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1、第36讲原子结构原子核落实基础主干落实基础主干一、原子结构1.电子的发现:英国物理学家汤姆孙发现了电子。2.原子的核式结构(1)粒子散射实验:英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了粒子散射实验,实验发现,绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但有少数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”,如图所示。(2)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。3.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)
2、光谱分类(3)氢原子光谱的实验规律:巴耳末系是氢原子在可见光区的谱线,其波长满足 (n=3,4,5,),式中R是里德伯常量,R=1.10107 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。4.玻尔理论的三条假设(1)定态假设:原子的能量只能取一系列特定的值,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)跃迁假设:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,会辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由前后两个能级的能量差决定,即h=En-Em。(h是普朗克常量,h=6.6310-3
3、4 Js)(3)轨道假设: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。5.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级氢原子能级图如图所示(2)氢原子的能级和轨道半径氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,),其中基态能量E1最低,其数值为E1=-13.6 eV。氢原子的半径公式:rn=n2r1(n=1,2,3,),其中r1为基态半径,又称玻尔半径,其数值为r1=0.5310-10 m。二、原子核1.天然放射现象放射性元素自发地放出射线的现象,首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核内部是有结构的。2.原子核的组成:
4、原子核是由质子和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的质子数。3.原子核的衰变(1)衰变:原子核自发地放出粒子或粒子,变成另一种原子核的变化。(2)分类(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。半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的物理、化学状态无关。4.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:射线测厚仪、放射治疗、做示踪原子等。(3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。5.核力和核能(1)核力:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。(2)核能核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其对应的能
5、量E=mc2。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。6.裂变反应和聚变反应(1)重核裂变定义: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。链式反应:重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。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及其相应的质量。裂变的应用:原子弹、核电站。反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层。(2)轻核聚变定义: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。练一练1.判断下列说法对错(1)人们认识原子具有复杂结构是从物理学家卢瑟福研究
6、阴极射线发现电子开始的。()(2)原子中绝大部分是空的,原子核很小。()(3)按照玻尔理论,核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。()(4)如果某放射性元素的原子核有100个,经过一个半衰期后一定还剩50个原子核没有衰变。()(5)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。()2.如图为研究放射性元素射线性质的实验装置,两块平行放置的金属板A、B分别与电源的正负极连接。放射源发出的射线从其上方小孔向外射出,分裂成三束,分别为、三种射线。对于三种射线,下列说法正确的是()A.到达A板的射线为射线,电离能力最强B.到达B板的射线为射线,穿透能力最强C.到达A板的射线为射线,是原子核内的中子转化
7、为质子时放出的D.到达B板的射线为射线,可以用于治疗肿瘤C解析根据题意可知,A板带正电,B板带负电,带正电的粒子将向B板偏转,带负电的粒子将向A板偏转,射线为氦核流,带正电,将向B板偏转,且射线电离能力最强,穿透能力最弱,故A、B错误;射线为电子流,带负电,将向A板偏转,且射线是原子核内的中子转化为质子时放出的,其转变方程为 ,故C正确;射线为光子流,不带电,在电场中不会发生偏转,但可以用于治疗肿瘤,故D错误。3.物理学家卢瑟福用粒子轰击金箔,研究粒子被散射的情况,关于粒子散射实验,下列说法正确的是()A.原子中除了质子外还存在中子B.原子中的质量和正电荷是均匀分布的C.原子的结构类似于太阳系
8、的球形结构D.原子中几乎全部的质量和全部正电荷都集中在很小的区域内D解析粒子散射实验说明原子内存在一个集中了几乎全部的质量和全部正电荷的核,数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子,所以粒子散射实验不能证明原子中除了质子外还存在中子,故A、B错误,D正确;卢瑟福通过粒子散射实验提出了原子核式结构模型,和太阳系类似,称为行星模型,并非球形结构,故C错误。突破命题视角突破命题视角考点一原子的核式结构考点一原子的核式结构典例如图为粒子散射实验的示意图,放射源发出射线打到金箔上,带有荧光屏的放大镜转到不同位置进行观察,图中为其中的三个位置,下列对实验结果的叙述或依据实验结果做出的推理正确的是()A
9、.在位置接收到的粒子最多B.在位置接收到粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内C.位置接收到的粒子一定比位置接收到的粒子所受金原子核斥力的冲量更大D.若正电荷均匀分布在原子内,则三个位置接收到粒子的比例应相差不多B解析原子的内部是很空阔的,原子核非常小,所以绝大多数粒子的运动轨迹没有发生偏转,则在位置接收到的粒子最多,A错误;在位置接收到粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内,B正确;位置接收到的粒子一定比位置接收到的粒子所受金原子核斥力的冲量更小,因为在位置粒子速度反向,动量的变化量更大,所以冲量更大,C错误;若正电荷均匀分布在原子内,则粒子与原子正面撞击,粒子最后反弹,三个位置接收到粒子的比例
10、应相差较多,D错误。要点解读分析原子的核式结构模型所用的规律(1)库仑定律:,可以用来确定电子和原子核、粒子和原子核间的相互作用力。(2)牛顿运动定律和圆周运动规律:可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。(3)功能关系及能量守恒定律:可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。考点二玻尔理论与能级跃迁考点二玻尔理论与能级跃迁1.两类能级跃迁 光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差h=En-Em。碰撞、加热等:只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外En-Em。大于电离能的光子被吸收,将原子电离。2.电离(1)电离态:n=,E=0。(2)电
11、离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。氢原子:基态电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV,即为基态的电离能。n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV,即为n=2激发态的电离能。如吸收能量足够大,克服电离能后,电离出的自由电子还具有动能。典例(2023浙江杭州一模)在自然界中,一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间辐射红外线。通过对物体辐射红外线强度分布规律的测量,能准确地测定它的表面温度,这是红外测温仪测温原理。如图为氢原子能级示意图,高能级的氢原子能辐射的红外线光子的能量最大值为1.51 eV。则()A.大量处于第3能级的氢原子能辐射3种红
12、外线光子B.大量处于第5能级的氢原子能辐射3种红外线光子C.要使氢原子辐射出的光子可被红外测温仪捕捉,至少给基态氢原子提供12.09 eV能量D.若大量氢原子辐射红外线光子,则必定不会辐射可见光光子B解析红外线光子的能量不超过1.51 eV,第3能级向下跃迁辐射的光子能量最小值为1.89 eV,超过1.51 eV,故大量处于第3能级的氢原子不能辐射红外线光子,A错误;第5能级跃迁到第4能级、第4能级跃迁到第3能级、第5能级跃迁到第3能级辐射的光子能量值均小于1.51 eV,故大量处于第5能级的氢原子能辐射3种红外线光子,B正确;要使氢原子辐射出红外线光子,至少要使氢原子从基态跃迁到第4能级,从
13、第1能级跃迁到第4能级需要吸收12.75 eV的能量,故C错误;辐射能量有可能达到可见光的能量范围(可见光的能量范围一般为1.623.11 eV),故可能辐射可见光光子,D错误。变式练(多选)如图为氢原子能级的示意图,已知可见光光子的能量在1.623.11 eV范围内,则()A.处于n=1能级的基态氢原子可吸收一个可见光光子,发生电离B.处于n=2能级的氢原子可吸收能量为2.55 eV的可见光光子跃迁到更高能级C.处于n=5能级的大量氢原子向低能级跃迁时,可辐射10种不同频率的电磁波D.处于n=5和n=3能级的大量氢原子向低能级跃迁时,可辐射13种不同频率的电磁波BC解析基态氢原子的电离能为1
14、3.6 eV,高于可见光光子的能量,故处于n=1能级的基态氢原子吸收一个可见光光子不会发生电离,A错误;处于n=2能级的氢原子吸收能量为2.55 eV的可见光光子,能量为-3.4 eV+2.55 eV=-0.85 eV,可知氢原子跃迁至n=4能级,B正确;处于n=5能级的大量氢原子向低能级跃迁时,可辐射出不同频率的电磁波数量为 =10,故C正确;处于n=5能级的大量氢原子向低能级跃迁时辐射出的不同频率的电磁波,包含了n=3能级的大量氢原子向低能级跃迁时辐射出的不同频率的电磁波种类,故可辐射10种不同频率的电磁波,D错误。归纳总结确定氢原子辐射光谱线的数量的方法1.一个氢原子跃迁发出可能的光谱线
15、条数最多为n-1,例如一个氢原子由第4能级向低能级跃迁,发出的光谱线条数最多的是逐级跃迁,为3条。2.一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为考点三原子核的衰变及射线考点三原子核的衰变及射线1.对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少量原子核,无半衰期可言。(2)根据半衰期的概念,可总结出公式 。式中N原、m原表示衰变前放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,表示半衰期。2.衰变次数的计算方法 3.静止的原子核发生衰变后的轨迹利用动量守恒定律及左手定则可以判断衰变后粒子在匀强磁场中的轨迹形状。典例在火星上太阳能
16、电池板发电能力有限,因此科学家用放射性材料PuO2作为发电能源为火星车供电。PuO2中Pu元素的半衰期是87.7年,质量为20 g的Pu元素经过t年后,剩余Pu的质量为2.5 g,则t等于()A.76.7B.263.1C.175.4D.87.7B变式练(2023浙江温州三模)轧钢厂的热轧机上安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关。如图所示,某射线测厚仪采用放射性同位素铱192作为放射源,其化学符号是Ir,原子序数为77,放射源在进行衰变产生新核X的同时会释放出射线,放射性元素的半衰期为74天,下列说法正确的是()B.衰变放射出的粒子来自原子的核外电子C.若有4.0 g铱192,经过148天,有1.0 g发生了衰变D.若探测器测得的射线强度变弱,说明钢板厚度变小A解析根据衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒,可知衰变方程为 故A正确;衰变时,原子核内一个中子转化为一个质子和一个电子,则衰变放射出的粒子来自原子核内转化的电子,故B错误;半衰期为74天,若有4.0 g铱192,经过148天,有3.0 g发生了衰变,故C错误;若探测器测得的射线强度变弱,说明钢板厚度变大,故D错误。
