1、第4讲原子结构和原子核一、卢瑟福核式结构模型 1汤姆生的“枣糕”模型(1)1897 年，_发现电子，提出原子的“枣糕”模型，揭开了人类研究原子结构的序幕汤姆生均匀(2)“枣糕”模型：原子是一个球体，正电荷_分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里实验规律卢瑟福的分析_粒子仍沿原来的方向前进原子中间绝大部分是_少数粒子发生了较_的偏转，极少数的偏转角超过了_，个别甚至被弹回，偏转角几乎达到 180粒子碰到了质量比自己大得多的带正电的物质，原子的正电荷和几乎全部的质量都集中在一个很小的范围内2卢瑟福的核式结构模型绝大多数大90空隙(1)粒子散射实验装置：如图13-4-1 所示图13-4-
2、1(2)粒子散射实验规律及卢瑟福对实验现象的分析(3)原子核式结构模型在原子的中心有一个很小的核，叫_原子的全部_电荷和几乎全部的_都集中在原子核里原子核正质量旋转带负电的电子在核外空间里绕着核_(4)原子核大小：从粒子散射实验的数据估算出原子核的半径约为 10151014 m(原子的半径约为 1010 m)3质子和中子统称_，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的_数等于其质子数与中子数之和具有相同_数的原子属于同一种元素；具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称_核子质量质子同位素【基础检测】1(2013 年福建卷)在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看做静止不动，下列各图画出的是其中
3、两个粒子经)答案：CA历金箔散射过程的径迹，其中正确的是(BCD二、玻尔原子模型与原子光谱 1玻尔原子模型为解决原子核结构的稳定性和原子发光的不连续性问题，玻尔提出了三条假设：量子化能量稳定(1)轨道假设：轨道是_的，其半径只能是某些分立的值能量辐射吸收能级差(2)定态假设：不同的轨道对应着不同的_状态，这些状态中原子是_的，不向外辐射能量(3)跃迁假设：原子在不同的状态具有不同的_，从一个定态向另一个定态跃迁时要_或_一定频率的光子，该光子的能量等于这两个状态的_2能级：在玻尔模型中，原子的可能状态是_的，因此各状态对应的能量也是_的，这些能量值叫能级不连续不连续3基态与激发态：能量_状态叫
4、做基态；其他能量状态叫激发态最低的4 光子的辐射与吸收：原子由激发态向基态跃迁时要_光子，由基态向激发态跃迁时要_光子光子的频率与能级的关系为_辐射吸收hEmEn5原子光谱(1)光谱分析：利用元素的特征谱线(线状谱)分析和确定物质的组成成分(2)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式为1R122 1n2(n3,4,5，R 是里德伯常量，R1.10107 m1)【基础检测】2(多选，2014 年山东卷)氢原子能级如图 13-4-2 所示，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13-4-2A氢原子从 n2 跃迁到
5、n1 的能级时，辐射光的波长大于 656 nmB用波长为 325 nm 的光照射时，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：根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，当氢原子从n2 能级跃迁到 n1 的能级时，辐射光的波长一定小于656nm，因此A选项错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率 的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n3能级上 的氢原子向低能级跃迁时可以产生3 种频率的光子，所以C选 项正确 答案：CD三、原子核1天然放射现象的发现贝
6、克勒尔(1)_发现天然放射现象，使人们认识到原子核也有复杂结构，揭开了人类研究原子核结构的序幕(2)通过对天然放射现象的研究，人们发现原子序数大于或等于_的所有天然存在的元素都具有放射性，原子序数小于_的天然存在的元素有些也具有放射性，它们放射出来的射线常见的有三种：_.8383射线、射线、射线2天然衰变中核的变化规律在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是_守恒和_守恒质量数电荷数3半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有_发生衰变所需要的时间半数快慢物理状态化学状态(2)意义：反映了核衰变过程的_程度，具有统计性(3)特征：只由核本身的因素所决定，而与原子所处的_或_无关4原子核的人工转变(
7、1)质子的发现卢瑟福用 粒子轰击 7 号元素14 7N，发现了_核反应方程为14 7N42He17 8O_.(2)中子的发现查德威克用 粒子轰击 4 号元素94Be，发现了_核反应方程为94Be42He12 6C_.质子中子11H01n(3)放射性同位素的人工合成居里夫妇用 粒子轰击 13 号元素2713Al，人工合成了 P 的放射性同位素核反应方程为2713Al42He_10n.3015P四、核力、核能、重核的裂变和轻核的聚变 1核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能处于稳定状态，一定还有别的力把各核子紧紧地拉在一起，这种力叫做核力核力具有以下特点：(1
8、)核力是很强的力(2)核力作用范围很小，只在 2.01015 m 的短距离内起作用相邻(3)每个核子只跟它_的核子发生核力作用2核能原子核原子核质量亏损Emc2(1)结合能：核子结合成_ 时放出一定的能量，_分解成核子时吸收一定的能量，这种能量叫结合能(2)质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做_(3)爱因斯坦质能方程：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是_，这就是爱因斯坦质能方程，其另一个表达形式是Emc2.3获得核能的途径中等10较大(1)重核的裂变重核俘获一个中子后分裂为两个或几个_质量数的原子核，则这样的反应叫做重核的
9、裂变在裂变的同时，还会放出几个中子和大量能量裂变方程式举例：235 92U10n9038Sr136 54Xe_10n.(2)轻核的聚变某些轻核结合成质量数_的原子核的反应过程叫做轻核的聚变，同时放出大量的能量轻核聚变只能发生在超高温条件下，故轻核聚变也叫做热核反应轻核聚变方程举例：21H31H_10n.42He【基础检测】3(2015 年天津六校联考)一个静止的铀核232 92U(原子质量为232.037 2 u)放出一个粒子(原子质量为4.0026 u)后衰变成钍核228 90Th(原子质量为 228.0287 u)(已知：原子质量单位 1 u1.671027 kg,1 u 相当于 931
10、MeV)(1)写出核衰变反应方程(2)算出该核衰变反应中释放出的核能(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和 粒子的动能，则钍核获得的动能有多大？解：(1)232 92U228 90Th42He(2)质量亏损 m0.005 9 uEmc20.005 9931 MeV5.49 MeV(3)系统动量守恒，钍核和 粒子的动量大小相等，即pThp0pThp EkTh p2Th2mThEk p22mEkThEkE所以钍核获得的动能 EkThmmmThE44228E0.09 MeV考点1 氢原子的能级跃迁 重点归纳 1氢原子能级公式氢原子的能级公式为 EnE1n2(E113.6 eV)，该能量包括电子
11、绕核运动的动能和电子与原子核组成的系统的电势能；对应的轨道半径关系式为 rnn2r1，其中 n 叫量子数，只能取正整数n1 的状态称为基态，n1 时称为激发态；量子数 n 越大，动能越小，电势能越大，总能量越大2光子的吸收与辐射原子从一种定态(能量为 E初)跃迁到另一种定态(能量为E末)，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能级差决定，即hE初-E末若E初E末，则辐射光子；若E初E末，则吸收光子3氢原子能级图：如图13-4-3所示图13-4-34一群氢原子处于量子数为 n 的激发态时，可能辐射的光谱条数为：Nnn12C2n.5一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)典例
12、剖析 例1：(多选，2016 年河北衡水中学检测)氢原子能级如图13-4-4，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13-4-4A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 答案：CD解析：氢原子从 n2 跃迁到 n1 的能级释放出的光子的能量大于氢原子从 n3 跃迁到 n2 的能级时释放出的光子能量，根
13、据公式 Eh 可得，光子能量越大，频率越大，波长越短，故A 错误；氢原子从 n1 跃迁到 n2 能级，需要 E(3.4(13.6)1.61019 J，根据公式 Ehc 可得hc(3.4(13.6)1.6 1019 J，解得 122 nm，故 B 错误；一群处于 n3 能级上的氢原子跃迁，可发生 C233 种光谱，故 C 正确；氢原子的电子从 n2 跃迁到 n3 的能级，必须吸收的能量与从 n3 跃迁到 n2的能级放出能量相等，因此只能用波长 656 nm 的光照射，才能使得电子从 n2 跃迁到 n3 的能级故 D 正确【考点练透】1(2015 年天津六校联考)氢原子能级的示意图如图13-4-5
14、所示，大量氢原子从 n4 的能级向 n2 的能级跃迁时辐射出可见光 a，从 n3 的能级向n2 的能级跃迁时辐射出可见光 b，则()图13-4-5A氢原子在 n2 的能级时可吸收能量为 3.6 eV 的光子而发生电离B氢原子从 n4 的能级向 n3 的能级跃迁时辐射出光子的能量可以小于 0.66 eVCb 光比 a 光的波长短D氢原子从 n4 的能级可辐射出 5 种频率的光子答案：A解析：从 n2 能级电离所需的最小能量等于 EE20(3.4 eV)3.4 eV，光子能量 3.6 eV 高于此值故能引起电离，故 A 正确氢原子从 n4 的能级向 n3 的能级跃迁时辐射出光子的能量为：0.85
15、eV(1.51 eV)0.66 eV，故 B 错误根据跃迁规律可知从 n4 向 n2 跃迁时辐射光子的能量大于从n3 向 n2 跃迁时辐射光子的能量，则可见光 a 的光子能量大于 b，又根据光子能量 Eh 可得 a 光子的频率大于 b，故 a光比 b 光的波长短，故 C 错误氢原子从 n4 的能级跃迁时，能发出 C246 种频率的光子，故 D 错误考点2 核衰变及三种射线 重点归纳 1核衰变(1)衰变：随着 衰变，新核在元素周期表中位置向前移2 位，即AZXA4Z2Y42He，实质是 2 个质子和 2 个中子结合成一个整体射出(2)衰变：随着 衰变，新核在元素周期表中位置向后移1 位，即AZX
16、 AZ1Y 01e.实质是中子转化为质子和电子2三种射线的本质和特性(1)射线：是氦核(42He)流，速度约为光速的十分之一，在空气中射程为几厘米，贯穿本领小，电离作用强(2)射线：是高速的电子流，速度约为光速的十分之九，穿透本领较大，能穿透几毫米的铝板，电离作用较弱(3)射线：是高能光子流，波长极短的电磁波，贯穿本领最强，能穿透几厘米的铅板，电离作用小(4)放射性元素有的原子核放出 射线，有的放出 射线，多余的能量以 光子的形式射出3衰变次数的求解方法核衰变遵循质量数守恒和电荷数守恒，设放射性元素AZX 经过 n 次 衰变和 m 次 衰变后，变成稳定的新元素AZY，则表示该核反应的方程为AZ
17、XAZYn42Hem 01e.根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程AA4n ZZ2nm由以上两式联立解得 nAA4，mAA2ZZ典例剖析 例2：(2016 年云南玉溪第一中学期中)下列说法正确的是()A天然放射现象的发现揭示了原子核有复杂的结构B、和 三种射线，射线的穿透力最强C.238 92U 衰变成206 82Pb 要经过 6 次 衰变和 8 次 衰变D根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，氢原子的电势能减小，核外电子的运动速度增大E自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能 答案：ACD解析：天然放射现象是原子核变化产生的，其发现揭示了原子核具有复杂的结构，A 正
18、确；、和 三种射线，射线的穿透力最强，电离能力最弱，B 错误；铀核(238 92U)衰变为铅核(206 82Pb)的过程中，衰变一次质量数减少 4 个，次数 n23820648，衰变的次数为 n8282926，要经过 8 次 衰变和 6 次 衰变，C 正确；根据玻尔理论可知，氢原子辐射出一个光子后，电子从高轨道跃迁到低轨道，电子与原子核之间的距离变小，库仑力做正功，氢原子的电势能减小；电子与原子核之间的距离变小，由库仑力提供向心力可得，核外电子的运动速度增大，D 正确；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故 E 错误【考点练透】2(2016 年广西桂林第十八中学月
19、考)关于天然放射性，下列说法正确的是()A所有元素都有可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透能力最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线解析：原子核可以自发地衰变，但不是所有元素都可以发 生衰变，选项A 错误；放射性元素的半衰期由原子核决定，与 外界的温度无关，选项B 正确；放射性元素的放射性与核外电 子无关，故放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性，选项C正确；、和三种射线中，射线的穿透能力最强，电离能力最弱，选项D正确；一个原子核在一次衰变中不能同时放出、和三种射线，选项E 错误答案：BCD
20、考点3 核反应方程与核能计算 重点归纳 1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)、中子(01n)、粒子(42He)、粒子(01e)、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2核能的计算方法(1)根据Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E 的单位是“J”(2)根据Em931.5 MeV 计算因 1 原子质量单位(u)相当于
21、931.5 MeV的能量，所以计算时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剖析例 3：(2015 年湖北黄冈高三期末)某些建筑材料可产生放射性气体氡，氡可以发生 或 衰变，如果人长期生活在氡浓度过高的环境中，那么，氡经过人的呼吸道沉积在肺部，并放出大量的射线，从而危害人体健康原来静止的氡核(222 86Rn)发生一次 衰变生成新核钋(Po)，并放出一个能量为 E00.09 MeV 的光子已知放出的 粒子动能为 E5.55 MeV；忽略放出光子的动量，但考虑其能量；1 u 相当于 931.5 MeV.(1)写出衰变的核反应方程
22、(2)衰变过程中总的质量亏损为多少？(保留三位有效数字)解：(1)衰变方程为：222 86Rn218 84Po42He.(2)忽略放出光子的动量，根据动量守恒定律，0ppPo即新核钋(Po)的动量与 粒子的动量大小相等，又 Ek p22m可求出新核钋(Po)的动能为 EPo 4218E由题意，质量亏损对应的能量以光子的能量和新核、粒子动能的形式出现，衰变时释放出的总能量为 EEEPoE0mc2故衰变过程中总的质量亏损是 m0.006 16 u.【考点练透】解析：静止的放射性原子核发生了衰变放出粒子后，新核 的速度与粒子速度方向相反，放出的粒子与新核所受的洛伦兹 力方向相同，根据左手定则判断粒子与新核的电性关系，即可 判断发生了哪种衰变即可根据电荷数守恒及质量数守恒写出 核反应方程式 答案：D3(2015 年河北唐山调研)在匀强磁场中，有一个原来静止的14 6C 原子核，它放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆，圆的直径之比为 71，那么碳 14 的衰变方程应为()A.14 6C01e14 5B B.14 6C42He10 4BeC.14 6C21H12 5B D.14 6C01e147N