1、第2节原子结构和原子核一、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：19091911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数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。(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)光谱分类 (3)氢原子光
2、谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式R，(n3,4,5，R是里德伯常量，R1.10107 m1)。(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(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：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hEmEn。(h是普朗克常量，h6.631034 Js)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周
3、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：EnE1(n1,2,3)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV。氢原子的半径公式：rnn2r1(n1,2,3)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.53 1010m。二、天然放射现象和原子核1原子核的组成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。2天然放射现象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，说明原子核具有复杂的结构。3放射性同位素的应用与防护(1
4、)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、作示踪原子等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。4原子核的衰变(1)衰变：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类衰变：XYHe如：UThHe；衰变：XYe如：ThPae。(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的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。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，其对应的能量Emc2。原子核分解成核子时要吸收
5、一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为Emc2。6裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程(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。典型的裂变反应方程：UnKrBa3n。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。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。(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。典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV。一、思考辨析(正确的画“”，错误的画“”)1、三种射线中，射线的电离作用最强。()2
6、半衰期与温度无关。()3如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。()4所有元素都可以发生衰变。()5核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。()6质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。()二、走进教材1(沪科版选修35P75T4改编)已知铋210的半衰期是5.0天，8 g铋210经20天后还剩下()A1 gB0.2 g C0.4 gD0.5 gD由公式mm0得m8 g0.5 g，D正确。2(人教版选修35P81例题)(多选)已知中子的质量是mn1.674 91027 kg，质子的质量是mp1.672 61027 kg，氘核的质量是mD3.343 61027 kg，则
7、氘核的比结合能为()A3.511013 JB1.10 MeVC1.761013 JD2.19 MeV答案BC3(粤教版选修35P97T3)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()AUThHe是衰变BNHeOH是衰变CHHHen是轻核聚变DSeKr2e是重核裂变答案AC 玻尔理论和能级跃迁1对氢原子能级图的理解(1)能级图如图所示。(2)能级图中相关量意义的说明。相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态定态横线左端的数字“1,2,3”表示量子数横线右端的数字“13.6，3.4”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大，相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖
8、线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为hEmEn2.(1)自发跃迁：高能级(m)低能级(n)放出能量，发射光子：hEmEn。(2)受激跃迁：低能级(n)高能级(m)吸收能量。光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差hEmEn。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EmEn。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。3电离(1)电离态：n，E0(2)电离能：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。例如：对于氢原子基态电离态，E吸0(13.6 eV)13.6 eV，即为基态的电离能。n2电离态：E吸0E23.4 eV，即为n2激发态的电离能。如吸收
9、能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有动能。典例示法1(20201月浙江选考T14)由玻尔原子模型求得氢原子能级如图所示，已知可见光的光子能量在1.62 eV到3.11 eV之间，则()A氢原子从高能级向低能级跃迁时可能辐射出射线B氢原子从n3的能级向n2的能级跃迁时会辐射出红外线C处于n3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线并发生电离D大量氢原子从n4能级向低能级跃迁时可辐射出2种频率的可见光CD氢原子从高能级向低能级跃迁时只能辐射出紫外线、可见光和红外线，而射线是原子核辐射的，选项A错误；氢原子从n3能级向n2能级跃迁时辐射出可见光，不会辐射出红外线，选项B错误；由于紫外线光子能
10、量大于处于n3能级氢原子的电离能1.51 eV，所以处于n3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线并发生电离，选项C正确；大量氢原子从n4能级向低能级跃迁时可以辐射出6种不同频率的光子，其中只有从n4能级跃迁到n2能级和从n3能级跃迁到n2能级时辐射的光子能量在可见光光子能量范围内，所以可辐射出2种频率的可见光，选项D正确。确定氢原子辐射光谱线的数量的方法典例示法2处于激发态的原子，如果在入射光子的电磁场的影响下，从高能态向低能态跃迁，同时两个状态之间的能量差以光子的形式辐射出去，这种辐射被称为受激辐射。原子发生受激辐射时，发出的光子的频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就
11、是激光产生的机理。发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量En、电子的电势能Ep、电子的动能Ek的变化情况是()AEn减小、Ep增大、Ek减小BEn减小、Ep减小、Ek增大CEn增大、Ep减小、Ek减小DEn增大、Ep增大、Ek增大B原子发生受激辐射时，向外辐射能量，可知原子总能量En减小。根据玻尔理论可知，氢原子的高能级轨道距离原子核比较远，所以氢原子发生辐射时，电子的运动轨道半径变小。由于原子核对电子的库仑力做正功，故电子的电势能Ep减小、动能Ek增大，故B项正确。氢原子跃迁前后电子的能量分析根据玻尔理论的轨道量子化假设可知氢原子的能级越高，则电子距离原子核越远，如图所示。则氢原子由高能级跃
12、迁到低能级时电子能量变化：动能Ek的变化情况因为库仑力的作用，电子围绕原子核做圆周运动，根据库仑力提供向心力可得km，且Ekmv2，所以Ekk，即电子在半径小的轨道上动能大。由图可知，当氢原子由高能级跃迁到低能级时，电子的运动轨道半径变小，故动能Ek变大。电势能Ep的变化情况方法一：根据氢原子能级跃迁规律可知，氢原子由高能级向低能级跃迁时，向外辐射光子，能量减小。氢原子的能量主要是电子的动能与电势能之和，氢原子的能量减小，电子的动能增大，故电势能Ep减小。方法二：原子核对电子的库仑力做正功，则电子的电势能Ep减小。1(2019全国卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.633.10 eV的
13、光为可见光。要使处于基态(n1)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()A12.09 eVB10.20 eVC1.89 eVD1.51 eVA因为可见光光子的能量范围是1.633.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n3能级，要给氢原子提供的能量最少为E(1.5113.60)eV12.09 eV，即选项A正确。2(2016北京高考)处于n3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有()A1种B2种 C3种D4种C大量氢原子从n3能级向低能级跃迁时，能级跃迁图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种，选项C正确。3(多选)如图所示是玻尔为解释氢原子光谱画出的
14、氢原子能级示意图。大量处于n3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，设普朗克常量为h，下列说法正确的是()A能产生3种不同频率的光子B产生的光子的最大频率为C当氢原子从能级n2跃迁到n1时，氢原子的能量变大D若氢原子从能级n2跃迁到n1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n3跃迁到n1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E3E2ABD根据C可得从n3能级向低能级跃迁能产生C3种不同频率的光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从n3能级向n1能级跃迁时产生的，根据公式hE3E1，解得，B正确；从高能级向低能级跃迁，释放光子，氢原子能量变小，C错误；若
15、氢原子从能级n2跃迁到n1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n3跃迁到n1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为EkmhW0(E3E1)(E2E1)E3E2，故D正确。 原子核的衰变及半衰期1衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程XYHeXYe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2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离作用穿透能力射线氦核He2e4 u最强最弱射线电子ee u较强较强射线光子00最弱最强3.衰变次数的计算方法若XYnHeme则AA
16、4n，ZZ2nm解以上两式即可求出m和n。4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N余N原，m余m原。式中N原、m原表示衰变前的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。(2020全国卷T19)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为HeAlXn。X会衰变成原子核Y，衰变方程为XYe。则()AX的质量数与Y的质量数相等BX的电荷数比Y的电荷数少1CX的电荷数比Al的电荷数多2DX的质量数与Al的
17、质量数相等AC根据电荷数守恒和质量数守恒，可知HeAlXn方程中X的质量数为30，电荷数为15，再根据XYe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，B、D错误。原子核的衰变1(多选)天然放射性元素Th(钍)经过一系列衰变和衰变之后，变成Pb(铅)。下列判断中正确的是()A衰变过程共有6次衰变和4次衰变B铅核比钍核少8个质子C衰变所放出的电子来自原子核外D钍核比铅核多24个中子AB由于衰变不会引起质量数的减少，故可先根据质量数的减少确定衰变的次数，x6，再结合核电
18、荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数，2xy90828，y2x84，钍232核中的中子数为23290142，铅208核中的中子数为20882126，所以钍核比铅核多16个中子，铅核比钍核少8个质子，由于物质的衰变与元素的化学状态无关，所以衰变所放出的电子来自原子核内，所以A、B正确。半衰期的理解与计算2(2018江苏高考)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为()A14B12 C21D41B经过2T，对A来说是2个半衰期，A的质量还剩，经过2T，对B来说是1个半衰期，B的质量还剩，所以剩有的A和B质量之比为12，选项B正确。衰变
19、中的动量守恒3.(多选)如图所示，静止的U核发生衰变后生成反冲Th核，两个产物都在垂直于它们速度方向的匀强磁场中做匀速圆周运动，下列说法正确的是()A衰变方程可表示为UThHeBTh核和粒子的圆周轨道半径之比为145CTh核和粒子的动能之比为145DTh核和粒子在匀强磁场中旋转的方向相反AB已知粒子为He，则由电荷数守恒及质量数守恒可知，衰变方程为：UThHe，故A正确；Th核和粒子都带正电荷，则在题图匀强磁场中都是逆时针旋转，故D错误；由动量守恒可得衰变后，则Th核和粒子的动能之比，故C错误；粒子在匀强磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，所以有Bvq，则R，所以Th核和粒子的圆周轨道半径之比，故
20、B正确。 核反应方程与核能的计算1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子PSie重核裂变容易控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变现阶段很难控制HHHen2.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。如质子(H)、中子(n)、粒子(He)、粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由
21、于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。3核能的计算方法(1)利用质能方程计算核能根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损m。根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能。质能方程Emc2中m的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则E的单位为“J”。Emc2中，若m的单位用“u”，则可直接利用Em931.5 MeV计算E，此时E的单位为“MeV”，即1 u1.660 61027 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用。(2)利用比结合能计算核能原子核的结合能核子的比结合能核子数。核反应中反应前系统内所有原子
22、核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能的差值，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。(多选)科学家使用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV，下列表述正确的有()AX是中子BY的质子数是3，中子数是6C两个核反应都没有质量亏损D氘和氚的核反应是核聚变反应AD核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，则由HHHeX17.6 MeV知X为n，由XYHeH4.9 MeV知Y为Li，其中Y的质子数是3，中子数也是3，选项A正确，选项B错误。两个核反应都释放出核能，故都有质量亏损，选项C错误。XYHeH4.9 MeV是原子核的
23、人工转变，HHHen17.6 MeV为轻核聚变，选项D正确。1本题以海水中氘核的聚变反应为背景命题，体现清洁能源的发展前景，增强学生的环境意识和社会责任感。2当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，释放能量。四类核反应1(多选)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程，表述正确的有()AHHHen是核聚变反应BHHHen是衰变CUnBaKr3n是核裂变反应DUnXeSr2n是衰变AC衰变时释放出电子(e)，衰变时释放出氦原子核(He)，可知选项B、D错误；一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应，A正确；重核被中子轰击
24、后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，C正确。结合能与比结合能的理解2(多选)我国自主研发的钍基熔盐是瞄准未来2030年后核能产业发展需求的第四代核反应堆，是一种液态燃料堆，使用钍铀核燃料循环，以氧化盐为冷却剂，将天然核燃料和可转化核燃料熔融于高温氯化盐中，携带核燃料在反应堆内部和外部进行循环。钍232不能直接使用，需要俘获一个中子后经过2次衰变转化成铀233再使用，铀233的一种典型裂变方程是UnBa Kr3n。已知铀233的结合能为E1、钡142的结合能为E2、氪89的结合能为E3，则()A铀233 比钍232少一个中子B铀233、钡142、氪89三个核中氪89的
25、结合能最小，比结合能却最大C铀233、钡142、氪89三个核中铀233的结合能最大，比结合能也最大D铀233的裂变反应释放的能量为EE1E2E3AB设钍的电荷数为a，则钍232俘获一个中子后经过2次衰变转化成铀233，则a92290，则钍中含有中子数为23290142；铀233含有中子数为23392141；则铀233 比钍232少一个中子，选项A正确；铀233、钡142、氪89三个核中氪89质量数最小，结合能最小，因核子数较小，则比结合能却最大，选项B正确，C错误；铀233的裂变反应中释放的能量等于生成物的结合能减去反应物的结合能，选项D错误；故选A、B。质量亏损核能的计算3(2019全国卷)太阳内部核反应的主要模式之一是质子质子循环，循环的结果可表示为4HHe2e2已知H和He的质量分别为mp1.007 8 u和m4.002 6 u，1 u931 MeV/c2，c为光速。在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为()A8 MeVB16 MeV C26 MeVD52 MeVC核反应质量亏损m41.007 8 u4.002 6 u0.028 6 u，释放的能量E0.028 6931 MeV26.6 MeV，选项C正确。