第73講原子結(jié)構(gòu)原子核（講義）

第73講原子結(jié)構(gòu)原子核目錄復(fù)習(xí)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建考點(diǎn)一波爾理論【夯基·必備基礎(chǔ)知識(shí)梳理】知識(shí)點(diǎn)1三個(gè)基本假設(shè)知識(shí)點(diǎn)2兩類(lèi)躍遷問(wèn)題和電離知識(shí)點(diǎn)3躍遷產(chǎn)生的譜線(xiàn)條數(shù)【提升·必考題型歸納】考向1譜線(xiàn)條數(shù)的確定考向2受激躍遷和電離考向3與光電效應(yīng)相結(jié)合考點(diǎn)二原子核的衰變和半衰期【夯基·必備基礎(chǔ)知識(shí)梳理】知識(shí)點(diǎn)1三種射線(xiàn)的比較知識(shí)點(diǎn)2α衰變、β衰變的比較知識(shí)點(diǎn)3半衰期的理解【提升·必考題型歸納】考向1α衰變、β衰變考向2半衰期的理解及應(yīng)用考點(diǎn)三核反應(yīng)方程與核能的計(jì)算【夯基·必備基礎(chǔ)知識(shí)梳理】知識(shí)點(diǎn)1核反應(yīng)的四種類(lèi)型知識(shí)點(diǎn)2核能的計(jì)算方法知識(shí)點(diǎn)3對(duì)質(zhì)能方程的理解【提升·必考題型歸納】考向1核反應(yīng)方程及應(yīng)用考向2核能的計(jì)算真題感悟理解和掌握氫原子的玻爾理論。理解和掌握原子核的衰變規(guī)律、半衰期和核能的計(jì)算。考點(diǎn)要求考題統(tǒng)計(jì)考情分析（1）氫原子的玻爾理論（2）原子核2023年湖北卷第1題2023年山東卷第1題2023年重慶卷第6題高考對(duì)原子結(jié)構(gòu)和原子核的考查較為頻繁，大多以選擇題中出現(xiàn)，題目難度要求大多不是太高，較為基礎(chǔ)?？键c(diǎn)一波爾理論知識(shí)點(diǎn)1三個(gè)基本假設(shè)1.能級(jí)假設(shè)：氫原子能級(jí)En＝eq\f(E1,n2)(n＝1,2,3，…)，n為量子數(shù)．2.躍遷假設(shè)：hν＝Em－En(m>n)．3.軌道量子化假設(shè)：氫原子的電子軌道半徑rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，n為量子數(shù)．知識(shí)點(diǎn)2兩類(lèi)躍遷問(wèn)題和電離1.氫原子能級(jí)躍遷①?gòu)牡湍芗?jí)(n)eq\o(→,\s\up7(躍遷))高能級(jí)(m)：動(dòng)能減少，勢(shì)能增加，原子能量增加，吸收能量，hν＝Em－En.②從高能級(jí)(m)eq\o(→,\s\up7(躍遷))低能級(jí)(n)：動(dòng)能增加，勢(shì)能減少，原子能量減少，放出能量，hν＝Em－En.2.受激躍遷有兩種方式：①光照(吸收光子)：光子的能量必須恰好等于能級(jí)差，hν＝Em－En。[注意]對(duì)于大于電離能的光子可被吸收，可將原子電離。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≥Em－En。3．電離：指原子從基態(tài)(n＝1)或某一激發(fā)態(tài)(n≥2)躍遷到n＝∞狀態(tài)的現(xiàn)象。(1)電離態(tài)：n＝∞，E＝0。(2)電離能：指原子從基態(tài)或某一激發(fā)態(tài)躍遷到電離態(tài)所需要吸收的最小能量。對(duì)于氫原子：①基態(tài)→電離態(tài)：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV，即為基態(tài)的電離能。②n＝2→電離態(tài)：E吸＝0－E2＝3.4eV，即為n＝2激發(fā)態(tài)的電離能。[注意]如果原子吸收能量足夠大，克服電離能后，電離出的自由電子還具有一部分動(dòng)能。知識(shí)點(diǎn)3躍遷產(chǎn)生的譜線(xiàn)條數(shù)1.一群原子的核外電子向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光子的種類(lèi)：。2.一個(gè)原子的核外電子向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射最多光子的種類(lèi)：?？枷?譜線(xiàn)條數(shù)的確定1．如圖所示為氫原子能級(jí)示意圖，現(xiàn)有大量的氫原子處于n＝4的激發(fā)態(tài)，當(dāng)向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射出若干種不同頻率的光，下列說(shuō)法正確的是（）

A．這些氫原子總共可輻射出3種不同頻率的光B．由n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)產(chǎn)生的光的頻率最小C．用n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為6.34eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng)D．由n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)產(chǎn)生的光波長(zhǎng)最大【答案】C【詳解】A．根據(jù)大量氫原子在不同能級(jí)釋放出光子的種數(shù)可知，當(dāng)時(shí)，會(huì)釋放6種不同頻率的光，故A錯(cuò)誤；BD．根據(jù)，可知，躍遷過(guò)程中釋放的光的能量越小，其釋放的光的頻率就越小，波長(zhǎng)就越大，顯然從能級(jí)躍遷到能級(jí)時(shí)釋放的光的能量最小，即放出的光的頻率最小，而從n＝4能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)產(chǎn)生的光的能量最大，頻率就最大，波長(zhǎng)最小，故BD錯(cuò)誤；C．氫原子從n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)時(shí)輻射的光的能量為則可知，用n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)輻射出的光照射逸出功為6.34eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng)，故C正確。故選C。考向2受激躍遷和電離2．如圖所示是氫原子的能級(jí)圖，大量處于n=4激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可以輻射出多種不同頻率的光子，其中巴耳末系是指氫原子由高能級(jí)向n=2能級(jí)躍遷時(shí)釋放的光子。下列說(shuō)法正確的是（）A．最多可放出6種頻率不同的光子，全部屬于巴耳末系B．放出的光子中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是n=4激發(fā)態(tài)躍遷到n=3激發(fā)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的C．用動(dòng)能為12.7eV的電子撞擊氫原子，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷至n=4的激發(fā)態(tài)D．用能量為2.56eV的光子照射處于n=2能級(jí)的氫原子，可以使它躍遷到n=4的激發(fā)態(tài)【答案】B【詳解】A．大量原子躍遷時(shí)輻射出光子的種數(shù)為則可知大量處于n=4能級(jí)的氫原子最多可輻射出6種頻率的光子，而屬于巴耳末系的只有兩種，故A錯(cuò)誤；B．氫原子躍遷時(shí)釋放的能量為而根據(jù)，可知，放出的光子中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是n=4激發(fā)態(tài)躍遷到n=3激發(fā)態(tài)時(shí)產(chǎn)生的，故B正確；C．氫原子與實(shí)物粒子發(fā)生碰撞而躍遷，實(shí)物粒子的能量需大于等于能級(jí)差值，則處于基態(tài)的氫原子躍遷至n=4的激發(fā)態(tài)需要的能量為因此，用動(dòng)能為12.7eV的電子撞擊氫原子，不能使處于基態(tài)的氫原子躍遷至n=4的激發(fā)態(tài)，故C錯(cuò)誤；D．處于n=2能級(jí)的氫原子躍遷到n=4能級(jí)需要吸收的能量而氫原子吸收光子發(fā)生躍遷，必須吸收等于能級(jí)差值的光子的能量，故D錯(cuò)誤。故選B。考向3與光電效應(yīng)相結(jié)合3．如圖所示，圖甲為氫原子能級(jí)圖，大量處于激發(fā)態(tài)的氫原子躍遷時(shí)，發(fā)出頻率不同的大量光子。其中頻率最高的光子照射到圖乙電路中光電管陰極K上時(shí)，電路中電流隨電壓變化的圖像如圖丙。下列說(shuō)法正確的是（）

A．用能量為的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離B．陰極K金屬的逸出功為C．光電子最大初動(dòng)能與入射光的頻率成正比D．一個(gè)處于能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，能放出3種不同頻率的光【答案】B【詳解】A．根據(jù)電離條件可知，要使處于基態(tài)的氫原子電離，需用能量大于或等于13.6eV的子照射，則用能量為的光子照射，不可使處于基態(tài)的氫原子電離，故A錯(cuò)誤；B．大量處于能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，發(fā)出頻率最高的光子對(duì)應(yīng)到的躍遷，頻率最高光子的能量為由圖丙可得輻射光電子的最大初動(dòng)能為故陰極K金屬的逸出功為故B正確；C．由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可知光電子最大初動(dòng)能與入射光的頻率成一次函數(shù)關(guān)系，但不是成正比，故C錯(cuò)誤；D．根據(jù)可知大量處于能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)共3種頻率的光，而一個(gè)處于能級(jí)的氫原子向基態(tài)躍遷時(shí)，最多只能放出2種不同頻率的光，故D錯(cuò)誤。故選B。考點(diǎn)二原子核的衰變和半衰期知識(shí)點(diǎn)1三種射線(xiàn)的比較種類(lèi)α射線(xiàn)β射線(xiàn)γ射線(xiàn)組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)電荷量2ee0質(zhì)量4mp,mp=1.67×1027kgm靜止質(zhì)量為零速度0.1c0.99cc在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)與α射線(xiàn)偏轉(zhuǎn)方向相反不偏轉(zhuǎn)貫穿本領(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)較弱很弱知識(shí)點(diǎn)2α衰變、β衰變1.α衰變、β衰變的比較衰變類(lèi)型α衰變?chǔ)滤プ兯プ兎匠?/p>

Z

Z衰變實(shí)質(zhì)2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體射出1個(gè)中子轉(zhuǎn)化為1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)電子211H+

0衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動(dòng)量守恒2.衰變次數(shù)的計(jì)算方法若

ZAX→Z'A則A=A'+4n,Z=Z'+2nm解以上兩式即可求出m和n。知識(shí)點(diǎn)3半衰期的理解1.半衰期是大量原子核衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)個(gè)別或少量原子核,無(wú)半衰期可言。2.根據(jù)半衰期的概念,可總結(jié)出公式N余=N原12

tτ,m余=m原12

tτ。式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量,N余、m考向1α衰變、β衰變1．天然放射性元素Th（釷）經(jīng)過(guò)一系列α衰變和β衰變之后，變成Pb（鉛）。下列判斷中正確的是（）A．衰變過(guò)程共有6次α衰變和4次β衰變B．鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子C．β衰變所放出的電子來(lái)自原子核內(nèi)質(zhì)子與中子間的轉(zhuǎn)化D．釷核比鉛核多24個(gè)中子【答案】ABC【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，設(shè)衰變過(guò)程α衰變次數(shù)為，β衰變次數(shù)為故A正確；B．鉛核與釷核質(zhì)子數(shù)差為故B正確；C．β衰變所放出的電子來(lái)自原子核內(nèi)質(zhì)子與中子間的轉(zhuǎn)化，故C正確；D．釷核的中子數(shù)為鉛核的中子數(shù)為故釷核與鉛核中子數(shù)差為故D錯(cuò)誤。故選ABC?？枷?半衰期的理解及應(yīng)用2．2023年8月24日日本向太平洋排放核污水后，近百名日本民眾游行抗議核污水排海計(jì)劃，同時(shí)也導(dǎo)致許多國(guó)家禁止進(jìn)口日本水產(chǎn)品。核污水中的放射性元素對(duì)人類(lèi)社會(huì)和海洋生態(tài)環(huán)境健康的潛在威脅難以估量，其中核反應(yīng)之一為，的半衰期為28年，下列說(shuō)法正確的是（）A．該核反應(yīng)中發(fā)生了衰變B．環(huán)境溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度增大，的半衰期減小C．100個(gè)原子核經(jīng)過(guò)28年，只剩50個(gè)原子核未衰變D．的比結(jié)合能比的比結(jié)合能大【答案】AD【詳解】A．由電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可知X為電子，因此該核反應(yīng)為發(fā)生衰變，故A正確；B．環(huán)境溫度變化，不會(huì)改變?cè)雍说陌胨テ?，故B錯(cuò)誤；C．半衰期是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只有針對(duì)大量原子核才有統(tǒng)計(jì)意義，100個(gè)衰變具有隨機(jī)性，故C錯(cuò)誤；D．衰變?yōu)榉懦隽Ｗ樱l(fā)生了質(zhì)量虧損，而核子數(shù)不變，所以平均核子質(zhì)量變小，比結(jié)合能變大，故D正確。故選AD。考點(diǎn)三核反應(yīng)方程與核能的計(jì)算知識(shí)點(diǎn)1核反應(yīng)的四種類(lèi)型1.核反應(yīng)的四種類(lèi)型類(lèi)型可控性核反應(yīng)方程典例衰變?chǔ)了プ冏园l(fā)

92238Uβ衰變自發(fā)

90234Th→91人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂?/p>

714N

24He+4

1327Al+2(約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素)

1530P重核裂變比較容易進(jìn)行人工控制

92235U+01

92235U+01n輕核聚變很難控制

12H2.核反應(yīng)方程的書(shū)寫(xiě)(1)熟記常見(jiàn)粒子的符號(hào)是正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子(11H)、中子(01n)、α粒子(24He)、β粒子(-1(2)掌握核反應(yīng)方程遵循的規(guī)律是正確書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)。由于核反應(yīng)不可逆,因此書(shū)寫(xiě)核反應(yīng)方程式時(shí)只能用“→”表示反應(yīng)方向。(3)核反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量數(shù)守恒,電荷數(shù)守恒。知識(shí)點(diǎn)2核能的計(jì)算方法(1)根據(jù)ΔE=Δmc2計(jì)算,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/u計(jì)算。因1原子質(zhì)量單位(1u)相當(dāng)于931.5MeV,所以計(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)合能來(lái)計(jì)算核能原子核的結(jié)合能=核子比結(jié)合能×核子數(shù)。知識(shí)點(diǎn)3對(duì)質(zhì)能方程的理解(1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系,物體的總能量和它的質(zhì)量成正比,即E=mc2。方程的含義:物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系,物體的能量增大,質(zhì)量也增大;物體的能量減少,質(zhì)量也減少。(2)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm,其能量也要相應(yīng)減少,即ΔE=Δmc2。(3)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?？枷?核反應(yīng)方程及應(yīng)用1．2023年3月23日，“點(diǎn)燃中國(guó)的人造太陽(yáng)”核聚變能源科普系列活動(dòng)在北京一零一中學(xué)啟動(dòng)?；顒?dòng)旨在激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培養(yǎng)學(xué)生群體的科技熱情與愛(ài)國(guó)情懷。下列核反應(yīng)方程式中，表示重核裂變過(guò)程的是（）A．B．C．D．【答案】B【詳解】A．反應(yīng)核只有一個(gè)，生成核中有氦核，即粒子，可知，該核反應(yīng)為衰變，故A錯(cuò)誤；B．反應(yīng)核中有重核與中子，生成核中也有中子，可知，該核反應(yīng)為重核裂變，故B正確；C．反應(yīng)核中有氦核，即為粒子撞擊，可知，該核反應(yīng)為人工核轉(zhuǎn)變，故C錯(cuò)誤；D．反應(yīng)核中為氫的同位素氘與氚，可知，該核反應(yīng)為輕核聚變，故D錯(cuò)誤。故選B?？枷?核能的計(jì)算2．钚（）靜止時(shí)衰變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)和α粒子，激發(fā)態(tài)鈾核立即衰變?yōu)榉€(wěn)態(tài)鈾核，并放出能量為的γ光子。已知钚、穩(wěn)態(tài)軸核和α粒子的質(zhì)量分別記為，和，衰變放出光子的動(dòng)量可忽略且該過(guò)程釋放的核能除去γ光子的能量外全部轉(zhuǎn)化為和α粒子的動(dòng)能。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中衰變產(chǎn)生的和α粒子，兩者速度方向均與磁場(chǎng)垂直，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則下列說(shuō)法正確的是（）A．和α粒子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)軌跡為外切圓B．的比結(jié)合能大于的比結(jié)合能C．的動(dòng)能為D．α粒子的動(dòng)能為【答案】ABD【詳解】A．由題意可知衰變產(chǎn)生的和α粒子帶電性相同，速度方向相反，故兩粒子在同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中外切，故A正確；B．由于衰變時(shí)放出核能，比結(jié)合能增大，所以的比結(jié)合能大于的比結(jié)合能，故B正確；C．由能量守恒可知由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可知解得故C錯(cuò)誤；D．根據(jù)動(dòng)量守恒定律有；聯(lián)立可得故D正確。故選ABD。1．（2023年廣東卷高考真題）理論認(rèn)為，大質(zhì)量恒星塌縮成黑洞的過(guò)程，受核反應(yīng)的影響。下列說(shuō)法正確的是（

）A．Y是粒子，射線(xiàn)穿透能力比射線(xiàn)強(qiáng)B．Y是粒子，射線(xiàn)電離能力比射線(xiàn)強(qiáng)C．Y是粒子，射線(xiàn)穿透能力比射線(xiàn)強(qiáng)D．Y是粒子，射線(xiàn)電離能力比射線(xiàn)強(qiáng)【答案】D【詳解】根據(jù)受核反應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，Y是粒子（），三種射線(xiàn)的穿透能力，射線(xiàn)最強(qiáng)，射線(xiàn)最弱；三種射線(xiàn)的電離能力，射線(xiàn)最強(qiáng)，射線(xiàn)最弱。故選D。2．（2023年浙江6月卷高考真題）“玉兔二號(hào)”裝有核電池，不懼漫長(zhǎng)寒冷的月夜。核電池將衰變釋放的核能一部分轉(zhuǎn)換成電能。的衰變方程為，則（）A．衰變方程中的X等于233 B．的穿透能力比γ射線(xiàn)強(qiáng)C．比的比結(jié)合能小 D．月夜的寒冷導(dǎo)致的半衰期變大【答案】C【詳解】A．根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，衰變