第30講原子結(jié)構(gòu)、原子核,一 原子結(jié)構(gòu),二 原子核,教材研讀,突破一 氫原子能級及能級躍遷,突破二 原子核的衰變及半衰期,突破三 核反應方程與核能,重難突破,突破四 能量守恒和動量守恒在核反應中的應用,3.半衰期,4.核能,1.判斷下列說法的正誤: (1)原子中絕大部分是空的,原子核很小。() (2)核式結(jié)構(gòu)學說是盧瑟福在粒子散射實驗的基礎上提出的。() (3)氫原子光譜是由一條一條亮線組成的。( ) (4)按照玻爾理論,核外電子均勻分布在各個不連續(xù)的軌道上。() (5)人們認識原子核具有復雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的。(),(6)如果某放射性元素的原子核有100個,經(jīng)過一個半衰期后還剩50個。() (7)射線是一種高能粒子流,可以用來工業(yè)探傷。( ) (8)原子核發(fā)生衰變時放出一個電子,說明原子核內(nèi)有電子。( ) (9)愛因斯坦質(zhì)能方程反映了物體的質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化。 ( ) (10)核反應遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒,也遵循電荷數(shù)守恒。(),2.關(guān)于陰極射線的本質(zhì),下列說法正確的是(C) A.陰極射線本質(zhì)是高速氫原子流B.陰極射線本質(zhì)是電磁波 C.陰極射線本質(zhì)是高速電子流D.陰極射線本質(zhì)是X射線,3.對于基態(tài)氫原子,下列說法正確的是(A) A.它能吸收10.2 eV的光子 B.它能吸收11 eV的光子 C.它能吸收動能為10 eV的電子的能量 D.它能吸收具有11 eV動能的電子的全部動能,4.大量氫原子從n=5的激發(fā)態(tài)向低能級躍遷時,產(chǎn)生的光譜條數(shù)是(D) A.4條B.6條C.8條D.10條,5.碘131的半衰期約為8天,若某藥物含有質(zhì)量為m的碘131,經(jīng)過32天后,該藥物中碘131的含量大約還有(C) A.B.C.D.,6.(多選)能源是社會發(fā)展的基礎,發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列核反應方程的表述正確的有(AC) AHHHen是核聚變反應 BHHHen是衰變 CUnBaKr+n是核裂變反應 DUnXeSr+n是衰變,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。 h=En大-En小 (2)從高能級(n大)低能級(n小)放出能量。 h=-,突破一氫原子能級及能級躍遷,重難突破,2.電離 電離態(tài)與電離能 電離態(tài):n=,E=0 基態(tài)電離態(tài):E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV n=2電離態(tài):E吸=0-E2=3.4 eV 如吸收能量足夠大,克服電離能后,獲得自由的電子還具有動能。 3.對氫原子能級圖的理解 (1)能級圖如圖所示。,(2)能級圖中相關(guān)量意義的說明,4.譜線條數(shù)的確定方法 (1)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n-1)。 (2)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:N=。 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。,典例1(多選)如圖所示是氫原子的能級圖,大量處于n=4激發(fā)態(tài)的氫原子向低能級躍遷時,一共可以輻射出6種不同頻率的光子,其中巴耳末系是指氫原子由高能級向n=2能級躍遷時釋放的光子,則(BC) A.6種光子中波長最長的是n=4激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時 產(chǎn)生的 B.在6種光子中,從n=4能級躍遷到n=1能級釋放的光子 康普頓效應最明顯 C.使n=4能級的氫原子電離至少要0.85 eV的能量 D.若從n=2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能使某金屬板發(fā)生光電效應,則從n=3能級躍遷到n=2能級釋放的光子也一定能使該板發(fā)生光電效應,解析n=4激發(fā)態(tài)躍遷到n=3激發(fā)態(tài)時產(chǎn)生光子的能量最小,根據(jù)E= 知,波長最長,故A錯誤;從n=4激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時產(chǎn)生光子的能量最大,根據(jù)E=知,波長最短,粒子性最明顯,康普頓效應最明顯,故B正確。 n=4能級的氫原子具有的能量為-0.85 eV,故要使其發(fā)生電離,至少需要0.85 eV的能量,故C正確;從n=2能級躍遷到基態(tài)釋放的光子能量為 -3.40 eV-(-13.6) eV=10.2 eV,若能使某金屬板發(fā)生光電效應,從n=3能級躍遷到n=2能級釋放的光子能量-1.51 eV-(-3.40) eV=1.89 eV<10.2 eV,不一定 能使該板發(fā)生光電效應,D錯誤。,規(guī)律總結(jié) 氫原子能級圖與原子躍遷問題的解答技巧 (1)能級之間躍遷時放出的光子頻率是不連續(xù)的。 (2)能級之間發(fā)生躍遷時放出(吸收)光子的頻率由h=Em-En求得。若求波長可由公式c =求得。 (3)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n - 1)。 (4)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:N =。 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。,1-1(多選)如圖為氫原子能級圖,氫原子中的電子從n=5能級躍遷到n=2能級可產(chǎn)生a光;從n=4能級躍遷到n=2能級可產(chǎn)生b光。a光和b光的波長分別為a和b,照射到逸出功為2.29 eV的金屬鈉表面均可產(chǎn)生光電效應,遏止電壓分別為Ua和Ub。則(BCD) A.ab B.UaUb C.a光的光子能量為2.86 eV D.b光產(chǎn)生的光電子最大初動能Ek=0.26 eV,解析根據(jù)能級躍遷知識得ha=E5-E2=-0.54-(-3.4) eV=2.86 eV,hb=E4-E2=-0.85-(-3.4) eV=2.55 eV,顯然a光的光子能量大于b光的光子能量,即a光頻率較大,波長較短,所以A錯,C正確。根據(jù)光電效應方程可知,最大初動能Ek=h-W0,所以a光照射后光電子的最大初動能為Ek=(2.86- 2.29) eV=0.57 eV,b光照射后光電子的最大初動能為Ek=(2.55-2.29) eV= 0.26 eV,選項D正確。由eU=Ek知UaUb,選項B正確。,1-2(多選)氫原子從n=6躍遷到n=2能級時輻射出頻率為1的光子,從n=5躍遷到n=2能級時輻射出頻率為2的光子。下列說法正確的是(ABD) A.頻率為1的光子的能量較大 B.頻率為1的光子的動量較大 C.做雙縫干涉實驗時,頻率為1的光產(chǎn)生的條紋間距較大 D.做光電效應實驗時,頻率為1的光產(chǎn)生的光電子的最大初動能較大,解析由En= ,E=Em-En,可知,氫原子從n=6能級躍遷到n=2能級時輻 射出的光子比從n=5能級躍遷到n=2能級時輻射出的光子的能量要大,故A正確;由E=h,c=,且光子動量p=,可知能量大的光子動量大,B正 確;頻率為1的光子能量大,頻率為1的光波長小,雙縫干涉條紋間距x=小,C錯誤;由光電效應方程Ekm=h-h0可知,入射光子的能量大,產(chǎn)生 的光電子最大初動能大,故D正確。,1-31995年科學家“制成”了反氫原子,它是由一個反質(zhì)子和一個圍繞它運動的正電子組成,反質(zhì)子和質(zhì)子有相同的質(zhì)量,帶有等量異種電荷。反氫原子和氫原子有相同的能級分布,氫原子能級 如圖所示,則下列說法中正確的是(B) A.反氫原子光譜與氫原子光譜不相同 B.基態(tài)反氫原子的電離能為13.6 eV C.基態(tài)反氫原子能吸收11 eV的光子而發(fā)生躍遷 D.大量處于n=4能級的反氫原子向低能級躍遷時,從n=2能級躍遷到基態(tài)輻射的光子的波長最短,解析反氫原子和氫原子有相同的能級分布,故反氫原子光譜與氫原子光譜相同,A錯;基態(tài)反氫原子的電離能為13.6 eV,只有大于等于13.6 eV的能量的光子才可以使反氫原子電離,B對;基態(tài)反氫原子發(fā)生躍遷時,只能吸收能量等于兩個能級的能量差的光子,C錯;處于n=4能級的大量反氫原子,從n=4能級躍遷到基態(tài)輻射的光子的能量最大,頻率最大,波長最短,D錯。,突破二原子核的衰變及半衰期,1.衰變規(guī)律及實質(zhì) (1)衰變和衰變的比較,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)半衰期的物理意義 半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰變速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差別很大。 (3)半衰期的適用條件 半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律,是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié),對于一個特定的原子核,無法確定何時發(fā)生衰變。,典例2(多選)關(guān)于天然放射現(xiàn)象,以下敘述正確的是(CD) A.若使放射性物質(zhì)的溫度升高,其半衰期將變大 B.衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r產(chǎn)生的 C.在、這三種射線中,射線的穿透能力最強,射線的電離能力最強 D.鈾核U)衰變?yōu)殂U核Pb)的過程中,要經(jīng)過8次衰變和6次衰變,解析半衰期的長短與元素的物理狀態(tài)無關(guān),若使某放射性物質(zhì)的溫度升高,其半衰期不變,故A錯誤;衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子時產(chǎn)生的,故B錯誤;在、這三種射線中,射線的穿透能力最強,射線的電離能力最強,故C正確;鈾核U)衰變?yōu)殂U核Pb)的 過程中,每經(jīng)過一次衰變質(zhì)子數(shù)少2,質(zhì)量數(shù)少4;而每經(jīng)過一次衰變質(zhì)子數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變;由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒,可知要經(jīng)過8次衰變和6次衰變,故D正確。,解析根據(jù)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒知,釷核衰變過程中放出了一個電子,即X為電子,故A錯誤;發(fā)生衰變時釋放的電子是由核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)化成一個質(zhì)子時產(chǎn)生的,故B正確;射線是鏷原子核放出的,故C正確;釷的半衰期為24天,1 g釷Th經(jīng)過120天即經(jīng)過5個半衰期,還剩0.031 25 g, 故D錯誤。,解析根據(jù)核反應方程可知,X原子核中電荷數(shù)為92個,質(zhì)量數(shù)為235,則中子數(shù)為143個,選項A錯誤;钚衰變發(fā)出的射線具有很強的穿透能力,但是電離能力很弱,選項B錯誤;20克的Pu經(jīng)過48 200年后,剩余的質(zhì)量 為20克=5克,即還有5克未衰變,選項C正確;由于反應要放出能 量,則钚核衰變前的質(zhì)量大于衰變后X、 He核的質(zhì)量之和,選項D錯誤。,2.對質(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)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損m,其能量也要相應減少,即E=mc2。 (3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量,相應的質(zhì)量增加m,吸收的 能量為E=mc2。,3.核能的計算方法 (1)根據(jù)E=mc2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)E=m931.5 MeV計算。因1原子質(zhì)量單位(u)對應于931.5 MeV的能量,所以計算時m的單位是“u”,E的單位是“MeV”。 (3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能: 原子核的結(jié)合能=核子比結(jié)合能核子數(shù)。,典例3(2017浙江11月選考,14,2分)(多選)下列說法正確的是(BD) A.核聚變反應方程可能為HHHe+n B.鈾核裂變的核反應方程可能為UnXeSr+n C.發(fā)生衰變時原子核放出電子,說明電子是原子核的組成部分 D.中子和質(zhì)子結(jié)合成氘核,若該過程質(zhì)量虧損為m,則氘核的結(jié)合能為mc2,解析選項A的核反應方程為HHHen,選項A錯誤;根據(jù)重核裂 變的核反應方程配平方式可知,選項B正確;衰變時原子核內(nèi)部中子衰變?yōu)橘|(zhì)子時釋放出高速電子,電子并不是原子核的組成部分,選項C錯誤;根據(jù)質(zhì)能方程可知選項D正確。,方法規(guī)律 核能求解的思路方法 (1)應用質(zhì)能方程解題的流程圖: (2)在動量守恒方程中,各質(zhì)量都可用質(zhì)量數(shù)表示。 (3)核反應遵守動量守恒和能量守恒定律,因此可以結(jié)合動量守恒和能量守恒定律來計算核能。,解析本題考查了對原子核的裂變、質(zhì)能方程的理解。鈾核的裂變需要中子的轟擊,所以選項A錯誤,選項B正確。鏈式反應在進行過程中,需要鈾塊達到臨界體積才能維持鏈式反應持續(xù)不斷進行下去,所以選項C正確。根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2,反應過程中,質(zhì)量虧損為m= kg3.610-28 kg,選項D錯誤。,3-2為紀念愛因斯坦對物理學的巨大貢獻,聯(lián)合國將2005年定為“國際物理年”。對于愛因斯坦提出的質(zhì)能方程E=mc2,下列說法中正確的 是(B) A.E=mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成反比 B.一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核時釋放能量,表明此過程出現(xiàn)了質(zhì)量虧損 C.根據(jù)E=mc2不能計算核反應的能量 D.E=mc2中的E是發(fā)生核反應過程中釋放的核能,解析E=mc2表明物體具有的能量與其質(zhì)量成正比,故A錯誤。一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核時釋放能量,根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程知,該過程出現(xiàn)了質(zhì)量虧損,故B正確。根據(jù)E=mc2可計算核反應的能量,故C錯誤。E=mc2中的E是物體蘊含的能量,不是核反應中釋放的核能,故D錯誤。,突破四能量守恒和動量守恒在核反應中的應用 能量守恒定律是人類長期總結(jié)得到的一條普遍適用的基本規(guī)律。 能量守恒定律和動量守恒定律是解決原子問題的金鑰匙。,典例4靜止的氡核Rn放出粒子后變?yōu)獒暫薖o,粒子動能為E,若 衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和粒子的動能,真空中的光速為c,則該反應中的質(zhì)量虧損為(C) A.B.0C.D.,答案(1)吸收能量1.2 MeV(2)1.8106 m/s,解析(1)由m=mN+mHe-mO-mp得: m=-0.001 29 u。 所以這一核反應是吸收能量的反應, 吸收能量E=|m|c2=0.001 29 uc21.2 MeV。 (2)由動量守恒定律可得: mHev0=mOvO+mpvp 又vOvp=150,可解得:vO1.8106 m/s。,