1、12 近代物理初步 第二节 原子结构与原子核 知识架构 答案1.原子 线状 n2r1（n1，2，3）1n2E1 重核 轻核 质量数 电荷数基础自测 1.判断正误（1）人们认识原子具有复杂结构是从物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的.（）（2）卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出了核式结构学说.（）（3）原子中绝大部分是空的，原子核很小.（）（4）氢原子光谱是由一条一条亮线组成的.（）（5）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.（）（6）按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上.（）（7）三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是 射线、射线、射线.（）（8）衰变中
2、的电子来源于原子核外电子.（）（9）若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小.（）（10）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.（）（11）核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒.（）（12）目前核电站多数是采用核聚变反应发电.（）（13）爱因斯坦质能方程反映了物质的质量就是能量，它们之间可以相互转化.（）（14）质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量.（）答案：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）2.氢原子从能级 m 跃迁到能级 n 时辐射红光的频率为 1，从能级 n 跃迁到
3、能级 k 时吸收紫光的频率为 2，已知普朗克常量为 h，若氢原子从能级 k 跃迁到能级 m，则（）A.吸收光子的能量为 h1h2B.辐射光子的能量为 h1h2C.吸收光子的能量为 h2h1D.辐射光子的能量为 h2h1解析：氢原子从能级 m 跃迁到能级 n 时辐射红光，说明能级 m 高于能级 n，而从能级 n 跃迁到能级 k 时吸收紫光，说明能级 k 也比能级 n 高，而紫光的频率 2大于红光的频率 1，所以 h2h1，因此能级 k 比能级 m 高，所以若氢原子从能级 k 跃迁到能级 m，应辐射光子，且光子能量应为 h2h1.故选项 D 正确.答案：D考点突破 1.电子的发现 英国物理学家汤姆
4、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.粒子散射实验（1）粒子散射实验装置图 1221（2）粒子散射实验的结果：绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但少数 粒子穿过金箔后发生了大角度偏转，极少数 粒子甚至被“撞了回来”.3.原子的核式结构模型（1）粒子散射实验结果分析核外电子不会使 粒子的速度发生明显改变.汤姆孙模型不能解释 粒子的大角度散射.绝大多数 粒子沿直线穿过金箔，说明原子中绝大部分是空的；少数 粒子发生较大角度偏转，反映了原子内部集中存在着对 粒子有斥力的正电荷；极少数 粒子甚至被“撞了回来”，反映了个别 粒子正对着质量比 粒子大得多的物体运动时，受
5、到该物体很大的斥力作用.（2）原子的核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的所有正电荷和几乎所有质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外绕核旋转.（3）核式结构模型的局限性卢瑟福的原子核式结构模型能够很好地解释 粒子散射实验现象，但不能解释原子光谱是特征光谱和原子的稳定性.【典例 1】（多选）如图 1222 所示为卢瑟福和他的同事们做 粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中 A、B、C、D 四个位置时，观察到的现象，下述说法中正确的是（）图 1222A.放在 A 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B.放在 B 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比
6、 A 位置稍少些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【解析】在卢瑟福 粒子散射实验中，粒子穿过金箔后，绝大多数 粒子仍沿原来的方向前进，故选项 A 对；少数 粒子发生较大偏转，极少数 粒子偏转角度超过 90，极个别 粒子被反射回来，故选项 B、C 错，选项 D 对.【答案】AD变式训练 1 在卢瑟福的 粒子散射实验中，某一 粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图 1223 中实线所示.图中 P、Q 为轨迹上的点，虚线是过 P、Q 两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域.不考虑其他原子核对该 粒子的作用，那么关于该原子核的
7、位置，下列说法中正确的是（）图 1223A.可能在区域 B.可能在区域C.可能在区域D.可能在区域解析：粒子带正电，原子核也带正电，对靠近它的 粒子产生斥力，故原子核不会在区；如原子核在区，粒子会向区偏；如原子核在区，可能会出现如图所示的轨迹，故应选 A.答案：A1.定态和激发态 原子只能处于一系列能量不连续的状态中，具有确定能量的稳定状态叫做定态，原子处于最低能级的状态叫基态，其他的状态叫激发态.2.频率条件 当电子从能量较高的定态轨道（Em）跃迁到能量较低的定态轨道（En）时会放出能量为 h 的光子，则 hEmEn.反之，当电子吸收光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态，吸收的光子能量同
8、样由频率条件决定.3.原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道.4.成功与局限 玻尔的原子模型成功解释了氢原子光谱及原子的稳定性，但不能解释较复杂的原子的光谱现象.【典例 2】（2019 年三明模拟）按照玻尔理论，一个氢原子中的电子从一半径为 ra的圆轨道自发地直接跃迁到一半径为 rb的圆轨道上，已知 rarb，则在此过程中（）A.原子要发出某一频率的光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量也减小B.原子要吸收某一频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小C.原子要发出一系列频率的光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小D.原子要吸收一系列频率的
9、光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量也增大【解析】由玻尔氢原子理论知，电子轨道半径越大，原子能量越大，当电子从 ra跃迁到 rb时，原子能量减小，放出光子；在电子跃迁过程中，库仑力做正功，原子的电势能减小；由库仑力提供电子做圆周运动的向心力，即ke2r2 mv2r，r 减小，电子速度增大，动能增大，综上所述可知 A 正确.【答案】A变式训练 2（2019 年衡水高三检测）原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子.例如在某种条件下，铬原子的 n2 能级上的电子跃迁到 n1 能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给 n4 能级上的电子，使之脱离原子，这一现象叫作俄歇
10、效应，以这种方式脱离了原子的电子叫作俄歇电子，已知铬原子的能级公式可简化表示为 EnAn2，式中 n1，2，3，表示不同能级，A 是正的已知常数，上述俄歇电子的动能是（）A.1116A B.716AC.316AD.1316A解析：由题意可知铬原子 n1 能级能量为 E1A，n2 能级能量为 E2A4，从 n2 能级跃迁到 n1 能级释放的能量为EE2E13A4，n4 能级能量为 E4 A16，电离需要能量为 E0E4 A16，所以电子从 n4 能级电离后的动能为 EkEE3A4 A1611A16，故 B、C、D 错误，A 正确.答案：A变式训练 3（2019 年山东枣庄第十八中学模拟）（多选）
11、根据玻尔假设，若规定无穷远处的能量为 0，则量子数为 n 的氢原子的能量 EnE1n2，E1为基态的能量，经计算为13.6eV，现规定氢原子处于基态时的能量为 0，则（）A.量子数 n2 时能级的能量为 0B.量子数 n3 时能级的能量为8E19C.若要使氢原子从基态跃迁到第 4 能级，则需要吸收的光子能量为15E116D.若采用能量为9E110 的高速电子轰击而跃迁到激发态，这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出 10 种不同频率的光子解析：若规定无穷远处的能量为 0，则量子数为 n2 时的能量为 E213.622eV3.4 eV，若氢原子处于基态时的能量为 0，则量子数 n2 时能
12、级的能量为 10.2 eV，选项 A错误；量子数 n3 时能级的能量为E132E18E19，选项 B 正确；若要使氢原子从基态跃迁到第 4 能级，则需要吸收的光子能量为E142E115E116，选项 C 正确；采用能量为9E110的高速电子轰击而跃迁到激发态，根据 EmEnh，氢原子获得能量跃迁到 n3 激发态，则这些氢原子从激发态向低能级跃迁的过程中可释放出 3 种不同频率的光子，故 D 错误.答案：BC1.对氢原子能级图的理解（1）能级图如图 1224 所示.图 1224（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
13、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线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为 hEmEn2.谱线条数的确定方法（1）一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为（n1）.（2）一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法：用数学中的组合知识求解：NC2nn（n1）2；利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加.【典例 3】（2019 年天津师大附中质检）已知氢原子的基态能量为 E1，n2、3 能级所对应的能量分别为 E2和 E3，大量处于第 3 能级的
14、氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，依据玻尔理论，下列说法正确的是（）A.产生的光子的最大频率为E3E2hB.当氢原子从能级 n2 跃迁到 n1 时，对应的电子的轨道半径变小，能量变大C.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 E3E2D.若要使处于能级 n3 的氢原子电离，可以采用两种方法：一是用能量为E3的电子撞击氢原子，二是用能量为E3的光子照射氢原子【解析】大量处于能级 n3 的氢原子向低能级跃迁能产生 3 种不同频率的光子，产生光子的最大频率为E3E1
15、h；当氢原子从能级 n2 跃迁到 n1 时，能量减小，电子离原子核更近，电子轨道半径变小；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，由光电效应方程可知，该金属的逸出功恰好等于 E2E1，则当氢原子从能级 n3 跃迁到 n1 时放出的光子照射该金属时，逸出光电子的最大初动能为E3E1（E2E1）E3E2；电子是有质量的，撞击氢原子是发生弹性碰撞，由于电子和氢原子质量不同，故电子不能把E3的能量完全传递给氢原子，因此不能使氢原子完全电离，而光子的能量可以完全被氢原子吸收.综上所述，A、B、D 错误，C 正确.【答案】C变式训练 4（2019 年邯郸模拟）（多选）氢
16、原子能级如图 1225，当氢原子从 n3 跃迁到 n2 的能级时，辐射光的波长为 656 nm.以下判断正确的是（）图 1225A.氢原子从 n2 跃迁到 n1 的能级时，辐射光的波长大于 656 nmB.用波长为 325 nm 的光照射，可使氢原子从 n1 跃迁到 n2 的能级C.一群处于 n3 能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生 3 种谱线D.用波长为 633 nm 的光照射，不能使氢原子从 n2 跃迁到 n3 的能级解析：由玻尔的能级跃迁公式 EmEnhh c得 E3E2h c1，E2E1h c2，又 1656 nm，结合能级图上的能级值解得 2122 nm325 nm，故 A、B 错
17、误，D 正确；根据 C233 可知，一群处于 n3 能级氢原子向低级跃迁，辐射的光子频率最多 3 种，故 C正确.答案：CD1.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）基本关系核电荷数质子数（Z）元素的原子序数核外电子数.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AZX，其中 A 表示质量数，Z 表示核电荷数.2.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）三种射线（3）放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工
18、放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同.应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等.防护：防止放射性对人体组织的伤害.3.原子核的衰变、半衰期（1）原子核的衰变定义：原子核放出 粒子或 粒子，变成另一种原子核.两类衰变 衰变：AZXA4Z2Y42He，典型方程：238 92U234 90Th42He 衰变：AZXAZ1Y 01e，典型方程：234 90Th234 91Pa 01e（2）半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.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.【典例 4】（2019 年湖南石门一中模拟）目前，在居室
19、装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些材料都不同程度地含有放射性元素，下列有关放射性元素的说法中正确的是（）A.射线与 射线一样都是电磁波，但穿透本领远比 射线弱B.氡的半衰期为 3.8 天，4 个氡原子核经过 7.6 天后就一定只剩下 1 个氡原子核C.238 92U 衰变成206 82Pb 要经过 4 次 衰变和 7 次 衰变D.放射性元素发生 衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的【解析】射线的实质是电子流，射线的实质是电磁波，射线的穿透本领比较强，故 A 错误；半衰期对大量的原子核适用，对少量的原子核不适用，故 B 错误；因为 衰变的质量数不变，所以 衰变的次数 n
20、23820648，在 衰变的过程中电荷数总共少 16，则 衰变的次数 m161016，故 C 错误；衰变时，原子核中的一个中子，转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，故 D 正确.【答案】D变式训练 5 由于放射性元素237 93Np 的半衰期很短，所以在自然界一直未被发现，只是在使用人工的方法制造后才被发现.已知237 93Np 经过一系列 衰变和 衰变后变成209 83Bi，下列论断中正确的是（）A.209 83Bi 比237 93Np 少 28 个中子B.衰变过程中共发生了 7 次 衰变和 4 次 衰变C.衰变过程中共发生了 4 次 衰变和 7 次 衰变D.发生 衰变时，核内中子数不变
21、解析：209 83Bi 和237 93Np 的中子数分别为 126 和 144，相差 18 个，选项 A 错误；衰变的次数为2372094次7 次，7 次 衰变减少了 14 个中子，所以还需再发生 4 次 衰变才能共减少 18 个中子，故选项 B 正确，选项 C 错误；衰变是核内中子变为质子而放出的，故核内中子数要减少，选项 D 错误.答案：B1.核反应的四种类型 2.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（11H）、正电子（01e）、氘核（21H）、氚核（31H）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
22、依据，由于核反应不可逆，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.对质能方程的理解（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 Emc2.方程的含义：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 mc2.4.核能的计算方法（1）根据 E mc2计算时，m 的单位是“kg”，c 的单位是“m/s”，E 的单位
23、是“J”.（2）根据 E m931.5 MeV 计算时，m 的单位是“u”，E 的单位是“MeV”.（3）根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能核子数.【典例 5】（2017 年高考江苏卷）（多选）原子核的比结合能曲线如图 1226所示.根据该曲线，下列判断正确的有（）图 1226A.42He 核的结合能约为 14 MeVB.42He 核比63Li 核更稳定C.两个21H 核结合成42He 核时释放能量D.235 92U 核中核子的平均结合能比8936Kr 核中的大【解析】42He 核里面有四个核子，所以结合能约为 28 MeV，A 项错误；比结合能越大，原子核越稳定，B 项正
24、确；两个21H 核结合成42He 核时发生聚变反应，比结合能变大，有质量亏损，所以释放能量，C 项正确；235 92U 核中核子的平均结合能比8936Kr 核中的小，D项错误.【答案】BC变式训练 6 一个氘核和一个氚核聚合成一个氦核的反应方程是21H31H42He10n，此反应过程产生的质量亏损为 m.已知阿伏加德罗常数为 NA，真空中的光速为 c.若 1 mol氘和 1 mol 氚完全发生核反应生成氦，则在这个核反应中释放的能量为（）A.12NA mc2B.NA mc2C.2NA mc2D.5NA mc2解析：一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时，释放出的能量为mc2，1 mol 的氘核和
25、1 mol 的氚核结合成 1 mol 的氦核释放能量为 NAmc2.答案：B变式训练 7（2019 年枣庄二中高考模拟）（多选）科学家利用核反应获取氚，再利用氘和氚的核反应获得能量，核反应方程分别为：XY42He31H4.9 MeV 和21H31H42HeX17.6 MeV.下列表述正确的有（）A.X 是中子B.Y 的质子数是 3，中子数是 6C.两个核反应都没有出现质量亏损D.氘和氚的核反应是核聚变反应解析：根据核反应方程：21H31H42HeX，X 的质量数：m12341，核电荷数：z11120，所以 X 是中子，故 A 正确；根据核反应方程：XY42He31H，X是中子，所以 Y 的质量
26、数：m24316，核电荷数：z22103，所以 Y 的质子数是 3，中子数是 3，故 B 错误；根据两个核反应方程可知，都有大量的能量释放出来，所以一定都有质量亏损，故 C 错误；氘和氚的核反应过程中是质量比较小的核生成质量比较大的新核，所以是核聚变反应，故 D 正确.答案：AD规律方法 1.跃迁的几点注意事项（1）原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不能被吸收；不存在激发到 n 能级时能量有余，而激发到 n1 时能量不足，则可激发到 n 能级的问题.（2）原子还可以吸收外来实物粒子（例如自由电子）的能量而被激发，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，
27、所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值（EEmEn），就可使原子发生能级跃迁.2.解答有关核反应方程问题的技巧（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（11H）、中子（10n）、粒子（42He）、粒子（01e）、正电子（01e）、氘核（21H）、氚核（31H）等.（2）熟悉核反应的四种基本类型衰变、人工转变、裂变和聚变.（3）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，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律.（4）明白核反应过程是不可逆的核反应方程只能用箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接.3.核能计算的思路方法（1）应用质能方程解题的流程图：正确书写核反应方程计算质量亏损 m 利用 E mc2计算释放的核能（2）在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示.（3）核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能.针对训练 温示提馨请做：课时作业51（点击进入）word板块