第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)與原子核

第2節(jié)原子結(jié)構(gòu)與原子核教材梳理·自主預(yù)習(xí)真題試做·模擬演練考點(diǎn)研析·感悟提升一、原子結(jié)構(gòu)1.電子的發(fā)現(xiàn):英國(guó)物理學(xué)家

發(fā)現(xiàn)了電子.2.原子的核式結(jié)構(gòu)(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn):1909～1911年,英籍物理學(xué)家

和他的學(xué)生進(jìn)行了用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后,基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn),但有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90°,也就是說(shuō)它們幾乎被“撞了回來(lái)”.(如圖所示)知識(shí)梳理教材梳理·自主預(yù)習(xí)湯姆孫盧瑟福(2)原子的核式結(jié)構(gòu)模型:在原子中心有一個(gè)很小的核,原子全部的

和幾乎全部

都集中在核里,帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn).正電荷質(zhì)量二、氫原子光譜1.光譜:用光柵或棱鏡可以把各種顏色的光按波長(zhǎng)展開,獲得光的波長(zhǎng)(頻率)和強(qiáng)度分布的記錄,即光譜.2.光譜分類連續(xù)吸收特征4.光譜分析:利用每種原子都有自己的

,可以用來(lái)鑒別物質(zhì)和確定物質(zhì)的組成成分,且靈敏度很高.在發(fā)現(xiàn)和鑒別化學(xué)元素上有著重大的意義.線狀譜和吸收光譜都對(duì)應(yīng)某種元素,都可以用來(lái)進(jìn)行光譜分析.特征譜線三、氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式1.玻爾理論(1)定態(tài):原子只能處于一系列

的能量狀態(tài)中,在這些能量狀態(tài)中原子是

的,電子雖然繞核運(yùn)動(dòng),但并不向外輻射能量.(2)躍遷:原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時(shí),它輻射或吸收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定,即hν=

.(h是普朗克常量,h=6.63×10-34J·s).(3)軌道:原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng).原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的.不連續(xù)穩(wěn)定Em-En2.氫原子的能級(jí)、能級(jí)公式(1)氫原子的能級(jí)能級(jí)圖如圖所示②氫原子的半徑公式:rn=n2r1(n=1,2,3,…),其中r1為基態(tài)半徑,又稱玻爾半徑,其數(shù)值為r1=0.53×10-10m.四、原子核的組成、放射性、原子核的衰變、半衰期、放射性同位素1.原子核的組成:原子核是由

和中子組成的,原子核的電荷數(shù)等于核內(nèi)的質(zhì)子數(shù).2.天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地發(fā)出

的現(xiàn)象,首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說(shuō)明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu).3.放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)(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兩類,放射性同位素的化學(xué)性質(zhì)相同.(2)應(yīng)用:消除靜電、工業(yè)探傷、做

原子等.(3)防護(hù):防止放射性對(duì)人體組織的傷害.質(zhì)子射線示蹤4.原子核的衰變(1)衰變:原子核放出α粒子或β粒子,變成另一種

的變化.(3)核反應(yīng)方程:質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒,但不是總質(zhì)量守恒.(4)半衰期:放射性元素的原子核有

發(fā)生衰變所需的時(shí)間.半衰期由原子核內(nèi)部自身的因素決定,跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件無(wú)關(guān).原子核半數(shù)自主探究鈾238核放出一個(gè)α粒子后,成為一個(gè)新核釷234核,釷234核也具有放射性,它能放出一個(gè)β粒子而變成鏷234核,衰變后情景如圖所示.自主探究(1)寫出鈾238的α衰變方程,α粒子是什么物質(zhì)?(2)寫出釷234的β衰變方程,β粒子是什么物質(zhì)?(3)已知釷234的半衰期是24天,1g釷經(jīng)過(guò)48天后還剩多少?五、核力和核能1.核力原子核內(nèi)部,

所特有的相互作用力.核子數(shù)越多,結(jié)合能越大,比結(jié)合能不一定越大.2.核能(1)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm,其對(duì)應(yīng)的能量ΔE=

.(2)原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量,相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm,吸收的能量為ΔE=Δmc2.質(zhì)能方程表明質(zhì)量和能量有著緊密聯(lián)系,但不能相互轉(zhuǎn)化.核子間Δmc2六、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)1.重核裂變(1)定義:質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過(guò)程.(3)鏈?zhǔn)椒磻?yīng):重核裂變產(chǎn)生的

使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過(guò)程.(4)臨界體積和臨界質(zhì)量:裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的

體積及其相應(yīng)的質(zhì)量.(5)裂變的應(yīng)用:原子彈、核電站.(6)反應(yīng)堆構(gòu)造:核燃料、慢化劑、

、防護(hù)層.中子最小鎘棒2.輕核聚變(1)定義:兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過(guò)程.輕核聚變反應(yīng)必須在

下進(jìn)行,因此又叫熱核反應(yīng).高溫小題檢測(cè)1.思考判斷(1)原子中絕大部分是空的,原子核很小.(

)√(2)人們認(rèn)識(shí)原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的.(

)(3)如果某放射性元素的原子核有100個(gè),經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期后還剩50個(gè).(

)(4)質(zhì)能方程表明在一定條件下,質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量.(

)(5)人們認(rèn)識(shí)原子具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)是從英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫研究陰極射線發(fā)現(xiàn)電子開始的.(

)×××√2.盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn),判斷出原子中心有一個(gè)很小的核,并由此提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型.如圖所示的平面示意圖中①③兩條線表示α粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡,則沿②所示方向射向原子核的α粒子可能的運(yùn)動(dòng)軌跡是(

)A.軌跡a B.軌跡bC.軌跡c D.軌跡dA解析:α粒子帶正電,因此α粒子靠近核時(shí),與核間有斥力,沿方向②射向原子核的α粒子比沿方向①的α粒子離核近,與核的作用強(qiáng),因此α粒子沿方向②進(jìn)入后與核作用向外側(cè)散射的偏轉(zhuǎn)角應(yīng)該比沿①的大,故A正確.3.(2019·河北衡水檢測(cè))氦原子被電離出一個(gè)核外電子,形成類氫結(jié)構(gòu)的氦離子.已知基態(tài)的氦離子能量E1=-54.4eV,氦離子的能級(jí)示意圖如圖所示,在具有下列能量的光子或者電子中,不能被基態(tài)氦離子吸收而發(fā)生躍遷的是(

)A.42.8eV(光子) B.43.2eV(電子)C.41.0eV(電子) D.54.4eV(光子)A解析:由于光子能量不可分,因此只有能量恰好等于兩能級(jí)差的光子才能被氦離子吸收,A項(xiàng)中光子不能被吸收,D項(xiàng)中光子能被吸收,此時(shí)剛好使氦離子發(fā)生電離;而實(shí)物粒子(如電子)只要能量不小于兩能級(jí)差,其部分能量可被吸收用來(lái)使氦離子躍遷至更高能級(jí),B,C兩項(xiàng)中的電子均能被吸收.ABD解析:X原子核中的核子數(shù)為210-4=206(個(gè)),B項(xiàng)正確;中子數(shù)為206-(84-2)=124個(gè),A項(xiàng)正確;γ射線的電離能力很弱,C項(xiàng)錯(cuò)誤;經(jīng)過(guò)兩個(gè)半衰期,剩余的釙的質(zhì)量為原來(lái)的四分之一,則已衰變的質(zhì)量為原來(lái)的四分之三,D項(xiàng)正確.考點(diǎn)一原子的核式結(jié)構(gòu)考點(diǎn)研析·感悟提升1.α粒子散射實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)裝置:α粒子源、金箔、放大鏡和熒光屏.(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:①絕大多數(shù)的α粒子穿過(guò)金箔后,基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn).②少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn).③極少數(shù)α粒子的偏轉(zhuǎn)角度大于90°,甚至有極個(gè)別α粒子幾乎被“撞了回來(lái)”.(3)實(shí)驗(yàn)意義:盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn),否定了湯姆孫的原子模型,建立了核式結(jié)構(gòu)模型.2.核式結(jié)構(gòu)模型1911年由盧瑟福提出,在原子中心有一個(gè)很小的核,叫原子核.它集中了原子全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量,電子在核外空間運(yùn)動(dòng).3.原子核的電荷與尺度A[例1]關(guān)于原子結(jié)構(gòu),下列說(shuō)法正確的是(

)A.玻爾原子模型能很好地解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律B.盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型可以很好地解釋原子的穩(wěn)定性C.盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明原子內(nèi)部存在帶負(fù)電的電子D.盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)肯定了湯姆孫關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的“西瓜模型”解析:玻爾提出的原子模型能很好地解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律;盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型不能解釋原子的穩(wěn)定性;盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明原子具有核式結(jié)構(gòu),否定了湯姆孫關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的“西瓜模型”,故A正確,B,C,D錯(cuò)誤.[針對(duì)訓(xùn)練]

如圖所示是α粒子(氦原子核)被重金屬原子核散射的運(yùn)動(dòng)軌跡,M,N,P,Q是軌跡上的四點(diǎn),在散射過(guò)程中可以認(rèn)為重金屬原子核靜止.圖中所標(biāo)出的α粒子在各點(diǎn)處的加速度方向正確的是(

)A.M點(diǎn) B.N點(diǎn) C.P點(diǎn) D.Q點(diǎn)C解析:α粒子(氦原子核)和重金屬原子核都帶正電,互相排斥,加速度方向與α粒子所受斥力方向相同.帶電粒子加速度方向沿相應(yīng)點(diǎn)與重金屬原子核連線指向曲線的凹側(cè),故只有選項(xiàng)C正確.考點(diǎn)二氫原子能級(jí)及原子躍遷1.能級(jí)圖中相關(guān)因素的說(shuō)明因素意義能級(jí)圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài)橫線左端的數(shù)字“1,2,3,…”表示量子數(shù)橫線右端的數(shù)字“-13.6,-3.4,…”表示氫原子的能量相鄰橫線間的距離表示相鄰的能量差,量子數(shù)越大相鄰的能量差越小,距離越小帶箭頭的豎線表示原子由較高能級(jí)自發(fā)地向較低能級(jí)躍遷2.兩類能級(jí)躍遷(2)受激躍遷:由低能級(jí)躍遷到高能級(jí),吸收能量.①光照(吸收光子):光子的能量必須恰等于能級(jí)差hν=ΔE.②碰撞、加熱等:只要入射粒子能量大于或等于能級(jí)差即可,E外≥ΔE.③大于電離能的光子被吸收,將原子電離.3.電離電離態(tài):n=∞,E=0;基態(tài)→電離態(tài):E吸=0-(-13.6eV)=13.6eV(電離能).n=2→電離態(tài):E吸=0-E2=3.4eV;如吸收能量足夠大,克服電離能后,獲得自由的電子還攜帶動(dòng)能.[例2]

(多選)如圖是氫原子的能級(jí)圖,一群氫原子處于n=3能級(jí),下列說(shuō)法中正確的是(

)A.這群氫原子躍遷時(shí)能夠發(fā)出3種不同頻率的光B.這群氫原子發(fā)出的光子中,能量最大為10.2eVC.從n=3能級(jí)躍遷到n=2能級(jí)時(shí)發(fā)出的光波長(zhǎng)最長(zhǎng)D.這群氫原子能夠吸收任意光子的能量而向更高能級(jí)躍遷AC規(guī)律總結(jié)解答氫原子能級(jí)圖與原子躍遷問(wèn)題的注意事項(xiàng)(1)一個(gè)處于第n能級(jí)的氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為n-1.②利用能級(jí)圖求解:在氫原子能級(jí)圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出,然后相加.1.(2019·山西模擬)(多選)如圖所示為氫原子的能級(jí)示意圖,鋅的逸出功是3.34eV,那么對(duì)氫原子在能級(jí)躍遷過(guò)程中發(fā)射或吸收光子的特征認(rèn)識(shí)正確的是(

)A.用氫原子從高能級(jí)向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射的光照射鋅板一定不能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象B.一群處于n=3能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí),能放出3種不同頻率的光C.用能量為10.3eV的光子照射,可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)D.用能量為14.0eV的光子照射,可使處于基態(tài)的氫原子電離題組訓(xùn)練BD解析:當(dāng)氫原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí),輻射出光子的能量有可能大于3.34eV,鋅板有可能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象,A項(xiàng)錯(cuò)誤;由躍遷關(guān)系可知,一群處于n=3能級(jí)的氫原子可以向n=1與n=2能級(jí)躍遷,然后處于n=2能級(jí)的原子又可以再向n=1能級(jí)躍遷,能放出3種不同頻率的光,B項(xiàng)正確;氫原子在吸收光子能量時(shí)須滿足光子的能量恰等于兩能級(jí)間的能量差,由于-3.4eV-(-13.6eV)<10.3eV<-1.51eV-(-13.6eV),故不能使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài),因此C項(xiàng)錯(cuò)誤;由于14.0eV>13.6eV,故可以使處于基態(tài)的氫原子電離,D項(xiàng)正確.2.(多選)如圖所示為氫原子的能級(jí)圖,用光子能量為13.06eV的光照射一群處于基態(tài)的氫原子,下列說(shuō)法正確的是(

)A.氫原子可以輻射出連續(xù)的各種波長(zhǎng)的光B.氫原子可輻射出10種不同波長(zhǎng)的光C.氫原子從n=4的能級(jí)向n=3的能級(jí)躍遷時(shí)輻射光的波長(zhǎng)最短D.輻射光中,光子能量為0.31eV的光波長(zhǎng)最長(zhǎng)BD1.三種射線的比較考點(diǎn)三原子核的衰變、半衰期速度0.1c0.99cc(光速)在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)與α射線的偏轉(zhuǎn)方向相反不偏轉(zhuǎn)穿透本領(lǐng)最弱,用紙能擋住較強(qiáng),能穿透幾毫米的鋁板最強(qiáng),能穿透幾厘米的鉛板對(duì)空氣的電離作用很強(qiáng)較弱很弱2.α衰變、β衰變的比較3.確定衰變次數(shù)的方法因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無(wú)影響,所以先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù),然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù).(2)半衰期的影響因素放射性元素衰變的快慢由原子核內(nèi)部自身因素決定,與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān).(3)半衰期的適用條件半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,是對(duì)大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié),對(duì)于一個(gè)特定的原子核,無(wú)法確定何時(shí)發(fā)生衰變.[例3]

(2019·湖南岳陽(yáng)二模)(多選)關(guān)于天然放射現(xiàn)象,以下敘述正確的是()CD[針對(duì)訓(xùn)練]

(2019·湖南長(zhǎng)沙月考)(多選)碘131是放射性同位素,衰變時(shí)會(huì)發(fā)出β射線與γ射線,碘131被人攝入后,會(huì)危害身體健康,由此引起了全世界的關(guān)注.下列關(guān)于核輻射的相關(guān)知識(shí),說(shuō)法正確的是(

)A.人類無(wú)法通過(guò)改變外部環(huán)境來(lái)改變碘131衰變的快慢B.若碘131的半衰期為8.3天,則4個(gè)碘原子核經(jīng)16.6天后就一定剩下一個(gè)原子核C.β射線與γ射線都是電磁波,但γ射線穿透本領(lǐng)比β射線強(qiáng)D.碘131發(fā)生β衰變時(shí)所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生的AD考點(diǎn)四核反應(yīng)類型與核反應(yīng)方程1.核反應(yīng)方程的四種類型(2)核反應(yīng)過(guò)程一般都不是可逆的,所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向,不能用等號(hào)連接.(3)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),不能只依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒憑空杜撰出生成物來(lái)寫核反應(yīng)方程.[例4](2019·湖南岳陽(yáng)二模)(多選)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型,下列表述正確的有()AC解析:B項(xiàng)是盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程;D項(xiàng)是β衰變,A,C兩項(xiàng)正確.D

考點(diǎn)五核力與核能核反應(yīng)中釋放核能的計(jì)算(1)根據(jù)ΔE=Δmc2計(jì)算時(shí),Δm的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,ΔE的單位是“J”.(2)根據(jù)ΔE=Δm×931.5MeV計(jì)算時(shí),Δm的單位是“u”,ΔE的單位是“MeV”.(3)根據(jù)核子比結(jié)合能計(jì)算,即ΔE等于(反應(yīng)后核子比結(jié)合能-反應(yīng)前核子比結(jié)合能)×核子數(shù).[例5]

(2019·湖南長(zhǎng)沙一模)(多選)太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反應(yīng),這個(gè)核反應(yīng)釋放出的大量能量就是太陽(yáng)能的來(lái)源.已知mp=1.0073u,mα=4.0015u,me=0.00055u,1u相當(dāng)于931.5MeV,太陽(yáng)的質(zhì)量為2×1030kg,則下列說(shuō)法中正確的是()ABD方法技巧核能求解的思路方法(2)在用粒子轟擊原子核或原子核自發(fā)地分裂過(guò)程中,動(dòng)量保持守恒.①在動(dòng)量守恒方程中,各質(zhì)量都可用質(zhì)量數(shù)表示.②核反應(yīng)中我們可以結(jié)合動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律來(lái)計(jì)算核能.題組訓(xùn)練1.(結(jié)合能與比結(jié)合能)(2019·重慶期末)(多選)關(guān)于原子核的結(jié)合能,下列說(shuō)法正確的是()ABC解析:結(jié)合能是把核子分開所需的最小能量,A項(xiàng)正確;一重原子核衰變成α