1、第30讲 原子结构、原子核,一 原子结构,二 原子核,教材研读,突破一 氢原子能级及能级跃迁,突破二 原子核的衰变及半衰期,突破三 核反应方程与核能,重难突破,突破四 能量守恒和动量守恒在核反应中的应用,3.半衰期,4.核能,1.判断下列说法的正误: (1)原子中绝大部分是空的,原子核很小。 ( ) (2)核式结构学说是卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出的。 ( ) (3)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。 ( ) (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)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。( ),(6)如果某放射性元素的原子核有100个,经过一
2、个半衰期后还剩50个。 ( ) (7)射线是一种高能粒子流,可以用来工业探伤。 ( ) (8)原子核发生衰变时放出一个电子,说明原子核内有电子。 ( ) (9)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化。 ( ) (10)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,也遵循电荷数守恒。( ),2.关于阴极射线的本质,下列说法正确的是 ( C ) A.阴极射线本质是高速氢原子流 B.阴极射线本质是电磁波 C.阴极射线本质是高速电子流 D.阴极射线本质是X射线,3.对于基态氢原子,下列说法正确的是 ( A ) A.它能吸收10.2 eV的光子 B.它能吸收11 eV的光子 C.它能吸收动能为10 e
3、V的电子的能量 D.它能吸收具有11 eV动能的电子的全部动能,4.大量氢原子从n=5的激发态向低能级跃迁时,产生的光谱条数是( D ) A.4条 B.6条 C.8条 D.10条,5.碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后, 该药物中碘131的含量大约还有 ( C ) A. B. C. D.,6.(多选)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。下列核反应方程的表述正确的有 ( AC ) A H H He n是核聚变反应 B H H He n是衰变 C U n Ba Kr+ n是核裂变反应 D U n Xe Sr+ n是衰变,1.定态间的跃迁满足
4、能级差 (1)从低能级(n小) 高能级(n大)吸收能量。 h=En大-En小 (2)从高能级(n大) 低能级(n小)放出能量。 h= -,突破一 氢原子能级及能级跃迁,重难突破,2.电离 电离态与电离能 电离态:n=,E=0 基态电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV n=2电离态:E吸=0-E2=3.4 eV 如吸收能量足够大,克服电离能后,获得自由的电子还具有动能。 3.对氢原子能级图的理解 (1)能级图如图所示。,(2)能级图中相关量意义的说明,4.谱线条数的确定方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两
5、种求解方法 用数学中的组合知识求解:N= = 。 利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一 一画出,然后相加。,典例1 (多选)如图所示是氢原子的能级图,大量处于n=4激发态的氢原子向低能级跃迁时,一共可以辐射出6种不同频率的光子,其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n=2能级跃迁时释放的光子,则 ( BC ) A.6种光子中波长最长的是n=4激发态跃迁到基态时 产生的 B.在6种光子中,从n=4能级跃迁到n=1能级释放的光子 康普顿效应最明显 C.使n=4能级的氢原子电离至少要0.85 eV的能量 D.若从n=2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应,则 从n=3能
6、级跃迁到n=2能级释放的光子也一定能使该板发生光电效应,解析 n=4激发态跃迁到n=3激发态时产生光子的能量最小,根据E= 知,波长最长,故A错误;从n=4激发态跃迁到基态时产生光子的能量最 大,根据E= 知,波长最短,粒子性最明显,康普顿效应最明显,故B正确。 n=4能级的氢原子具有的能量为-0.85 eV,故要使其发生电离,至少需要 0.85 eV的能量,故C正确;从n=2能级跃迁到基态释放的光子能量为 -3.40 eV-(-13.6) eV=10.2 eV,若能使某金属板发生光电效应,从n=3能级跃迁到n=2能级释放的光子能量-1.51 eV-(-3.40) eV=1.89 eV10.2
7、 eV,不一定 能使该板发生光电效应,D错误。,规律总结 氢原子能级图与原子跃迁问题的解答技巧 (1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的。 (2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由h=Em-En求得。若求 波长可由公式c =求得。 (3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n - 1)。 (4)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。用数学 中的组合知识求解:N = = 。 利用能级图求解:在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一 一画出,然后相加。,1-1 (多选)如图为氢原子能级图,氢原子中的电子从n=5能级跃迁到n= 2能级可产生a光;从n=4能级跃迁到n
8、=2能级可产生b光。a光和b光的波 长分别为a和b,照射到逸出功为2.29 eV的金属钠表面均可产生光电效应,遏止电压分别为Ua和Ub。则 ( BCD ) A.ab B.UaUb C.a光的光子能量为2.86 eV D.b光产生的光电子最大初动能Ek=0.26 eV,解析 根据能级跃迁知识得ha=E5-E2=-0.54-(-3.4) eV=2.86 eV,hb=E4- E2=-0.85-(-3.4) eV=2.55 eV,显然a光的光子能量大于b光的光子能量, 即a光频率较大,波长较短,所以A错,C正确。根据光电效应方程可知,最 大初动能Ek=h-W0,所以a光照射后光电子的最大初动能为Ek=
9、(2.86- 2.29) eV=0.57 eV,b光照射后光电子的最大初动能为Ek=(2.55-2.29) eV= 0.26 eV,选项D正确。由eU=Ek知UaUb,选项B正确。,1-2 (多选)氢原子从n=6跃迁到n=2能级时辐射出频率为1的光子,从n=5跃迁到n=2能级时辐射出频率为2的光子。下列说法正确的是 ( ABD ) A.频率为1的光子的能量较大 B.频率为1的光子的动量较大 C.做双缝干涉实验时,频率为1的光产生的条纹间距较大 D.做光电效应实验时,频率为1的光产生的光电子的最大初动能较大,解析 由En= ,E=Em-En,可知,氢原子从n=6能级跃迁到n=2能级时辐 射出的光
10、子比从n=5能级跃迁到n=2能级时辐射出的光子的能量要大, 故A正确;由E=h,c=,且光子动量p= ,可知能量大的光子动量大,B正 确;频率为1的光子能量大,频率为1的光波长小,双缝干涉条纹间距x = 小,C错误;由光电效应方程Ekm=h-h0可知,入射光子的能量大,产生 的光电子最大初动能大,故D正确。,1-3 1995年科学家“制成”了反氢原子,它是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成,反质子和质子有相同的质量,带有等量异种电荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布,氢原子能级 如图所示,则下列说法中正确的是 ( B ) A.反氢原子光谱与氢原子光谱不相同 B.基态反氢原子的电离能为13
11、.6 eV C.基态反氢原子能吸收11 eV的光子而发生跃迁 D.大量处于n=4能级的反氢原子向低能级跃迁时,从n=2能级跃迁到基 态辐射的光子的波长最短,解析 反氢原子和氢原子有相同的能级分布,故反氢原子光谱与氢原子 光谱相同,A错;基态反氢原子的电离能为13.6 eV,只有大于等于13.6 eV 的能量的光子才可以使反氢原子电离,B对;基态反氢原子发生跃迁时, 只能吸收能量等于两个能级的能量差的光子,C错;处于n=4能级的大量 反氢原子,从n=4能级跃迁到基态辐射的光子的能量最大,频率最大,波 长最短,D错。,突破二 原子核的衰变及半衰期,1.衰变规律及实质 (1)衰变和衰变的比较,放射性
12、元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射 性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,表示半衰期。 (2)半衰期的物理意义 半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰 变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。 (3)半衰期的适用条件 半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个 特定的原子核,无法确定何时发生衰变。,典例2 (多选)关于天然放射现象,以下叙述正确的是 ( CD ) A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将变大 B.衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的 C.在、这三种射线中,射线的穿透能力最强,射线的电
13、离能力最强 D.铀核 U)衰变为铅核 Pb)的过程中,要经过8次衰变和6次衰变,解析 半衰期的长短与元素的物理状态无关,若使某放射性物质的温度 升高,其半衰期不变,故A错误;衰变所释放的电子是原子核内的中子转 化成质子时产生的,故B错误;在、这三种射线中,射线的穿透能 力最强,射线的电离能力最强,故C正确;铀核 U)衰变为铅核 Pb)的 过程中,每经过一次衰变质子数少2,质量数少4;而每经过一次衰变质 子数增加1,质量数不变;由质量数和电荷数守恒,可知要经过8次衰变和 6次衰变,故D正确。,解析 根据电荷数和质量数守恒知,钍核衰变过程中放出了一个电子, 即X为电子,故A错误;发生衰变时释放的电
14、子是由核内一个中子转化 成一个质子时产生的,故B正确;射线是镤原子核放出的,故C正确;钍的 半衰期为24天,1 g钍 Th经过120天即经过5个半衰期,还剩0.031 25 g, 故D错误。,解析 根据核反应方程可知,X原子核中电荷数为92个,质量数为235,则 中子数为143个,选项A错误;钚衰变发出的射线具有很强的穿透能力, 但是电离能力很弱,选项B错误;20克的 Pu经过48 200年后,剩余的质量 为20 克=5克,即还有5克未衰变,选项C正确;由于反应要放出能 量,则钚核衰变前的质量大于衰变后X、 He核的质量之和,选项D错误。,2.对质能方程的理解 (1)一定的能量和一定的质量相联
15、系,物体的总能量和它的质量成正比, 即E=mc2。 方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物 体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。 (2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其能量也要相应减少,即E =mc2。 (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m,吸收的 能量为E=mc2。,3.核能的计算方法 (1)根据E=mc2计算,计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E 的单位是“J”。 (2)根据E=m931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)对应于931.5 MeV的能量,所以计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。
16、 (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。,典例3 (2017浙江11月选考,14,2分)(多选)下列说法正确的是 ( BD ) A.核聚变反应方程可能为 H H He+ n B.铀核裂变的核反应方程可能为 U n Xe Sr+ n C.发生衰变时原子核放出电子,说明电子是原子核的组成部分 D.中子和质子结合成氘核,若该过程质量亏损为m,则氘核的结合能为 mc2,解析 选项A的核反应方程为 H H He n,选项A错误;根据重核裂 变的核反应方程配平方式可知,选项B正确;衰变时原子核内部中子衰 变为质子时释放出高速电子,电子并不是原子核的组成部分,选项C错 误;
17、根据质能方程可知选项D正确。,方法规律 核能求解的思路方法 (1)应用质能方程解题的流程图:(2)在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。 (3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律,因此可以结合动量守恒和能 量守恒定律来计算核能。,解析 本题考查了对原子核的裂变、质能方程的理解。铀核的裂变需 要中子的轰击,所以选项A错误,选项B正确。链式反应在进行过程中,需 要铀块达到临界体积才能维持链式反应持续不断进行下去,所以选项C 正确。根据质能方程E=mc2,反应过程中,质量亏损为m= kg3.610-28 kg,选项D错误。,3-2 为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献,联合国将2005年定为“国 际物
18、理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法中正确的 是 ( B ) A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成反比 B.一个质子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,表明此过程出现了 质量亏损 C.根据E=mc2不能计算核反应的能量 D.E=mc2中的E是发生核反应过程中释放的核能,解析 E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比,故A错误。一个质 子和一个中子结合成一个氘核时释放能量,根据爱因斯坦质能方程知, 该过程出现了质量亏损,故B正确。根据E=mc2可计算核反应的能量, 故C错误。E=mc2中的E是物体蕴含的能量,不是核反应中释放的核能, 故D错误。,突破四 能量守恒和动量守
19、恒在核反应中的应用能量守恒定律是人类长期总结得到的一条普遍适用的基本规律。 能量守恒定律和动量守恒定律是解决原子问题的金钥匙。,典例4 静止的氡核 Rn放出粒子后变为钋核 Po,粒子动能为E,若 衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能,真空中的光速为c,则 该反应中的质量亏损为 ( C ) A. B.0 C. D.,解析 设粒子的质量为m1,反冲核的质量为m2,反冲核的速度大小为 v。则根据动量守恒定律可得m1v=m2v,可得 = = ,粒子动能E= m1v2,反冲核的动能E= m1 = E,则释放的总动能为:E+ E= E,根据能量守恒,则释放的核能E= E,根据爱因斯坦质能方 程有 E=
20、mc2,解得m= ,故C正确。,4-1 卢瑟福用粒子轰击氮核时发现质子。发现质子的核反应方程为N He H。已知氮核质量为mN=14.007 53 u,氧核质量为mO= 17.004 54 u,氦核质量为mHe=4.003 87 u,质子(氢核)质量为mp=1.008 15 u。 (已知:1 uc2=931 MeV,结果保留2位有效数字)求: (1)这一核反应是吸收能量还是放出能量的反应?相应的能量变化为多少? (2)若入射氦核以v0=3107 m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮 核,反应生成的氧核和质子同方向运动,且速度大小之比为150,求氧核 的速度大小。,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。 所以这一核反应是吸收能量的反应, 吸收能量E=|m|c2=0.001 29 uc21.2 MeV。 (2)由动量守恒定律可得: mHev0=mOvO+mpvp 又vOvp=150,可解得:vO1.8106 m/s。,
