專題61 原子與原子核（講）命題規(guī)律(1)動量和動量守恒等基本概念、規(guī)律的理解，一般結(jié)合碰撞等實際過程考查；(2)綜合運用動量和機械能的知識分析較復(fù)雜的運動過程；(3)光電效應(yīng)、波粒二象性的考查；(4)氫原子光譜、能級的考查；(5)放射性元素的衰變、核反應(yīng)的考查；(6)質(zhì)能方程、核反應(yīng)方程的計算；(7)與動量守恒定律相結(jié)合的計算復(fù)習策略(1)深刻理解動量守恒定律，注意動量的矢量性、瞬時性、同一性和同時性；(2)培養(yǎng)建模能力，將物理問題經(jīng)過分析、推理轉(zhuǎn)化為動力學問題；(3)深刻理解基本概念和基本規(guī)律；(4)關(guān)注科技熱點和科技進步；(5)體會微觀領(lǐng)域的研究方法，從實際出發(fā)，經(jīng)分析總結(jié)、提出假設(shè)、建立模型，再經(jīng)過實驗驗證，發(fā)現(xiàn)新的問題，從而對假設(shè)進行修正1.知道兩種原子結(jié)構(gòu)模型，會用玻爾理論解釋氫原子光譜.2.掌握氫原子的能級公式并能結(jié)合能級圖求解原子的躍遷問題.3.掌握原子核的衰變、半衰期等知識.4.會書寫核反應(yīng)方程，并能根據(jù)質(zhì)能方程求解核能問題一、氫原子光譜、氫原子的能級、能級公式1原子的核式結(jié)構(gòu)(1)電子的發(fā)現(xiàn)：英國物理學家湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子。(2)粒子散射實驗：19091911年，英國物理學家盧瑟福和他的助手進行了用粒子轟擊金箔的實驗，實驗發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，但有少數(shù)粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度甚至大于90，也就是說它們幾乎被“撞”了回來。(3)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。2光譜(1)光譜用光柵或棱鏡可以把光按波長展開，獲得光的波長(頻率)和強度分布的記錄，即光譜。(2)光譜分類有些光譜是一條條的亮線，這樣的光譜叫做線狀譜。有的光譜是連在一起的光帶，這樣的光譜叫做連續(xù)譜。(3)氫原子光譜的實驗規(guī)律巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式R，(n3,4,5，)，R是里德伯常量，R1.10107 m1，n為量子數(shù)。3玻爾理論(1)定態(tài)：原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，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，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定，即hEmEn。(h是普朗克常量，h6.631034 Js)(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動相對應(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。4氫原子的能級、能級公式(1)氫原子的能級能級圖如圖所示(2)氫原子的能級和軌道半徑氫原子的能級公式：EnE1 (n1,2,3，)，其中E1為基態(tài)能量，其數(shù)值為E113.6 eV。氫原子的半徑公式：rnn2r1 (n1,2,3，)，其中r1為基態(tài)半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為r10.531010 m。二、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：原子核是由質(zhì)子和中子組成的，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(1)天然放射現(xiàn)象元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝克勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。(2)放射性和放射性元素物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是射線、射線、射線。(4)放射性同位素的應(yīng)用與防護放射性同位素：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性質(zhì)相同。應(yīng)用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。防護：防止放射性對人體組織的傷害。3原子核的衰變(1)衰變：原子核放出粒子或粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類衰變：XYHe衰變：XYe(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由原子核內(nèi)部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關(guān)。三、核力、結(jié)合能、質(zhì)量虧損1核力(1)定義：原子核內(nèi)部，核子間所特有的相互作用力。(2)特點：核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；核力是短程力，作用范圍在1.51015m之內(nèi)；每個核子只跟它的相鄰核子間才有核力作用。2結(jié)合能核子結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能。3比結(jié)合能(1)定義：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱做比結(jié)合能，也叫平均結(jié)合能。(2)特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2，原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小m，這就是質(zhì)量虧損。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能Emc2。四、裂變反應(yīng)和聚變反應(yīng)、裂變反應(yīng)堆核反應(yīng)方程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質(zhì)量數(shù)較小的原子核的過程。(2)典型的裂變反應(yīng)方程：UnKrBa3n。(3)鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。(4)臨界體積和臨界質(zhì)量：裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積及其相應(yīng)的質(zhì)量。(5)裂變的應(yīng)用：原子彈、核反應(yīng)堆。(6)反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。2輕核聚變(1)定義：兩輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程。輕核聚變反應(yīng)必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應(yīng)。(2)典型的聚變反應(yīng)方程：HHHen17.6 MeV考點一氫原子能級及能級躍遷1定態(tài)間的躍遷滿足能級差(1)從低能級(n小)高能級(n大)吸收能量。hEn大En小(2)從高能級(n大)低能級(n小)放出能量。hEn大En小2電離電離態(tài)與電離能電離態(tài)：n，E0基態(tài)電離態(tài)：E吸0(13.6 eV)13.6 eV電離能。n2電離態(tài)：E吸0E23.4 eV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能。重點歸納1、解答氫原子能級圖與原子躍遷問題應(yīng)注意：(1)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由hEmEn求得。若求波長可由公式c求得。(2)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n1)。(3)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。用數(shù)學中的組合知識求解：。利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。2、對原子躍遷條件的理解(1)原子從低能級向高能級躍遷，吸收一定能量的光子只有當一個光子的能量滿足hE末E初時，才能被某一個原子吸收，使原子從低能級E初向高能級E末躍遷，而當光子能量h大于或小于E末E初時都不能被原子吸收(2)原子從高能級向低能級躍遷，以光子的形式向外輻射能量，所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時的兩能級間的能量差（3）入射光子和入射電子的區(qū)別：若是在光子的激發(fā)下引起原子躍遷，則要求光子的能量必須等于原子的某兩個能級差；若是在電子的碰撞下引起的躍遷，則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個能級差兩種情況有所區(qū)別特別提醒原子的總能量Ekn隨r的增大而減小，又En隨n的增大而增大，故Epn隨n的增大而增大，電勢能的變化也可以從電場力做功的角度進行判斷，當r減小時，電場力做正功，電勢能減小，反之，電勢能增大典型案例已知氫原子的能級圖如圖所示，現(xiàn)用光子能量介于10eV129eV范圍內(nèi)的光去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法中正確的是：（）A在照射光中可能被吸收的光子能量有無數(shù)種B在照射光中可能被吸收的光子能量只有6種C照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有6種D照射后可能觀測到氫原子發(fā)射不同波長的光有3種【答案】C【解析】【名師點睛】能級間發(fā)生躍遷時吸收或輻射的光子能量等于兩能級間的能級差，根據(jù)數(shù)學組合公式求出處于激發(fā)態(tài)的氫原子可能發(fā)射出不同波長光的種數(shù)。針對練習1如圖所示為氫原子能級圖，可見光的光子能量范圍約為162eV311eV下列說法正確的是_（填正確答案標號選對1個得2分，選對2個得4分，選對3個得5分每選錯1個扣3分，最低得分為0分）A大量處在n>3的高能級的氫原子向n=3能級躍遷時，發(fā)出的光有一部分是可見光B大量處在n=4能級的氫原子向低能級躍遷時，最多輻射6種頻率的光C大量處在n=3能級的氫原子向n=2能級躍遷時，發(fā)出的光是紫外線D處在n=3能級的氫原子吸收任意頻率的紫外線光子都能發(fā)生電離E處在n=3能級的氫原子躍遷到n=1能級，輻射出的光照射逸出功為634eV的金屬鉑能發(fā)生光電效應(yīng)【答案】BDE【解析】【名師點睛】解決本題的關(guān)鍵知道能級躍遷的特點，以及熟悉各種電磁波，知道它們頻率大小的關(guān)系針對練習2（多選）如圖所示為氫原子的能級示意圖?，F(xiàn)用能量介于10eV-129eV范圍內(nèi)的光子去照射一群處于基態(tài)的氫原子，則下列說法正確的是：（）A照射光中只有一種頻率的光子被吸收B照射光中有三種頻率的光子被吸收C氫原子最多發(fā)射出三種不同波長的光D氫原子最多發(fā)射出六種不同波長的光【答案】BD【解析】因為，可知照射光中有三種頻率的光子被吸收氫原子躍遷的最高能級為能級，根據(jù)知，氫原子發(fā)射出六種不同波長的光，故B、D正確，A、C錯誤?！久麕燑c睛】能級間發(fā)生躍遷時吸收或輻射的光子能量等于兩能級間的能級差，根據(jù)數(shù)學組合公式求出處于激發(fā)態(tài)的氫原子可能發(fā)射出不同波長光的種數(shù)?？键c二原子核的衰變和原子核的人工轉(zhuǎn)變1衰變規(guī)律及實質(zhì)(1)兩種衰變的比較衰變類型衰變衰變衰變方程XYHeXAZ1Ye衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子2H2nHenHe衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒(2)射線：射線經(jīng)常是伴隨著衰變或衰變同時產(chǎn)生的其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子2原子核的人工轉(zhuǎn)變用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程典型核反應(yīng)：(1)盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為：7NHe8OH.(2)查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程為：BeHe6Cn.(3)居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程為：AlHePn.PSie.3確定衰變次數(shù)的方法(1)設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次衰變和m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則表示該核反應(yīng)的方程為XYnHeme根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程AA4n，ZZ2nm(2)確定衰變次數(shù)，因為衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)4半衰期(1)公式：N余N原()t/，m余m原()t/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余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，表示半衰期(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)重點歸納2、書寫核反應(yīng)方程時應(yīng)注意(（1）必須遵守電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律。(（2）核反應(yīng)方程中的箭頭()表示核反應(yīng)進行的方向，不能把箭頭寫成等號。（3）核反應(yīng)類型及核反應(yīng)方程的書寫類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變衰變自發(fā)UThHe衰變自發(fā)ThPae人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芅HeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)HeBeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)AlHePn約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子PSie重核裂變比較容易進行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n輕核聚變很難控制HHHen典型案例下列說法正確的有。（填正確答案標號，選對1個得2分，選對2個得4分，選對3個得5分。每選錯1個扣3分，最低得分為0分）A原子核發(fā)生一次衰變，原子核減少一個中子和一個質(zhì)子B聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核C核泄漏事故的核反應(yīng)方程式為，可以判斷為電子D光電效應(yīng)說明光具有波動性E波爾認為，氫原子由高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)時，原子能量減少【答案】BCE【解析】原子核發(fā)生一次衰變，原子核減少一個中子，增加一個質(zhì)子，選項A錯誤；聚變反應(yīng)產(chǎn)生了新的原子核，選項B正確；核泄漏事故的核反應(yīng)方程式為，由電荷數(shù)及質(zhì)量數(shù)守恒可知，可以判斷的質(zhì)量數(shù)為零，電荷數(shù)為-1，為電子，選項C正確；光電效應(yīng)說明光具有粒子性，選項D錯誤；波爾認為，氫原子由高能量狀態(tài)躍遷到低能量狀態(tài)時，原子能量減少，選項E正確；故選BCE【名師點睛】此題考查了3-5中多個知識點，包括衰變、聚變反應(yīng)、核反應(yīng)方程、光電效應(yīng)以及波爾理論等，難度不大，主要是加強記憶，多看書理解即可得分針對練習1（多選）下列說法正確的是。（填正確答案標號，選對1個得2分，選對2個得4分，選對3個得5分。每選錯1個扣3分，最低得分為0分）A、核反應(yīng)方程屬于衰變；核反應(yīng)方程屬于衰變B、核反應(yīng)方程屬于聚變，是氫彈聚變原理C、核反應(yīng)方程屬于裂變，是原子彈裂變反應(yīng)原理D、核反應(yīng)前后核子數(shù)相等，所以生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量之和；E、光電效應(yīng)實驗中，光電子的最大初動能與入射光的頻率無關(guān)，與入射光的強度有關(guān)【答案】ABC【解析】【名師點睛】化學反應(yīng)遵循質(zhì)量守恒定律，即化學反應(yīng)前后，元素的種類不變，原子的種類、總個數(shù)不變，這是書寫化學方程式、判斷物質(zhì)的化學式、判斷化學計量數(shù)、進行相關(guān)方面計算的基礎(chǔ)針對練習2下列四個方程中，表示衰變的是：（）ABCD【答案】A【解析】B是衰變生成電子，C是重核裂變，D是輕核聚變，A是衰變放射出核原子核，故A正確?！久麕燑c睛】本題較簡單，要知道衰變的生成物，了解裂變和聚變的方程式?？键c三質(zhì)量虧損及核能的計算1核能(1)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損m，其能量也要相應(yīng)減少，即Emc2。(2)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加m，吸收的能量為Emc2。2核能釋放的兩種途徑的理解(1)使較重的核分裂成中等大小的核。(2)較小的核結(jié)合成中等大小的核，核子的比結(jié)合能都會增加，都可以釋放能量。重點歸納應(yīng)用質(zhì)能方程解題的流程圖(1)根據(jù)Emc2計算，計算時m的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，E的單位是“J”。(2)根據(jù)Em931.5 MeV計算。因1原子質(zhì)量單位(u)相當于931.5 MeV的能量，所以計算時m的單位是“u”，E的單位是“MeV”。典型案例北京奧運會場館周圍80-90的路燈利用太陽能發(fā)電技術(shù)來供電，奧運會90的洗浴熱水將采用全玻真空太陽能集熱技術(shù)科學研究發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反應(yīng)，即在太陽內(nèi)部4個氫核（）轉(zhuǎn)化成一個氦核（）和兩個正電子（）并放出能量（已知質(zhì)子質(zhì)量mP=10073u，粒子的質(zhì)量m=40015u，電子的質(zhì)量me=00005u1u的質(zhì)量相當于931MeV的能量）（1）寫出該熱核反應(yīng)方程；（2）一次這樣的熱核反應(yīng)過程中的質(zhì)量虧損（3）釋放出多少MeV的能量？（結(jié)果保留四位有效數(shù)字）【答案】（1）411H24He+210e （2）00267 u（3）2487 MeV【解析】（1）根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有：411H24He+210e（2）根據(jù)質(zhì)能方程有：m=4mP-m-2mem=410073u-40015u-200005u=00267 u（3）E=mc2=00267 u9315MeV/u=2487 MeV【名師點睛】本題考查了核反應(yīng)方程的書寫以及質(zhì)能方程的簡單應(yīng)用，屬于簡單基礎(chǔ)題目，平時練習中對這類問題注意多加訓練，不可忽視。針對練習1氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放巨大的能量，該反應(yīng)方程為：H+HHe+x，式中x是某種粒子已知：H、H、He和粒子x的質(zhì)量分別為2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u；1u=931.5MeV由上述反應(yīng)方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是，該反應(yīng)釋放出的能量為 MeV（結(jié)果保留3位有效數(shù)字）【答案】中子；17.6【解析】由核電荷數(shù)守恒可知，x粒子的核電荷數(shù)為：1+12=0，由質(zhì)量數(shù)守恒可知，x粒子的質(zhì)量數(shù)為：2+34=1，則x粒子是 n或中子；核反應(yīng)過程中釋放的能量為E=mc2=17.6MeV；【名師點睛】由核電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)守恒可以判斷出x粒子是哪種粒子；先求出質(zhì)量虧損，然后由質(zhì)能方程可以求出釋放的能量針對練習2已知質(zhì)子的質(zhì)量為m1，中子的質(zhì)量為m2，碳核（）的質(zhì)量為m3，則碳核（）的比結(jié)合能為，碳-14是碳的一種具有放射性的同位素，研究發(fā)現(xiàn)外來的宇宙射線與大氣作用產(chǎn)生宇宙射線中子，宇宙射線中子和大氣中氮核（）起核反應(yīng)產(chǎn)生碳-14，請寫出核反應(yīng)方程【答案】，【解析】【名師點睛】本題關(guān)鍵是掌握愛因斯坦質(zhì)能方程以及比結(jié)合能的計算公式，知道核反應(yīng)過程中，電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒