第15章 第2讲 原子结构 原子核(基础落实课)（学案）-【新高考方案】2026年高考物理一轮总复习（江苏专版）

第2讲　原子结构 原子核(基础落实课) 一、原子的核式结构模型 1．电子的发现：英国物理学家　　　　发现了电子。 (2) 2．α粒子散射实验 (1)装置：1909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，实验装置如图所示。 现象：实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿　　　的方向前进，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”。(如图所示) 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，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。 二、氢原子光谱 1．光谱：用光栅或棱镜可以把物质发出的光按波长(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 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＝R∞(n＝3,4，5，…，R∞是里德伯常量，R∞＝1.10×107 m－1)。 4．光谱分析：每种原子都有自己的　　　　　　，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。 三、玻尔的原子模型 1．玻尔原子模型的三条假设 定态假设 原子只能处于一系列　　　　　的能量状态中，在这些能量状态中原子是　　　　的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量 跃迁假设 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，光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝　　　　　。(m<n，h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s) 轨道假设 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　　　　　的，因此电子的轨道半径也是　　　　　的 2．氢原子的能量和能级跃迁 (1)氢原子的能级图：如图所示。 (2)能级和半径公式： 半径公式 rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，其数值为r1＝0.53×10－10 m 能级公式 En＝E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝　　　　 eV 四、天然放射现象和原子核 1．天然放射现象 (1)发现：由法国物理学家　　　　　发现。 (2)概念：放射性元素　　　　地发出射线的现象。 (3)意义：天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的　　　　。 2．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)原子核的符号：X，其中A表示　　　　　　，Z表示核的电荷数(即原子序数)。 (3)基本关系 ①电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝原子的　　　　　　　。 ②质量数(A)＝　　　　　＝质子数＋中子数。 3．原子核的衰变、半衰期 (1)原子核的衰变 ①概念：原子核自发地放出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：X―→Y＋　　　； β衰变：X―→Y＋　　　。 注意：γ射线是伴随原子核发生α衰变或β衰变而产生的。 ③规律：a.质量数守恒；b.电荷数守恒。 (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：放射性元素的半衰期是由核　　　　自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件　。 (3)公式：N余＝N原·，m余＝m原·。 4．放射性同位素 (1)放射性同位素：有　　　　放射性同位素和　　　　放射性同位素两类，一种元素的各种放射性同位素的化学性质相同。 (2)应用：射线测厚仪、放射治疗、培优保鲜、　　　　　　等。 (3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。 5．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)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们　　　　需要的能量，叫作原子核的结合能，也叫核能。 (3)比结合能：原子核的结合能与　　　　　之比，叫作比结合能，也叫平均结合能。　　　　　　越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 (4)质能关系 ①爱因斯坦质能方程：E＝mc2。 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＝Δmc2。 6．裂变反应和聚变反应 (1)重核裂变 ①定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。 ②典型的裂变反应方程： U＋n―→Ba＋Kr＋3n。 ③链式反应：重核裂变产生的　　　　使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。 ④临界体积和临界质量：核裂变物质能够发生　　　　　的最小体积及其相应的质量。 ⑤裂变的应用：　　　　　、核反应堆。 ⑥反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。 (2)轻核聚变 ①定义：两个轻核结合成　　　　　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　　　　　　。 ②典型的核聚变反应方程：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV。微点判断　 1．人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。(　 ) 2．按照玻尔理论，核外电子均匀分布在各个不连续的轨道上。(　 ) 3．β衰变中的电子来源于原子核外电子。(　 ) 4．质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。(　 ) 5．原子核的结合能越大，原子核越稳定。(　 ) 经典回练　 1．(人教选择性必修3P91T4·改编)如图所示为氢原子能级图，如果有大量处在n＝3能级的氢原子向低能级跃迁，则能辐射出几种频率不同的光及发出波长最短的光的能级跃迁是(　 ) A．3种，从n＝3能级跃迁到n＝2能级 B．3种，从n＝3能级跃迁到n＝1能级 C．2种，从n＝3能级跃迁到n＝2能级 D．2种，从n＝3能级跃迁到n＝1能级 2．(人教选择性必修3P125T7·改编)太阳产生的能量主要来自三种核反应，这些反应的最终结果是氢转变成氦，其中一种核反应的方程为H＋H―→He＋n，太阳每秒钟因为核反应失去的质量大约为400万吨。已知光速c＝3×108 m/s，则(　 ) A．太阳的总输出功率大约为3.6×1026 W B.He的比结合能小于H的比结合能 C.He的核子平均质量大于H的核子平均质量 D.H和H聚变成He的过程中只有核力做功 逐点清(一)　原子的核式结构 |题|点|全|练|　 1．[α粒子散射实验现象] (2025·海安高三检测)如图所示，α粒子散射实验中，移动显微镜M分别在a、b、c、d四个位置观察，则(　 ) A．在a处观察到的是金原子核 B．在b处观察到的是电子 C．在c处能观察到α粒子 D．在d处不能观察到任何粒子 2．[α粒子散射实验分析] 1909年，物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔，研究α粒子被散射的情况，实验用高速的α射线轰击厚度为微米级的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直线穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度较大的偏转，极少数α粒子偏转角大于90°，甚至观察到有些α粒子偏转角接近180°，其散射情境如图所示。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　 ) A．实验的目的是想证明原子具有核式结构模型 B．实验中α粒子穿过金箔发生偏转的原因是受到电子对它的库仑力作用 C．极少数α粒子发生大角度偏转，是原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等造成的 D．由实验数据可以估算出金原子核的直径数量级 |精|要|点|拨|　 分析原子的核式结构模型所用的规律 (1)库仑定律：F＝k，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。 (2)牛顿运动定律和圆周运动规律：可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。 (3)功能关系及能量守恒定律：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能之间的转化问题。 逐点清(二)　原子能级与能级跃迁 细作1　原子的能级跃迁问题　 1．(人教选择性必修3P99T3)已知钠原子在A、B、C、D、E几个能级间跃迁时辐射的光的波长分别为：589 nm，330 nm，285 nm，514 nm。试作出钠原子在这几个能量范围的能级图。作图时注意，表示能级的横线间的距离和相应能级差成正比，并在线旁以电子伏特为单位标出这个能级的值(设最高能级为0)。 2．(2024·江苏高考)在某原子跃迁中，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 |考|教|衔|接|　 以上两题均考查了玻尔理论的跃迁假设规律，需应用hν＝Em－En求解。体现了对基础性知识的考查，由此说明，在高三一轮复习中应重视教材、回归教材，夯实基础才能灵活应用。 　 1．定态间的跃迁——满足能级差 (1)―→ (2)―→ 2．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。 细作2　谱线条数的确定　 3．(2024·安徽高考)大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。如图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于3.11 eV，当大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有(　 ) A．1种 B．2种 C．3种 D．4种 　谱线条数的确定方法 (1)一个处于n能级的氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为(n－1)。 (2)一群处于n能级的氢原子跃迁可能发出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＝。 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。 细作3　受激跃迁与电离　 4．“北斗三号”采用星载氢原子钟，该钟数百万年到一千万年才有1 s 误差。氢原子的部分能级结构如图所示，则下列说法正确的是(　 ) A．用动能为14 eV的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使其跃迁到激发态 B．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大 C．某个处于基态的氢原子可以吸收12.09 eV的光子，发出3种不同频率的光 D．处于基态的氢原子只能吸收13.6 eV的能量实现电离 1．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。 2．电离：由基态或低能级→电离态 (1)基态→电离态：E吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV电离能。 (2)n＝2能级→电离态：E吸＝0－E2＝3.4 eV。 (3)如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。 细作4　能级跃迁与光电效应的综合　 5．已知金属锌的逸出功为3.34 eV，氢原子能级分布如图所示，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级可产生a光，从n＝2能级跃迁到n＝1能级可产生b光。a光和b光的波长分别为λa和λb。现用a、b光分别照射到金属锌表面均可产生光电效应，遏止电压分别为Ua和Ub。下列说法中正确的是(　 ) A．λa<λb B．Ua<Ub C．a光的光子能量为3.4 eV D．b光照射到金属锌表面产生的光电子的最大初动能为8.75 eV 一点一过　能级跃迁与光电效应综合问题解题思路 1．确定自发跃迁中释放的能量 由高能级跃迁到低能级，释放能量，发出光子，光子的能量和频率满足hν＝ΔE＝E高－E低。 2．比较释放光子的能量与金属逸出功的大小 (1)若能级跃迁释放的光子的能量小于金属的逸出功，则不能发生光电效应。 (2)若能级跃迁释放的光子的能量大于金属的逸出功，则可以发生光电效应。并进一步确定光电效应中光电子的最大初动能及遏止电压的大小。 逐点清(三)　原子核的衰变与半衰期 细作1　三种射线的性质和特点　 1．(2023·广东高考)理论认为，大质量恒星塌缩成黑洞的过程，受核反应C＋Y―→O的影响。下列说法正确的是(　 ) A．Y是β粒子，β射线穿透能力比γ射线强 B．Y是β粒子，β射线电离能力比γ射线强 C．Y是α粒子，α射线穿透能力比γ射线强 D．Y是α粒子，α射线电离能力比γ射线强 　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 He ＋2e 4 u 最强 最弱 β射线 电子 e －e u 较强 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强 细作2　α、β衰变及衰变次数的确定　 2．(人教选择性必修3P114T2)U(铀核)衰变为Rn(氡核)要经过几次α衰变，几次β衰变？ 3．(鲁科选择性必修3P119T4)放射性同位素Th经α、β衰变会生成Rn，其衰变方程为Th―→Rn＋xα＋yβ，求x和y的值。 4．(2023·重庆高考)原子核U可以经过多次α和β衰变成为稳定的原子核Pb，在该过程中，可能发生的β衰变是(　 ) A.Fr―→Ra＋e B.Bi―→Po＋e C.Ra―→Ac＋e D.Po―→At＋e |考|教|衔|接|　 以上三题均考查了原子核衰变规律，人教版练习题问法比较直接，鲁科版练习题问法相对间接，2023年重庆高考题问法比较隐晦，需要判断发生α衰变和β衰变的次数，根据中间生成的新核的质量数判断可能发生的β衰变。本书这样的编排设计，旨在体现梯度进阶式学习，让学生理清弄明，解一组题通一类题，力避让学生盲目、重复刷题。同时高考题也体现了实事求是的科学态度，衰变的反应物和生成物不能凭空捏造，要遵循客观事实。 　 　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X―→Y＋nHe＋me 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。 细作3　半衰期的理解与计算　 5．(2025·扬州高三检测)镅射线源是火灾自动报警器的主要部件，镅Am的半衰期为432年，衰变方程为Am―→Np＋X。则(　 ) A．发生的是α衰变 B．温度升高，镅Am的半衰期变小 C．衰变产生的射线能穿透几毫米厚的铝板 D．100个镅Am经432年将有50个发生衰变 6．(2025·绍兴模拟)钠的放射性同位素Na经过一次衰变后产生稳定的镁(Mg)。已知Na的半衰期为15 h，将一个放射强度为每秒3.2×104次的Na溶液样本注射到某病人血液中，45 h后从该病人体内抽取6 mL的血液，测得其放射强度为每秒5次。下列说法正确的是(　 ) A．该衰变过程为α衰变 B.Na进入到血液后半衰期变长 C．45 h后样本放射强度变为原来的 D．该病人体内血液的总体积约为4.8 L 　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。 细作4　原子核衰变与动量守恒的综合问题 7．地球大气层中的氧受宇宙射线轰击散裂后产生的Be衰变时放出β射线。若铍核Be在垂直纸面向里的匀强磁场中做匀速圆周运动(运动轨迹未画出)，到P点时发生衰变，衰变后产生的粒子在磁场中的运动轨迹如图所示，图中r＝4a。下列关于Be衰变前在磁场中的运动轨迹描述正确的是(　 ) A．顺时针转动，轨道半径为10a B．顺时针转动，轨道半径为7a C．逆时针转动，轨道半径为11a D．逆时针转动，轨道半径为10a 　原子核在磁场中衰变后运动分析 静止原子核在匀强磁场中自发衰变，如果产生的新核和放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直，则它们的运动轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律有m1v1＝m2v2，又r＝，则半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表： α衰变 X―→Y＋He 匀强磁场中轨迹：两圆外切， α粒子半径大 β衰变 X―→Y＋e 匀强磁场中轨迹： 两圆内切，β粒子半径大 逐点清(四)　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 U―→ Th＋He β衰变 自发 Th―→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He―→O＋H (卢瑟福发现质子) He＋Be―→6C＋n (查德威克发现中子) Al＋He ―→P＋n 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 P―→Si＋e 重核裂变 比较容易进行人工控制 U＋n―→Ba＋Kr＋3n U＋n―→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 很难控制 H＋H―→He＋n 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。 [考法全训] 考法1　核反应生成物的分析 1．(2024·江苏高考)用粒子X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＋N―→H＋C，粒子X为(　 ) A．正电子e　 B．中子n　 C．氘核H　 D．氦核He 考法2　核反应类型分析 2．(2025·南通高三检测)关于核衰变和核反应的类型的表述正确的是(　 ) A.H＋H―→He＋n，是α衰变 B.C―→N＋e，是β衰变 C.U―→Th＋He，是重核裂变 D.N＋n―→C＋H，是轻核聚变 考法3　放射性同位素及其衰变 3．正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理：将放射性同位素O注入人体，O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子，γ光子被探测器探测后经计算机处理产生清晰图像，下列说法正确的是(　 ) A.O在人体内衰变的方程是O―→N＋n B．正负电子湮灭的方程是e＋e―→2γ C．正负电子相遇而湮灭违背了能量守恒定律 D．在PET中，O的主要用途是参与人体的代谢过程 逐点清(五)　质量亏损与核能 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。 [考法全训] 考法1　质能方程的应用 1．(2025·南通高三调研)核废水中的Po发生衰变时的核反应方程为Po―→Pb＋X，该反应过程中释放的核能为Q。设Po的结合能为E1，Pb的结合能为E2，X的结合能为E3，则下列说法正确的是(　 ) A．衰变过程中放出的光子是由Po从高能级向低能级跃迁产生的 B.Pb的平均核子质量大于Po的平均核子质量 C．该核反应过程中的质量亏损可以表示为Δm＝ D．该核反应过程中释放的核能Q＝E1－ 考法2　质能方程与动量守恒定律的综合应用 2．在火星上太阳能电池板发电能力有限，因此科学家们用放射性材料——PuO2作为发电能源为火星车供电(PuO2中的Pu是Pu)。已知Pu衰变后变为U和α粒子。若静止的Pu原子核在匀强磁场中发生衰变，α粒子的动能为E，α粒子的速度方向与匀强磁场的方向垂直，在磁场中做匀速圆周运动的周期为T0，衰变放出的光子的动量可忽略，衰变释放的核能全部转化为U和α粒子的动能。已知光在真空中的传播速度为c。求： (1)Pu衰变过程中的质量亏损Δm； (2)从开始衰变到U和α粒子再次相遇的最短时间t。 考法3　根据比结合能曲线分析核能 3．(2025·无锡高三检测)如图所示为原子核的比结合能曲线，下列说法正确的是(　 ) A．两个H核结合成He时要释放能量 B．两个H核结合成He时存在能量与质量的相互转化 C．我国核电站发电就是利用轻核聚变释放能量 D.U中核子的平均质量比Ba中核子的平均质量小 课下请完成课时跟踪检测(七十二) 15 / 15 学科网（北京）股份有限公司 $$