第36讲　原子结构　原子核 课件 -2027届高考物理一轮复习

该高中物理高考复习课件聚焦“原子结构 原子核”专题，覆盖原子的核式结构、氢原子光谱与能级跃迁、原子核衰变及射线、核反应类型与核能计算等高考核心考点，依据高考评价体系梳理α粒子散射实验、玻尔理论假设、衰变规律等必备知识，结合近五年真题分析各考点权重，归纳“能级跃迁能量计算”“衰变次数守恒”“核能质量亏损应用”等常考题型，体现备考针对性。 课件亮点在于“真题精析+科学思维培养”，如以2025浙江选考氢原子能级跃迁题为例，通过能量守恒推导光子频率与能级差关系，培养科学推理素养，针对核能计算总结ΔE=Δmc²与ΔE=Δm×931.5 MeV/u双解法，帮助学生掌握得分技巧，教师可据此系统规划复习，助力学生高效冲刺高考。

第36讲　原子结构　原子核 考点一　原子的核式结构 原子结构 (1)电子的发现:英国物理学家汤姆孙发现了电子。 (2)原子的核式结构 ①α粒子散射实验:英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了α粒子散射实验,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。 ②原子的核式结构模型:原子中带正电部分的体积很小,但几乎占有全部质量,电子在正电体的外面运动。 必备知识•全方位凝练 [练一练] 判断下列说法对错 (1)人们认识原子具有复杂结构是从物理学家卢瑟福研究阴极射线发现电子开始的。(　　) (2)原子中绝大部分是空的,原子核很小。(　　) × √ 关键能力•多维度提升 典例　α粒子散射实验的示意图如图所示,放射源发出α射线打到金箔上,带有荧光屏的放大镜转到不同位置进行观察,图中①②③为其中的三个位置,下列对实验结果的叙述或依据实验结果做出的推理正确的是(　　) A.在位置②接收到的α粒子最多 B.在位置①接收到α粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内 C.位置②接收到的α粒子一定比位置①接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更大 D.若正电荷均匀分布在原子内,则①②③三个位置接收到α粒子的比例应相差不多 B 解析 原子的内部是很空阔的,原子核非常小,所以绝大多数α粒子的运动轨迹没有发生偏转,则在位置③接收到的α粒子最多,A错误;在位置①接收到α粒子说明正电荷不可能均匀分布在原子内,B正确;位置②接收到的α粒子一定比位置①接收到的α粒子所受金原子核斥力的冲量更小,因为在位置①α粒子有反向速度的分速度,动量的变化量更大,所以冲量更大,C错误;若正电荷均匀分布在原子内,则α粒子与原子正面撞击,粒子最后反弹,①②③三个位置接收到α粒子的比例应相差较多,D错误。 要点解读 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。 考点二　氢原子光谱　玻尔理论与能级跃迁 必备知识•全方位凝练 一、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:巴耳末系是氢原子在可见光区的谱线,其波长λ满足=R∞(n=3,4,5,…),式中R∞是里德伯常量,实验测得的值为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。 二、玻尔理论的三条假设 1.定态假设:原子的能量只能取一系列特定的值,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.跃迁假设:原子从一种定态跃迁到另一种定态时,会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=En-Em。(h是普朗克常量,h=6.63×10-34 J·s) 3.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。原子的定态是不连续的,因此电子的可能轨道也是不连续的。 三、氢原子的能级、能级公式 1.氢原子的能级 氢原子能级图如图所示 2.氢原子的能级和轨道半径 (1)氢原子的能级公式:En=E1(n=1,2,3,…),其中基态能量E1最低,其数值为E1=-13.6 eV。 (2)氢原子的半径公式: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。 四、氢原子的能级和轨道半径的理解 1.两类能级跃迁 ①光照(吸收光子):光子的能量必须恰好等于能级差hν=En-Em。 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≥En-Em。 ③大于电离能的光子被吸收,将原子电离。 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。 氢原子: ①基态→电离态:E吸=0-(-13.6 eV)=13.6 eV,即为基态的电离能。 ②n=2→电离态:E吸=0-E2=3.4 eV,即为n=2激发态的电离能。 如吸收能量足够大,克服电离能后,电离出的自由电子还具有动能。 关键能力•多维度提升 典例　(2025浙江6月选考)玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示,处于n=3能级的原子向低能级跃迁,会产生三种频率为ν31、ν32、ν21的光,下标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为h,光速为c。下列说法正确的是(　　) A.频率为ν31的光,其动量为 B.频率为ν31和ν21的两种光分别射入同一光电效应装置,均产生光电子,其最大初动能之差为hν32 C.频率为ν31和ν21的两种光分别射入双缝间距为d,双缝到屏的距离为L的干涉装置,产生的干涉条纹间距之差为 D.若原子从n=3能级跃迁至n=4能级,入射光的频率ν34'> 答案 B　 解析 根据玻尔理论可知hν31=E3-E1,则频率为ν31的光其动量为p=,故A错误;频率为ν31和ν21的两种光分别射入同一光电效应装置,均产生光电子,其最大初动能分别为Ekm1=hν31-W逸出功,Ekm2=hν21-W逸出功,最大初动能之差为ΔEkm=hν31-hν21=hν32,故B正确;频率为ν31和ν21的两种光分别射入双缝间距为d,双缝到屏的距离为L的干涉装置,根据条纹间距表达式Δx=λ=,产生的干涉条纹间距之差为Δs=,故C错误;若原子从n=3能级跃迁至n=4能级,则E4-E3=hν34',可得入射光的频率ν34'=,故D错误。 变式练 (2026浙江1月选考)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,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光的中央亮条纹宽度宽 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.相同强度的光分别照射同一光电效应装置,Hγ光的饱和光电流小 C 解析 由题图可知Hδ光的波长最短,根据单缝衍射的结论,中央亮条纹最窄,A错误;由λ=可知,Hδ光的波长最短,故Hδ光的频率最大,其在玻璃砖中的折射率最大,所以其侧移量最大,B错误;以相同功率发射细光束,t时间后单位长度的光的能量相同,故频率越大,单位长度的平均光子数越少,所以真空中单位长度上Hγ光的平均光子数多,C正确;强度相同的光照射同一光电效应装置,由于频率不同,光子个数不同,则频率高的光释放的单个光电子的最大初动能要大,但光电子个数少,无法确定饱和光电流大小,D错误。 归纳总结 确定氢原子辐射光谱线数量的方法 (1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为n-1,例如一个氢原子由第4能级向低能级跃迁,发出的光谱线条数最多的是逐级跃迁,为3条。 (2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数为N=。 考点三　原子核的衰变及射线 必备知识•全方位凝练 1.天然放射现象 放射性元素自发地放出射线的现象,首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核内部是有结构的。 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.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。 (2)分类 (3)半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟原子所处的化学状态和外部条件无关。 4.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。 5.衰变次数的计算方法 确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,设放射性元素X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 X Y+He+e。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A=A'+4n,Z=Z'+2n-m,由以上两式联立解得n=,m=+Z'-Z。 6.静止的原子核发生衰变后的轨迹 利用动量守恒定律及左手定则可以判断衰变后粒子在匀强磁场中的轨迹形状 关键能力•多维度提升 典例　(2026浙江绍兴鲁迅中学高三月考)宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子,中子与大气中的氮14会产生以下核反应: Nn CH,产生的C能自发进行β衰变,其半衰期为5 730年,利用碳14的衰变规律可推断古木的年代。下列说法正确的是(　　) AC发生β衰变的产物是 N B.β衰变辐射出的电子来自碳原子的核外电子 C.近年来由于地球的温室效应,引起C的半衰期发生微小变化 D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,则该古木距今约为11 460年 A 解析 根据C Ne,即C发生β衰变的产物是 N,故A正确;β衰变辐射出的电子来自原子核内的中子转化为质子时放出的电子,故B错误;半衰期与外界环境无关,故C错误;若测得一古木样品的C含量为活体植物的,可知经过了1个半衰期,则该古木距今约为5 730年,故D错误。 考点四　核反应类型及核能计算 必备知识•全方位凝练 1.核反应的四种类型 备注: (1)链式反应:重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。 (2)临界体积和临界质量:核裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。 (3)轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫热核反应。 2.核能的计算方法 (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/u计算时,Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。 (3)根据核子比结合能来计算核能:原子核的结合能=核子比结合能×核子数。 关键能力•多维度提升 典例　(2026浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u,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NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u相当于931.5 MeV。关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是(　　) 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氘完全参与核聚变释放出能量的数量级为1025 MeV D 解析 在核反应中,质量数和电荷数都守恒,则氘和氚聚变成氦的核反应方程为H Hen,A错误;发生轻核聚变的条件是原子核之间距离小于10-15 m,C错误;比结合能越大,原子核越稳定,所以氘核的比结合能比氦核的小,B错误;根据核反应方程可知,每次核聚变反应质量亏损为0.018 9 u,4 g氘完全参与反应,质量亏损产生的核能为ΔE=×6×1023×0.018 9×931.5 MeV≈2.11×1025 MeV,D正确。 变式练 (2026浙江1月选考)已知氘核质量为2.014 1 u,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NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g·mol-1,1 u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H Hen 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 D 解析 核反应方程为H+ Hen,故A错误;氘核的比结合能比氦核的小,故B错误;氘核与氚核发生核聚变,要使它们间的距离达到10-15 m以内,故C错误;一个氘核与一个氚核聚变反应质量亏损Δm=(2.014 1+3.016 1-4.002 6-1.008 7) u=0.018 9 u,聚变反应释放的能量是ΔE=17.6 MeV,4 g氘完全参与聚变释放出能量E=×6×1023×ΔE≈2.11×1025 MeV,数量级为1025 MeV,故D正确。 解题技巧 对质能方程的理解 (1)方程的含义:一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。 (2)理解:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减小,质量也减小。 [真题信息拓展] (多选)(2025福建卷)核反应可放出巨大的能量,核反应方程为 H+ Hen+17.6 MeV,真空中两个动量大小相等、方向相反的氘核与氚核相撞,发生核反应。设反应释放的能量几乎全部转变为He与n的动能,原粒子动能忽略不计,则(　　) A.该反应有质量亏损 B.该反应为核裂变 Cn最终的动能约为14 MeV DHe最终的动能约为14 MeV AC 解析 此题考查核反应方程,动量守恒定律。 核反应中有能量释放,所以存在质量亏损,A正确;该核反应为核聚变,B错误;由于氘核和氚核相撞之前,两个粒子动量等大反向,则由氘核和氚核组成的系统总动量为零,反应后氦核和中子动量也应等大反向,由p2=2mEk可知EkHe∶Ekn=mn∶mHe=1∶4,由题意可知EkHe+Ekn=17.6 MeV,则Ekn=×17.6 MeV=14.08 MeV,EkHe=×17.6 MeV=3.52 MeV,C正确,D错误。 (1)自发跃迁:高能级(n)低能级(m)放出能量。发射光子:hν=En-Em。 (2)受激跃迁:低能级(m)高能级(n)吸收能量。 α衰变XYHe,如 ThHe β衰变XYe,如 Pae 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 XYHe XYe 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 H+nHe nHe 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 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 UThHe β衰变 自发 ThPae 人工转变 人工控制 NHeOH(卢瑟福发现质子) HeBeCn(查德威克发现中子) AlHen 约里奥-居里夫妇发现放射性同位素 PSie 类型 可控性 核反应方程典例 重核裂变 比较容易进行人工控制 nBaKr+n nXeSr+1n 轻核聚变 很难控制 HHen A.核反应方程为HHen $