1、第2节 原子结构 原子核目 录 一 理解透概念公式定理 二 研究好题型考法技巧 三 查缺漏盲点短板妙法 四 课时跟踪检测理解透概念公式定理一 一、原子结构1电子的发现：英国物理学家发现了电子。汤姆孙2原子的核式结构(1)粒子散射实验：19091911 年，英国物理学家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。(如图所示)卢瑟福(2)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的和几乎全部都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。正电荷质量
2、二、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：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式1R122 1n2(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。特征谱线线状谱和吸收光谱都对应某种元素，都可以用来进行光谱分析。三、氢原子的能级、能级公式1玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列的能量状态中，在这些能量状态中原子是的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。不
3、连续稳定(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 h。(h 是普朗克常量，h6.631034 Js)EmEn(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。2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：En_(n1,2,3，)，其中基态能量 E1 最低，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 r10.5310
4、10 m。1n2E1四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1原子核的组成：原子核是由和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。质子2天然放射现象元素自发地放出的现象，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。射线3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、做原子等。示踪(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，变成另一种的变化。原子核(2)分类：衰变：AZXA4Z2Y，如：23892U234
5、90Th42He 衰变：AZX AZ1Y ，如：234 90Th234 91Pa 01e平衡核反应方程：质量数守恒、电荷数守恒，但不是总质量守恒。42He 01e(3)半衰期：放射性元素的原子核有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。半数五、核力和核能1.核力原子核内部，所特有的相互作用力。核子间核子数越多，结合能越大，比结合能不一定越大。2.核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损 m，其对应的能量 E。mc2(2)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 Emc2。质能方程表明质量和能量有着紧密联系，但不能相互转化。六
6、、裂变反应和聚变反应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。一些重核裂变的产物可能有多种组合。(2)典型的裂变反应方程：235 92 U10n8936Kr144 56Ba310n。(3)链式反应：重核裂变产生的使裂变反应一代接一代继续下去的过程。中子(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的体积及其相应的质量。最小(5)裂变的应用：原子弹、核电站。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、防护层。镉棒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下进行，因此又叫热核反应。高温(2)典型的聚变反应方程：21
7、H31H42He10n17.6 MeV。深化理解(1)光照引起的跃迁，光子能量必须等于能级差；碰撞引起的跃迁，只需要实物粒子的动能大于(或等于)能级差。(2)大量处于量子数为 n 的激发态的氢原子向基态跃迁时，可能辐射的光谱线条数为 NC2nnn12。(3)半衰期是针对大量原子核而言的，少量原子核不能用半衰期公式求余量。(4)磁场中的衰变：外切圆是 衰变，内切圆是 衰变，半径与电荷量成反比。基础自测一、判断题(1)原子中绝大部分是空的，原子核很小。()(2)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。()(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。()(
8、4)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。()(5)核式结构学说是卢瑟福在 粒子散射实验的基础上提出的。()(6)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。()(7)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。()二、选择题1粤教版选修 35 P97T2用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？()A把该元素放在低温阴凉处B把该元素密封在很厚的铅盒子里C把该元素同其他的稳定元素结合成化合物D上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率答案：D 解析：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，故 D 正确。2沪科版选修 35 P75
9、T4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 g B0.2 gC0.4 gD0.5 g解析：由公式 mm012T得 m812205 g0.5 g，D 正确。答案：D 3(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是()A.238 92U234 90Th42He 是 衰变B.14 7N42He17 8O11H 是 衰变C.21H31H42He10n 是轻核聚变D.8234Se8236Kr201e 是重核裂变解析：14 7N42He17 8O11H 是发现质子的核反应，属于原子核的人工转变，8234Se8236Kr201e 是 衰变，A、C 正
10、确。答案：AC 4人教版选修 35 P81例题(多选)已知中子的质量是 mn1.674 9 1027 kg，质子的质量是 mp1.672 61027 kg，氘核的质量是 mD3.343 61027 kg，则氘核的比结合能为()A3.511013 J B1.10 MeVC1.761013 JD2.19 MeV答案：BC 研究好题型考法技巧二 高考对本节内容的考查，主要集中在原子的核式结构、玻尔理论的理解与计算、原子核的衰变及半衰期、核反应方程与核能的计算，其中对原子的核式结构、玻尔理论的理解与计算和原子核的衰变及半衰期的考查，主要以选择题的形式呈现，难度一般，而对核反应方程与核能的计算的考查，可
11、以结合动量、能量以及电磁场知识，难度较大。01考点一 原子的核式结构基础自修类 题点全练1 粒子散射实验在 粒子散射实验中，电子对 粒子运动的影响可以忽略。这是因为与 粒子相比，电子的()A电量太小 B速度太小C体积太小D质量太小解析：在 粒子散射实验中，由于电子的质量太小，电子的质量只有 粒子的17 300，它对 粒子速度的大小和方向的影响就像灰尘对枪弹的影响，完全可以忽略。故 D 正确，A、B、C 错误。答案：D2 粒子散射实验现象如图是卢瑟福的 粒子散射实验装置，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的 粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁
12、的光点。下列说法正确的是()A该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据B该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C 粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D绝大多数的 粒子发生大角度偏转解析：卢瑟福根据 粒子散射实验，提出了原子核式结构模型，选项 A 正确；卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，选项 B 错误；电子质量太小，对 粒子的影响不大，选项 C 错误；绝大多数 粒子穿过金箔后，几乎仍沿原方向前进，选项 D 错误。答案：A 3 粒子散射实验分析如图所示是 粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q 是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属
13、原子核静止。图中所标出的 粒子在各点处的加速度方向正确的是()AM 点BN 点CP 点DQ 点解析：粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与 粒子所受斥力方向相同。带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧，故只有选项 C 正确。答案：C 名师微点解答原子结构问题的三大规律(1)库仑定律：Fkq1q2r2，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。玻尔理论
14、的理解与计算师生共研类02考点二原子的两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。(2)受激跃迁：通过光照、撞击或加热等，低能级高能级，当吸收的能量大于或等于原子所处能级的|En|，原子将发生电离。(3)原子在两个能级之间发生跃迁时，放出(或吸收)光子的频率是一定的，可由 hEmEn求得。若求波长可由公式 c 求得。典例 如图为氢原子的能级示意图，现有大量的氢原子处于 n4 的激发态，当原子向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光，下列说法正确的是()A最容易发生衍射现象的光是由 n4 能级跃迁到 n1 能级产生的B频率最小的光是由 n2 能级跃迁到 n1 能级产生的
15、C这些氢原子总共可辐射出 3 种不同频率的光D用由 n2 能级跃迁到 n1 能级辐射出的光去照射逸出功为 6.34 eV 的金属铂能发生光电效应解析 由 n4 能级跃迁到 n3 能级产生的光，能量最小，波长最长，因此最容易发生衍射现象，故 A 错误；由能级差可知能量最小的光频率最小，是由 n4 能级跃迁到 n3 能级产生的，故B 错误；大量处于 n4 能级的氢原子能发射nn126 种频率的光，故 C 错误；由 n2 能级跃迁到 n1 能级辐射出的光的能量为 E3.4 eV(13.6)eV10.2 eV，大于 6.34 eV，能使金属铂发生光电效应，故 D 正确。答案 D延伸思考(1)这群氢原子
16、辐射出的光子的最大能量为多少？(2)若要电离这群氢原子，至少需要吸收多少光子的能量？(3)若一个处于n4能级的氢原子发生跃迁，发出的光谱线最多可能有几种？提示：(1)由n4能级跃迁到n1能级，辐射的光子能量最大E0.85 eV(13.6 eV)12.75 eV。(2)若要电离至少需要吸收 E0.85 eV 的能量。(3)3 种。解题方略解答氢原子能级图与原子跃迁问题的注意事项(1)一个处于第 n 能级的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：NCn2nn12。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
17、能情况一一画出，然后相加。题点全练1玻尔理论一个氢原子从 n3 能级跃迁到 n2 能级，该氢原子()A放出光子，能量增加 B放出光子，能量减少C吸收光子，能量增加D吸收光子，能量减少解析：氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项 B 正确，A、C、D 错误。答案：B 2氢原子的能级跃迁如图是氢原子的能级示意图。当氢原子从 n4 能级跃迁到 n3 能级时，辐射出光子 a；从 n3 能级跃迁到 n2 能级时，辐射出光子 b。以下判断正确的是()A在真空中光子 a 的波长大于光子 b 的波长B光子 b 可使氢原子从基态跃迁到激发态C光子 a 可能使处于 n4 能级的氢原子电离D大量处
18、于 n3 能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射 2 种不同谱线解析：氢原子从n4能级跃迁到n3能级的能级差小于从n3能级跃迁到n2能级时的能级差，根据EmEnh知，光子a的能量小于光子b的能量，所以光子a的频率小于光子b的频率，光子a的波长大于光子b的波长，故A正确；光子b的能量小于基态与任一激发态的能级差，所以不能被基态的原子吸收，故B错误；根据EmEnh可求光子a的能量小于n4能级氢原子的电离能，所以不能使处于n4能级的氢原子电离，C错误；大量处于n3能级的氢原子向低能级跃迁时最多辐射3种不同谱线，故D错误。答案：A 考点三03原子核的衰变及半衰期基础自修类题点全练1放射现象(多选)关于天然
19、放射现象，以下叙述正确的是()A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B 衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D铀核(23892U)衰变为铅核(20682Pb)的过程中，要经过 8 次 衰变和 6次 衰变解析：半衰期的时间与元素的物理状态无关，若使某放射性物质的温度升高，其半衰期不变，故 A 错误。衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时产生的，故 B 错误。在、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强，故 C 正确。铀核(23892U)衰变为铅核(20682Pb)的过程中，每经过一次 衰变质子数少 2，
20、质量数少 4；而每经过一次 衰变质子数增加 1，质量数不变；由质量数和核电荷数守恒，可知要经过 8 次 衰变和 6 次 衰变，故 D 正确。答案：CD 2半衰期的理解及应用(多选)钍23490Th 具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤23491Pa，同时伴随有 射线产生，其方程为23490Th23491PaX，钍的半衰期为 24 天。下列说法正确的是()AX 为质子BX 是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的C 射线是镤原子核放出的D1 g 钍23490Th 经过 120 天后还剩 0.312 5 g解析：根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即 X 为电子，故 A 错
21、误；发生 衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，故 B 正确；射线是镤原子核放出的，故 C 正确；钍的半衰期为 24 天，1 g 钍234 90Th 经过 120 天即经过 5 个半衰期后还剩 0.031 25 g，故 D 错误。答案：BC 3射线的性质及特点某一放射性物质发生衰变时放出、三种射线，让这三种射线进入磁场，运动情况如图所示。下列说法正确的是()A该放射性物质的半衰期随温度的升高会增大BC 粒子是原子核的重要组成部分CA 粒子一定带正电DB 粒子的穿透性最弱解析：半衰期由原子核本身决定，与外界因素无关，故 A 错误；由题图可知 C 粒子为电子，而原子核带正电，故
22、B 错误；由左手定则可知，A 粒子一定带正电，故 C 正确；B 粒子为 射线，穿透性最强，故 D 错误。答案：C 名师微点1 衰变、衰变的比较衰变规律衰变实质衰变方程衰变类型电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒1个中子转化为1个质子和1个电子2个质子和2个中子结合成一个整体射出衰变衰变AZXA4Z2Y42HeAZX AZ1Y01e211H210n42He10n11H01e2三种射线的成分和性质穿透能力质量电荷量符号构成名称电离作用最强00光子射线较强ue电子射线最弱4 u2e氦核射线42He 01e最弱较强最强11 8363.衰变次数的计算方法若AZXAZYn42Hem01e则 AA4n，ZZ2n
23、m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12t，m 余m 原12t。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。04考点四 核反应方程与核能的计算基础自修类题点全练1核反应方程的书写(2018全国卷)1934 年，约里奥居里夫妇用 粒子轰击铝核2713Al，产生了第一个人工放射性核素 X：2713AlnX。X 的原子序数和质量数分别为()A15 和 28
24、 B15 和 30C16 和 30 D17 和 31解析：将核反应方程式改写成42He2713Al10nX，由电荷数和质量数守恒知，X 应为3015X。答案：B 2核反应类型的判断(2017天津高考)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国际上率先通过权威机构认证，这是我国对国际热核聚变项目的重大贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是()A.21H31H42He10nB.14 7N42He17 8O11HC.42He2713Al3015P10nD.235 92U10n144 56Ba8936Kr310n解析：A 项是氢元素的两种同位素氘和氚聚变成氦元素的核反应方程，B 项是用 粒子轰击氮原子
25、核发现质子的核反应方程，属于原子核的人工转变，C 项属于原子核的人工转变，D 项属于重核的裂变，因此只有 A 项符合要求。答案：A3核能的理解(多选)(2017江苏高考)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有()A.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：由题图可知，42He 的比结合能为 7 MeV，因此它的结合能为 7 MeV428 MeV，A 项错误；比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合题图可知
26、B 项正确；两个比结合能小的21H 核结合成比结合能大的42He 时，会释放能量，C 项正确；由题图可知，235 92U 的比结合能(即平均结合能)比8936Kr的小，D 项错误。答案：BC 4核能的计算(2017全国卷)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是：21H21H32He10n。已知21H 的质量为 2.013 6 u，32He 的质量为 3.015 0 u，10n的质量为 1.008 7 u,1 u931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为()A3.7 MeV B3.3 MeVC2.7 MeVD0.93 MeV解析：氘核聚变反应的质
27、量亏损为 m22.013 6 u(3.015 0 u1.008 7 u)0.003 5 u，释放的核能为 Emc20.003 5931 MeV/c2c23.3 MeV，选项 B 正确。答案：B5核能与动量守恒的综合(2017全国卷)一静止的铀核放出一个 粒子衰变成钍核，衰变方程为238 92U234 90Th42He。下列说法正确的是()A衰变后钍核的动能等于 粒子的动能B衰变后钍核的动量大小等于 粒子的动量大小C铀核的半衰期等于其放出一个 粒子所经历的时间D衰变后 粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量解析：静止的铀核在衰变过程中遵循动量守恒，由于系统的总动量为零，因此衰变后产生的钍核和
28、粒子的动量等大反向，即 pThp，B 项正确；因此有 2mThEkTh 2mEk，由于钍核和 粒子的质量不等，因此衰变后钍核和 粒子的动能不等，A 项错误；根据半衰期的定义可知，C 项错误；由于衰变过程释放能量，根据爱因斯坦质能方程可知，衰变过程有质量亏损，因此 D 项错误。答案：B 名师微点1核反应的四种类型核反应方程典例可控性类型很难控制轻核聚变比较容易进行人工控制重核裂变人工转变自发衰变自发衰变衰变23892U23490Th42He23490Th23491Pa 01e14 7N42He17 8O11H(卢瑟福发现质子)42He94Be12 6C10n(查德威克发现中子)人工控制2713A
29、l42He 3015P10n(约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)3015P3014Si01e23592U10n14456Ba8936Kr310n23592U10n13654Xe9038Sr1010n21H31H42He10n2核能释放的两种途径的理解(1)使较重的核分裂成中等大小的核。(2)较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量。3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 931.5 MeV 的能量，所以
30、计算时 m 的单位是“u”，E 的单位是“MeV”。查缺漏盲点短板妙法三“融会贯通”归纳好两类核衰变在磁场中的径迹 静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆，衰变时两圆外切，衰变时两圆内切，根据动量守恒 m1v1m2v2 和 rmvqB知，半径小的为新核，半径大的为 粒子或 粒子，其特点对比如下表：衰变两圆外切，粒子半径大衰变两圆内切，粒子半径大匀强磁场中轨迹匀强磁场中轨迹AZ X AZ1Y01eAZXA4Z2Y42He(一)相内切圆的径迹例 1 在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图中 a、b 所示。由图可以判定()A该核发生的是
31、 衰变B该核发生的是 衰变C磁场方向一定垂直纸面向里D磁场方向一定垂直纸面向外解析 原来静止的核，放出粒子后，总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它们必带异种电荷，故应为 衰变；由于不知它们的旋转方向，因而无法判定磁场是向里还是向外，即都有可能。故 B 项正确。答案 B(二)相外切圆的径迹例 2 在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个 粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示)，今测得两个相切圆半径之比 r1r2144。则(1)图中哪一个圆是 粒子的径迹？(说明理由)(2)这个原子核原来所含的质子数是多少？
32、解析(1)因为动量守恒，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道 2 是 粒子的径迹，圆轨道 1 是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反。(2)设衰变后新生核的电荷量为 q1，粒子的电荷量为 q22e，它们的质量分别为 m1 和 m2，衰变后的速度分别为 v1 和 v2，所以原来原子核的电荷量 qq1q2。粒子在磁场中运动，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得：qvBmv2r，则r1r2m1v1Bq1m2v2Bq2m1v1q2m2v2q1，又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1m2v2，联立解得 q90e。即这个原子核原来所含的质子数为 90。答案(1)圆轨道 2 是 粒子的径迹，理由见解析(2)90反思领悟由以上两例解答过程可知，当静止的原子核在匀强磁场中发生衰变时，大圆轨道一定是释放出的带电粒子(粒子或 粒子)的，小圆轨道一定是反冲核的。衰变时两圆外切，衰变时两圆内切。如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断绕行方向是顺时针还是逆时针。“课时跟踪检测”见“课时跟踪检测（三十九）”(单击进入电子文档)谢谢 观 看