2025年高考物理二轮复习第十五章　近代物理 第二讲　原子与原子核课件+讲义（教师+学生）+跟踪练习

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1.理解原子的核式结构，了解氢原子光谱，理解玻尔原子结构理论，会分析能级跃迁问题。 2.理解原子核的衰变，会计算原子核的半衰期。 3.理解原子核的人工转变、重核的裂变、轻核的聚变，会书写核反应方程，会计算核反应过程的核能。
1.原子核式结构(1)电子的发现：英国物理学家________发现了电子。(2)α粒子散射实验1909年，英国物理学家________和他的助手进行了用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______方向前进，但少数α粒子发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了________，有的甚至达到180°。
(3)原子的核式结构模型在原子中心有一个带正电的很小的原子核，它几乎集中了原子的全部质量，而电子则在核外空间绕原子核旋转。
2.氢原子(1)原子光谱：某种原子的气体通电后可以产生__________的光谱。(2)氢原子光谱：实验得到的氢原子光谱是______的。
3.原子的能级结构(1)能级：当电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有______的能量。这些分立的能量值被称为原子的能级。(2)跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程。(3)基态：氢原子处于______的能级E1(n＝1)，这个最低能级对应的状态。激发态：当电子受到外界激发时，可从外界吸收能量，并从基态跃迁到______的能级E2，E3，…上，这些能级对应的状态称为激发态。处于激发态的原子是不稳定的，它会向较低能级跃迁，跃迁时辐射出光子，光子的能量为hν＝____________。
4.氢原子能级和能级公式(1)氢原子的能级公式和轨道半径公式 ①能级公式：En ＝________(n＝1，2，3…)，其中基态的能量E1最低，其数值为E1＝－13.6 eV。②半径公式：rn＝n2r1(n＝1，2，3…)，其中r1为基态半径，其数值为r1 ＝0.53×10－10 m。(2)氢原子的能级图(如图所示)
5.原子核(1)天然放射现象放射性元素______地发出射线的现象，首先由__________发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。(2)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、做__________等。③防护：防止放射性对人体组织的伤害。
(3)原子核的组成组成：质子(带正电)、中子(不带电)。电荷数(Z)＝________＝原子序数。质量数(A)＝核子数＝质子数＋________。(4)原子核的衰变①一种元素经________过程，变成另一种元素的现象称为原子核的衰变。②分类
γ辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随γ辐射。
(5)半衰期①定义：原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间。②影响因素：放射性元素衰变的速率是由核______的因素决定的，与原子所处的化学状态和物理状态无关。
(6)核力与结合能①组成原子核的_______之间有很强的相互作用力，使核子能够克服________而紧密地结合在一起，这种力叫核力。②核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝__________。③结合能：核子结合成原子核时也会放出一定的能量或原子核拆散成核子时需要提供一定的能量，叫作原子核的结合能，亦称核能。④比结合能：原子核的结合能与________之比，称为该原子核的比结合能，也叫平均结合能。
考点二　玻尔理论与能级跃迁　氢原子光谱
考点一　原子的核式结构
考点三　原子核的衰变及半衰期
考点四　核反应及核能的计算
例1 (粤教版选择性必修第三册改编)20世纪初，物理学家卢瑟福及盖革等用α粒子轰击金箔的实验装置如图1所示。实验发现，α粒子穿过金箔后只有极少数发生了大角度偏转，此现象说明(　　)A.原子不显电性B.原子核由质子和中子组成C.电子占原子质量小部分但体积大，带负电D.原子核占原子质量绝大部分且体积小，带正电
解析　绝大多数α粒子穿过金箔方向不变，说明原子内部有相对较大的空间，极少数α粒子发生大角度的偏转，说明原子内有带正电荷的微粒，且原子全部的正电荷和几乎全部的质量都集中在体积较小的原子核里，该实验不能说明原子不显电性，也不能说明原子核由质子和中子组成，也不能说明电子占原子质量小部分但体积大带负电，故A、B、C错误，D正确。
1.(多选)根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。如图2所示是α粒子散射实验的图景。图中实线表示α粒子的运动轨迹。其中沿轨迹2运动的α粒子在b点时距原子核最近。下列说法中正确的是(　　)A.绝大多数α粒子运动的轨迹类似轨迹3，说明原子中心存在原子核B.发生超过90°大角度偏转的α粒子是极少数的C.沿轨迹2运动的α粒子的加速度先增大后减小D.沿轨迹2运动的α粒子的电势能先减小后增大
解析　在α粒子散射实验中，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，运动轨迹如轨迹1所示，说明原子中绝大部分是空的，A项错误；极少数粒子发生超过90°的大角度偏转，B项正确；根据点电荷周围电场可知，距离原子核近的地方电场强度大，故越靠近原子核α粒子的加速度越大，因此沿轨道2运动的α粒子的加速度先增大后减小，C项正确；沿轨迹2运动的α粒子从a运动到b过程中受到斥力作用，根据电场力做功特点可知，电场力做负功，电势能增大，从b运动到c过程中，电场力做正功，电势能减小，D项错误。
2.电离电离态：m＝∞，E＝0基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。激发态→电离态：E吸＞0－En＝|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2 (2024·北京海淀区期末)氢原子在可见光区的4条特征谱线是玻尔理论的实验基础。如图3所示，这4条特征谱线(记作Hα、Hβ、Hγ、Hδ)分别对应着氢原子从n＝3、4、5、6能级向n＝2能级的跃迁，下面4幅光谱图中，合理的是(选项图中长度标尺的刻度均匀分布，刻度值从左至右增大)(　　)
解析　氢原子从高能级向低能级跃迁会以光子的形式释放能量，光谱图和能级图对应需要注意以下三点：①标尺从左向右表示波长λ逐渐增大；②氢原子从高能级Em跃迁至低能级En释放光子的能量hν＝Em－En；③光子的波长和频率的关系为c＝λν。结合这三点可知Hα、Hβ、Hγ、Hδ在标尺上应依次为从右向左排列，B、C错误；又氢原子从n＝3、4、5、6能级分别向n＝2能级跃迁时释放光子的能量的差值依次减小，波长差值也依次减小，故从右向左4条特征谱线排列越来越紧密，A正确，D错误。
2.(2023·湖北卷，1)2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)。根据如图4所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子(　　)A.n＝2和n＝1能级之间的跃迁B.n＝3和n＝1能级之间的跃迁C.n＝3和n＝2能级之间的跃迁D.n＝4和n＝2能级之间的跃迁
解析　由题图可知n＝2和n＝1的能级之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，与探测器探测到的谱线能量相等，可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁，故A正确。
3.(2023·山东卷，1)“梦天号”实验舱携带世界首套可相互比对的冷原子钟组发射升空，对提升我国导航定位、深空探测等技术具有重要意义。如图5所示为某原子钟工作的四能级体系，原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ，然后自发辐射出频率为ν1的光子，跃迁到钟跃迁的上能级2，并在一定条件下可跃迁到钟跃迁的下能级1，实现受激辐射，发出钟激光，最后辐射出频率为ν3的光子回到基态。该原子钟产生的钟激光的频率ν2为(　　)A.ν0＋ν1＋ν3 B.ν0＋ν1－ν3C.ν0－ν1＋ν3 D.ν0－ν1－ν3
解析　原子吸收频率为ν0的光子从基态能级Ⅰ跃迁至激发态能级Ⅱ时有EⅡ－EⅠ＝hν0，且从激发态能级Ⅱ跃迁到基态Ⅰ的过程有EⅡ－EⅠ＝hν1＋hν2＋hν3，联立解得ν2＝ν0－ν1－ν3，故D正确。
1.α衰变和β衰变的比较
3.确定衰变次数的方法因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。4.半衰期的理解半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。
4.(多选)有一匀强磁场，磁感应强度为B，方向垂直纸面向外，一个原来静止在A处的原子核，发生衰变放射出某种粒子，两个新核的运动轨迹如图6所示，已知两个相切圆半径分别为r1、r2。下列说法正确的是(　　)
A.原子核发生α衰变，根据已知条件可以算出两个新核的质量比B.衰变形成的两个粒子带同种电荷C.衰变过程中原子核遵循动量守恒定律D.衰变形成的两个粒子电荷量的关系为q1∶q2＝r1∶r2
3.核能的计算方法(1)根据ΔE＝Δmc2计算，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/u计算。因1原子质量单位(1 u)相当于931.5 MeV，所以计算时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。
4.对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2。(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Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。
解析　相同质量的核燃料，轻核聚变要比重核裂变质量亏损更多，根据爱因斯坦质能方程可知，轻核聚变放出的核能更多，A正确，D错误；根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒可知，氘氚核聚变的产物之一为中子，而不是电子，B错误；铀235为核裂变的主要燃料，C错误。
6.(2023·全国乙卷，16)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　)A.1019 kg B.1024 kgC.1029 kg D.1034 kg
对点练1　原子的核式结构1.卢瑟福的α粒子散射实验装置如图1所示，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到金箔上，最后打在荧光屏上产生闪烁的光点。下列说法正确的是(　　)
A.该实验是卢瑟福建立原子核式结构模型的重要依据B.该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性C.α粒子与原子中的电子碰撞会发生大角度偏转D.绝大多数的α粒子发生大角度偏转
解析　卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型，A正确；卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，B错误；电子质量太小，对α粒子的运动影响不大，α粒子发生大角度偏转是受原子核的斥力影响，C错误；绝大多数α粒子穿过金箔后，几乎仍沿原方向前进，D错误。
3.(2023·新课标卷，16)铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率，铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10－5 eV，跃迁发射的光子的频率量级为(普朗克常量h＝6.63×10－34 J·s，元电荷e＝1.60×10－19 C)(　　)A.103 Hz B.106 HzC.109 Hz D.1012 Hz
A.从n＝2能级跃迁到基态时发出可见光B.从高能级向n＝2能级跃迁时发出的光均为可见光C.处于基态的氢原子吸收能量为11 eV的光子后可以跃迁至激发态D.从高能级向n＝3能级跃迁时发出的光波长比红光更长
解析　由能级图得从n＝2能级向基态跃迁时，发出的光子能量为ΔE1＝E2－E1＝10.2 eV，不在可见光的能量范围内，故A错误；从高能级向n＝2能级跃迁时，辐射出的光子最大能量为ΔEmax＝E∞－E2＝3.4 eV>3.14 eV，因此从高能级向n＝2能级跃迁时发出的光有部分为非可见光，故B错误；根据能级图知，基态的氢原子吸收能量为11 eV的光子无法处于任何一个定态能级，故C错误；从高能级向n＝3能级跃迁时，辐射出的光子能量最大为ΔEmax′＝E∞－E3＝1.51 eV<1.64 eV，可知从高能级向n＝3能级跃迁时发出的光频率小于红光频率，则发出的光的波长均大于红光波长，故D正确。
6.(2024·贵州毕节市模拟)如图4，一个原子核X经图中所示的14次衰变，其中有m次α衰变、n次β衰变，生成稳定的原子核Y，则(　　)
A.m＝8，n＝6 B.m＝6，n＝8C.m＝4，n＝10 D.m＝2，n＝12解析　衰变过程满足质量数守恒和电荷数守恒，则有238＝206＋4m＋n×0，92＝82＋2m－n，联立解得m＝8，n＝6，故A正确。
8.重核裂变和轻核聚变都释放出能量。如图5所示为原子核的平均结合能与质量数之间的关系图线，下列说法正确的是(　　)
11.(多选)氢原子的能级图如图6甲所示，一群处于第4能级的氢原子，向低能级跃迁过程中能发出6种不同频率的光，其中只有频率为νa、νb两种光可让图乙所示的光电管阴极K发生光电效应。分别用频率为νa、νb的两个光源照射光电管阴极K，测得电流随电压变化的图像如图丙所示。下列说法中正确的是(　　)
A.图丙中的图线b所表示的光的光子能量为12.75 eVB.图丙中的图线a所表示的光是氢原子由第4能级向基态跃迁发出的C.处于第4能级的氢原子可以吸收一个能量为0.95 eV的光子并电离D.用图丙中的图线a所表示的光照射阴极K时，光电子的最大初动能比用图线b所表示的光照射时更大
解析　图丙中的图线b所表示的光的遏止电压较大，则光电子最大初动能较大，所对应的光子能量较大，原子跃迁对应的能级差较大，即对应于从n＝4到n＝1的跃迁，则光子能量为(－0.85 eV)－(－13.6 eV)＝12.75 eV，故A正确，B错误；处于第4能级的氢原子至少要吸收0.85 eV的能量才能电离，则处于第4能级的氢原子可以吸收一个能量为0.95 eV的光子并电离，故C正确；用图丙中的图线a所表示的光照射阴极K时，遏止电压小于图线b表示的光子的遏止电压，可知a表示的光照射阴极K时，光电子的最大初动能比用图线b所表示的光照射时更小，故D错误。