2027届高考物理一轮复习课件 第2讲 原子结构 原子核

该高中物理高考复习课件聚焦“原子结构 原子核”专题，覆盖原子结构与氢原子光谱、玻尔理论能级跃迁、原子核衰变及半衰期、核反应及核能计算四大高考核心考点，依据高考评价体系分析各考点权重，归纳α粒子散射实验分析、能级跃迁光谱线判断、衰变规律应用、核能计算等常考题型。 课件亮点在于“真题引领+方法归纳+素养提升”，精选2024浙江选考、2025甘肃卷等高考真题，如通过典题4玻尔氢原子跃迁题，指导学生运用科学思维中的模型建构和科学推理，掌握光谱线条数确定及能量计算技巧，培养物理观念中的能量观念，助力学生高效突破考点，教师可据此精准开展复习教学。

第2讲　原子结构　原子核 2027 考点一　原子结构和氢原子光谱 考点二　玻尔理论　能级跃迁 目 录 索 引 考点三　原子核的衰变及半衰期 考点四　核反应及核能的计算 考点一　原子结构和氢原子光谱 强基础•固本增分 1.原子结构 (1)电子的发现:物理学家　　　 　发现了电子。 (2)α粒子散射实验:1909年,物理学家　　 　和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验,实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿　　 　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                和几乎全部　　　都集中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转。 J.J.汤姆孙 卢瑟福 原来的 正电荷 质量 2.氢原子光谱 (1)光谱:用棱镜或光栅可以把光按波长(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 波长 连续 特征 (3)光谱分析:利用每种原子都有自己的　　　　　　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)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。 特征谱线 提示 (1)①氢原子只能发出一系列特定波长的光;②从右至左,相邻谱线间的距离越来越小。 (2)可见光区域的四条谱线的波长满足巴耳末公式: =R∞(n=3,4,5,…)。 研考点•精准突破 典题1 α粒子散射实验装置如图所示,α粒子打到荧光屏上都会引起闪烁,若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A、B、C、D四处位置。则这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数可能符合事实的是(　　) A.1 305、25、7、1 B.202、405、625、825 C.1 202、1 010、723、203 D.1 202、1 305、723、203 A 解析 由于绝大多数α粒子运动方向基本不变,所以A位置闪烁次数最多,少数α粒子发生了偏转,极少数α粒子发生了大角度偏转。符合该规律的数据只有A选项。 典题2 根据巴耳末公式=R(n=3,4,5,…)可以求出氢原子在可见 光区的四条光谱线的波长λ。后来的科学家把巴耳末公式中的2换成了1和3计算出了紫外区和红外区的其他谱线的波长。这些公式与玻尔理论的跃 迁公式hν=-E1,m<n,E1是基态能量,对氢原子光谱的解释完全相符。 已知波长从长到短的顺序是红外线、可见光、紫外线,光速为c,普朗克常量为h,下列说法正确的是(　　) A.巴耳末公式表示的是电子从高能级向量子数为2的低能级跃迁时发出的光谱线波长 B.巴耳末公式表示的是电子从量子数为2的低能级向高能级跃迁时发出的光谱线波长 C.若把巴耳末公式中的2换成1则能够计算出红外光区的谱线波长 D.可以通过玻尔理论推导出巴耳末公式,计算得出里德伯常量R∞= A 解析 玻尔理论的跃迁公式hν==-E1中,若m=2,即可变形为巴耳末公式=R∞(n=3,4,5,…)的形式,则巴耳末公式表示的是电子从高能级向量子数为2的低能级跃迁时发出的光谱线波长,选项A正确,B错误;若把巴耳末公式中的2换成1则计算所得的λ的值减小,即可得到的是波长小于可见光的紫外光区的谱线波长,选项C错误;对比两式hν==-E1=R∞(n=3,4,5,…),可得R∞=-,选项D错误。 考点二　玻尔理论　能级跃迁 强基础•固本增分 1.轨道量子化:电子运行轨道半径不是任意的,而是　　　　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　　　　的能量值叫能级,具有确定能量的                 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=　　　 　。 量子化 n2r1 量子化 稳定状态 -13.6 eV × × √ 研考点•精准突破 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=。 (2)受激跃迁:低能级→高能级,吸收能量。 ①吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν=ΔE。(注意:当入射光子能量大于该能级的电离能时,原子对光子吸收不再具有选择性,而是吸收以后发生电离) 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.光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N=。 3.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。 典题3 (2025甘肃卷)利用电子与离子的碰撞可以研究离子的能级结构和辐射特性。He+相对基态的能级图(设基态能量为0)如图所示。用电子碰撞He+使其从基态激发到可能的激发态,若所用电子的能量为50 eV,则He+辐射的光谱中,波长最长的谱线对应的跃迁为(　　) A.n=4→n=3能级 B.n=4→n=2能级 C.n=3→n=2能级 D.n=3→n=1能级 C 解析 根据题意可知,用能量为50 eV的电子碰撞He+,可使He+跃迁到n=3能级和n=2能级,由ΔE=Em-En=hν=h可知,波长最长的谱线对应的能级跃迁为n=3→n=2,故选C。 典题4 (2024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。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n=3跃迁至n=4能级,入射光的频率ν34'> 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= ,选项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,选项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,根据干涉条纹间距表达式Δx=λ=,产生的干涉条纹间距之差为Δs=,选项C错误;若原子n=3跃迁至n=4能级,则E4-E3=hν34',可得入射光的频率ν34'=,选项D错误。 考点三　原子核的衰变及半衰期 强基础•固本增分 1.原子核的组成:原子核是由　　　　和中子组成的,原子核的电荷数等于核内的　　　　。 2.天然放射现象 放射性元素　　　　地发出射线的现象,首先由　　　　　　发现。天然放射现象的发现,说明　　　　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,有的也能发出射线。 质子 质子数 自发 贝克勒尔 原子核 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 　 　核  +2e 4 u 最　   最　   β射线 　   -e 较强 较强 γ射线 光子 γ 0 0 最　   最　   氦 强 弱 电子 弱 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)分类 (3)γ射线:γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。 He e 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　　　　　　　　　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) 　　　　(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　　　　放射性同位素和　　　　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、作　　　　　　等。 (3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。 核内部自身的因素 无关 天然 人工 示踪原子 × × √ 研考点•精准突破 1.α衰变、β衰变的比较 2.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.衰变次数的计算方法 若X Y+He+e 则A=A'+4n,Z=Z'+2n-m 解以上两式即可求出m和n。 典题5 (2025湖北卷)PET(正电子发射断层成像)是核医学科重要的影像学诊断工具,其检查原理是将含放射性同位素(如F)的物质注入人体参与人体代谢,从而达到诊断的目的F的衰变方程为F→X,其中是中微子。已知F的半衰期是110分钟。下列说法正确的是(　　) A.X为O B.该反应为核聚变反应 C.1克F经110分钟剩下0.5克F D.该反应产生的在磁场中会发生偏转 C 解析 设X的质量数为a,电荷数为b,由核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒有a=18,b=8,故X为O,故A错误;该反应为β衰变,不是核聚变,故B错误;根据半衰期定义,经过一个半衰期后,1克F的质量变为原来的,还剩下0.5克,故C正确υ电荷数为0,不带电,在磁场中不受洛伦兹力,不会发生偏转,故D错误。 考点四　核反应及核能的计算 强基础•固本增分 1.核反应的四种类型 He e n 1 He 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(　 　)、中子(　　　)、α粒子(　　　　)、β粒子(　　　)、正电子(　　　　)、氘核(　　　　)、氚核(　　　　)等。 (2)掌握核反应方程遵循的规律:　　　　守恒,　　　　守恒。 (3)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。 He H 质量数 电荷数 提示 (1)用中子轰击铀核,核裂变中放出中子,如这些中子继续与其他铀核发生反应,再引起新的核裂变,就使核裂变反应不断地进行下去,形成链式反应。 n BaKr+n。 (2)不是,铀块体积还须大于或等于临界体积。 研考点•精准突破 1.核能的计算方法 (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/u计算。因1原子质量单位(1 u)相当于931.5 MeV,所以计算时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。 2.对质能方程的理解 (1)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)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即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。 典题6 (2024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。 典题7 (2026河北唐山开学考试)我国计划在月球上建立首座氦-3核聚变电站。已知氦-3聚变反应式为HeHe He+H+12.86 MeV,电站设计功率为1×109 W,能量转化效率为40%,已知1 mol氦-3约有6.02×1023个氦原子,氦-3的摩尔质量为3 g/mol。若电站需维持全年运行,则每年至少需要消耗氦-3的质量约为(　　) A.1.9×102 kg B.2.5×103 kg C.3.8×102 kg D.5.6×103 kg C 解析 每个聚变反应释放能量12.86 MeV,电站功率P=1×109 W,效率η=40%=0.4,一年运行时间t=365×24×3 600 s=3.153 6×107 s,氦-3的摩尔质量为3 g/mol,阿伏伽德罗常量NA=6.02×1023 mol-1,电站一年总输出能量E输出=P·t=1×109 W×3.153 6×107 s=3.153 6×1016 J,总输入能量(聚变反应提供)E输入= J=7.884×1016 J,单个反应能量(单位转换)12.86 MeV=12.86×106×1.602×10-19 J=2.060 5×10-12 J,总反应次数 N反应=≈3.826×1028,总氦-3原子数(每个反应消耗2个)N原子=2×N反应=2×3.826×1028=7.652×1028, 物质的量n=≈1.271×105 mol,则每年至少需要消耗氦-3的质量约为m=n×3 g/mol=1.271×105 mol×3 g/mol=3.81×105 g=381 kg≈3.8×102 kg。故选C。 更多精彩内容请登录志鸿优化网 http://www.zhyh.org/ 本 课 结 束 α衰变XY+　　　　　　,如ThHe。 β衰变XY+　　　　　　,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 中子转化为质子和电子 H+nHe nHe 匀强磁场中轨迹形状 X→Y+He X+Y→e 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 UTh+　　　  β衰变 自发 ThPae 人工转变 人工控制(基本粒子轰击原子核) He→　　　H(卢瑟福发现质子) HeBeCn(查德威克发现中子) AlHe→　　　n 居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子 PSi+　　　  类型 可控性 核反应方程典例 重核裂变 容易控制(慢中子、链式反应) nBaKr+　　　  nXeSr+　　　  轻核聚变 现阶段很难控制(需要极高温度——一般由核裂变提供) H→　　　n+17.6 MeV $