第2讲 原子结构 原子核\n必备知识·自主排查关键能力·分层突破\n必备知识·自主排查\n一、原子结构、光谱和能级跃迁1．原子的核式结构(1)电子的发现：英国物理学家____________在研究阴极射线时发现了________，提出了原子的“枣糕模型”．(2)α粒子散射实验：1909～1911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．(3)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．J.J.汤姆孙电子卢瑟福原来的正电荷质量\n2．光谱(1)光谱用棱镜或光栅可以把各种颜色的光按波长(频率)展开，获得光的________(频率)和强度分布的记录，即光谱．(2)光谱分类有些光谱是一条条的________，叫作谱线，这样的光谱叫作线状谱，又叫原子的特征谱线．有的光谱是连在一起的________，叫作连续谱．(3)氢原子光谱的实验规律1885年，巴耳末对当时已知的氢原子在可见光区的四条谱线作了分析，发现这些谱线的波长满足公式＝________________(n＝3，4，5，…)，R∞叫作里德伯常量，实验测得的值为R∞＝1.10×107m－1.这个公式称为巴耳末公式，它确定的这一组谱线称为巴耳末系．波长亮线光带R∞\n3．氢原子的能级跃迁(1)玻尔理论①轨道量子化与定态：电子的轨道是________的．电子在这些轨道上绕核的运动是________的，不产生电磁辐射．因此，原子的能量也只能取一系列________的值，这些量子化的能量值叫作________．原子中这些具有确定能量的稳定状态，称为定态．能量最低的状态叫作________，其他的状态叫作________．②频率条件：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＝________________(m<n，h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s).量子化稳定特定能级基态激发态En－Em\n(2)氢原子的能级图\n二、放射现象、原子核的组成、衰变1．天然放射现象：(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________具有复杂的结构．放出的射线有α射线、β射线、γ射线三种．(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：工业测厚、放射治疗、作为________等．③防护：防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害．自发贝可勒尔原子核天然人工示踪原子\n2．三种射线的比较：名称构成符号电荷量质量电离能力穿透能力α射线氦核________4u________β射线________u____较强γ射线光子γ____0最弱____2e最强较差电子－e较弱0最强\n3.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________．质子带正电，中子不带电．(2)基本关系①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝__________________．②质量数(A)＝________＝质子数＋中子数．(3)X元素的原子核的符号为，其中A表示________，Z表示核电荷数．核子中性原子的核外电子数核子数质量数\n4．放射性元素的衰变、半衰期：(1)原子核的衰变：①原子核放出________或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变．②规律：________和________都守恒．③分类α衰变：→＋________，例：→＋β衰变：→＋________，例：→＋α粒子电荷数质量数\n(2)半衰期①定义：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间．②影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核________自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________关系．③公式：N＝N0·，m余＝m0·半数内部没有\n三、核力和核能1．核力(1)概念：原子核内部，________所特有的相互作用力．(2)特点：核力是强相互作用力、短程力，只发生在相邻的核子间．2．核能(1)质能关系：E＝________．(2)核能的释放：核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其释放的能量ΔE＝________．(3)核能的吸收：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＝________．核子mc2Δmc2Δmc2\n四、重核裂变和轻核聚变1．重核裂变：(1)定义：质量数较________的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较________的原子核的过程．(2)特点①裂变过程中________巨大能量．②裂变的同时能够释放出2～3(或更多)个________．③裂变的产物不是唯一的．对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小．大小释放出中子\n(3)典型的裂变反应方程＋―→＋＋3____．(4)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．(5)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．(6)裂变的应用：________、核反应堆．(7)反应堆构造：核燃料、慢化剂、________、防护层．中子链式反应原子弹镉棒\n2．轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量________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________反应．(2)特点①产能效率高；②燃料的储量丰富；③安全、清洁．(3)典型的聚变反应方程＋―→＋＋17.6MeV.较大热核\n科学情境1.丹麦物理学家玻尔在1913年把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子系统，提出了自己的原子结构假说．(1)氢原子光谱是由不连续的亮线组成的．()(2)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱．()(3)按照玻尔理论，核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上．()(4)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁．()(5)氢原子可以吸收任何能量的光子而发生跃迁．()√××××\n教材拓展2.[选修3－5P70图19.2－2β衰变](1)β衰变中的电子来源于原子核外电子．()(2)天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分．()(3)原子核是由质子和电子组成的．()(4)人工放射性同位素被广泛地应用．()(5)发生β衰变时，新核的电荷数不变．()(6)半衰期是一个统计规律，对少数原子核不适用．()(7)三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线．()×√×√×√√\n3.[人教版选修3－5改编]卢瑟福进行的α粒子散射实验现象表明()A．在原子的中心有一个很小的核B．原子核具有复杂结构C．原子核集中了原子所有的质量D．核外电子在绕核旋转解析：汤姆孙发现了电子，标志着原子结构研究的开始，卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子的核式结构，而天然放射现象说明原子核具有复杂的结构，故B错误；为了解释α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，故A正确，C错误；实验现象不能说明电子的运动规律，故D错误．答案：A\n4．(多选)钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素．已知钚的一种同位素的半衰期为24100年，其衰变方程为→X＋＋γ，下列有关说法正确的是()A．X原子核中含有143个中子B．80个经过24100年后一定还剩余40个C．衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力D．由于衰变时释放出巨大能量，根据E＝mc2可知，衰变过程总质量增加解析：本题考查元素的衰变和质能方程．根据核反应前后电荷数守恒和质量数守恒得X的电荷数为94－2＝92，质量数为239－4＝235，则中子数为235－92＝143，故A正确；半衰期具有统计规律，对大量的原子核适用，故B错误；衰变发出的γ射线是频率很高的电磁波，具有很强的穿透能力，故C正确；在衰变的过程中，根据质能方程知，有能量放出，则一定有质量亏损，故D错误．答案：AC\n5．(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，下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A．＋→＋是核聚变反应B．＋→＋是β衰变C．＋→＋＋3是核裂变反应D．＋→＋＋2是α衰变解析：A、B所列反应是核聚变，不是β衰变，β衰变要放出电子，故A对，B错；C、D两种反应都是核裂变，故C对，D错．答案：AC\n关键能力·分层突破\n考点一 玻尔理论和氢原子能级结构1．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n)高能级(m)→吸收能量．hν＝Em－En(2)从高能级(m)低能级(n)→放出能量．hν＝Em－En.2．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸>0－(－13.6eV)＝13.6eV.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．\n3．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种求解方法．①用数学中的组合知识求解：N＝＝②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．\n例1[2022·永州一模]如图所示为氢原子的能级图，用某种频率的光照射大量处于基态的氢原子，受到激发后的氢原子只辐射出三种不同频率的光a、b、c，频率νa>νb>νc，下列说法正确的是()A．照射氢原子的光子能量为12.75eVB．从n＝3能级跃迁到n＝2能级辐射出的光频率为νaC．从n＝3能级跃迁到n＝1能级辐射出的光频率为νcD．光a能使逸出功为10.2eV的某金属发生光电效应答案：D\n解析：根据公式＝3，可知n＝3，因此受到激发后的氢原子处于第n＝3能级；根据氢原子由n＝3跃迁到n＝1产生的光子能量与从n＝1跃迁到n＝3所吸收的光子能量相等可知，照射氢原子的光子能量为：ΔE31＝E3－E1＝－1.51eV－(－13.6eV)＝12.09eV，故A错误；频率大小关系为νa>νb>νc，从n＝3跃迁到n＝2辐射出的能量最小，即其对应的光频率为νc，故B错误；氢原子由n＝3跃迁到n＝1产生的光的能量最大，辐射出的光频率为νa，故C错误；氢原子由n＝3跃迁到n＝1产生的光的能量为12.09eV，依据光电效应方程，所以能使逸出功为10.2eV的金属发生光电效应，故D正确．\n跟进训练1.下列四幅图涉及不同的物理知识，其中说法正确的是()A．图甲：光电效应中，光电子的最大初动能与入射光的频率成正比B．图乙：铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应C．图丙：氢原子能级是分立的，但原子发射光子的频率是连续的D．图丁：卢瑟福通过α粒子散射实验，提出原子核均匀分布在原子内的结构模型答案：B\n解析：图甲的光电效应中，由爱因斯坦的光电效应方程可知Ek＝hν－W0，说明光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系，不成正比，选项A错误；图乙中，铀核裂变中放出新的中子又引起新的裂变，形成链式反应，选项B正确；图丙中，氢原子能级是分立的，原子发射光子的频率也是不连续的，选项C错误；图丁中，卢瑟福通过α粒子散射实验，提出的是原子的核式结构模型，选项D错误．\n2．如图甲所示为氢原子的能级图，图乙为氢原子的光谱图．已知谱线b是氢原子从n＝5能级直接跃迁到n＝2能级时发出的光谱线，则谱线a可能是氢原子()A．从n＝2的能级跃迁到n＝1的能级时发出的光谱线B．从n＝3的能级直接跃迁到n＝1的能级时发出的光谱线C．从n＝4的能级直接跃迁到n＝1的能级时发出的光谱线D．从n＝4的能级直接跃迁到n＝2的能级时发出的光谱线答案：D\n解析：由谱线a的光子的波长大于谱线b的光子的波长，可知谱线a的光子频率小于谱线b的光子频率，所以谱线a的光子能量小于n＝5和n＝2间的能级差，选项D正确，选项A、B、C错误．\n考点二 原子核的衰变、半衰期1．确定衰变次数的方法：(1)设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为→＋n＋m.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程(2)因为β衰变对质量数无影响，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．\n2．α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程→＋→＋衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子2＋2→→＋匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒\n例2[2021·全国甲卷，17]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．6B．8C．10D．14解析：根据图象可得其原子核分别为X、Y，设经历α衰变x次，β衰变y次，由于β衰变不会改变原子核的质量数，则可根据衰变前后质量数的变化求解α衰变的次数，即x＝＝8，根据电荷数守恒求β衰变的次数，即y＝82＋2x－92＝6，而只有β衰变才放出电子，故β衰变6次，放出6个电子，故选项B、C、D错误，选项A正确．答案：A\n命题分析试题情境属于基础性题目，以α、β衰变为素材创设学习探索问题情境必备知识考查衰变方程、α、β衰变规律等知识关键能力考查理解能力、推理能力．利用α、β衰变规律判断放射电子的总个数学科素养考查物理观念中的物质观、科学思维．要求考生利用电荷数守恒和质量数守恒分析判断解决问题\n跟进训练3.[2021·湖南卷，1]核废料具有很强的放射性，需要妥善处理．下列说法正确的是()A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害解析：根据半衰期的定义可知，放射性元素经过两个完整的半衰期后，还剩原来的未衰变，A错误；原子核衰变时电荷数和质量数都守恒，B错误；放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系，因此改变压力、温度或浓度，放射性元素的半衰期不变，C错误；过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，若辐射强度在安全剂量内则不会对人体组织造成伤害，D正确．答案：D\n4．[2021·河北卷，1]银河系中存在大量的铝同位素26Al.26Al核β衰变的衰变方程为→＋，测得26Al核的半衰期为72万年．下列说法正确的是()A．26Al核的质量等于26Mg核的质量B．26Al核的中子数大于26Mg核的中子数C．将铝同位素26Al放置在低温低压的环境中，其半衰期不变D．银河系中现有的铝同位素26Al将在144万年以后全部衰变为26Mg解析：26Al发生衰变的过程中释放正电子的同时还有核能释放，发生质量亏损，所以26Al核的质量大于26Mg核的质量，故A错误；26Al核的中子数n1＝26－13＝13，而26Mg核的中子数n2＝26－12＝14，所以26Al核的中子数小于26Mg核的中子数，故B错误；半衰期是原子核固有的属性，与物理环境和化学状态无关，故C正确；铝同位素26Al的半衰期为72万年，所以经过144万年也就是两个半衰期后还剩下没有衰变，故D错误．答案：C\n考点三 核反应类型与核反应方程核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发→＋β衰变自发→＋人工转变人工控制＋→＋(卢瑟福发现质子)＋→＋(查德威克发现中子)＋→＋(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)→＋重核裂变比较容易进行人工控制＋→＋＋3＋→＋＋10轻核聚变很难控制＋→＋\n例32021·浙江6月，14](多选)对四个核反应方程(1)―→＋；(2)―→＋；(3)＋―→＋；(4)＋―→＋＋17.6MeV，下列说法正确的是()A．(1)(2)式核反应没有释放能量B．(1)(2)(3)式均是原子核衰变方程C．(3)式是人类第一次实现原子核转变的方程D．利用激光引发可控的(4)式核聚变是正在尝试的技术之一解析：(1)为α衰变，(2)为β衰变，衰变过程同时释放能量，A错误；(3)是卢瑟福用α粒子轰击氮原子核产生氧的一种同位素，是人类第一次原子核的人工转变，而核衰变是原子核自发产生的变化，B错误，C正确；(4)为核聚变反应方程，可控核聚变是人类正在尝试的技术之一，D正确．答案：CD\n跟进训练5.(多选)在研究原子核的内部结构时，科学家进行了一系列的核反应实验．下列选项中说法正确的是()①→＋②＋→＋＋17.6MeV③＋→＋④＋→＋＋xA．①是发现磷的同位素的核反应方程B．②是太阳内部核反应和氢弹的核反应方程C．③是轻核聚变的核反应方程D．④是重核裂变的核反应方程，其中x＝3答案：BC\n解析：e是磷的衰变方程，自然界没有天然的，它是约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝箔时发现的，属于人工放射性同位素，核反应方程是，选项A错误；太阳内部核反应和氢弹的核反应方程是n＋17.6MeV，选项B正确；两个轻核结合成质量较大的核是核聚变反应，故③是轻核的聚变，选项C正确；根据核反应方程遵循质量数守恒可知235＋1＝140＋94＋x，解得x＝2，选项D错误．\n6．(多选)新冠病毒是一种传染病毒，传染病的传播过程十分复杂，但是可以构建最简单的传播模型来描述，这个最简模型可称为链式模型，类似于核裂变链式反应模型．铀裂变核反应方程为＋→＋＋R，其中n表示中子．裂变后产生的中子能继续发生反应的次数称为链式反应的“传染系数”．下列说法正确的有()A．从铀裂变核反应方程看，“传染系数”R＝2B．核反应堆中通过镉板吸收中子降低“传染系数”C．链式反应的临界值对应的实际“传染系数”为1D．核反应堆中的实际“传染系数”与铀浓度无关答案：BC\n解析：中子的电荷数Z＝0，质量数A＝1，核反应遵循电荷数守恒及质量数守恒，因此可计算得R＝3，故A错误；核反应堆中通过镉板吸收中子，减少轰击铀核的中子数，最终起到降低实际“传染系数”的作用，所以B正确；在链式反应中，当实际“传染系数”R≥1时，反应才能持续发展下去，当实际“传染系数”R<1时，反应将趋于停滞，即R＝1是链式反应持续下去的临界值，故C正确；核反应堆中还可以通过铀棒来控制核反应的速率，实际上就是通过调整铀浓度来控制实际“传染系数”，所以D错误．\n考点四 核能及其计算1．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×931.5MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．\n2．应用规律：\n例4[2022·苏州一模]一个静止的铀核(质量为232.0372u)放出一个α粒子(质量为4.0026u)后衰变成钍核(质量为228.0287u).已知1u相当于931MeV的能量．下列说法正确的是()A．该核衰变反应方程为→＋B．该核衰变反应中释放出的核能为0.059MeVC．该反应产生的钍核和α粒子的动量相同D．假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能，则钍核获得的动能约为0.017MeV答案：A\n\n跟进训练7.(多选)2021年1月30日，“华龙一号”全球首堆福建福清核电5号机组投入商业运行．这是中国核电发展的重大跨越，标志着我国在三代核电技术领域跻身世界前列，成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家．“华龙一号”运用了先进的百万千瓦级压水堆核电技术，设某核反应方程为＋→＋＋3，其中、、、的质量分别为m1、m2、m3、m4，光速为c.下列说法正确的是()A．此核反应为核聚变反应B．及的比结合能小于的比结合能C．一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2D．核燃料需达到临界体积才能发生链式反应答案：CD\n解析：“华龙一号”压水堆核电技术利用的是核裂变反应，目前核聚变技术还不成熟，没有投入商用，A错误Ba及是中等质量的核，其比结合能均大于重核的比结合能，B错误．根据爱因斯坦质能方程，可知一次核反应释放的核能为E＝(m1－m2－m3－2m4)c2，C正确．原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，裂变反应时，核燃料需达到临界体积才能使中子有足够大的概率打中某个铀核，才能发生持续的核反应，D正确．\n8．(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026W，其辐射的能量来自聚变反应．在聚变反应中，一个质量为1876.1MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核()和一个质量为2809.5MeV/c2的氚核()结合为一个质量为3728.4MeV/c2的氦核()，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6MeV的能量．下列说法正确的是()A．X粒子是质子B．X粒子的质量为939.6MeV/c2C．太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109kgD．太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6MeV/c2答案：BC\n解析：根据质量数和电荷数守恒可知．X粒子是中子，A错误；根据能量守恒可知X粒子的质量对应的能量为939.6MeV，由E＝mc2可知X粒子的质量为939.6MeV/c2，B正确；太阳每秒辐射的能量约为ΔE＝4×1026J，则太阳每秒因为辐射损失的质量约为Δm＝＝4.4×109kg，远大于17.6MeV/c2，C正确，D错误．
