第十六章 第2讲 原子结构和原子核-【创新教程】2026年高考物理总复习大一轮课件PPT

第2讲　原子结构和原子核 第十六章 近代物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 课前 双基复盘 课堂 研透考点 01 02 提升 学科素养 03 课后 素养提能 04 高考总复习 物理 第十六章 近代物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 课前 双基复盘 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 课堂 研透考点 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 提升 学科素养 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 课时作业 点击进入WORD链接 下一页 上一页 返回导航 第十六章 近代物理 高考总复习 物理 [知识点一]　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)1909～1911年，英国物理学家　卢瑟福　进行了α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型． (2)α粒子散射实验 ①实验装置：如下图所示； ②实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿　原方向　前进，少数发生较大角度偏转，极少数偏转角度大于90°，甚至被弹回． (3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在　原子核　里，带负电的　电子　在核外空间绕核旋转． 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eq \f(1,λ)＝Req \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,22)－\f(1,n2)))(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10×107 m－1)． (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，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．玻尔理论和能级跃迁 (1)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：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＝6.63×10－34 J·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　. (2)氢原子的能级图(如图所示) (3)氢原子的能级和半径公式 ①能级公式：En＝eq \f(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为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m. [知识点二]　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． (2)基本关系 ①核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝　核外电子数　. ②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eq \o\al(A,Z)X，其中A表示　质量数　，Z表示核电荷数． 2．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，说明原子核具有　复杂　的结构． (2)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． 3．原子核的衰变、半衰期 (1)原子核的衰变 ①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：eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A－4,Z－2)Y＋　eq \o\al(4,2)He　. β衰变：eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(　A,Z＋1)Y＋　eq \o\al(0,－1)e　 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． ③两个典型的衰变方程 α衰变：eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋eq \o\al(4,2)He β衰变：eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(234, 91)Pa＋eq \o\al(0,－1)e. (2)半衰期 ①定义：放射性元素的原子核有　半数　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　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． 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Δm，其对应的能量ΔE＝　Δmc2　. (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Δm，吸收的能量为ΔE＝　Δmc2　. 5．核反应、核裂变、核聚变 (1)核反应规律：在核反应中，　质量数　守恒，　电荷数　守恒． (2)重核裂变 ①定义：使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应． ②铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，一种典型的反应是生成钡和氪，同时放出三个中子，核反应方程为：eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n. ③链式反应：由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫作核裂变的链式反应． ④链式反应的条件：a.要有足够浓度的eq \o\al(235, 92)U；b.铀块体积需　大于　临界体积，或铀块质量　大于　临界质量． (3)轻核聚变 ①定义：两个轻核结合成　较重　的核，这样的核反应叫　聚变　. ②聚变发生的条件：使物体达到几百万度的高温． 1．(人教版选择性必修第三册 P83·T3改编)在汤姆孙测量阴极射线比荷的实验中，采用于如图所示的阴极射线管，从K出来的阴极射线经过电场加速后，水平射入长度为L的D、G平行板间，接着在荧光屏F中心出现荧光斑，若在D、G间加上方向向下，电场强度为E的匀强电场，阴极射线将向上偏转；如果在D、G间的电场区再加上一垂直纸面的磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画出)，荧光斑恰好回到荧光屏中心，接着再去掉电场，阴极射线向下偏转，偏转角为θ，试解决下列问题： (1)说明阴极射线的电性； (2)说明图中磁场沿什么方向； (3)根据L、E、B和θ，求出阴极射线的比荷． 解析： (1)由于阴极射线向上偏转，因此所受电场力方向向上，又由于匀强电场方向向下，电场力的方向与电场方向相反，所以阴极射线带负电荷． (2)由于所加磁场使阴极射线受到向下的洛伦兹力，由左手定则得磁场的方向垂直纸面向里． (3)设此射线中的粒子带电荷量为q，质量为m，当射线在D、G间做匀速直线运动时，有qE＝Bqv　① 当射线在D、G间的磁场中偏转时，有Bqv＝eq \f(mv2,r)　② 如图所示，同时又有L＝r·sin θ　③ ①②③联立得eq \f(q,m)＝eq \f(Esin θ,B2L). 答案：(1)带负电荷　(2)垂直纸面向里 (3)eq \f(Esin θ,B2L) 2．(人教版选择性必修第三册 P91·T3改编)1885年，巴耳末对当时已知的氢气放电管获得的四条可见光谱进行研究，发现这些谱线满足eq \f(1,λ)＝R(eq \f(1,22)－eq \f(1,n2))(n＝3、4、5、…)，这个公式称为巴耳末公式．巴耳末公式反映了氢原子的线状光谱的特征，如图所示是氢原子能级图，已知可见光能量在1.64～3.19 eV之间，巴耳末研究的四条可见光波中波长最长的是氢原子在哪两个能级之间跃迁辐射的(　　) A．3到2　 B．4到2　　 C．5到2　　 D．6到2 解析：A　[巴耳末系是指氢原子由高能级向n＝2能级跃迁时形成的谱线，巴耳末研究的四条可见光谱中波长最长的光谱，对应的是两个能级之间能量差值最小的能级，为3到2，故A正确，B、C、D错误．] 3．(人教版选择性必修第三册 P113科学漫步改编)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约为5 700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减小．现通过测量得知，某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一．下列说法正确的是(　　) A．该古木的年代距今约5 700年 B．12C、13C、14C具有相同的中子数 C．14C衰变为14N的过程中放出α射线 D．增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变 解析：A　[设原来14C的质量为M0，衰变后剩余质量为M，则有M＝M0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \f(t,T)，由题意知，剩余质量为原来的eq \f(1,2)，故t＝5 700年，A正确；12C、13C、14C具有相同的质子数和不同的中子数，故B错误；14C衰变为14N的过程中，质量数没有变化，而电荷数增加1，其中的一个中子变成了一个质子和一个电子，放出β射线，C错误；放射性元素的半衰期与物理环境以及化学环境无关，D错误．] 4．(人教版选择性必修第三册 P125·T5改编)在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速．碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的． (1)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少？ (2)至少经过多少次碰撞，中子的动能才能小于10－6E0. 解析：(1)中子与原子核相碰，系统的合外力为零，动量守恒．设中子的质量为m，碰撞前的速度为v0，碰撞后的速度为v1，碳核碰后的速度为v2，由动量守恒得： mv0＝mv1＋12mv2① 由能量守恒得： eq \f(1,2)mveq \o\al(2,0)＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,1)＋eq \f(1,2)×12mveq \o\al(2,2)② 联立得：v1＝－eq \f(11,13)v0(v1＝v0与实际不符，舍去)，“－”表示碰撞后中子反向，中子损失的动能为ΔE＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,0)－eq \f(1,2)mveq \o\al(2,1)＝eq \f(48,169)E0. (2)中子每次与原子核相碰的情景都一样，由于每碰一次，中子的速度大小都变为碰前的eq \f(11,13)，因此碰撞n次后，中子的速度大小变为：vn＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(11,13)))nv0，动能变为En＝eq \f(1,2)mveq \o\al(2,n)＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(11,13)))2nE0，由En＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(11,13)))2nE0＝10－6E0， 得：n≈42.即至少经过42次碰撞，中子动能才能小于10－6E0 答案：(1)eq \f(48,169)E0　(2)42次 考点一　原子的核式结构　玻尔理论 1．对氢原子的能级图的理解 (1)能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态． (2)横线左端的数字“1,2,3…”表示量子数，右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能级． (3)相邻横线间的距离不相等，表示相邻的能级差不等，量子数越大，相邻的能级差越小． (4)带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hν＝Em－En. 2．定态间的跃迁——满足能级差 (1)从低能级(n小)eq \o(――→,\s\up7(跃迁))高能级(n大)―→吸收能量． hν＝En大－En小 (2)从高能级(n大)eq \o(――→,\s\up7(跃迁))低能级(n小)―→放出能量． hν＝En大－En小 3．两类能级跃迁 (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＝eq \f(ΔE,h)＝eq \f(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大于电离能的光子被吸收，将原子电离． 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种求解方法． ①用数学中的组合知识求解：N＝Ceq \o\al(2,n)＝eq \f(nn－1,2). 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． [典例1]　(2024·江苏卷，5T)在原子跃迁中，辐射如图所示的4种光子，其中只有一种光子可使某金属发生光电效应，是哪一种(　　) A．λ1　　　　 B．λ2 C．λ3 D．λ4 [解析]　C　[根据光电效应方程可知当只有一种光子可使某金属发生光电效应，该光子对应的能量最大，根据图中能级图可知跃迁时对应波长为λ3的光子能量最大．] [典例2]　(多选)氢原子各个能级的能量如图所示，氢原子由n＝1能级跃迁到n＝4能级，在它回到n＝1能级过程中，下列说法中正确的是(　　) A．可能激发出频率不同的光子只有6种 B．可能激发出频率不同的光子只有3种 C．可能激发出的光子的最大能量为12.75 eV D．可能激发出的光子的最大能量为0.66 eV [解析]　AC　[氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级，可能发出的谱线条数为Ceq \o\al(2,4)，即6种频率或能量不同的光子，A正确，B错误；能激发出的光子的最大能量为从n＝4能级跃迁到n＝1能级所对应的，为(－0.85 eV)－(－13.6 eV)＝12.75 eV，C正确，D错误．] [典例3]　(2022·广东卷)目前科学家已经能够制备出能量量子数n较大的氢原子．氢原子第n能级的能量为En＝eq \f(E1,n2)，其中E1＝－13.6 eV.如图是按能量排列的电磁波谱，要使n＝20的氢原子吸收一个光子后，恰好失去一个电子变成氢离子，被吸收的光子是(　　) A．红外线波段的光子　 B．可见光波段的光子 C．紫外线波段的光子 D．X射线波段的光子 [解析]　A　[根据题意，E20＝eq \f(E1,202)＝－3.4×10－2eV，则n＝20的氢原子的电离能为3.4×10－2eV，要使该氢原子吸收一个光子后恰好电离，则被吸收的光子能量为3.4×10－2eV，根据题图可知，被吸收的光子是红外线波段的光子，A正确，B、C、D错误．] ◆[迁移4]　原子的能级劈裂　 [典例4]　(2023·辽宁卷，6)原子处于磁场中，某些能级会发生劈裂．某种原子能级劈裂前后的部分能级图如图所示，相应能级跃迁放出的光子分别设为①②③④.若用①照射某金属表面时能发生光电效应，且逸出光电子的最大初动能为Ek，则(　　) A．①和③的能量相等 B．②的频率大于④的频率 C．用②照射该金属一定能发生光电效应 D．用④照射该金属逸出光电子的最大初动能小于Ek 解析：A　[A.由题图可知①和③对应的跃迁能级差相同，可知①和③的能量相等，选项A正确；B.因②对应的能级差小于④对应的能级差，可知②的能量小于④的能量，根据E＝hν可知②的频率小于④的频率，选项B错误；C.因②对应的能级差小于①对应的能级差，可知②的能量小于①，②的频率小于①，则若用①照射某金属表面时能发生光电效应，用②照射该金属不一定能发生光电效应，选项C错误； D.因④对应的能级差大于①对应的能级差，可知④的能量大于①，即④的频率大于①，因用①照射某金属表面时能逸出光电子的最大初动能为Ek，根据Ekm＝hν－W逸出功，则用④照射该金属逸出光电子的最大初动能大于Ek，选项D错误．故选A.] 氢原子能级示意图如图所示．光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光．要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为(　　) A．12.09 eV　　　　 B．10.20 eV C．1.89 eV D．1.51 eV 解析：A　[因为可见光光子的能量范围是1.63 eV～3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n＝3能级，要给氢原子提供的能量最少为E＝(－1.51＋13.60) eV＝12.09 eV，即选项A正确．] 考点二　原子核的衰变、半衰期 1．衰变规律及实质 (1)α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A－4,Z－2)Y＋eq \o\al(4,2)He eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(　A,Z＋1)Y＋eq \o\al(　0,－1)e 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 2eq \o\al(1,1)H＋2eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(4,2)He eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(　0,－1)e 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 (2)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的．其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子． 2．三种射线的成分和性质 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离 能力 贯穿 本领 α射线 氦核 eq \o\al(4,2)He ＋2e 4u 最强 最弱 β射线 电子 eq \o\al(　0,－1)e －e eq \f(1,1 837)u 较强 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强 3.半衰期 (1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 (2)衰变规律：N＝N0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \f(t,τ)、m＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2))) eq \f(t,τ). (3)影响因素：由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理化学状态无关． [典例5]　医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线，而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的．对于质量为m0的113Sn，经过时间t后剩余的113Sn质量为m，其eq \f(m,m0)­t图线如图所示．从图中可以得到113Sn的半衰期为(　　) A．67.3 d　　　　 B．101.0 d C．115.1 d D．124.9 d [解析]　C　[由题图可知从eq \f(m,m0)＝eq \f(2,3)到eq \f(m,m0)＝eq \f(1,3)，说明eq \f(2,3)m0的113Sn恰好衰变了一半，根据半衰期的定义可知半衰期为T＝(182.4 d－67.3 d)＝115.1 d，C正确．] 　对半衰期的理解 (1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言． (2)根据半衰期的概念，可总结出公式N余＝N原eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \f(t,τ)，m余＝m原eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \f(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． [典例6]　(2024·山东卷，T1)2024年是中国航天大年，神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天，部分航天器装载了具有抗干扰性强的核电池。已知eq \o\al(90,38)Sr衰变为eq \o\al(90,39)Y的半衰期约为29年；eq \o\al(238, 94)Pu衰变为eq \o\al(234, 92)U的半衰期约87年．现用相同数目的eq \o\al(90,38)Sr和eq \o\al(238, 94)Pu各做一块核电池，下列说法正确的是(　　) A.eq \o\al(90,38)Sr衰变为eq \o\al(90,39)Y时产生α粒子 B.eq \o\al(238, 94)Pu衰变为eq \o\al(234, 92)U时产生β粒子 C．50年后，剩余的eq \o\al(90,38)Sr数目大于eq \o\al(238, 94)Pu的数目 D．87年后，剩余的eq \o\al(90,38)Sr数目小于eq \o\al(238, 94)Pu的数目 [解题指导]　第一步：根据质量数守恒和核电荷数守恒判断核反应类型 第二步：由半衰期概念分析 [解析]　D　[A.根据质量数守恒和电荷数守恒可知eq \o\al(90,38)Sr衰变为eq \o\al(90,39)Y时产生电子，即β粒子，故A错误；B.根据质量数守恒和电荷数守恒可知eq \o\al(238, 94)Pu衰变为eq \o\al(234, 92)U时产生eq \o\al(4,2)He，即α粒子，故B错误；CD.根据题意可知eq \o\al(238, 94)Pu的半衰期大于eq \o\al(90,38)Sr的半衰期，现用相同数目的eq \o\al(90,38)Sr和eq \o\al(238, 94)Pu各做一块核电池，经过相同的时间，eq \o\al(90,38)Sr经过的半衰期的次数多，所以剩余eq \o\al(90,38)Sr数目小于剩余eq \o\al(238, 94)Pu的数目，故D正确，C错误．] 　居里夫人一份约120年前的手稿被保存在法国国立图书馆，记载了放射性元素钋和镭的发现．手稿中残留有镭至今仍具有放射性，因此存放在铅盒里．已知镭的半衰期是1620年．如图所示表示镭含量的直方图中，“今年”表示今年手稿上镭的含量，则可以表示当年手稿上镭含量的是(　　) A．①　　 B．②　　　 C．③　　　 D．④ 解析：B　[设当年手稿上镭含量为m0，今年手稿上镭的含量为m，则m＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \f(t,τ)＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \f(120,1 620)＝m0eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq \f(2,27)，可知当年手稿上镭含量m0略大于今年手稿上镭的含量m，所以图中②可以表示当年手稿上镭含量，故B正确，A、C、D错误．] 考点三　核反应类型与核反应方程 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 eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋eq \o\al(4,2)He β衰变 自发 eq \o\al(234, 90)Th→eq \o\al(234, 91)Pa＋eq \o\al(0, －1)e 人工 转变 人工 控制 eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(4,2)He→eq \o\al(17, )8O＋eq \o\al(1,1)H (卢瑟福发现质子) eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(9,4)Be→eq \o\al(12, )6C＋eq \o\al(1,0)n (查德威克发现中子) eq \o\al(27,13)Al＋eq \o\al(4,2)He →eq \o\al(30,15)P＋eq \o\al(1,0)n (约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子) eq \o\al(30,15)P→eq \o\al(30,14)Si＋eq \o\al(0,＋1)e 重核 裂变 比较容 易进行 人工控制 eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3eq \o\al(1,0)n eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(136, 54)Xe＋eq \o\al(90,38)Sr＋10eq \o\al(1,0)n 轻核 聚变 很难 控制 eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n 2.核反应方程式的书写 (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(eq \o\al(1,1)H)、中子(eq \o\al(1,0)n)、α粒子(eq \o\al(4,2)He)、β粒子(eq \o\al(0,－1)e)、正电子(eq \o\al(0,1)e)、氘核(eq \o\al(2,1)H)、氚核(eq \o\al(3,1)H)等． (2)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，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向． (3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒． 1．(2024·江苏卷，T3)用粒子轰击氮核从原子核中打出了质子，该实验的核反应方程式是X＋eq \o\al(14, 7)N→eq \o\al(1,1)H＋eq \o\al(14, 6)C，粒子X为(　　) A．正电子eq \o\al(0,1)e　　　 B．中子eq \o\al(1,0)n C．氘核eq \o\al(1,2)H D．氦核eq \o\al(4,2)He 解析：B　[根据质量数守恒可知X的质量数为m＝14＋1－14＝1，根据电荷数守恒可知X的电荷数为n＝6＋1－7＝0，可知X为中子eq \o\al(1,0)n.] 2．(2023·北京卷，3)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　) A.eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋(　　) B.eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋(　　) C.eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(4,2)He→eq \o\al(17, 8)O＋(　　) D.eq \o\al(14, 6)C→eq \o\al(14, 7)N＋(　　) 解析：A　[A.根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq \o\al(235, 92)U＋eq \o\al(1,0)n→eq \o\al(144, 56)Ba＋eq \o\al(89,36)Kr＋3(eq \o\al(1,0)n)，故A符合题意；B.根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq \o\al(238, 92)U→eq \o\al(234, 90)Th＋(eq \o\al(4,2)He)，故B不符合题意；C.根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq \o\al(14, 7)N＋eq \o\al(4,2)He→eq \o\al(17, 8)O＋(eq \o\al(1,1)H)，故C不符合题意；D.根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为eq \o\al(14, 6)C→eq \o\al(14, 7)N＋(eq \o\al( 0,－1)e)，故D不符合题意．故选A.] 3．(多选)1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(27,13)Al→X＋eq \o\al(1,0)n.X会衰变成原子核Y，衰变方程为X→Y＋eq \o\al(0,1)e.则(　　) A．X的质量数与Y的质量数相等 B．X的电荷数比Y的电荷数少1 C．X的电荷数比eq \o\al(27,13)Al的电荷数多2 D．X的质量数与eq \o\al(27,13)Al的质量数相等 解析：AC　[根据电荷数守恒和质量数守恒，可知eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(27,13)Al→X＋eq \o\al(1,0)n方程中X的质量数为30，电荷数为15，再根据X→Y＋eq \o\al(0,1)e方程可知Y的质量数为30，电荷数为14，故X的质量数与Y的质量数相等，X的电荷数比Y的电荷数多1，X的电荷数比eq \o\al(27,13)Al的电荷数多2，X的质量数比eq \o\al(27,13)Al的质量数多3，A、C正确，B、D错误．] 　在火星上，太阳能电池板的发电能力有限，因此科学家用放射性材料PuO2作为发电能源为火星车供电．PuO2中的Pu元素是eq \o\al(238, 94)Pu，具有天然放射性，半衰期为87.7年．已知eq \o\al(238, 94)Pu的衰变方程为：eq \o\al(238, 94)Pu→eq \o\al(234, M)X＋eq \o\al(N,2)Y，则下列说法正确的是(　　) A．X原子核的中子数为144 B.eq \o\al(234, M)X的比结合能大于eq \o\al(238, 94)Pu的比结合能 C．衰变过程中质量守恒 D．Pu元素的半衰期跟原子所处的化学状态和外部条件有关 解析：B　[A.由电荷数守恒可知X原子核的质子数为92，则X原子核的中子数为234－92＝142，故A错误；B.核反应方程式中，生成物比反应物稳定，则eq \o\al(234, M)X的比结合能大于eq \o\al(238, 94)Pu的比结合能，故B正确；C.衰变过程中质量数守恒，放出能量，可知有质量亏损，故C错误；D.Pu元素的半衰期跟原子所处的化学状态和外部条件无关，故D错误．] 考点四　核能的计算 1．应用质能方程解题的流程图： eq \x(\a\al(书写核反,应方程))→eq \x(\a\al(计算质量,亏损Δm))→eq \x(\a\al(利用ΔE＝Δmc2,计算释放的核能)) (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×931.5 MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，所以计算Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”． 2．根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数． 特别提醒　利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替进行计算． [典例7]　(质能方程的应用)(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026 W，其辐射的能量来自于聚变反应．在聚变反应中，一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq \o\al(2,1)H)和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核(eq \o\al(3,1)H)结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核(eq \o\al(4,2)He)，并放出一个X粒子，同时释放大约17.6 MeV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939.6 MeV/c2 C．太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kg D．太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2 [解析]　BC　[由题中信息知核反应方程为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(3,1)H→eq \o\al(4,2)He＋eq \o\al(1,0)n，X粒子为中子，A错误；由质量守恒定律可知，X粒子的质量m＝(1 876.1＋2 809.5－3 728.4－17.6) MeV/c2＝939.6 MeV/c2，B正确；由质能方程可知，太阳每秒因辐射损失的质量Δm＝eq \f(Pt,c2)＝eq \f(4×1026×1,3×1082) kg＝4.4×109 kg，C正确；太阳每秒放出的能量ΔE＝Pt＝4×1026×1 J＝eq \f(4×1026,1.6×10－19) eV＝2.5×1045 eV，则太阳每秒因为辐射损失的质量Δm＝eq \f(ΔE,c2)＝2.5×1039 MeV/c2，D错误．] [典例8]　(根据比结合能曲线分析结合能)(多选)原子核的比结合能曲线如图所示．根据该曲线，下列判断正确的有(　　) A.eq \o\al(4,2)He核的结合能约为14 MeV B.eq \o\al(4,2)He核比eq \o\al(6,3)Li核更稳定 C．两个eq \o\al(2,1)H核结合成eq \o\al(4,2)He核时释放能量 D.eq \o\al(235, 92)U核中核子的平均结合能比eq \o\al(89,36)Kr核中的大 [解析]　BC　[由题图可知，eq \o\al(4,2)He的比结合能为7 MeV，因此它的结合能为7 MeV×4＝28 MeV，A错误；比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合题图可知B正确；两个比结合能小的eq \o\al(2,1)H核结合成比结合能大的eq \o\al(4,2)He时，会释放能量，C正确；由题图可知，eq \o\al(235, 92)U的比结合能(即平均结合能)比eq \o\al(89,36)Kr的小，D错误．] [典例9]　(质能方程与动量守恒定律综合)现有两动能均为E0＝0.35 MeV的eq \o\al(2,1)H在一条直线上相向运动，两个eq \o\al(2,1)H发生对撞后能发生核反应，得到eq \o\al(3,2)He和新粒子，且在核反应过程中释放的能量完全转化为eq \o\al(3,2)He和新粒子的动能．已知eq \o\al(2,1)H的质量为2.014 1 u，eq \o\al(3,2)He的质量为3.016 0 u，新粒子的质量为1.008 7 u，核反应时质量亏损1 u释放的核能约为931 MeV(如果涉及计算，结果保留整数)．则下列说法正确的是(　　) A．核反应方程为eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(3,2)He＋eq \o\al(1,1)H B．核反应前后不满足能量守恒定律 C．新粒子的动能约为3 MeV D.eq \o\al(3,2)He的动能约为4 MeV [解析]　C　[由核反应过程中的质量数和电荷数守恒可知eq \o\al(2,1)H＋eq \o\al(2,1)H→eq \o\al(3,2)He＋eq \o\al(1,0)n，则新粒子为中子eq \o\al(1,0)n，所以A错误；核反应过程中质量亏损，释放能量，亏损的质量转变为能量，仍然满足能量守恒定律，B错误；由题意可知ΔE＝(2.014 1 u×2－3.016 0 u－1.008 7 u)×931 MeV/u≈3.3 MeV，根据核反应中系统的能量守恒有EkHe＋Ekn＝2E0＋ΔE， 根据核反应中系统的动量守恒有pHe－pn＝0由Ek＝eq \f(p2,2m)，可知eq \f(EkHe,Ekn)＝eq \f(mn,mHe)，解得EkHe＝eq \f(mn,mn＋mHe)(2E0＋ΔE)≈1 MeV，Ekn＝eq \f(mHe,mn＋mHe)(2E0＋ΔE)≈3 MeV，所以C正确，D错误．] 两类核衰变在磁场中的径迹 1．静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆，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＝eq \f(mv,qB)知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表： α衰变 eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(A－4,Z－2)Y＋eq \o\al(4,2)He 两圆外切， α粒子半径大 β衰变 eq \o\al(A,Z)X→eq \o\al(　A,Z＋1)Y＋eq \o\al(0,－1)e 两圆内切， β粒子半径大 2.当静止的原子核在匀强磁场中发生衰变时，大圆轨道一定是释放出的带电粒子(α粒子或β粒子)的，小圆轨道一定是反冲核的．α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切．如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断绕行方向是顺时针还是逆时针． [典例1]　一个静止的铀核，放在匀强磁场中，它发生一次α衰变后变为钍核，α粒子和钍核都在匀强磁场中做匀速圆周运动．某同学作出如图所示运动径迹示意图，以下判断正确的是(　　) A．1是α粒子的径迹，2是钍核的径迹 B．1是钍核的径迹，2是α粒子的径迹 C．3是α粒子的径迹，4是钍核的径迹 D．3是钍核的径迹，4是α粒子的径迹 [解析]　B　[由动量守恒可知，静止的铀核发生α衰变后，生成的均带正电的α粒子和钍核的动量大小相等，但方向相反，由左手定则可知它们的运动轨迹应为“外切”圆，又R＝eq \f(mv,Bq)＝eq \f(p,Bq)，在p和B相等的情况下，R∝eq \f(1,q)，因q钍＞qα，则R钍＜Rα，故B正确．] [典例2]　在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44.则 (1)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由) (2)这个原子核原来所含的质子数是多少？ [解析]　(1)因为动量守恒，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比，所以圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹，两者电性相同，运动方向相反． (2)设衰变后新生核的电荷量为q1，α粒子的电荷量为q2＝2e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量q＝q1＋q2.根据轨道半径公式有eq \f(r1,r2)＝eq \f(\f(m1v1,Bq1),\f(m2v2,Bq2))＝eq \f(m1v1q2,m2v2q1)， 又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则 m1v1＝m2v2， 以上三式联立解得q＝90e. 即这个原子核原来所含的质子数为90. [答案]　(1)圆轨道2是α粒子的径迹，理由见解析　(2)90 $$