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1、1第 2 讲原子和原子核一、原子物理1原子的核式结构(1)19091911年，英籍物理学家卢瑟福进行了 粒子散射实验，提出了原子核式结构模型(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 1 所示图 1(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动2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：巴耳末系是氢原子光谱在可见
2、光区的谱线，其波长公式1R(1221n2)(n3,4,5，R 是里德伯常量，R1.10107m1)(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线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3玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量(2)跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为h 的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即 h EmEn.(h 是普朗克常量，h 6.6310234J s)(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆
3、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4氢原子的能量和能级变迁(1)能级和半径公式：能级公式：En1n2E1(n1,2,3，)，其中 E1为基态能量，其数值为E1 13.6 eV.半径公式：rnn2r1(n1,2,3，)，其中 r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r10.531010m.(2)氢原子的能级图，如图2 所示图 2自测 1(2019 湖北武汉市四月调研)已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量EnE1n2，其中n2,3,4，.若氢原子从n3 能级跃迁到n2 能级放出光子的频率为，能使氢原子从基态电离的光子的最小频率为()A.94 B4 C.36
4、5 D9答案C解析由题意可知：E132E122h；能使氢原子从基态电离的光子的最小频率满足：0E1h，解得 365，故选 C.二、天然放射现象和原子核1天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可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3(2)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2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(Z)质子数元素的原子序数原子的核外电
5、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3原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出 粒子或 粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变分类 衰变：AZXA4Z2Y42He 衰变：AZX AZ1Y01e当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生 衰变，有的发生 衰变，同时伴随着 辐射两个典型的衰变方程 衰变：23892U23490Th42He 衰变：23490Th23491Pa01e.(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
6、学状态和外部条件没有关系(3)公式：N余 N原12t，m余m原12t.4核力和核能(1)核力：原子核内部，核子间所特有的相互作用力(2)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.(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.自测 2(2018 全国卷 14)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：2713Al nX.X 的原子序数和质量数分别为()A15 和 28B15 和 304C16 和 30D17 和 31答案B解析将核反应方程式改写成42He2713Al 10nX，由电荷数
7、和质量数守恒知，X 应为3015X.1定态间的跃迁 满足能级差(1)从低能级(n)跃迁高能级(m)吸收能量h EmEn(2)从高能级(m)跃迁低能级(n)放出能量h EmEn.2电离电离态与电离能电离态：n，E0基态电离态：E吸0(13.6 eV)13.6 eV.激发态电离态：E吸0En|En|.若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能例 1(2019 河南郑州市第三次质量检测)如图 3 所示为氢原子能级示意图，下列有关说法正确的是()图 3A处于基态的氢原子吸收10.5 eV 的光子后能跃迁至n2 能级B大量处于n 4 能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可辐射出3种不同频率的光
8、C若用从n3 能级跃迁到n2 能级辐射出的光，照射某金属时恰好发生光电效应，则用从 n4 能级跃迁到n3 能级辐射出的光，照射该金属时一定能发生光电效应D用 n4 能级跃迁到n 1能级辐射出的光，照射逸出功为6.34 eV 的金属铂产生的光电子的最大初动能为6.41 eV答案D解析处于基态的氢原子吸收10.2 eV 的光子后能跃迁至n2 能级，不能吸收10.5 eV 能量5的光子，故A 错误；大量处于n4 能级的氢原子，最多可以辐射出C246 种不同频率的光子，故 B 错误；从 n3 能级跃迁到n 2 能级辐射出的光子的能量大于从n4 能级跃迁到n3 能级辐射出的光子的能量，用从n3 能级跃迁
9、到n2 能级辐射出的光，照射某金属时恰好发生光电效应，则用从n4 能级跃迁到n3 能级辐射出的光，照射该金属时一定不能发生光电效应，故C 错误；处于 n4 能级的氢原子跃迁到n1 能级辐射出的光子的能量为：EE4E1 0.85eV(13.6eV)12.75eV，根据光电效应方程，照射逸出功为6.34eV 的金属铂产生的光电子的最大初动能为：EkEW012.75eV6.34eV6.41eV，故 D 正确变式 1(2020 四川成都市调研)氢原子的能级图如图4 所示，一个处于n3 能级的氢原子向低能级跃迁，下列说法正确的是()图 4A氢原子可能发出3 种不同频率的光子B已知钾的逸出功为2.22 e
10、V，则氢原子从n3 能级跃迁到n2 能级释放的光子可以从金属钾的表面打出光电子C氢原子从n 2 能级跃迁到n1 能级释放的光子能量最小D氢原子由n 3 能级跃迁到n1 能级时，辐射出的光的频率最高，波长最短答案D解析一个处于n3 能级的氢原子向低能级跃迁，最多可辐射出两种频率的光子，即32,21，选项 A 错误；氢原子从n 3 能级跃迁到n2 能级释放的光子能量为E32 1.51eV(3.40eV)1.89eV6.34 eV，而使金属发生光电效应的条件是光子的能量大于金属的逸出功，故可以发生光电效应，故D 正确8.(2019广东湛江市第二次模拟)据国家科技部2017 年 3 月 6 日报道，迄
11、今为止，科学家已经成功检测定位了纳米晶体结构中的氢原子按玻尔氢原子理论，氢原子的能级图如图3 所示，下列判断正确的是()图 3A氢原子从第4 激发态跃迁到第2 激发态需要吸收光子B个处于 n 4 激发态的氢原子向基态跃迁时，最多可能发出6条光谱线C用光子能量为13.06 eV 的光照射一群处于基态的氢原子，可观测到多种不同频率的光子D氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，氢原子的电势能减小，电子的动能增大15答案C解析氢原子从第4 激发态跃迁到第2 激发态会辐射光子，故 A 错误；一个氢原子处于n4的激发态，当它向基态跃迁时可以发出3 条不同频率的光谱线，故B 错误；氢原子发生能级跃迁吸收或
12、放出的光子能量等于两能级的能量差：13.6 eV13.06 eV 0.54 eV，可知氢原子跃迁到第5 能级，根据 C2510 知，氢原子辐射的不同频率的光子最多有10 种，C 正确；氢原子的核外电子由低能级跃迁到高能级时，轨道半径增大，因电场力做负功，故氢原子电势能增大，电子的动能减小，故D 错误9.(2019天津市南开区二模)已知氦离子(He)的能级图如图4 所示，根据能级跃迁理论可知()图 4A氦离子(He)从 n4 能级跃迁到n3 能级比从n3 能级跃迁到n2 能级辐射出光子的频率低B大量处在n 3 能级的氦离子(He)向低能级跃迁，只能发出2 种不同频率的光子C氦离子(He)处于 n
13、1 能级时，能吸收45 eV 的能量跃迁到n2 能级D氦离子(He)从 n4 能级跃迁到n3 能级，需要吸收能量答案A解析氦离子的跃迁过程类似于氢原子，从高能级向低能级跃迁过程中要以光子的形式放出能量，而从低能级向高能级跃迁的过程中吸收能量，且放出(吸收)的能量满足能级的差值，即 EEmEn(mn)，故 C、D 错；大量的氦离子从高能级向低能级跃迁的过程中，辐射的光子种类满足组合规律即C2n，故 B 错10(2019广东广州市一模)2018 年 11 月 12 日中科院等离子体物理研究所发布消息：全超导托克马克装置EAST 在实验中有了新的突破，等离子体中心电子温度达到1 亿摄氏度；其主要核反
14、应方程为：21H21H32HeX21HY42HeX，则下列表述正确的是()AX 是质子BY 是氚核CX 与 Y 是同位素D、两个核反应都属于裂变反应16答案B解析对，根据核反应的质量数和电荷数守恒可知X 是中子，故A 错误；对，根据核反应的质量数和电荷数守恒可知Y 是氚核，故B 正确；X 是中子，Y 是氚核，X 与 Y 不是同位素，故C 错误；、两个核反应都属于轻核聚变反应，故D 错误11(2020宁夏银川市质检)国产科幻大片 流浪地球 讲述了太阳即将在未来出现“核燃烧”现象，从而导致人类无法生存，决定移民到半人马座比邻星的故事据科学家论证，太阳向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应，当太
15、阳内部达到一定温度时，会发生“核燃烧”，其中“核燃烧”的核反应方程为42He X84Be，方程中 X 表示某种粒子，84Be 是不稳定的粒子，其半衰期为T，则下列说法正确的是()AX 粒子是42HeB若使84Be 的温度降低，其半衰期会减小C经过 2T，一定质量的84Be 占开始时的18D“核燃烧”的核反应是裂变反应答案A解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，X 粒子的质量数为4，电荷数为2，为42He，选项 A 正确；温度变化不能改变放射性元素的半衰期，选项 B 错误；经过 2T，一定质量的84Be占开始时的14，选项 C 错误；“核燃烧”的核反应是轻核聚变反应，选项D 错误12(2019
16、四川德阳市第三次诊断)下列说法中错误的是()A若氢原子从n6 能级向 n1 能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应，则氢原子从 n6 能级向 n2 能级跃迁时辐射出的光也不能使该金属发生光电效应B 核泄漏事故污染物13755Cs 能够产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为13755Cs13756Ba X，可以判断X 为电子C原子核发生一次 衰变，该原子外层就一定失去一个电子D质子、中子、粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个 粒子，释放的能量是(2m1 2m2 m3)c2答案C解析根据玻尔理论可知，氢原子从n6 能级向 n1 能级跃迁时辐射出的光子的能量大于氢原子从n6
17、能级向 n2 能级跃迁时辐射出的光子的能量，结合光电效应发生的条件可知，若氢原子从n6 能级向 n1 能级跃迁时辐射出的光不能使某金属发生光电效应，则氢原子从 n6 能级向 n 2 能级跃迁时辐射出的光也不能使该金属发生光电效应，故A 正确；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，核反应方程式13755Cs13756BaX 中，X 的质量数为0，电荷数为：Z5556 1，所以 X 为电子，故B 正确；衰变的实质是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，不是来自核外电子，故C 错误；根据爱因斯坦质能17方程知，质子和中子结合成 粒子，核反应方程为211H210n42He，释放的能量是
18、E mc2(2m12m2m3)c2，故 D 正确13(2019安徽安庆市下学期第二次模拟)人类和平利用核能始于二十世纪五十年代，核能的开发和应用是解决能源问题的重要途径之一下列关于核反应的描述或判断正确的是()A.23892U23490Th42He 是核聚变B.23490Th23491Pa01e 是 衰变C.21H31H42He10n 是 衰变D.23592U10n14456Ba8936Kr 310n 是核裂变答案D14.(2020广东深圳市调研)如图 5 所示，在垂直纸面向里的匀强磁场中，静止的铀23892U 发生 衰变，生成新原子核X，已知 粒子和新核X 在纸面内做匀速圆周运动，则()图
19、5A原子核X 的电荷数为91，质量数为236B 粒子做顺时针圆周运动C 粒子和原子核X 的周期之比为1013D 粒子和原子核X 的半径之比为452答案C解析根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，原子核X 的电荷数为92290，质量数为2384 234，选项 A 错误；粒子带正电，由左手定则可知，粒子做逆时针圆周运动，选项 B 错误；根据T2 mqB可知，粒子和原子核X 的周期之比：TTX42902341013，选项 C 正确；根据动量守恒定律，粒子和原子核X 的动量大小相同，r mvqB1q可知，粒子和原子核X 的半径之比为rrX902451，选项 D 错误15(多选)(2020广东清远市质检)
20、1956 年，李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用半衰期为5.27 年的6027Co 放射源进行了实验验证，次年李、杨二人获得诺贝尔物理学奖.6027Co 的衰变方程式是：6027CoAZNi01ee(其中e是反中微子，它的电荷为零，静止质量可认为是零)，衰变前6027Co 核静止，根据云室照片可以看到衰变产物AZNi 和01e 不在同一条直线上的事实根据这些信息可以判断()A.AZNi 的核子数A 是 60，核电荷数Z是 2818B.此核反应为 衰变C.AZNi 与01e 的动量之和不可能等于零D衰变过程动量不守恒答案AC解析根据电荷数守恒、质量数守恒有：60A,27Z1，解得 A60，Z28，故 A 正确；此核反应放出电子，为 衰变，选项B 错误；衰变前6027Co 核静止，动量为零，衰变时不受外力则动量守恒，因衰变产物AZNi 和01e 不在同一条直线上且有反中微子e生成，则AZNi 和01e动量之和不可能为零，选项C 正确，D 错误