2024年高考物理第一轮复习课件：第十五章 第2讲　原子和原子核

这是一份2024年高考物理第一轮复习课件：第十五章 第2讲　原子和原子核，共60页。PPT课件主要包含了汤姆孙，卢瑟福，正电荷，特征谱线，不连续，质子数，贝克勒尔，示踪原子，原子核，核子间等内容，欢迎下载使用。
[自主落实]一、原子结构1．电子的发现：英国物理学家________发现了电子。2．原子的核式结构(1)α粒子散射实验：英国物理学家_______指导他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿_____的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来。
(2)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的______和几乎全部____都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。
二、氢原子光谱1．光谱：用光栅或棱镜可以把物质发出的光按波长(频率)展开，获得波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。2．光谱分类
三、氢原子的能级、能级公式1．玻尔理论(1)定态：原子只能处于一系列_______的能量状态中，在这些能量状态中原子是_____的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。(2)跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝En－Em。(h是普朗克常量，h＝6．63×10－34 J·s)(3)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_______的，因此电子的可能轨道也是_______的。
2．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图所示。
四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素1．原子核的组成原子核是由____和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的______。2．天然放射现象元素____地放出射线的现象，首先由________发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有_____的结构。
3．放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素：有_____放射性同位素和_____放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。(2)应用：消除静电、工业探伤、作_________等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。4．原子核的衰变(1)衰变：原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成另一种_______的变化称为_______的衰变。
(2)分类(3)半衰期：放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的_____、_____状态无关。
五、核力和核能1．核力原子核内部，______所特有的相互作用力。2．结合能核子结合为原子核时____的能量或原子核分解为核子时____的能量，叫作原子核的结合能。3．比结合能(1)定义原子核的结合能与_______之比，称作比结合能，也叫平均结合能。
(2)特点不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越_____。4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝____。原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝______。
六、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程1．重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程(3)链式反应：由重核裂变产生的____使裂变反应一代接一代继续下去的过程。
(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生_________的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：_______、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、_____、防护层。2．轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成_________的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫_________。
[自我诊断]一、判断题　(1)人们认识原子具有复杂结构是从物理学家卢瑟福研究阴极射线发现电子开始的。( )(2)人们认识原子核具有复杂结构是从查德威克发现质子开始的。 ( )(3)原子中绝大部分是空的，原子核很小。( )
(4)按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。 ( )(5)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后一定还剩50个原子核没有衰变。( )(6)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。( )
二、选择题1．关于卢瑟福的原子核式结构，下列叙述正确的是(　　)A．原子是一个质量分布均匀的球体B．原子的质量几乎全部集中在原子核内C．原子的正电荷和负电荷全部集中在一个很小的核内D．原子直径的数量级大约是10－15 m，原子核直径的数量级是10－20 m
2．氢原子的能级示意图如图所示，一群氢原子由n＝1的状态激发到n＝4的状态，在它回到n＝1的状态的过程中，以下说法正确的有 (　　)A．可能激发的能量不同的光子只有3种B．可能发出4种不同频率的光子C．可能发出的光子的最大能量为12．75 eVD．可能发出的光子的最小能量为0．85 eV
3．关于原子核的结合能，下列说法正确的是(　　)A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定小于原来重核的结合能C．平均结合能越大，原子核越不稳定D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
分析α粒子散射轨迹的思路(1)在α粒子散射实验中，α粒子与重金属原子核都带正电，其相互作用力遵守库仑定律。(2)α粒子的运动轨迹由重金属原子核对α粒子的库仑力的大小和方向及粒子的运动方向等因素决定。(3)根据牛顿第二定律，α粒子在各点处的加速度方向由库仑力的方向决定。
【例1】　如图所示为α粒子散射实验装置的示意图，关于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，下述说法错误的是(　　)
A．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放在A位置时少得多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[解析]　根据α粒子散射现象，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转。[答案]　C
【例2】　在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是(　　)A．原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
[解析]　卢瑟福α粒子散射实验中使卢瑟福惊奇的就是α粒子发生了较大角度的偏转，这是由于α粒子带正电，而原子核极小，且原子核带正电，A正确，B错误；α粒子能接近原子核的机会很小，大多数α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。
【例3】　如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止。图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是(　　)A．M点　　　　　　　B．N点C．P点 D．Q点[解析]　α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向相同。带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向曲线的凹侧，故C正确。
对玻尔理论的理解及应用
①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝Em－En。[注意]　对于大于电离能的光子可被吸收，可将原子电离。②碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外≥Em－En。2．电离：指原子从基态(n＝1)或某一激发态(n≥2)跃迁到n＝∞状态的现象。(1)电离态：n＝∞，E＝0。
(2)电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。对于氢原子：①基态→电离态：E吸＝0－(－13．6 eV)＝13．6 eV，即为基态的电离能。②n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3．4 eV，即为n＝2激发态的电离能。[注意]　如果原子吸收能量足够大，克服电离能后，电离出的自由电子还具有一部分动能。
【例4】　处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有(　　)A．1种　　　　　　　　B．2种　C．3种 D．4种[解析]　大量氢原子从n＝3能级向低能级跃迁时，能级跃迁图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种。
【例5】　(2019·全国Ⅰ卷)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　)A．12.09 eV B．10.20 eVC．1.89 eV D．1.51 eV
[解析]　可见光光子能量范围为1.63 eV～3.10 eV，则氢原子能级差应该在此范围内，可简单推算如下：2、1能级差为10.20 eV，此值大于可见光光子的能量；3、2能级差为1.89 eV，此值属于可见光光子的能量，符合题意，即处于基态的氢原子至少被激发到n＝3能级才可辐射出可见光光子。氢原子处于基态，要使氢原子达到第3能级，需提供的能量为－1.51 eV－(－13.60 eV)＝12.09 eV，此值也是提供给氢原子的最少能量，选项A正确。
1．(原子跃迁和光电效应综合)如图为氢原子的能级示意图，现有大量的氢原子处于n＝4的激发态，当原子向低能级跃迁时辐射出若干不同频率的光。关于这些光，下列说法正确的是(　　)
A．最容易发生衍射现象的光是由n＝4能级跃迁到n＝1能级产生的B．频率最小的光是由n＝2能级跃迁到n＝1能级产生的C．这些氢原子总共可辐射出3种不同频率的光D．用由n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光去照射逸出功为6．34 eV的金属铂能发生光电效应
2．(原子跃迁和光电效应综合)如图所示为氢原子能级示意图。下列有关说法正确的是(　　)A．处于基态的氢原子吸收10.5 eV的光子后能跃迁至n＝2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
C．若用从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光照射某金属时恰好发生光电效应，则用从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光照射该金属时一定能发生光电效应D．用n＝4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解析：处于基态的氢原子吸收10.2 eV的光子后能跃迁至n＝2能级，不能吸收10.5 eV能量的光子，故A错误；大量处于n＝4能级的氢原子，最多可以辐射出C42＝6种不同频率的光子，故B错误；从n＝3能级跃迁
到n＝2能级辐射出的光子的能量大于从n＝4能级跃迁到n＝3能级辐射出的光子的能量，用从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光照射某金属时恰好发生光电效应，则用从n＝4能级跃迁到n＝3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n＝4能级的氢原子跃迁到n＝1能级辐射出的光子的能量为E＝E4－E1＝－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.75 eV，根据光电效应方程，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Ek＝E－W0＝12.75 eV－6.34 eV＝6.41 eV，故D正确。
1．三种射线的成分和性质
2．α衰变、β衰变的比较
【例6】　(2022·浙江宁波中学模拟)卢瑟福设计的一个实验如图所示：他在铅块上钻了一个小孔，孔内放入一点镭，使射线只能从这个小孔里发出，随后他将射线引入磁场中，发现射线立即分成三股，他把三束射线分别命名为α射线、β射线、γ射线。基于对这三种射线的深入分析，卢瑟福获得了1907年的诺贝尔奖。以下对这三束射线描述准确的是 (　　)
A．α射线的穿透能力最弱，容易被物体吸收B．β射线在真空中的运动速度是光速C．γ射线本质上是波长极短的电磁波，电离能力极强D．β射线带负电，是来自镭原子的核外电子[解析]　α射线穿透能力最弱，电离作用强，容易被物体吸收，故A正确；β射线的速度约是光速的99%，故B错误；γ射线是一种波长很短的电磁波，电离能力极弱，故C错误；β射线(高速电子束)带负电，是由一个中子转变成一个质子后释放的，故D错误。
【例9】　(2021·全国甲卷)如图，一个原子核X经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核Y，在此过程中放射出电子的总个数为 (　　)A．6　　　　　　　　B．8C．10 D．14
[解析]　根据图像，找到初始状态的原子核X，对应质子数为92，中子数为146，质量数为238，再找出末状态的原子核Y，对应质子数为82，中子数为124，质量数为206，设发生了n次α衰变、m次β衰变，根据核反应中质量数守恒得238＝4n＋206，电荷数守恒得92＝2n＋82－m，解得m＝6、n＝8，则此过程中发生了8次α衰变和6次β衰变，发生一次β衰变可以放出一个电子，因此放出电子的个数为6，故选项A正确，B、C、D错误。
核反应方程与核能的计算
2．核能的计算方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算时，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算时，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。(3)根据核子比结合能来计算核能原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。
[解析]　由质量数和电荷数守恒可得4＋14＝m＋1，2＋7＝8＋n，解得m＝17，n＝1，B正确。
[解析]　反应前氘核的结合能是E1＝2×1.09 MeV＝2.18 MeV氚核的结合能为E2＝3×2.78 MeV＝8.34 MeV，反应后生成的氦核的结合能为E3＝4×7.03 MeV＝28.12 MeV，反应过程释放出的能量为ΔE＝E3－E2－E1＝(28.12－8．34－2.18) MeV＝17.6 MeV＝2.82×10－12 J，故B正确，A、C、D错误。