子和原子核》(含解析)

第2讲　原子和原子核 一、原子结构 1.原子的核式结构 (1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型。 (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”，如图1所示。 图1 (3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动。 2.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：巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R(－)(n＝3，4，5，…，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)。 (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。 3.玻尔理论 (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。 (2)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hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·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。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。 4.氢原子的能级图，如图2所示 图2 【自测1】 (2020·天津卷，1)在物理学发展的进程中，人们通过对某些重要物理实验的深入观察和研究，获得正确的理论认识。下列图示的实验中导致发现原子具有核式结构的是(　　) 答案　D 解析　发现原子具有核式结构的是卢瑟福的α粒子轰击金箔发生散射的实验，选项D正确。 【自测2】 [2020·陕西渭南市教学质量检测(Ⅰ)]金属钠的逸出功为2.49 eV，氢原子的能级分布如图3所示，一群氢原子处于n＝4的激发态，当它们向较低的能级跃迁时发出的光照射金属钠，能使金属钠逸出光电子的光子频率有(　　) 图3 A.1种 　　 B.2种 C.3种 　　 D.4种 答案　D 解析　根据数学组合公式C＝6，可知，这群处于n＝4激发态的氢原子共能辐射出6种不同频率的光，由图可知，从n＝4到n＝3跃迁时放出光子的能量为0.66 eV，小于金属钠的逸出功，不能使金属钠逸出光电子，同理从n＝3到n＝2 跃迁时放出光子的能量为1.89 eV，小于金属钠的逸出功，不能使金属钠逸出光电子，所以能使金属钠逸出光电子的光子频率有4种，故D正确。 二、天然放射现象和原子核 1.天然放射现象 (1)天然放射现象 放射性元素自发地发出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。 (2)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。 ②应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等。 ③防护：防止放射性对人体组织的伤害。 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)基本关系 ①电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝原子的核外电子数。 ②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A表示质量数，Z表示核电荷数。 3.原子核的衰变、半衰期 (1)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。 ②分类 α衰变：X→Y＋He β衰变：X→Y＋e 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辐射。 ③两个典型的衰变方程 α衰变：92U→90Th＋He β衰变：90Th→91Pa＋e。 (2)半衰期 ①定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。 ②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()。 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Δm，其对应的能量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。 5.裂变反应和聚变反应、裂变反应堆 核反应方程 (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典型的裂变反应方程： U＋n→Kr＋Ba＋3n。 ③链式反应：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。 ④临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。 ⑤裂变的应用：原子弹、核反应堆。 ⑥反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、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反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。 ②典型的聚变反应方程： H＋H→He＋n＋17.6 MeV 【自测3】 (2021·1月湖南普高校招生适应性考试，1)2020年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL－2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程中，正确的核聚变反应方程是(　　) A.H＋H→He＋n B.U→Th＋He C.U＋n→Ba＋Kr＋3n D.He＋Al→P＋2n 答案　A 解析　A项方程是核聚变，B项方程为α衰变，C项方程为重核裂变，D项方程为人工核转变。故选A。 命题点一　玻尔理论和能级跃迁 1.定态间的跃迁——满足能级差 (1)从低能级(n)高能级(m)―→吸收能量。 hν＝Em－En (2)从高能级(m)低能级(n)―→放出能量。 hν＝Em－En 2．电离 电离态与电离能 电离态：n＝∞，E＝0 基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。 激发态→电离态：E吸＞0－En＝|En|。 若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。 【例1】 (2019·全国卷Ⅰ，14)氢原子能级示意图如图4所示。光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　) 图4 A．12.09 eV 　　　 B．10.20 eV C．1.89 eV 　　　 D.1.51 eV 答案　A 解析　因为可见光光子的能量范围是1.63 eV～3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n＝3能级，要给氢原子提供的能量最少为E＝(－1.51＋13.60) eV＝12.09 eV，即选项A正确。 【变式1】 (2020·山东青岛市上学期期末)如图5，为氢原子能级图；金属钾的逸出功为2.25 eV，则下面有关说法正确的是(　　) 图5 A.处于基态的氢原子能吸收13.0 eV的光子后跃迁至n＝3能级 B.大量处n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出5种不同频率的光 C.用处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁所辐射出的各种色光照射金属钾，都能发生光电效应 D.用大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁所辐射出的光照射金属钾，所产生光电子的最大初动能为10.5 eV 答案　D 解析　用能量为13.0 eV的光子照射，基态的氢原子若吸收13 eV的能量，则能量值为－0.6 eV，氢原子没有该能级。所以不能使处于基态的氢原子跃迁，故A错误；大量处于n＝4能级的氢原子，最多可以辐射出n＝6种不同频率的光，故B错误；现有一群处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁，根据n＝3，知该群氢原子可能发射3种不同频率的光子，但是n＝3能级跃迁到n＝2能级的光子能量小于2 eV，所以能使该金属发生光电效应的频率共有2种，故C错误；n＝4能级的氢原子跃迁到基态时，释放光子的能量E＝E4－E1＝12.75 eV，再根据光电效应方程式得光电子的最大初动能为Ek＝E－W0＝12.75 eV－2.25 eV＝10.5 eV，故D正确。 【变式2】 [2020·江苏省统考(三)]为了做好疫情防控工作，小区物业利用红外测温仪对出入人员进行体温检测。红外测温仪的原理是：被测物体辐射的光线只有红外线可被捕捉，并转变成电信号。图为氢原子能级示意图，已知红外线单个光子能量的最大值为1.62 eV，要使氢原子辐射出的光子可被红外测温仪捕捉，最少应给处于n＝2激发态的氢原子提供的能量为(　　) 图6 A.10.20 eV B.2.89 eV C.2.55 eV D.1.89 eV 答案　C 解析　处于n＝2能级的氢原子不能吸收10.20 eV、2.89 eV的能量，则选项A、B错误； 处于n＝2能级的氢原子能吸收2.55 eV的能量而跃迁到n＝4的能级，然后向低能级跃迁时辐射光子，其中从n＝4到n＝3的跃迁辐射出的光子的能量小于1.62 eV可被红外测温仪捕捉，选项C正确；处于n＝2能级的氢原子能吸收1.89 eV的能量而跃迁到n＝3的能级，从n＝3到低能级跃迁时辐射光子的能量均大于1.62 eV，不能被红外测温仪捕捉，选项D错误。 【变式3】 (2020·山东青岛市5月统一质量检测)已知氢原子能级公式为En＝，其中n为量子数。氢原子从n能级向n－1能级跃迁时释放出的能量可以使处于n能级上的氢原子电离，则n的最大值为(　　) A.2 B.3 C.2＋ D.4 答案　B 解析　氢原子从n能级向n－1能级跃迁时释放出的能量ΔE＝En－En－1＝－，由题意可知－≥0－，由数学知识可得n≤2＋或n≤2－，故n的最大值应取3，故B正确，A、C、D错误。 命题点二　原子核的衰变及半衰期 1.衰变规律及实质 (1)α衰变和β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变过程 X→Y＋He X→Y＋e 衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 1个中子转化为1个质子和1个电子 2H＋2n→He n→H＋e 匀强磁场中轨迹形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 (2)γ射线：γ射线经常伴随着α衰变或β衰变同时产生。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。 2.确定衰变次数的方法 因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。 3.半衰期 (1)公式：N余＝N原()，m余＝m原()。 (2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。 4.衰变中的动量问题：满足动量守恒定律。 【例2】 (多选)(2020·全国卷Ⅲ，19)1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为He＋Al→X＋n。X会衰变成原子核Y，衰变方程为X→Y＋e。则(　　) A.X的质量数与Y的质量数相等 B.X的电荷数比Y的电荷数少1 C.X的电荷数比Al的电荷数多2 D.X的质量数与Al的质量数相等 答案　AC 解析　根据电荷数守恒和质量数守恒，可知He＋Al→X＋n方程中X的质量数为30，电荷数为15，再根据X→Y＋e方程可知Y的质量数为30，电荷数为14，故X的质量数与Y的质量数相等，X的电荷数比Y的电荷数多1，X的电荷数比Al的电荷数多2，X的质量数比Al的质量数多3，选项A、C正确