第十五章 第2讲 原子和原子核-【勤径学升】2026年高考物理一轮总复习配套课件（人教版2019）

物 理 第十五章　近代物理初步 第2讲　原子和原子核 返回目录 返回目录 返回目录 √ √ × √ × × × 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 返回目录 1．了解人类探索原子及其结构的历史。知道原子的核式结构模型。通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构。 2．了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。能根据质量数守恒核电荷数守恒写出核反应方程。 3．了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。 4．认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核聚变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。 【知识总览】 【微点辨析】 (1)原子中绝大部分是空的，原子核很小。( ) (2)氢原子光谱是由一条一条亮线组成的。( ) (3)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。( ) (4)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。( ) (5)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始。( ) (6)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。( ) (7)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。( ) 考点 eq \a\vs4\al(1) 原子的核式结构(素养自修) 1．[α粒子散射实验现象]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．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 解析　卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型，选项A正确；卢瑟福提出了原子核式结构模型的假设，从而否定了汤姆孙原子模型的正确性，选项B错误；电子质量太小，对α粒子的影响不大，选项C错误；绝大多数α粒子穿过金箔后，几乎仍沿原方向前进，选项D错误。 答案　A 2．[α粒子散射实验现象的解释]在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α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 解析　原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上，才使得α粒子散射实验中，只有少数的α粒子离核很近，受到较大的库仑斥力，发生大角度的偏转，故选项A正确。 答案　A 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。 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。 考点 eq \a\vs4\al(2) 玻尔理论和能级跃迁(互动共研) 1．两类能级跃迁 (1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发射光子。 光子的频率ν＝ eq \f(ΔE,h) ＝ eq \f(E高－E低,h) 。 (2)受激跃迁：由低能级跃迁到高能级，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。 2．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＝C eq \o\al(\s\up1(2),\s\do1(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。 3．氢原子跃迁时能量的变化规律 (1)电子动能随r增大而减小。 (2)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。 [例]　(2023·湖北卷)2022 年10 月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)。根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子(　　) A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁 B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁 C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁 D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁 解析　由图中可知n＝2和n＝1的能级差之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，与探测器探测到的谱线能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁。故选A。 答案　A 考点 eq \a\vs4\al(3) 原子核的衰变及半衰期(素养自修) 3．[三种射线的性质和特点]如图所示，某放射性元素衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强磁场和匀强电场中，关于三种射线，下列说法正确的是(　　) A．①④表示α射线，其速度最慢、电离能力最弱 B．②⑤表示γ射线，其穿透能力和电离能力都很强 C．②⑤表示γ射线，是原子核内释放出的高频电磁波 D．③⑥表示β射线，是高速电子流，可以穿透几毫米厚的铝板 解析　α射线是高速粒子流，粒子带正电，β射线为高速电子流，带负电，γ射线为高频电磁波，根据电荷所受电场力特点及左手定则可知：①④为β射线，②⑤为γ射线，③⑥为α射线，α射线的速度最慢但电离能力最强，γ射线是由原子核内释放出的高频电磁波，其穿透能力很强但电离能力很弱，故选项C正确，A、B、D均错误。 答案　C 4．[半衰期的理解及应用]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　半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，经过两个完整的半衰期后，还剩下四分之一，没有衰变殆尽，故A错误；原子核衰变时电荷数守恒，质量数也守恒，故B错误；半衰期由放射性原子核内部本身的因素决定，不会受到阳光、温度、气候变化等自然环境因素影响，故C错误；依据质能方程可知，一定质量对应的一定的能量，当过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但在安全剂量内辐射强度则没有伤害，故D正确。 答案　D 5．[半衰期的计算](2022·全国甲卷)两种放射元素的半衰期分别为t0和2t0，在t＝0时刻这两种元素的原子核总数为N，在t＝2t0时刻，尚未衰变的原子核总数为 eq \f(N,3) ，则在t＝4t0时刻，尚未衰变的原子核总数为(　　) A． eq \f(N,12) B． eq \f(N,9) C． eq \f(N,8) D． eq \f(N,6) 解析　根据题意设半衰期为t0的元素原子核数为x，另一种元素原子核数为y，依题意有x＋y＝N，经历2t0后有 eq \f(1,4) x＋ eq \f(1,2) y＝ eq \f(N,3) ，联立可得x＝ eq \f(2,3) N，y＝ eq \f(1,3) N，在t＝4t0时，原子核数为x的元素经历了4个半衰期，原子核数为y的元素经历了2个半衰期，则此时未衰变的原子核总数为n＝ eq \f(1,24) x＋ eq \f(1,22) y＝ eq \f(N,8) ，故选C。 答案　C 1．三种射线的成分和性质 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离作用 穿透能力 α射线 氦核 eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He ＋2e 4 u 最强 最弱 β射线 电子 －e eq \f(1,1 836) u 较强 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强 2.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，m余＝m原。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。 3．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(\s\up1(A),\s\do1(Z)) X―→ eq \o\al(\s\up1(A－4),\s\do1(Z－2)) Y＋ eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He eq \o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z)) X―→ 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 eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H＋2 eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(0)) n―→ eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(0)) n―→ eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H＋ 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 4.衰变次数的两种确定方法 (1)根据质量数和电荷数守恒列方程组求解 若 eq \o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z)) X―→ eq \o\al(\s\up1(A′),\s\do1(Z′)) Y＋n eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He＋ 则A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m 解以上两式即可求出m和n。 (2)因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据衰变规律确定β衰变的次数。 8．[核反应方程的书写](2023·北京卷)下列核反应方程中括号内的粒子为中子的是(　　) 解析　由电荷数和质量数守恒知，核反应方程为，A符合题意；由电荷数和质量数守恒，核反应方程为＋( eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He)，B不符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为＋ eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He→＋( eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H)，故C不符合题意；根据电荷数和质量数守恒知，核反应方程为，故D不符合题意。故选A。 答案　A 9．[核能的计算]用粒子加速器加速后的质子轰击静止的锂原子核，生成两个动能均为8.919 MeV的α粒子( eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He)，其核反应方程式为 eq \o\al(\s\up1(1),\s\do1(1)) H＋ eq \o\al(\s\up1(7),\s\do1(3)) Li―→ eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He＋ eq \o\al(\s\up1(4),\s\do1(2)) He。已知质子质量为1.007 825 u，锂原子核的质量为7.016 004 u，α粒子的质量为4.002 603 u，1 u相当于931 MeV。若核反应释放的能量全部转化为α粒子的动能，则入射质子的动能约为(　　) A．0.5 MeV B．8.4 MeV C．8.9 MeV D．17.3 MeV 解析　该反应放出能量ΔE＝(1.007 825 u＋7.016 004 u－ 2×4.002 603 u)×931 MeV/u＝17.34 MeV，入射质子的动能EkH＝ 2Ekα－ΔE≈0.5 MeV，故A正确。 答案　A 10．[核能的计算](2023·全国乙卷)2022 年10 月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1 分钟内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　) A．1019 kg B．1024 kg C. 1029 kg D．1034 kg 解析　根据质能方程E＝mc2可知，则每秒钟平均减少的质量为Δm＝ eq \f(E0,60c2) ＝ eq \f(1048,60×（3×108）2) ＝ eq \f(1030,5.4) kg，则每秒钟平均减少的质量量级为1029 kg。故选C。 答案　C 1.核反应的四种类型 2.核反应方程的书写 (1)掌握核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律。 (2)掌握常见的主要核反应方程式，并知道其意义。 (3)熟记常见的基本粒子的符号，如质子、中子、α粒子等。 3.核能的计算方法 (1)应用质能方程解题的流程图 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×931.5 MeV计算时，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。 (2)根据核子比结合能计算核能 原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。 $$