第5章 原子与原子核 章末素养提升-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（粤教版2019）

章末素养提升 物理 观念 原子的 结构 核式 结构 α粒子散射实验及现象 卢瑟福原子核式结构模型 能级 结构 玻尔的三个基本假设 (1)轨道量子化 (2)能量量子化 (3)能级跃迁：hν=Em-En(m>n) 玻尔理论对氢原子光谱的解释 玻尔理论的局限性 原子核 的组成 核子 原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子 核力与 结合能 核力：短程力，只有邻近的核子间才有核力作用 结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起的，要把它们分开所需要的能量就是原子核的结合能 比结合能(平均结合能)：比结合能越大原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定 爱因斯坦质能方程：ΔE=Δmc2 核衰变 与核反应 天然放 射现象 α射线He)：氦核流，穿透能力很弱，电离作用很强 β射线e)：高速电子流，穿透能力较强，电离作用较强 γ射线：是一种电磁波，伴随α衰变和β衰变产生，穿透能力更强，电离作用更弱 原子核 的衰变 α衰变:YHe β衰变:Ye 半衰期 原子核数目因衰变减少到原来一半所经过的时间，由核本身的因素决定，与原子所处的物理、化学状态无关 放射性 同位素 放射性同位素和正电子的发现 AlHePnPSie+ν 裂变和 聚变 重核的裂变nBaKr+n 轻核的聚变:H→Hen 科学 思维 核反应的规律 质量数和电荷数守恒 科学 态度 与责任 1.通过学习近代研究微观世界的科学历史，学习科学家的探究精神 2.体会人类对物质结构的探索是不断深入的，科学的探索没有止境 3.主动关注核技术应用对人类生活和社会发展带来的影响 例1　(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中XN→YO、YLi→2X，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则 (　　) A.Z=1，A=1 B.Z=1，A=2 C.Z=2，A=3 D.Z=2，A=4 答案　D 解析　设Y的电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应方程中质量数和电荷数守恒可知，第一个核反应方程的电荷数和质量数满足A+14=n+17，Z+7=m+8，第二个核反应方程的电荷数和质量数满足n+7=2A，m+3=2Z，联立解得Z=2，A=4，故选D。 (1)衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现α或β粒子，分别为α衰变或β衰变，衰变过程是自发进行的。 (2)人工转变方程的左边一般是氦原子核与常见原子核，右边也是常见元素的原子核。 (3)聚变方程的左边是轻核，右边有稍重的原子核。 (4)裂变方程的左边是重核与中子，右边有中等质量的原子核和中子。 (5)无论哪种核反应方程都满足质量数、电荷数守恒。 例2　(多选)(2023·东莞市高二期末)如图所示，一静止的原子核Th(钍)在P点发生衰变，放出一个粒子并产生新核X，它们在匀强磁场中的运动轨迹如图中a、b所示。已知钍核质量为m1，新核X质量为m2，粒子质量为m3，真空中的光速为c。则 (　　) A.b是新核X的轨迹 B.衰变方程为ThXHe C.衰变释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2 D.100个Th原子核经过一个半衰期后一定只剩下50个Th原子核 答案　AC 解析　根据洛伦兹力提供向心力Bqv=可得R==，静止的原子核Th(钍)发生衰变过程动量守恒，因此新核X与衰变产生的粒子动量大小相等、方向相反，而新核X电荷量大，因此新核X的轨迹半径小，b是新核X的轨迹，故A正确；由A中分析可知，新核X与衰变产生的粒子速度方向相反，由题图可知，根据新核X与衰变产生的粒子在磁场中偏转方向及左手定则可知，新核X与粒子带异种电荷，B选项衰变为β衰变，故B错误；由爱因斯坦质能方程可得衰变释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2，故C正确；半衰期是大量原子核有半数衰变用的时间，100个Th原子核经过一个半衰期后不一定只剩下50个Th原子核，故D错误。 1.核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒。 2.静止的核在磁场中自发衰变：轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒m1v1=m2v2和R=知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子。 3.由动量、动能关系：p2=2mEk可知Ek1∶Ek2=m2∶m1。 4.若衰变反应释放的核能全部转化为粒子动能，则由能量守恒定律得ΔE=Δmc2=Ek1+Ek2。 例3　(2022·浙江6月选考)如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠。下列说法正确的是 (　　) A.逸出光电子的最大初动能为10.80 eV B.n=3跃迁到n=1放出的光电子动量最大 C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应 D.用0.85 eV的光子照射，氢原子跃迁到n=4激发态 答案　B 解析　从n=3跃迁到n=1放出的光电子能量最大，根据Ek=E-W0，可得此时最大初动能为Ek=9.8 eV，故A错误；从n=3跃迁到n=1放出的光电子能量最大，根据p==，E=hν，可知动量也最大，故B正确；大量氢原子从n=3的激发态跃迁到基态能放出=3种频率的光子，其中从n=3跃迁到n=2放出的光子能量为ΔE1=-1.51 eV-(-3.4 eV)=1.89 eV<2.29 eV，不能使金属钠发生光电效应，其他两种均可以，故C错误；由于从n=3跃迁到n=4需要吸收的光子能量为ΔE2=1.51 eV-0.85 eV=0.66 eV，所以用0.85 eV的光子照射，不能使氢原子跃迁到n=4激发态，故D错误。 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==。 2.受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。 (1)光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，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)大于电离能的光子被吸收，将原子电离。 例4　海水中有丰富的氘，可以充当未来的重要能源，两个氘核聚合成一个氦核(同位素)的同时放出一个中子，并释放出巨大的能量，若其中氘核的质量为m0，中子的质量为m1，氦核的质量为m2，光在真空中的速度为c。 (1)写出该核反应方程并求该核反应释放的核能； (2)若两个氘核以相同大小的动能对心正碰，求反应后产生的中子与氦核的动能之比。 答案　(1HHHen　(2m0-m1-m2)c2　(2)3∶1 解析　(1)核反应过程中，原子核的质量数与核电荷数守恒，则可写出核反应方程为HHHen 核反应中的质量亏损为Δm=2m0-m1-m2 核反应所释放的核能为ΔE=Δmc2=(2m0-m1-m2)c2。 (2)把两个氘核作为一个系统，碰撞过程系统的动量守恒，由于碰撞前两氘核的动能相等，其动量等大反向，因此反应前后系统的总动量为零，即mHevHe+mnvn=0 根据动能与动量的大小关系有Ek=mv2= 氦核与中子的质量之比等于质量数之比， 即有mHe∶mn=3∶1， 解得反应后产生的中子与氦核的动能之比Ekn∶EkHe=3∶1。 学科网（北京）股份有限公司 $$ DIWUZHANG 第五章 章末素养提升 1 再现 素养知识 物理 观念 原子的 结构 核式 结构 α粒子散射实验及现象 卢瑟福原子_______结构模型 能级 结构 玻尔的三个基本假设 (1)______量子化 (2)______量子化 (3)能级跃迁：hν=Em-En(m>n) 玻尔理论对氢原子光谱的解释 玻尔理论的局限性 核式 能量 轨道 物理 观念 原子核 的组成 核子 原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为 核子 核力与 结合能 核力：短程力，只有邻近的核子间才有核力作用 结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起的，要把它们______所需要的能量就是原子核的结 合能 比结合能(平均结合能)：比结合能越____原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定 爱因斯坦质能方程：__________ 分开 大 ΔE=Δmc2 物理 观念 核衰变与核反应 天然放 射现象 α射线He)：氦核流，穿透能力______，电离作用_____ β射线e)：高速电子流，穿透能力______，电离作用较强 γ射线：是一种电磁波，伴随α衰变和β衰变产生，穿透能力_____，电离作用______ 原子核 的衰变 α衰变:He β衰变:e 很弱 很强 较强 更强 更弱 物理 观念  核衰变与核反应 半衰期 原子核数目因衰变减少到原来______所经过的时间，由核_____的因素决定，与原子所处的物理、化学状态无关 放射性同位素 放射性同位素和正电子的发现 e+ν 裂变和聚变 重核的裂变_____ 轻核的聚变:n 一半 本身 n 科学 思维 核反应的规律 质量数和电荷数守恒 科学态度 与责任 1.通过学习近代研究微观世界的科学历史，学习科学家的探究精神 2.体会人类对物质结构的探索是不断深入的，科学的探索没有止境 3.主动关注核技术应用对人类生活和社会发展带来的影响 　(2023·全国甲卷)在下列两个核反应方程中XLi→2X，X和Y代表两种不同的原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则 A.Z=1，A=1 B.Z=1，A=2 C.Z=2，A=3 D.Z=2，A=4 例1 √ 提能 综合训练 设Y的电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应方程中质量数和电荷数守恒可知，第一个核反应方程的电荷数和质量数满足A+14=n+17，Z+7=m+8，第二个核反应方程的电荷数和质量数满足n+7=2A，m+3=2Z，联立解得Z=2，A=4，故选D。 总结提升 (1)衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现α或β粒子，分别为α衰变或β衰变，衰变过程是自发进行的。 (2)人工转变方程的左边一般是氦原子核与常见原子核，右边也是常见元素的原子核。 (3)聚变方程的左边是轻核，右边有稍重的原子核。 (4)裂变方程的左边是重核与中子，右边有中等质量的原子核和中子。 (5)无论哪种核反应方程都满足质量数、电荷数守恒。 　(多选)(2023·东莞市高二期末)如图所示，一静止的原子核Th(钍)在P点发生衰变，放出一个粒子并产生新核X，它们在匀强磁场中的运动轨迹如图中a、b所示。已知钍核质量为m1，新核X质量为m2，粒子质量为m3，真空中的光速为c。则 A.b是新核X的轨迹 B.衰变方程为He C.衰变释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2 D.100个 Th原子核 例2 √ √ 由A中分析可知，新核X与衰变产生的粒子速度方向相反，由题图可知，根据新核X与衰变产生的粒子在磁场中偏转方向及左手定则可知，新核X与粒子带异种电荷，B选项衰变为β衰变，故B错误； 根据洛伦兹力提供向心力Bqv=可得R=，静止的原子核Th(钍)发生衰变过程动量守恒，因此新核X与衰变产生的粒子动量大小相等、方向相反，而新核X电荷量大，因此新核X的轨迹半径小，b是新核X的轨迹，故A正确； 由爱因斯坦质能方程可得衰变释放的核能为ΔE=(m1-m2-m3)c2，故C正确； 半衰期是大量原子核有半数衰变用的时间，100个Th原子核经过一个半衰期后不一定只剩下50个Th原子核，故D错误。 总结提升 1.核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒。 2.静止的核在磁场中自发衰变：轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒m1v1=m2v2和R=知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子。 3.由动量、动能关系：p2=2mEk可知Ek1∶Ek2=m2∶m1。 4.若衰变反应释放的核能全部转化为粒子动能，则由能量守恒定律得ΔE=Δmc2=Ek1+Ek2。 　(2022·浙江6月选考)如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n=3的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠。下列说法正确的是 A.逸出光电子的最大初动能为10.80 eV B.n=3跃迁到n=1放出的光电子动量最大 C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应 D.用0.85 eV的光子照射，氢原子跃迁到n=4激发态 例3 √ 从n=3跃迁到n=1放出的光电子能量最大，根据 Ek=E-W0，可得此时最大初动能为Ek=9.8 eV， 故A错误； 从n=3跃迁到n=1放出的光电子能量最大，根 据p=，E=hν，可知动量也最大，故B正确； 大量氢原子从n=3的激发态跃迁到基态能放出=3种频率的光子，其中从n=3跃迁到n=2放出的光子能量为ΔE1=-1.51 eV-(-3.4 eV)=1.89 eV <2.29 eV，不能使金属钠发生光电效应，其他两种均可以，故C错误； 由于从n=3跃迁到n=4需要吸收的光子能量为ΔE2=1.51 eV-0.85 eV=0.66 eV，所以用0.85 eV的光子照射，不能使氢原子跃迁到n=4激发态，故D错误。 总结提升 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=。 2.受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。 (1)光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，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)大于电离能的光子被吸收，将原子电离。 　海水中有丰富的氘，可以充当未来的重要能源，两个氘核聚合成一个氦核(同位素)的同时放出一个中子，并释放出巨大的能量，若其中氘核的质量为m0，中子的质量为m1，氦核的质量为m2，光在真空中的速度为c。 (1)写出该核反应方程并求该核反应释放的核能； 例4 答案　n　(2m0-m1-m2)c2　 核反应过程中，原子核的质量数与核电荷数守恒，则可写出核反应方程为n 核反应中的质量亏损为Δm=2m0-m1-m2 核反应所释放的核能为ΔE=Δmc2=(2m0-m1-m2)c2。 (2)若两个氘核以相同大小的动能对心正碰，求反应后产生的中子与氦核的动能之比。 答案　3∶1 把两个氘核作为一个系统，碰撞过程系统的动量守恒，由于碰撞前两氘核的动能相等，其动量等大反向，因此反应前后系统的总动量为零，即mHevHe+mnvn=0 根据动能与动量的大小关系有Ek= 氦核与中子的质量之比等于质量数之比， 即有mHe∶mn=3∶1， 解得反应后产生的中子与氦核的动能之比Ekn∶EkHe=3∶1。 BENKEJIESHU 本课结束 $$