1、1第 2 讲 原子结构和原子核一、原子结构 光谱和能级跃迁1电子的发现英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，提出了原子的“枣糕模型” 2原子的核式结构(1)19091911 年，英籍物理学家卢瑟福进行了 粒子散射实验，提出了核式结构模型图 1(2) 粒子散射实验的结果：绝大多数 粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于 90，也就是说它们几乎被“撞了回来” ，如图 1 所示(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动3氢原子光谱(1)光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获
2、得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱(2)光谱分类(3)氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式 R( 1 122)(n3,4,5， R 是里德伯常量， R1.1010 7m1 )1n2(4)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，2且灵敏度很高在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义4氢原子的能级结构、能级公式(1)玻尔理论定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量跃迁：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为 h 的光子，这个光子的能
3、量由前后两个能级的能量差决定，即 h Em En.(h 是普朗克常量，h6.6310 34 Js)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不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的(2)能级和半径公式：能级公式： En E1(n1,2,3，)，其中 E1为基态能量，其数值为 E113.6eV.1n2半径公式： rn n2r1(n1,2,3，)，其中 r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r10.5310 10 m.5氢原子的能级图能级图如图 2 所示图 2二、原子核 核反应和核能1原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子质子带正电，中子不带电
4、(2)基本关系核电荷数质子数( Z)元素的原子序数核外电子数质量数( A)核子数质子数中子数(3)X 元素的原子核的符号为 X，其中 A 表示质量数， Z 表示核电荷数AZ2天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现天然放射现象的发现，说明原子核具3有复杂的结构(2)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同应用：消除静电、工业探伤、做示踪原子等防护：防止放射性对人体组织的伤害3原子核的衰变、半衰期(1)原子核的衰变原子核放出 粒子或 粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变分类 衰变： X Y
5、 HeAZ A 4Z 2 42 衰变： X Y eAZ AZ 1 0-1当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生 衰变，有的发生 衰变，同时伴随着 辐射两个典型的衰变方程 衰变： U Th He23892 23490 42 衰变： Th Pa e.23490 23491 0 -1(2)半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系(3)公式： N 余 N 原 12t， m 余 m 原 12t.4核力和核能(1)原子核内部，核子间所特有的相互作用力(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损 m
6、，其对应的能量 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 mc2.1判断下列说法是否正确(1)原子光谱是不连续的，是由若干频率的光组成的( )(2)电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率( )4(3)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁( )(4)原子的能量量子化现象是指原子在不同状态中具有不同的能量( )2在卢瑟福 粒子散射实验中，有少数 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答案 A解
7、析 卢瑟福 粒子散射实验中使卢瑟福惊奇的就是有少数 粒子发生了较大角度的偏转，这是由于 粒子带正电，而原子核极小，且原子核带正电，A 正确，B 错误 粒子能接近原子核的机会很小，大多数 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3(粤教版选修 35P65 第 2 题)氢原子由 n1 的状态激发到 n4 的状态，在它回到n1 的状态的过程中，有以下说法：可能激发的能量不同的光子只有 3 种可能发出 6 种不同频率的光子可能发出的光子的最大能量为 12.75eV可能发出光子的最小能量为 0.85eV其中正确的说法是( )ABCD
8、答案 D4(粤教版选修 35P97 第 2 题)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？( )A把该元素放在低温阴凉处B把该元素密封在很厚的铅盒子里C把该元素同其他的稳定元素结合成化合物D上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率答案 D5(粤教版选修 35P97 第 3 题改编)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是( )A U Th He 是 衰变23892 23490 42B N He O 11H 是 衰变147 42 178 1C H H He n 是轻核聚变21 31 42 10D Se Kr2 e 是重核裂变8234 8236 0 - 15答案 AC6(2015福建30
9、(1)下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是( )A 射线是高速运动的电子流B氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大C太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变D Bi 的半衰期是 5 天，100 克 Bi 经过 10 天后还剩下 50 克21083 21083答案 B解析 射线是高速电子流，而 射线是一种电磁波，选项 A 错误氢原子辐射光子后，绕核运动的电子距核更近，动能增大，选项 B 正确太阳辐射能量的主要来源是太阳内部氢核的聚变，选项 C 错误.10 天为两个半衰期，剩余的 Bi 为 100 12tg100( )21083122g25g，选项 D 错误.命题点一 原子的核式结
10、构例 1 (多选)如图 3 所示为卢瑟福和他的同事们做 粒子散射实验装置的示意图，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，下述说法中正确的是( )图 3A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只比 A 位置时稍少些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，但次数极少答案 ABD解析 根据 粒子散射现象，绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子发生较大偏转，A、B、D 正确1(多选)下列说法正确的是( )6A汤姆孙首先发现了电子，并测定了电子电荷量，且
11、提出了“枣糕模型”B卢瑟福做 粒子散射实验时发现绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，只有少数 粒子发生大角度偏转C 粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上D卢瑟福提出了原子核式结构模型，并解释了 粒子发生大角度偏转的原因答案 BCD解析 汤姆孙发现了电子符合物理史实，但电子电荷量是密立根测定的，A 错误，B、C、D都符合物理史实2(多选)在物理学的发展过程中，许多物理学家的科学发现推动了人类历史的进步下列表述符合物理学史实的是( )A普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论B爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说C卢瑟福通过对 粒子散
12、射实验的研究，提出了原子的核式结构模型D贝可勒尔通过对天然放射性的研究，发现原子核是由质子和中子组成的答案 ABC解析 普朗克为了解释黑体辐射现象，第一次提出了能量量子化理论，A 正确爱因斯坦为了解释光电效应的规律，提出了光子说，B 正确卢瑟福通过对 粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，C 正确贝可勒尔通过对天然放射性的研究，发现原子核具有复杂结构，D 错误3(多选)(2016天津理综6)物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展，下列说法符合事实的是( )A赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论B查德威克用 粒子轰击 N 获得反冲核 O，发
13、现了中子147 178C贝可勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构D卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型答案 AC解析 麦克斯韦预言了电磁波的存在，赫兹通过实验证实了麦克斯韦的电磁理论，选项 A正确；卢瑟福用 粒子轰击 N，获得反冲核 O，发现了质子，选项 B 错误；贝可勒尔147 178发现的天然放射性现象，说明原子核具有复杂结构，选项 C 正确；卢瑟福通过对 粒子散射实验的研究，提出了原子的核式结构模型，选项 D 错误4(2015重庆理综1)图 4 中曲线 a、 b、 c、 d 为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里以下判
14、断可能正确的是( )7图 4A a、 b 为 粒子的径迹B a、 b 为 粒子的径迹C c、 d 为 粒子的径迹D c、 d 为 粒子的径迹答案 D解析 粒子是不带电的光子，在磁场中不偏转，选项 B 错误； 粒子为氦核带正电，由左手定则知向上偏转，选项 A、C 错误； 粒子是带负电的电子，应向下偏转，选项 D 正确命题点二 玻尔理论和能级跃迁例 2 (多选)有关氢原子光谱的说法正确的是( )A氢原子的发射光谱是连续谱B氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光C氢原子光谱说明氢原子能级是分立的D氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关答案 BC解析 由于氢原子的轨道是不连续的，而氢原子在不同的轨
15、道上的能级 En E1，故氢原1n2子的能级是不连续的即是分立的，故 C 正确；当氢原子从较高轨道第 n 能级跃迁到较低轨道第 m 能级时，发射的光子的能量为 E En Em E1 E1 E1 h ，显然 n、 m1n2 1m2 m2 n2n2m2的取值不同，发射光子的频率就不同，故氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能级差有关，故 D 错误；由于氢原子发射的光子的能量 E E1，所以发射的光子的能量值 E 是不m2 n2n2m2连续的，只能是一些特殊频率的谱线，故 A 错误，B 正确5.(多选)如图 5 是氢原子的能级图，一群氢原子处于 n3 能级，下列说法中正确的是( )8图 5A这群氢原子跃
16、迁时能够发出 3 种不同频率的波B这群氢原子发出的光子中，能量最大为 10.2eVC从 n3 能级跃迁到 n2 能级时发出的光波长最长D这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁答案 AC解析 根据 C 3 知，这群氢原子能够发出 3 种不同频率的光子，故 A 正确；由 n3 跃迁23到 n1，辐射的光子能量最大， E(13.61.51) eV12.09 eV，故 B 错误；从 n3跃迁到 n2 辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故 C 正确；一群处于 n3 能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故 D 错误6一群处于 n4 能级的激发态的氧原子，向低能级跃迁时
17、，最多发射出的谱线为( )A3 种 B4 种C5 种 D6 种答案 D解析 一群处于 n4 能级的激发态的氧原子，向低能级跃迁时，最多发射出的谱线为C 6 种，选 D.247一群氢原子处于同一较高的激发态，它们向较低激发态或基态跃迁的过程中( )A可能吸收一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条暗线B可能发出一系列频率不同的光子，形成光谱中的若干条亮线C只吸收频率一定的光子，形成光谱中的一条暗线D只发出频率一定的光子，形成光谱中的一条亮线答案 B解析 处于较高能级的电子可以向较低的能级跃迁，能量减小，原子要发出光子，由于放出光子的能量满足 h Em En，处于较高能级的电子可以向较低的激发态跃
18、迁，激发态不稳定可能继续向较低能级跃迁，所以原子要发出一系列频率的光子故 A、C、D 错误，B正确8(多选)如图 6 所示为氢原子的能级图氢原子从 n5 的能级跃迁到 n3 的能级时辐射出 a 光子，从 n4 的能级跃迁到 n2 的能级时辐射出 b 光子下列说法正确的是( )9图 6A a 光子的能量比 b 光子的能量大B若 a、 b 两种光在同一种均匀介质中传播，则 a 光的传播速度比 b 光的传播速度大C若 b 光能使某种金属发生光电效应，则 a 光一定能使该金属发生光电效应D若用同一双缝干涉装置进行实验，用 a 光照射双缝得到相邻亮条纹的间距比用 b 光照射双缝得到的相邻亮条纹的间距大答
19、案 BD解析 据题意，氢原子从 n5 的能级跃迁到 n3 的能级释放的光子能量为 Ea0.97 eV h a，氢原子从 n4 的能级跃迁到 n2 的能级释放的光子能量为 Eb2.55 eV h b，则知 b 光光子的能量大，频率也大，在同一种均匀介质中，频率越大的光传播速度越慢，A 错误，B 正确如果 b 光能使某种金属发生光电效应，则 a 光不一定能使其发生光电效应，C 错误 a 光频率较小，则 a 光波长较大，所以在做双缝干涉实验时，用 a 光照射双缝时得到的干涉条纹较宽，D 正确命题点三 原子核及核反应例 3 (2016全国35(1)在下列描述核过程的方程中，属于 衰变的是_，属于 衰变
20、的是_，属于裂变的是_，属于聚变的是_(填正确答案标号)A. C N e146 147 0 1B. P S e3215 3216 0 1C. U Th He23892 23490 42D. N He O H147 42 178 1E. U n Xe Sr2 n23592 10 1405 9438 10F. H H He n31 21 42 10答案 C AB E F解析 衰变是一种放射性衰变， 粒子( He)会从原子核中射出，C 项符合要求， 衰42变是指自原子核内自发地放出一个电子( e)，同时原子序数加 1 的过程，A、B 两项符合0 1要求，裂变是指一些质量非常大的原子核，如铀、钍和钚等
21、在吸收一个中子后分裂成两个或更多质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，只有 E 项符合要求聚变是指由两个轻原子核(一般是氘核和氚核)结合成较重原子核(氦核)并放出大量能量的过10程，F 项符合要求9(多选)(2016全国35(1)改编)一静止的铝原子核 Al 俘获一速度为 1.0107m/s2713的质子 p 后，变为处于激发态的硅原子核 Si*.下列说法正确的是( )2814A核反应方程为 p Al Si*2713 2814B核反应过程中系统动量守恒C核反应过程中系统能量不守恒D核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和答案 AB解析 根据质量数和电荷数守恒可得
22、，核反应方程为 p Al Si*，A 正确；核反应过2713 2814程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B 正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D 错误10(多选)关于核反应方程 Th PaX E( E 为释放的核能，X 为新生成的粒子)，23490 23491已知 Th 的半衰期为 1.2 min，则下列说法正确的是( )23490A此反应为 衰变B. Pa 核和 Th 核具有相同的质量23491 23490C. Pa 具有放射性23491D64 g 的 Th 经过 6 min 还有 1 g
23、 Th 尚未衰变23490 23490答案 AC解析 根据核反应方程质量数和电荷数守恒可判断出 X 为 e，所以此反应为 衰变，A0 1正确； Pa 核与 Th 核质量并不同，B 错误；根据化学元素周期表及化学知识知，23491 23490Pa 为放射性元素，C 正确；利用半衰期公式 m 余 2tm 原 ，可判断 m 余 2 g，则 D 错23491误11(多选)下列说法正确的是( )A天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构B一群处于 n3 能级激发态的氢原子，自发跃迁时能发出最多 3 种不同频率的光C放射性元素发生一次 衰变，原子序数增加 1D. U 的半衰期约为 7 亿年，随着地球环境的不
24、断变化，半衰期可能变短23592答案 BC12目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含11有放射性元素比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出 、 射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是( )A氡的半衰期为 3.8 天，若取 4 个氡原子核，经 7.6 天后就剩下一个原子核了B 衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的C 射线一般伴随着 或 射线产生，在这三种射线中， 射线的穿透能力最强，电离能力最弱D发生 衰变时，生成核与原来的原子核相比，中
25、子数减少了 4答案 B解析 半衰期遵循统计规律，对单个或少数原子核是没有意义的，A 错误根据 3 种射线的特性及衰变实质可知 B 正确，C、D 错误题组 1 原子结构和玻尔理论1用频率为 0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为 1、 2和 3的三条谱线，且 3 2 1，则( )A 0 1 B 3 2 1C 0 1 2 3 D. 1 1 1 2 1 3答案 B2处于激发状态的原子，在入射光的电磁场的影响下，从高能态向低能态跃迁，两个状态之间的能量差以辐射光子的形式发射出去，这种辐射叫做受激辐射原子发生受激辐射时，发出的光子频率、发射方向等都跟入射光子完全一样，这样使
26、光得到加强，这就是激光产生的机理那么，发生受激辐射时，产生激光的原子的总能量 E、电势能 Ep、电子动能 Ek的变化情况是( )A Ep增大、 Ek减小， E 减小B Ep减小、 Ek增大， E 减小C Ep增大、 Ek增大， E 增大D Ep减小、 Ek增大， E 不变答案 B3(多选)以下有关近代物理内容的若干叙述，正确的是( )A紫外线照射到金属锌板表面时能发生光电效应，则当增大紫外线的照射强度时，从锌板12表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大B玻尔认为，原子中电子轨道是量子化的，能量也是量子化的C光子不仅具有能量，也具有动量D根据玻尔能级理论，氢原子辐射出一个光子后，将由高能级向较低
27、能级跃迁，核外电子的动能增加答案 BCD4在卢瑟福 粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个 粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是( )答案 C解析 金箔中的原子核与 粒子都带正电， 粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D 错；由原子核对 粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件知曲线轨迹的凹侧应指向受力一方，B 错，C 对题组 2 原子核和核反应5.下列说法正确的是( )A. P Si e 是一种核裂变反应3015 3014 01B核反应堆产生的能量一定来自轻核聚变C太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应D卢瑟福为解释 粒子散射实验现象提出了原
28、子核式结构学说答案 D6关于天然放射现象，以下叙述正确的是( )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23892 20682答案 D7(多选)下列说法正确的是( )A天然放射性现象说明原子核内部具有复杂的结构B 粒子散射实验说明原子核内部具有复杂的结构C原子核发生 衰变生成的新核原子序数增加D氢原子从能级 3 跃迁到能级 2 辐射出的光子的波长小于从能级 2 跃迁到基态辐射出的光子的波长答案
29、AC13解析 天然放射现象说明原子核内部具有复杂的结构，A 正确 粒子散射实验说明原子具有核式结构，B 错误根据电荷数守恒、质量数守恒知， 衰变放出了一个电子，新核的电荷数增加 1，即原子序数增加，C 正确氢原子从能级 3 跃迁到能级 2 辐射出的光子的能量小于从能级 2 跃迁到基态辐射出的光子的能量，故从能级 3 跃迁到能级 2 辐射出的光子的波长大于从能级 2 跃迁到基态辐射出的光子的波长，D 错误8(多选)(2014新课标全国35(1)改编)关于天然放射性，下列说法正确的是( )A所有元素都可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、
30、 和 三种射线中， 射线的穿透能力最强答案 BCD解析 自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项 A 错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项 B、C 正确；、 和 三种射线电离能力依次减弱，穿透能力依次增强，选项 D 正确题组 3 动量和能量守恒定律在核反应中的应用91930 年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒子加速器，他们获得了高速运动的质子，用来轰击静止的锂 7( Li)原子核，形成一个不稳定的复合核后分解成两73个相同的原子核(1)写出核反应方程；(2)已知质子的质量为 m，初速度为 v0，反应后产生的一个原子核速度大小为 v0，方向与34质子运动方向相反，求反应后产生的另一个原子核的速度以及反应过程中释放的核能(设反应过程释放的核能全部转变为动能)答案 (1) Li H2 He (2) v0 mv73 1 42218 20解析 (1)根据质量数与电荷数守恒，则有Li H2 He73 1 42(2)由动量守恒定律得 mv04 m( v0)4 mv34解得 v v0释放的核能为 E 4mv2 4m( v0)2 mv12 12 34 12 20解得 E mv .218 20
