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1、第3讲原子结构和原子核一、原子结构光谱和能级跃迁1电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型”2原子的核式结构(1)19091911年，英国物理学家卢瑟福进行了粒子散射实验，提出了核式结构模型图1(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(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3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
2、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R()(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4氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论定态：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hEmEn.(h是普朗克常量，h6
3、.631034 Js)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)几个概念能级：在玻尔理论中，原子的能量是量子化的，这些量子化的能量值，叫做能级基态：原子能量最低的状态激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他的状态量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数(3)氢原子的能级公式：EnE1(n1,2,3，)，其中E1为基态能量，其数值为E113.6 eV.(4)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r10.531010 m.5氢原子的能级图(如图2所示)图2
4、二、原子核核反应和核能1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)基本关系核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数质量数(A)核子数质子数中子数(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数2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(2)三种射线名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领射线氦核He2e4 u最强最弱射线电子ee u较强较强射线光子00最弱最强(3)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
5、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：XYHe衰变：XAZ1Y_e衰变：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：92UThHe衰变：ThPa01e.(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，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系(3)公式：N余N原()4核力原子核内部，核子间所特有的相互作用力5核能(
6、1)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其对应的能量Emc2.(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Emc2.6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大，都可以释放能量1判断下列说法是否正确(1)原子光谱是不连续的，是由若干种频率的光组成的()(2)电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率()(3)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁()(4)原子的能量量子化现象是指原子在不同状态中具有不同的能量()2在卢瑟福粒子散射实验中，有少数粒子发生了大角度偏转，其原因是()A原
7、子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B正电荷在原子内是均匀分布的C原子中存在着带负电的电子D原子只能处于一系列不连续的能量状态中答案A解析卢瑟福粒子散射实验中有少数粒子发生了较大角度的偏转，这是由于粒子带正电，而原子核极小，且原子核带正电，A正确，B错误粒子能接近原子核的机会很小，大多数粒子都从核外的空间穿过，而与电子碰撞时如同子弹碰到尘埃一样，运动方向不会发生改变C、D的说法没错，但与题意不符3一个氢原子从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，能量减少答案B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
8、项B正确，选项A、C、D错误4核反应方程BeHe6CX中的X表示()A质子 B电子 C光子 D中子答案D5下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是()A射线是高速运动的电子流B氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D21083Bi的半衰期是5天，100克21083Bi经过10天后还剩下50克答案B解析射线是高速电子流，而射线是一种电磁波，选项A错误氢原子辐射光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项B正确太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项C错误.10天为两个半衰期，剩余的210 83Bi为100()g100()2 g25
9、g，选项D错误.命题点一原子的核式结构例1(多选)如图3所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是()图3A放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比A位置时稍少些C放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少答案ABD解析根据粒子散射现象，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，A、B、D正确1(多选)下列说法正确的是()A汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且提出了“枣糕模型”B卢瑟福做
10、粒子散射实验时发现绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数粒子发生大角度偏转C粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上D卢瑟福提出了原子核式结构模型，并解释了粒子发生大角度偏转的原因答案BCD2(多选)在物理学的发展过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步下列表述符合物理学史实的是()A普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论B爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说C卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型D玻尔大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性答案ABC解析普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量
11、子化理论，A正确爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说，B正确卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，C正确德布罗意大胆提出假设，认为实物粒子也具有波动性，D错误3(多选)物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展，下列说法符合事实的是()A赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论B查德威克用粒子轰击N获得反冲核O，发现了中子C贝克勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构D卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型答案AC解析麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的电磁理论，选项A正确；卢瑟福用粒子轰
12、击N，获得反冲核O，发现了质子，选项B错误；贝可勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核具有复杂结构，选项C正确；卢瑟福通过对粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，选项D错误4图4中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里以下判断可能正确的是()图4Aa、b为粒子的径迹Ba、b为粒子的径迹Cc、d为粒子的径迹Dc、d为粒子的径迹答案D解析粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，选项B错误；粒子为氦核带正电，由左手定则知向上偏转，选项A、C错误；粒子是带负电的电子，应向下偏转，选项D正确命题点二玻尔理论和能级跃迁例2(多选)有关氢原子
13、光谱的说法正确的是()A氢原子的发射光谱是连续谱B氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光C氢原子光谱说明氢原子能级是分立的D氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关答案BC5(多选)如图5是氢原子的能级图，一群氢原子处于n3能级，下列说法中正确的是()图5A这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的波B这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2 eVC从n3能级跃迁到n2能级时发出的光波长最长D如果发出的光子中只有一种能使某金属产生光电效应，那一定是由n3能级跃迁到n1能级发出的答案ACD解析根据C3知，这群氢原子能够发出3种不同频率的光子，故A正确；由n3能级跃迁到n1能级，辐射的光子能量最大
14、，E(13.61.51) eV12.09 eV，故B错误；从n3能级跃迁到n2能级辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故C正确；如果发出的光子中只有一种能使某金属产生光电效应，知这种光子为能量最大的一种，即为从n3能级跃迁到n1能级发出的，故D正确6一群处于n4的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为()A3种 B4种C5种 D6种答案D解析一群处于n4的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为C6种，选D.7一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中()A可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线B可能发出一系列频率不同的光子，形
15、成光谱中的若干条亮线C只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线D只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线答案B解析处于较高能级的电子可以向较低的能级跃迁，能量减小，原子要发出光子，由于放出光子的能量满足hEmEn，处于较高能级的电子可以向较低的能级跃迁，激发态不稳定可能继续向较低能级跃迁，所以原子要发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线故A、C、D错误，B正确8(多选)如图6所示为氢原子的能级图氢原子从n5的能级跃迁到n3的能级时辐射出a光子，从n4的能级跃迁到n2的能级时辐射出b光子下列说法正确的是()图6Aa光子的能量比b光子的能量大B若a、b两种光在同一种均匀介质中传播，则
16、a光的传播速度比b光的传播速度大C若b光能使某种金属发生光电效应，则a光一定能使该金属发生光电效应D若用同一双缝干涉装置进行实验，用a光照射双缝得到相邻亮条纹的间距比用b光照射双缝得到的相邻亮条纹的间距大答案BD解析据题意，氢原子从n5能级跃迁到n3能级释放的光子能量为Ea0.97 eVha，氢原子从n4能级跃迁到n2能级释放的光子能量为Eb2.55 eVhb，则知b光子的能量大，频率也大，在同一种均匀介质中，频率越大的光传播速度越慢，A错误，B正确如果b光可以使某种金属发生光电效应，则a光不一定能使其发生光电效应，C错误a光频率较小，则a光波长较大，所以在做双缝干涉实验时，用a光照射双缝时得
17、到的干涉条纹较宽，D正确命题点三原子核及核反应例3在下列描述核过程的方程中，属于衰变的是_，属于衰变的是_，属于裂变的是_，属于聚变的是_(填正确答案标号)A.CNe B.PSeC.UThHe D.NHeOHE.UnXeSr2n F.HHHen答案CABEF9(多选)关于核反应方程ThPaXE(E为释放的核能，X为新生成的粒子)，已知90Th的半衰期为1.2 min，则下列说法正确的是()A此反应为衰变B.Pa核和Th核具有相同的质量C.Pa具有放射性D64 g的Th经过6 min还有1 g Th尚未衰变答案AC解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出X为01e，所以此反应为衰变，A正确；
18、Pa核与Th核质量不相同，B错误；根据化学元素周期表及化学知识知，Pa为放射性元素，C正确；利用半衰期公式m余()m原，可得m余2 g，则D错误10(多选)下列说法正确的是()A天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构B一群处于n3能级激发态的氢原子，自发跃迁时能发出3种不同频率的光C放射性元素发生一次衰变，原子序数增加1D.U的半衰期约为7亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期可能变短答案BC题组1原子结构和玻尔理论1用频率为0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为1、2和3的三条谱线，且321，则()A01 B321C0123 D.答案B2处于激发状态的原子，在入射
19、光的电磁场的影响下，从高能态向低能态跃迁，两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射原子发生受激辐射时，发出的光子频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使光得到加强，这就是激光产生的机理那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量E、电势能Ep、电子动能Ek的变化情况是()AEp增大、Ek减小，E减小BEp减小、Ek增大，E减小CEp增大、Ek增大，E增大DEp减小、Ek增大，E不变答案B3(多选)以下有关近代物理内容的若干叙述，正确的是()A紫外线照射到金属锌板表面时能发生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大B玻尔认为
20、，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的C射线是原子核外电子高速运动形成的D光子不仅具有能量，也具有动量答案BD解析最大初动能只与入射光的频率有关，与光强无关，故A错误，射线是原子核中的中子变成质子和电子，同时将电子释放出来形成的，即nH01e，故C错误4在卢瑟福粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是()答案C解析金箔中的原子核与粒子都带正电，粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错；由原子核对粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向受力一方，B错，C对题组2原子核和核反应 5.(多选)
21、下列说法正确的是()A.PSie是一种核裂变反应B核反应堆产生的能量一定来自轻核聚变C太阳辐射的能量主要来自太阳内部的轻核聚变反应D卢瑟福为解释粒子散射实验现象提出了原子核式结构学说答案CD6(多选)关于天然放射现象，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中子转变为质子和电子时产生的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(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，要经过8次衰变和6次衰变答案BD7(多选)下列说法正确的是()A天然放射性现象说明原子核内部具有复杂的结构B粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构C原子核发生衰变
22、生成的新核原子序数增加D氢原子从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的波长小于从能级2跃迁到能级1辐射出的光子的波长答案AC解析天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构，A正确粒子散射实验说明原子具有核式结构，B错误根据电荷数守恒、质量数守恒知，衰变放出了一个电子，新核的电荷数加1，即原子序数增加，C正确氢原子从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的能量小于从能级2跃迁到能级1辐射出的光子的能量，故从能级3跃迁到能级2辐射出的光子的波长大于从能级2跃迁到能级1辐射出的光子的波长，D错误8(多选)关于天然放射性，下列说法正确的是()A所有元素都可能发生衰变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
23、的元素形成化合物时仍具有放射性D一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线答案BC解析自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；原子核发生衰变时，不能同时发生和衰变，射线伴随这两种衰变产生，故选项D错误9目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出、射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是()A氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.
24、6天后就剩下一个氡原子核了B衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的C射线一般伴随着或射线产生，在这三种射线中，射线的穿透能力最强，电离能力最弱D发生衰变时，生成核与原来的原子核相比，中子数减少了4答案B解析半衰期遵循统计规律，对单个或少数原子核是没有意义的，A错误根据3种射线的特性及衰变实质可知B正确C、D错误题组3动量和能量守恒定律在核反应中的应用101930年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒子加速器，他们获得了高速运动的质子，用来轰击静止的锂7(Li)原子核，形成一个不稳定的复合核后分解成两个相同的原子核(1)写出核反应方程式；(2)已知质子的质量为m，初速度为v0，反应后产生的一个原子核速度大小为v0，方向与质子运动方向相反，求反应后产生的另一个原子核的速度以及反应过程中释放的核能(设反应过程释放的核能全部转变为动能)答案(1)LiH2He(2)v0mv解析(1)根据质量数与电荷数守恒，则有LiH2He(2)由动量守恒定律得mv04m(v0)4mv解得vv0；释放的核能为E(4m)v24m(v0)2mv解得Emv.14