2013高考物理二轮复习精品资料专题14 原子结构与原子核教学案
（教师版）
高考对本部分内容考查的重点和热点有以下几个方向：①动量守恒定律及其应用；②原子的能级跃迁；③原子核的衰变规律；④核反应方程的书写；⑤质量亏损和核能的计算；⑥原子物理部分的物理学史和α、β、γ三种射线的特点及应用等．
选修3－5的命题会涉及有关原子、原子核或量子理论、动量问题，且动量问题一般以计算题的形式，其它问题则以填空或选择性填空形式出现． 【知识网络构建】
【重点知识整合】 一、原子结构模型 项目 实验基础,电子的发现 汤姆生模型 内容:原子是一个球体,正电荷均匀分布在整个球内,电子像枣糕里的枣子样镶嵌在原子里面
实验基础：α粒子散射实验 内容:(1)原子的中心有一个很小的核,它集中了全部正电荷和几乎所有质核式结构 量; (2)电子绕核运动
轨道量子化:核外电子只能在一些分立的轨道上运动,rn＝nr1(n＝1、2、3?) 1能量量子化:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,En＝ 2 E1(n＝玻尔模型 1、2、3?) 跃迁:原子从一个定态跃迁至另一个定态时辐射或吸收能量,hν＝Em－2内容 nEn
特别提醒:(1)原子的跃过条件:hν＝E初－E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．
(2)至于实物粒子和原子碰撞情况,由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收,所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差,也可以使原子受激发而向较高能级跃迁.
二、原子核的变化 1．几种变化方式的比较 项目 内容 α衰变:放出α粒子,是速度约为0.1c的氦核,贯穿本领最弱,电离作用最强 衰变 β衰变:放出β粒子,是速度约为0.99c的电子,贯穿本领较强,电离作用较弱
γ衰变：放出γ光子，贯穿本领最强，电离作用最弱 衰变 1t/τ规律：经一个半衰期质量减半，m＝m0() 2
原料:铀 92U,用慢中子打击时发生链式反应 重核 裂变 反应条件:(1)铀浓度足够大； (2)体积大于临界体积 轻核 聚变 反应方程:1H＋1H→2He＋0n 反应条件:温度达到几百万度 23412352.各种放射线性质的比较
3.三种射线在电磁场中的偏转情况比较
图13－1
如图13－1所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线．如图13－1丙图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方．
三、核力与质能方程的理解 1．核力的特点
(1)核力是强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力远大于库仑力． (2)核力是短程力,作用范围在1.5×10
－15
m之内.
(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性. 2．质能方程E＝mc的理解
(1)质量数与质量是两个不同的概念.核反应中质量数、电荷数都守恒,但核反应中依然有质量亏损.
(2)核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量,质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子的个数是不变的.
(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律，生成的γ射线虽然静质量为零，但动质量不为零，且亏损的质量以能量的形式辐射出去．
特别提醒：在核反应中，电荷数守恒，质量数守恒，质量不守恒，核反应中核能的大小取决于质量亏损的多少，即ΔE＝Δmc. 【高频考点突破】
考点一 能级跃迁的分析与计算
1.自发跃迁:高能级→低能级.释放能量,发出光子. ΔEE高－E低(1)光子的频率ν：ν＝＝
2
2
hh
(2)光的条数：N＝
n?n－1?
2
2．受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量．
(1)光照(吸收光子)：光子的能量必恰等于能级差hν＝ΔE.
(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≥ΔE. (3)大于电离能的光子可被吸收将原子电离．
例1、氢原子部分能级的示意图如图13－2所示．不同色光的光子能量如下表所示.
处于某激发态的氢原子,发射的光的谱线在可见光范围内仅有2条,其颜色分别为( )
A．红、蓝靛 B．黄、绿 C．红、紫 D．蓝靛、紫
图13－2
【解析】 由题表可知处于可见光范围的光子的能量范围为1.61 eV～3.10 eV,处于某考点二 核能的计算
1．书写核反应方程的注意事项 (1)书写核反应方程时要以事实为依据．
(2)核反应通常不可逆,方程中要用“→”连接,不能用“＝”连接. (3)质量数守恒并不意味着反应前后粒子的总质量相等.
(4)无光子辐射时，核反应中释放的核能转化为生成的新核和新粒子的动能，在此情况下可应用力学规律(动量守恒和能量守恒)来计算核能．
2．核能计算：ΔE＝Δmc
(1)若Δm以kg为单位，则ΔE＝Δmc. (2)若Δm以原子质量u为单位，则 ΔE＝Δm×931.5 MeV.
例2、2010年上海世博会倡导“绿色世博”和“低碳世博”的理念,世博会中国主题馆
2
2
“东方之冠”高大68米的屋顶台上“镶嵌”有与建筑相融合的太阳能光伏组件,屋面太阳能板面积达3万多平方米,是目前世界最大的单体面积太阳能屋面,上海世博会场馆周围80%～90%的路灯利用太阳能发电技术来供电.
科学研究发现太阳发光是由于其内部不断发生从氢核到氦核的核聚变反应，即在太阳内部4个氢核(1H)转化成一个氦核和两个正电子(1e)并放出能量．已知质子的质量mp＝1.0073 u，α粒子的质量mα＝4.0015 u，电子的质量me＝0.0005 u．1 u的质量相当于931.5 MeV的能量．
(1)写出该热核反应方程；
(2)一次这样的热核反应过程释放出多少MeV的能量？(结果保留四位有效数字)
【变式探究】有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后2分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的．天文学家测得银河系中氦的含量约为25%.
(1)把氢核聚变简化为4个氢核(1H)聚变成氦核(2He)，同时放出2个正电子(1e)和2个中微子(ν0)，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量．
(2)研究表明,银河系的年龄约为t＝3.8×10 s,每秒银河系产生的能量约为1×10 J(P＝1×10 J/s),现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应,试估算银河系中氦的含量(最后结果保留一位有效数字).
(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断．
(可能用到的数据:银河系的质量约为M＝3×10 kg,原子质量单位1 u＝1.66×10kg,1 u相当于1.5×10
－10
41
－27
37
17
37
1
4
0
1
0
J的能量,电子质量me＝0.0005 u,氦核质量mα＝4.0026 u,氢核
质量mp＝1.0078 u,中微子ν0质量为零)
(2)2% (3)见解析 【难点探究】
难点一 原子的核式结构与玻尔理论
例1 、氢原子从能级m跃迁到能级n时辐射红光的频率为ν1，从能级n跃到能级k时吸收紫光的频率为ν2，已知普朗克常数为h，若氢原子从能级k跃迁到能级m，则( )
A．吸收光子的能量为hν1＋hνB．辐射光子的能量为hν1＋hνC．吸收光子的能量为hν2－hν
2
2
1
D．辐射光子的能量为hν2－hν【答案】D
1
【解析】 氢原子从m能级跃迁到n能级辐射能量，即Em－En＝hν1，氢原子从n能级跃迁到k能级吸收能量，即Ek－En＝hν2，氢原子从k能级跃迁到m能级，Ek－Em＝hν2＋En－
hν1－En＝hν2－hν1，因紫光的频率ν2大于红光的频率ν1，所以Ek>Em，即辐射光子的能
量为hν2－hν1，D正确．
【变式探究】如图7－16－1所示为氢原子的能级示意图，一群氢原子处于n＝3 的激发态，在向低能级跃迁的过程中，这群氢原子最多能发出____种频率的光，其中从n＝____能级跃迁到n＝____能级所发出的光的频率最小．
图7－16－1 【答案】 3 3 2
【解析】 原子跃迁方式可能为n＝3→2→1或n＝3→1，最多能发出三种频率的光；频率最小的光子是n＝3→2发出的．
难点二 核反应方程、质能方程的综合应用 1．核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒
发生一次α衰变，原子核的质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，原子核的质量数不变，原子序数增加1.确定衰变次数时，应先由质量数的变化确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数．
2．核反应中释放或吸收的能量，可根据ΔE＝Δmc来计算．Δm是反应物和生成物的质量差，1 u相当于931.5 MeV.
注意：重核裂变和轻核聚变(热核反应)均为释放能量的核反应． 例2 、(1)碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰期为8天． (1)碘131核的衰变方程： 53I→________(衰变后的元素用X表示)． (2)经过________天有75%的碘131核发生了衰变．
131
2
【答案】(1) 54X＋－1e (2)16
【解析】 (1)在衰变的过程中，质量数守恒，核电荷数守恒，即 53I→ 54X＋－1e.(2)经过8天后，有一半发生衰变，即50%发生衰变，再经过8天，剩下一半的一半发生衰变，这时有75%的碘131核发生了衰变，所以共用时间16天．
【点评】 核反应过程中，质量数与电荷数均守恒，这是书写核反应方程的关键，本题考查了核反应方程、半衰期等知识点．
难点三 光电效应和能级跃迁问题
例3、（1）研究光电效应的电路如图1所示．用频率相同、强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板(阴极K)，钠极板发射出的光电子被阳极A吸收，在电路中形成光电流．下列光电流I与A、K之间的电压UAK的关系图象中，正确的是________．
图1
(2)钠金属中的电子吸收光子的能量，从金属表面逸出，这就是光电子．光电子从金属表面逸出的过程中，其动量的大小________(选填“增大”、“减小”或“不变”)，原因是______________．
(3)已知氢原子处在第一、第二激发态的能级分别为－3.4 eV和－1.51 eV，金属钠的截止频率为5.53×10 Hz，普朗克常量h＝6.63×10
14
－34
131
131
0
131 0
J·s.请通过计算判断，氢原子从
第二激发态跃迁到第一激发态过程中发出的光照射金属钠板，能否发生光电效应．
12
解析：(1)入射光的频率相同，则光电子的最大初动能相同，由－eU＝－mvm知，两种
2情况下遏止电压相同，故选项A、B错误；光电流的强度与入射光的强度成正比，所以强光的光电流比弱光的光电流大，故选项C正确，选项D错误．
(2)减小 光电子受到金属表面层中力的阻碍作用
(3)氢原子放出的光子能量E＝E2－E1，代入数据得E＝1.89 eV.
金属钠的逸出功W0＝hν0，代入数据得W0＝2.3 eV.因为E 难点四 动量守恒定律与功能观点简单结合 例4.氮核 7N俘获一个速度为2.3×10 m/s的中子,发生核反应后若只产生了两个新粒子,其中一个粒子为氦核(2He)，它的速度大小是8.0×10 m/s，方向与反应前的中子速度方 4 6 14 7 向相同． (1)写出此核反应的方程式，求反应后产生的另一个粒子的速度大小及方向； (2)此反应过程中是否发生了质量亏损，说明依据． 【历届高考真题】 【2012高考】 （2012?重庆）以下是物理学史上3个著名的核反应方程：x＋3Li―→2y，y＋ 7N―→x＋ 8O，y＋4Be―→z＋ 6C.x、y和z是3种不同的粒子，其中z是( ) A．α粒子 B．质子 C．中子 D．电子 【答案】C 【解析】将上述三个方程相加，整理后得 73 17 9 12 7 14 Li＋ 7N＋4Be―→ 8O＋ 6C＋z，根据电荷 1491712 数守恒和质量数守恒，z的质量数为1，电荷数为0，为中子，C正确． 【考点定位】原子物理 （2011·上海）1．在光电效应实验中，用单色光照时某种金属表面，有光电子逸出，则光电子的最大初动能取决于入射光的 （ ） （A）频率 【答案】A 【解析】根据爱因斯坦的光电效应方程：h??W?入射光的频率在关，与其它无关，选项A正确。 【考点定位】光电效应、光的本性 （2011·上海）2．下图为红光或紫光通过双缝或单缝所呈现的图样，则 （ ） （A）甲为紫光的干涉图样 （C）丙为红光的干涉图样 【答案】B 【解析】当单色光通过双缝时形成的干涉图样为等间距的，而通过单缝时的图案是中间宽两边窄的衍射图样，因此甲、乙为干涉图案；而丙、丁为衍射图案。并且红光的波长较长，干涉图样中，相邻条纹间距较大，而紫光的波长较短，干涉图样中相邻条纹间距较小，因此B选项正确。 （B）乙为紫光的干涉图样 （D）丁为红光的干涉图样 （B）强度 （C）照射时间 （D）光子数目 12mv，光电子的最大初动能只与2 【考点定位】原子物理 （2011·上海）3．与原子核内部变化有关的现象是 （ ） （A）电离现象 （B）光电效应现象 （D）α粒子散射现象 （C）天然放射现象 【答案】C 【解析】电离现象是原子核外的电子脱离原子核的束缚，与原子核内部无关因此A不对光电效应说明光的粒子性同样也与原子核内部无关，B不对；天然放射现象是从原子核内部放出?、?、?三种射线，说明原子核内部的复杂结构，放出?、?后原子核就变成了新的原子核，因此C正确；α粒子散射现象说明原子有核式结构模型，与原子核内部变化无关，D不对。 【考点定位】原子物理 （2011·上海）4．根据爱因斯坦的“光子说”可知 （ ） （A）“光子说”本质就是牛顿的 “微粒说” （B）光的波长越大，光子的能量越小 （C）一束单色光的能量可以连续变化 （D）只有光子数很多时，光才具有粒子性 【答案】B 【解析】爱因斯坦的“光子说”认为光是一份一份的不连续的它并不否定光的波动性，而牛顿的“微粒说”而波动说是对立的，因此A不对；在爱因斯坦的“光子说”中光了的能量；E?h??h C?可知波长越长，光子的能量越小，因此C正确。某一单色光，波长恒定， 光子的能量也是恒定的，因此C不对大量光子表现为波动性，而少数光子才表现为粒子性，因此D不对。 【考点定位】原子物理 （2011·上海）9．某种元素具有多种同位素，反映这些同位素的质量数A与中子数N关系（2011·上海）5．在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其检测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。该装置中探测器接收到的是 （ ） （A）x射线 （B）α射线 （D）γ射线 （C）?射线 【答案】D 【解析】首先，放射源放出的是α射线、?射线 、γ射线，无x射线，A不对，另外α射线穿透本领最弱，一张纸就能挡住，而?射线穿透本领较强能穿透几毫米厚的铝板，γ射线穿透本领最强可以穿透几厘米厚的铅板，而要穿过轧制钢板只能是γ射线，因此D正确 【考点定位】原子物理 （2012·广东）18.能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一，下列释放核能的反应方程，表述正确的有 ( ) 3241A. 1H?1H?2He?0n是核聚变反应 3241B. 1H?1H?2He?0n是β衰变 1140941C. 235U?n?Xe?Sr?292054380n是核裂变反应 1140941D．23592U?0n?54Xe?38Sr?20n是α衰变 【答案】AC 【解析】两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应，故A对B错。重核被中子轰击后分裂成二个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应，故C对D错。原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变。原子核的衰变的反应物只有一种，故AC选项正确。 【考点定位】原子物理 （2012·山东）38．（8分）【物理—物理3-5】（1）氢原子第n能级的能量为En?E1，n2其中E1为基态能量。当氢原子由第4能级跃迁到第2能级时，发出光子的频率为?1；若氢原子由第2能级跃迁到基态，发出光子的频率为?2，则 ?1? 。 ?2（2）光滑水平轨道上有三个木块A、B、C，质量分别为mA?3m、mB?mC?m，开始时B、C均静止，A以初速度向右运动，A与B相撞后分开，B又与C发生碰撞并粘在一起，此后A与B间的距离保持不变。求B与C碰撞前B的速度大小。 138．（1）【解析】 根据跃迁公式h??Em?En即可解得。 4
