第16章 第2讲 原子结构和原子核（教师用书Word）-【正禾一本通】2026年新高考物理高三一轮总复习高效讲义

该高中物理讲义聚焦原子结构和原子核高考专题，涵盖原子的核式结构、氢原子光谱、玻尔理论、能级跃迁、原子核衰变、半衰期、核反应类型及核能计算等核心考点，按“结构-光谱-理论-衰变-反应”逻辑层次系统梳理。通过考点梳理、辨析明理、角度例题精讲、规律方法总结及2024年高考真题训练，帮助学生突破重点难点，体现复习的系统性和针对性。 讲义突出科学思维与物理观念培养，如通过玻尔能级模型建构深化物质观念，结合衰变次数计算训练科学推理能力。设置“辨析明理”纠正认知误区，“角度分析”分题型突破（如氢原子光谱应用、核能计算），配合分层练习与即时反馈，确保高效复习。助力学生构建知识网络，提升应考能力，为教师把控复习节奏提供清晰指引。

第2讲　原子结构和原子核 【备考目标】　1.掌握原子的核式结构及玻尔的原子理论，理解氢原子能级图及原子受激跃迁条件。 2.理解原子核的衰变，掌握半衰期的概念，并会进行有关计算。 3.掌握四种核反应类型，会书写核反应方程，能计算核反应过程的核能。 考点一　原子结构和氢原子光谱 1．原子结构 (1)电子的发现：物理学家J.J.汤姆孙发现了电子。 (2)α粒子散射实验：1909年，物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子偏转的角度甚至大于90°，也就是说，它们几乎被“撞了回来”。 (3)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。 2．氢原子光谱 (1)光谱：用棱镜或光栅可以把物质发出的光按波长(频率)展开，获得波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。 (2)光谱分类 (3)光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。 (4)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 ＝R∞ ( -) - (n＝3，4，5，…)，式中R∞叫作里德伯常量，R∞＝1.10×107 m－1。 [辨析明理] 判断下列说法的正误 (1)在α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度偏转是由于它跟金原子中的电子发生了碰撞。(×) (2)原子中绝大部分是空的，原子核很小。(√) (3)原子的核式结构模型是卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出的。(√) (4)发射光谱可能是连续谱，也可能是线状谱。(√) 角度(一) 对原子结构模型的理解 【例1】 1909年，物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箱，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的金箔，发现绝大多数的α粒子都径直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度较大的偏转，极少数的α粒子偏转角大于90°，其散射情景如图所示。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粒子穿过金原子核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 解析：选D。实验的目的是想验证汤姆孙的“枣糕”模型，但是成了否定它的证据，并提出原子核式结构模型，故A错误；实验中α粒子穿过金原子核发生偏转的原因是受到原子核(带正电)对它的库仑力作用，故B错误；极少数α粒子发生大角度偏转现象，是由于α粒子和原子核发生碰撞的结果，金原子核很小且质量和电荷量远大于α粒子的质量和电荷量，α粒子接近原子核的机会很小，故C错误；根据α粒子散射实验可以估算金原子核的直径数量级，故D正确。 角度(二) 氢原子光谱的理解及应用 【例2】 (2024·浙江高考)氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示，此四条谱线满足巴耳末公式 ＝R∞·( -)，n＝3，4，5，6。用Hδ和Hγ光进行如下实验研究，则(　　) A．照射同一单缝衍射装置，Hδ光的中央明条纹宽度宽 B．以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖，Hδ光的侧移量小 C．以相同功率发射的细光束，真空中单位长度上Hγ光的平均光子数多 D．相同光强的光分别照射同一光电效应装置，Hγ光的饱和光电流小 解析：选C。根据巴耳末公式可知，Hδ的波长小于Hγ的，又波长越长，发生单缝衍射时的中央明条纹越宽，所以照射同一单缝衍射装置，Hγ光的中央明条纹宽度宽，A错误；波长越长，频率越小，折射率越小，以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖时光线的侧移量越小，所以Hγ光的侧移量小，B错误；由ε＝h 可知，波长越长，对应的光子能量越小，则以相同功率发射细光束时，真空中单位长度上的平均光子数越多，所以Hγ光的平均光子数多，C正确；若Hδ、Hγ光均能让光电效应装置发生光电效应，则在相同的光强下，光子能量越小的，光子数目越多，对应的饱和光电流越大，所以Hδ光的饱和光电流小，D错误。 考点二　玻尔理论　能级跃迁 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．玻尔原子理论的基本假设 (1)轨道量子化与定态 ①轨道量子化：电子运行轨道的半径不是任意的，而是量子化的，电子在这些轨道上绕核的运动是稳定的，不产生电磁辐射。 半径公式：rn＝ (n＝1，2，3，…)，其中r1为基态轨道半径，r1＝0.53×10－10 m。 ②定态：电子在不同轨道上运动时，具有不同的能量，原子的能量也只能取一系列特定的值，这些量子化的能量值叫能级，具有确定能量的稳定状态，称为定态。 能级公式：En＝ (n＝1，2，3，…)，其中E1为基态能量，对于氢原子来说，E1＝－13.6eV。 (2)跃迁——频率条件 ①跃迁：原子由一个能量态变为另一个能量态的过程称为跃迁。 ②频率条件 自发跃迁：高能级→低能级，释放能量。释放光子的频率满足hν＝ 。 受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν＝。 [注意]若实物粒子与原子碰撞，使原子受激跃迁，实物粒子能量大于能级的能量差。 2．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。 (3)若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能。 [辨析明理] 判断下列说法的正误 (1)玻尔理论能解释所有元素的原子光谱。(×) (2)氢原子吸收或辐射光子的频率条件是hν＝En－Em(m<n)。(√) (3)处于基态的氢原子可以吸收能量为11 eV的光子而跃迁到高能级。(×) (4)一个氢原子处于n＝5的激发态向基态跃迁时，可能辐射出10种不同频率的光子。(×) 角度(一) 对玻尔理论的理解 【例3】 (多选)(2024·重庆高考)我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳Hα波段光谱扫描成像。Hα和Hβ分别为氢原子由n＝3和n＝4能级向n＝2能级跃迁产生的谱线(如图)，则(　　) A．Hα的波长比Hβ的小 B．Hα的频率比Hβ的小 C．Hβ对应的光子能量为3.4 eV D．Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态 解析：选BD。氢原子n＝3与n＝2的能级差小于n＝4与n＝2的能级差，则Hα与Hβ相比，Hα的波长大、频率小，故A错误，B正确；Hβ对应的光子能量为E＝(－0.85) eV－(－3.40) eV＝2.55 eV，故C错误；氢原子从基态跃迁到激发态至少需要能量E＝(－3.40) eV－(－13.60) eV＝10.2 eV，Hβ对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态，故D正确。 [思维延伸]比较Hα和Hβ对应的两种光子的动量大小。 提示：由图可知，Hα对应的光子的频率低，波长长，由公式p＝ 可知，Hα的光子动量小于Hβ的光子动量。 角度(二) 能级跃迁和光子种类数的确定 核心突破 判定氢原子辐射光谱线数量的方法 (1)一群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== 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。 (2)一个处于第n能级的氢原子跃迁可能发出的光谱线条数最多为n一1。 【例4】(2024·河南郑州模拟)如图为氢原子能级图，若一个氢原子由某个能级跃迁到n=3的能级,辐射出一个波长为1.28×10－6 m的光子,已知普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s,真空中的光速c＝3.0×108 m/s,下列说法中正确的是(　　 ) A. 该氢原子跃迁到n＝3能级后不稳定，向基态跃迁时最多可辐射3种不同频率的光子 B．该氢原子跃迁到n＝3能级后只有吸收能量为1.51 eV的光子才能电离 C．该氢原子由n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射出的光子是巴耳末系中能量最高的光子 D．该氢原子初始能级为n＝5 解析：选D。该氢原子向基态跃迁时最多可辐射2种不同频率的光子，A错误；该氢原子至少吸收能量为1.51 eV的光子就能电离，B错误；由题图可知，该氢原子由n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射出的光子是巴耳末系中能量最低的光子，C错误；由题图知E3＝－1.51 eV，初始能级E′＝E3＋hν＝E3＋，代入数据得E′≈－0.54 eV，由图得n＝5，D正确。 考点三　原子核的衰变　半衰期　　　　　　　　　　　 1．天然放射现象 放射性元素自发地发出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。 原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。 2．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。 3．三种射线的比较 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离能力 贯穿本领 α射线 氦核 ＋2e 4 u 最强 最弱 β射线 电子 －e u 较弱 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强 4．原子核的衰变 (1)衰变：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)α衰变、β衰变 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变 方程 + + 衰变 实质 ＋ ＋ 匀强磁 场中轨 迹形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 (3)γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变和β衰变产生的。 5．半衰期 (1)公式：N余＝N原，m余＝m原，式中t为衰变时间，T为半衰期。 (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，跟原子所处的外部条件(如温度、压强)和化学状态(如单质、化合物)无关(选填“有关”或“无关”)。 6．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：放射治疗、培优、保鲜、做示踪原子等。 (3)防护：防止放射性物质对人体组织的伤害。 [辨析明理] 判断下列说法的正误 (1)三种射线按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线。(√) (2)发生β衰变时，新核的电荷数不变。(×) (3)β衰变中的电子来源于原子核外电子。(×) (4)如果现在有100个某放射性元素的原子核，那么经过一个半衰期后还剩50个。(×) 【例5】 (2024·山东高考)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。已知衰变为的半衰期约为29年；衰变为的半衰期约为87年。现用相同数目的和各做一块核电池，下列说法正确的是(　　) A.Sr衰变为时产生α粒子 B．Pu衰变为时产生β粒子 C．50年后，剩余的r数目大于u的数目 D．87年后，剩余的r数目小于u的数目 解析：选D。由质量数守恒和电荷数守恒可知Y＋，为β衰变U＋，为α衰变，A、B错误；因为，所以经过相同的时间，剩余的粒子数量<，C错误，D正确。 【例6】 自然界存在的放射性元素的原子核并非只发生一次衰变就达到稳定状态，而是要发生一系列连续的衰变，最终达到稳定状态。某些原子核的衰变情况如图所示(N表示中子数，Z表示质子数)，则下列说法正确的是(　　 ) A．由到的衰变是α衰变 B．已知的半衰期是T，则8个原子核经过2T时间后还剩2个 C．从到共发生5次α衰变和2次β衰变 D．图中发生的α衰变和β衰变分别只能产生α和β射线 解析：选C。由到，放出电子，此衰变是β衰变，A错误；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数的原子核不适用，B错误；变为，根据电荷数和质量数守恒可知，共发生5次α衰变和2次β衰变，故C正确；发生α衰变和β衰变时，除分别会产生α和β射线外，还会产生γ射线，故D错误。 [规律方法] 确定衰变次数的方法 (1)设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为Y＋He＋e。 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 (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。 考点四　核反应　核能的计算　　　　　　　　　　　　　 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 + β衰变 Pa+ 人工转变 人工控制 +O＋ (卢瑟福发现质子) + ＋ (查德威克发现中子) +P+ ＋ (居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子) 重核裂变 比较容易进行人工控制 ++＋ +Xe+＋ 轻核聚变 很难控制 +He＋ 2．核力和核能 (1)核力：原子核内部核子间所特有的相互作用力。核力是强相互作用，为短程力，作用范围只有约10-15 m，与电性无关。 (2)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要的能量，叫作原子核的结合能，也叫核能。 (3)比结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 3．质量亏损 凡是释放核能的核反应，反应后各原子核(新生核)及微观粒子的质量(即静止质量)之和变小，两者的差值就叫质量亏损。 4．质能方程 (1)爱因斯坦得出物体的能量与它的质量的关系：E＝mc2。 (2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应减少的能量ΔE＝Δmc2。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。 [辨析明理] 判断下列说法的正误 (1)核力就是库仑力。(×) (2)核反应中，出现质量亏损，一定有核能产生。(√) (3)原子核的结合能越大，原子核越稳定。(×) (4)原子核越大，它的结合能越大，比结合能可能越小。(√) 角度(一) 核反应方程 【例7】 (2024·广东高考)我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应Y＋X＋n产生该元素。关于原子核Y和质量数A，下列选项正确的是(　　 ) A．Y为，A＝299 B．Y为，A＝301 C．Y为，A＝295 D．Y为，A＝297 解析：选C。根据电荷数守恒，设Y的电荷数为y，则有y＋95＝119＋0，可得y＝24，即Y为；根据质量数守恒，则有54＋243＝A＋2，可得A＝295，故C正确。 [规律方法] 核反应方程的书写 (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(、中子)、α粒子(、β粒子、正电子、氘核、氚等。 (2)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒。 (3)由于核反应不可逆，所以书写核反应方程时只能用“―→”表示反应方向。 角度(二) 核能的计算 核心突破 核能的计算方法 (1)根据爱因斯坦质能方程E=mc² 计算核能。 ①E= mc² 中,若 m 的单位为“kg”,c的单位为“m/s”,则E 的单位为“J”。 ②E= mc² 中,若 m 的单位为“u”,则可直接利用 E=m931.5 MeV/u 计算,此时E的单位为“MeV”,即1 u=1.660 5kg,相当于931.5 MeV,这个结论可在计算中直接应用。 (2)利用比结合能计算核能 原子核的结合能=核子的比结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。 【例8】(2024·浙江高考)已知氘核质量为2.0141u，氚核质量为 3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为 1.008 7 u,阿伏加德罗常数取6.0,氘核摩尔质量为2 g·,1u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是(　　) A．核反应方程为＋He＋ B．氘核的比结合能比氦核的大 C．氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变 D．4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV 解析：选D。根据核反应过程遵循质量数守恒和电荷数守恒可知，该核反应方程为＋He＋，A错误；比结合能越大，原子核越稳定，又聚变反应的生成物比反应物更稳定，故氦核的比结合能大于氘核的，B错误；氘核与氚核要想发生核聚变反应，应使它们之间的距离达到10-15 m以内，C错误；一个氘核和一个氚核发生核聚变反应亏损的质量m＝(2.0141＋3.0161－4.0026－1.0087)u＝0.018 9u，则一个氘核参与聚变释放的能量ΔE＝0.0189×931.5 MeV≈17.6 MeV，4 g氘完全参与聚变释放出的能量E＝D正确。 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