第15章 第42讲 原子结构氢原子光谱核能（教师用书）-【名师大课堂】2025年新高考物理艺术生总复习必备

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. 2.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 巴耳末系是氢原子光谱在可见光区的谱线,其波 长公式1 λ=R 1 22 -1 n2 (n=3,4,5…,R 是里德 伯常量,R=1.10×107m-1). (4)光谱分析 由于每种原子都有自己的 特征谱线 ,因此可 以用光谱来鉴别物质和确定物质的组成成分,且 灵敏度很高.在发现和鉴别化学元素上有着重大 的意义. 3.玻尔理论 (1)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. (2)跃迁:当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hν的光 子,这个光子的能量由前后两个能级的能量差决 定,即hν= Em-En .(h是普朗克常量,h= 6.63×10-34J·s) (3)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 . 4.氢原子的能量和能级跃迁 (1)几个概念 ①能级:在玻尔理论中,原子的能量是量子化的, 这些量子化的能量值,叫作能级. ②基态:原子能量 最低 的状态. ③激发态:在原子能量状态中除基态之外的其他 状态. ④量子数:原子的状态是不连续的,用于表示原 子状态的 正整数 . (2)能级和半径公式 ①能级公式:En= 1 n2 E1(n=1,2,3,…),其中E1 为基态能量,其数值为E1= -13.6 eV. ②半径公式:rn= n2r1 (n=1,2,3,…),其中 r1 为基态轨道半径,又称玻尔半径,其数值为 r1=0.53×10-10m. (3)氢原子的能级图,如图所示 5.原子核的组成、放射性及衰变 (1)原子核的组成 原子核是由 质子 和中子组成的,原子核的电 荷数等于核内的质子数. (2)天然放射现象 元素 自发 地放出射线的现象,首先由 贝克 勒尔 发现. 天然放射现象的发现,说明了原子核具有 复 杂 的结构. (3)放射性同位素的应用与防护 ①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. ②应 用:消 除 静 电、工 业 探 伤、做 示 踪 原 子 等. ③防护:防止放射性对人体组织的伤害. (4)原子核的衰变 ①衰变:原子核放出 α粒子或β粒子 ,变成另 一种 原子核 的变化称为 原子核 的衰变. ②分类 α 衰 变:AZX→A-4Z-2 Y + 42He 如:23892 U → 234 90Th+42He β衰变:AZX→ AZ+1Y+ 0-1e 如:23490Th→23491Pa + 0-1e. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 671 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 着γ辐射. ③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 半衰期是由原子核 内部 的因素决定 的,跟原子所处的物理、化学状态无关 6.核力、核能 (1)核力 定义 原子核内部 核子 间特有的相互作用力 特点 是强相互作用的一种表现是 短程 力, 作用范围在1.5×10-15m之内每个核子只 能与其相邻的 核子 发生核力作用 (2)核能 ①结合能:核子结合为原子核时 释放 的能量 或原子核分解为核子时吸收的 能量 ,叫做原 子核的结合能,也称核能. ②比结合能 定义 原子核的结合能与 核子数 之比,称作 比结合能,也叫平均结合能 特点 不同原子核的比结合能不同,原子核的比 结合能越 大 ,表示原子核中核子结合 得越牢固,原子核越稳定 ③质能方程、质量亏损:爱因斯坦质能方程E= mc2 ,原子核的质量必然比组成它的核子的 质量和要小Δm,这就是质量亏损.由质量亏损可 求出释放的核能ΔE= Δmc2 . (3)获得核能的途径 ①重核裂变 定义 铀核在被中子轰击后分裂成两块 质量 差不多的碎块的这类核反应 特点 裂变过程中能够放出巨大的能量;同时放 出2~3(或更多)个中子;裂变的产物不是 唯一的.典型的裂变方程23592U+10n→8936Kr +14456Ba+ 310n ②轻核聚变 定义 两个轻核结合成质量 较大 的核的核 反应 优点 a.产能效率高.b.聚变材料的储量丰富. c.更 为 安 全、清 洁.典 型 的 聚 变 方 程: 2 1H+31H→42He+ 10n +17.6MeV 1.核子数越多,结合能越大,比结合能不 一定越大. 2.质能方程表明质量和能量有着紧密联 系,但不能相互转化. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 原子的核式结构模型 1.α粒子散射实验 (1)实验装置(如图):α粒子源、金箔、放大镜和 荧光屏. (2)实验现象 ①绝大多数的α粒子穿过金箔后,基本上仍沿原 来的方向前进. ②少数α粒子发生了大角度偏转. ③极少数α粒子的偏转角度大于90°,甚至有极 个别α粒子几乎被“撞了回来”. (3)实验意义:卢瑟福通过α粒子散射实验,否定 了汤姆孙的原子模型,建立了核式结构模型. 2.原子的核式结构模型 (1)α粒子散射实验结果分析. ①绝大多数α粒子沿直线穿过金箔,说明原子中 绝大部分是空的; ②少数α粒子发生较大角度偏转,反映了原子内 部集中存在着对α粒子有斥力的正电荷; ③极少数α粒子甚至被“撞了回来”,反映了个别 α粒子正对着质量比α 粒子大得多的物体运动 时,受到该物体很大的斥力作用. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 771 (2)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,原子的所有正电荷和几乎 所有质量都集中在原子核里,带负电的电子在核 外绕核旋转. 卢瑟福的α粒子散射实验装置如图所示, 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 ) 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 原子的能级图及原子跃迁 1.对氢原子的能级图的理解 (1)氢原子的能级图(如图所示) (2)氢原子能级图的意义 相关量 意义 能级图中的横线 表示氢原子可能的能量 状态———定态 横线左端的数字“1, 2,3…” 表示量子数 横 线 右 端 的 数 字 “-13.6,-3.4…” 表示氢原子的能量 相邻横线间的距离 表示相邻的能量差,量子 数越大相邻的能量差越 小,距离越小 续表 带箭头的竖线 表示原子由较高能级向 较低能级跃迁,原子跃迁 的条件为hν=Em-En 2.两类能级跃迁 (1)自发跃迁:高能级→低能级,释放能量,发出 光子. 光子的频率ν=ΔEh = E高-E低 h . (2)受激跃迁:低能级→高能级,吸收能量. ①光照(吸收光子):光子的能量必须恰等于能级 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.电离 (1)电离态:n=∞,E=0 (2)电离能:指原子从基态或某一激发态跃迁到 电离态所需要吸收的最小能量. 例如:对于氢原子 ①基 态 → 电 离 态:E吸 =0(-13.6eV)= 13.6eV,即基态的电离能. ②n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4eV,即n=2 激发态的电离能. 如吸收能量足够大,克服电离能后,电离出的自 由电子还具有动能. 4.氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变 化规律 (1)原子能量变化规律:En=Ekn+Epn= E1 n2 (n= 1,2,3,…),随n增大而增大,随n的减小而减 小,其中E1=-13.6eV. (2)电子动能变化规律 ①从公式上判断.电子绕氢原子核运动时静电力 提供向心力即ke 2 r2 =mv 2 r ,所以Ek= ke2 2r ,随r增 大而减小. ②从库仑力做功上判断.当轨道半径增大时,库 仑引力做负功,故电子动能减小;反之,当轨道半 径减小时,库仑引力做正功,故电子动能增大. (3)原子的由势能的变化规律 ①通过库仑力做功判断.当轨道半径增大时,库 仑引力做负功,原子的电势能增大;反之,当轨道 半径减小时,库仑引力做正功,原子的电势能 减小. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 871 ②利用原子能量公式En=Ekn+Epn判断.当轨 道半径增大时,原子能量增大,电子动能减小,故 原子的电势能增大;反之,当轨道半径减小时,原 子能量减小,电子动能增大,故原子的电势能 减小. 如图所示为氢原子的 能级示意图,则关于氢原子 在能级跃迁过程中辐射或吸 收光子的特征,下列说法中 正确的是 ( C ) A.一群处于n=4能级的氢原子向基态跃迁时, 最多能辐射出5种不同频率的光子 B.一群处于n=3能级的氢原子吸收能量为 0.9eV的光子可以跃迁到n=4能级 C.处于基态的氢原子吸收能量为13.8eV的光 子可以发生电离 D.若氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级辐射 出的光照在某种金属表面上能发生光电效 应,则从n=5能级跃迁到n=2能级辐射出 的光也一定能使该金属发生光电效应 解析:一群处于n=4能级的氢原子向基态跃迁 时,最多能辐射出C24=6种不同频率的光子,故 A错误;一群处于n=3能级的氢原子吸收能量 为0.9eV的光子后的能量为E=-1.51eV+ 0.9eV=-0.61eV,0.9eV不等于任意两能级 间的能级差,不能被吸收,故B错误;处于基态的 氢原子吸收能量为13.8eV的光子可以发生电 离,剩余的能量变为光电子的初动能,故C正确; 氢原子从n=3能级跃迁到n=1能级辐射出的 光子能量为ΔE1=E3-E1=12.09eV,从n=5 能级跃迁到n=2能级辐射出的光子能量为ΔE2 =E5-E2=2.86eV,所以若氢原子从n=3能级 跃迁到n=1能级辐射出的光照在某种金属表面 上能发生光电效应,则从n=5能级跃迁到n=2 能级辐射出的光不一定能使该金属发生光电效 应,故D错误. 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AZX经过n次α 衰变和m 次β 衰变后,变成稳定的新元素A'Z Y,则表示该核反 应的方程为 A ZX→A'Z'Y+n42He+m0-1e. 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A=A'+4n, Z=Z'+2n-m. (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. 2.对半衰期的理解 (1)根据半衰期的概念,可总结出公式 N余=N原 12 t τ ,m余=m原 12 t τ 式中N原、m原 表示衰变前的放射性元素的原子 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,τ 表示半衰期. (2)半衰期是统计规律,描述的是大量原子核衰 变的规律. (3)放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素 决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强) 或化学状态(如单质、化合物)无关. (4)实质 α衰变:2个质子和2个中子能紧密地结合在一 起作为一个整体从原子核中抛出来,即211H+ 210n→42He. β衰变:核内的1个中子转化成1个质子和1个 电子,电子发射到核外,即10n→11H+ 0-1e. γ辐射:α衰变、β衰变产生的新核处于较高能级, 不稳定,向低能级跃迁时辐射出γ光子. 科研人员正在研制一种 新型镍铜长效电池,它是采用 半衰期长达100年的放射性同 位素镍63(6328Ni)和铜两种金属 作为长寿命电池的材料,利用镍63发生β衰变 时释放电子被铜片俘获,把镍63和铜片作为电 池的两极为外电阻R提供电能.下列说法正确的 是 ( D ) A.电阻R上的电流方向是从b到a B.镍63的衰变方程是6329Cu+ 0-1e→6328Ni C.升高温度、增大压强可以改变镍63的半衰期 D.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化 成质子时所产生的 解析:由铜片得到电子带负电,镍63带正电,可 知外接负载时镍63的电势比铜片高,该电池内 部电流方向是从铜片到镍63,外部电阻R 上的 电流方向从a 到b,故A错误;根据电荷数守恒、 质量数守恒知镍63的裂 变 方 程 是6328Ni6329Cu+ 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 971 0 -1e,故B错误;半衰期由原子核本身决定,与外 界因素无关,故C错误;β衰变所释放的电子是 原子核内的中子转化成质子的同时产生的,故D 正确. 核反应类型与核反应方程、核能 1.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 23892U→23490Th+42He β衰变 自发 234 90Th→23491Pa+ 0-1e 人工转变 人工 控制 14 7N+42He→178O+11H (卢瑟福发现质子) 4 2He+94Be→126C+10n (查德威克发现中子) 27 13Al+42He→ 30 15P+10n 30 15P→3014Si+01e (约里奥 · 居 里 夫 妇 发 现 放 射 性 同 位 素,同时 探 测 到 正电子) 重核 裂变 比较容易 进行人工 控制 235 92U+10n→14456Ba+8936Kr +310n 235 92U+10n→13654Xe+9038Sr +1010n 轻核 聚变 很难 控制 2 1H+31H→42He+10n 2.解答有关核反应方程问题的技巧 (1)熟记常见基本粒子的符号———是正确书写核 反应方程的基础.如质子(11H)、中子(10n)、α粒子 (42He)、β粒子(0-1e)、正电子(01e)、氘核(21H)、氚 核(31H)等. (2)熟悉核反应的四种基本类型———衰变、人工 转变、裂变和聚变. (3)掌握核反应方程遵守的规律———是正确书写 核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的 依据,所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数 守恒的规律. (4)明白核反应过程是不可逆的———核反应方程 只能用箭头连接并表示反应方向,不能用等号 连接. 3.对质能方程的理解 (1)质能方程E=mc2 给出了物体的能量和质量 之间的关系,质量为 m 的物体具有的总能量为 mc2,质量和能量不能互相转化. (2)“质量与能量间存在着简单的正比关系”,即 物体的质(这里指动质量)越大,能量越多,反之 物体的质量越小,能量也越少;当物体放出能量 时,满足ΔE=Δmc2. 4.求核能的三种方法 (1)应用质能方程解题的流程图 书写核反 应方程 → 计算质量 亏损Δm → 利用ΔE=Δmc2 计算释放的核能 ①根据ΔE=Δmc2 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计算时Δm 的单 位是“u”,ΔE的单位是“MeV”. (2)根据比结合能来计算核能:原子核的结合能 =比结合能×核子数. (3)根据能量守恒定律和动量守恒定律计算. (多选)氘核和氦核的质量分别是 m1 和 m2,如果两个氘核结合生成氦核,真空中的光速 为c,则下列说法中正确的是 ( AC ) A.该核反应方程为21H+21H→42He B.核电站通常用该反应作为获得核能的主要 途径 C.核反应过程中的质量亏损Δm=2m1-m2 D.氦核的结合能是(2m1-m2)c2 解析:核反应过程中质量数和电荷数守恒,由此 可知该核反应方程为21H+21H→42He,故A正确; 该反应为聚变反应,核电站通常用裂变反应作为 获得核能的主要途径,故B错误;该反应过程中 的质量亏损Δm=2m1-m2,故C正确;氦核的结 合能是指把原子核分开成核子时需要的能量,不 是两个 氘 核 结 合 生 成 氦 核 释 放 的 能 量,故 D 错误. 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 􀪋 081