年高考物理二轮复习专题七原子物理

-1-2013年高考二轮复习专题七原子物理知识网络考点预测近代物理部分相对独立，主干知识是原子的量子化结构和核能，复习时要围绕玻尔理论、衰变规律和爱因斯坦质能方程等重点知识进行．模块内的综合主要是近代物理知识与动量守恒定律的综合．利用碰撞探究微观粒子的规律是高能物理常用的研究手段，如α粒子散射实验．α粒子与氮、铍、铝的碰撞分别发现了质子、中子和放射性同位素，加速器、对撞机等都是研究核物理的常用工具．近年近代物理试题中出现不少中学教材中没有的新知识背景，如“超重元素”、“双电荷交换反应”、俄歇效应、原子内层空位产生的内转换机制、μ氢原子等．在训练学生读题时，要引导他们尽力将新情境中的问题与已学过的知识联系起来，在学习心理学中，就是“图式”的“同化”与“顺应”的过程，这类问题其实是“新瓶装旧酒”，还是考查课本上的知识点，只是对学生的能力要求提高了，要真正理解才能变通．“联系实际，联系生活，联系高科技”已成为高考命题的趋势，考查内容体现时代气息，用新名词包装的试题增加．试题越来越重视知识的联系，体现学科的综合性．要点归纳一、原子的核式结构卢瑟福根据α粒子散射实验观察到的实验现象推断出了原子的核式结构．α粒子散射实-2-验的现象是：①绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进；②极少数α粒子则发生了较大的偏转甚至返回．注意，核式结构并没有指出原子核的组成．二、波尔原子模型玻尔理论的主要内容：1．“定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对稳定的状态称为定态．定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中的电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约．2．“跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射(吸收)电磁波(光子)，其频率由两个定态的能量差值决定hν＝Em－En．3．“能量量子化假设”和“轨道量子化假设”：由于能量状态的不连续，因此电子绕核转动的轨道半径也不能任意取值．三、原子核的衰变及三种射线的性质1．α衰变与β衰变方程α衰变：XAZ→42YAZ＋42Heβ衰变：XAZ→1YAZ＋01e2．α和β衰变次数的确定方法先由质量数确定α衰变的次数，再由核电荷数守恒确定β衰变的次数．3．半衰期(T)：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．4．特征：只由核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态或化学状态无关．5．规律：N＝N01()2tT．6．三种射线射线α射线β射线γ射线物质微粒氦核42He电子01e光子γ带电情况带正电(2e)带负电(－e)不带电速度约为110c接近cc贯穿本领小(空气中飞行几厘米)中(穿透几毫米厚的铝板)大(穿透几厘米厚的铅板)电离作用强次弱四、核能1．爱因斯坦质能方程：E＝mc2．2．核能的计算(1)若Δm以千克为单位，则：ΔE＝Δmc2．(2)若Δm以原子的质量单位u为单位，则：ΔE＝Δm×931.5MeV．3．核能的获取途径(1)重核裂变：例如23592U＋10n→13654Xe＋9038Sr＋1010n(2)轻核聚变：例如21H＋31H→42He＋10n聚变的条件：物质应达到超高温(几百万度以上)状态，故聚变反应亦称热核反应．热点、重点、难点一、玻尔模型能级概念●例1氢原子的能级如图6－10所示，已知可见光的光子能量范围约为1.62eV～3.11-3-eV，下列说法错误．．的是()图6－10A．处于n＝3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线，并发生电离B．大量氢原子从高能级向n＝3能级跃迁时，发出的光具有显著的热效应C．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出6种不同频率的光D．大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，可能发出3种不同频率的可见光【解析】处于n＝3能级的氢原子吸收光子而发生电离的最小能量是1.51eV，又因紫外线的频率大于可见光的频率，所以紫外线的光子能量E≥3.11eV，故A正确．由能级跃迁理论知，氢原子由高能级向n＝3能级跃迁时，发出光子的能量E≤1.51eV，所以发出光子能量小于可见光的光子能量．由E＝hν知，发出光子频率小于可见光的光子频率，发出光子为红外线，具有较强的热效应，故B正确．由能级跃迁理论知，n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，最多可发出6种频率的光子，故C正确．由能级跃迁理论知，大量处于n＝4能级的氢原子向低能级跃迁时，发出光子的能量分别为：0.66eV(4→3)，2.55eV(4→2),12.75eV(4→1),1.89eV(3→2),12.09eV(3→1)，10.2eV(2→1)，所以只有3→2和4→2跃迁时发出的2种频率的光子属于可见光，故D错误．[答案]D【点评】①原子由定态n(n≥2)向低能级跃迁时可能辐射的光子频率的种类为(n－1)n2．②原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差．③原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值．④计算时应注意：因一般取∞远处为零电势参考面，故各能级的能量值均为负值；能量单位1eV＝1.6×10－19J．二、考查衰变、裂变、聚变以及人工转变概念●例2现有三个核反应：①2411Na→2412Mg＋____；②23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋____；③21H＋31H→42He＋____．完成上述核反应方程，并判断下列说法正确的是()A．①是裂变，②是β衰变，③是聚变B．①是聚变，②是裂变，③是β衰变C．①是β衰变，②是裂变，③是聚变D．①是β衰变，②是聚变，③是裂变[答案]①01e②310n③10nC【点评】①原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变；原子序数较大的重核分裂成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变；原子序数很小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变．②所有核反应都遵循质量数和电荷数守恒的规律，情况复杂时可列方程组求解．三、核能和质量亏损●例3某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为11H＋126C→137N＋Q111H＋157N→126C＋X＋Q2方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：原子核11H32He42He126C137N157N-4-质量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001下列判断正确的是[2009年高考·重庆理综卷]()A．X是32He，Q2Q1B．X是42He，Q2Q1C．X是32He，Q2Q1D．X是42He，Q2Q1【解析】核反应方程：11H＋126C→137N中的质量亏损为：Δm1＝1.0078u＋12.0000u－13.0057u＝0.0021u根据电荷数守恒、质量数守恒可知：11H＋137N→126C＋42He其质量亏损为：Δm2＝1.0078u＋15.0001u－12.0000u－4.0026u＝0.0053u根据爱因斯坦质能方程得：Q1＝Δm1c2，Q2＝Δm2c2故Q1＜Q2．[答案]B【点评】要注意u为质量单位，并不是能量单位，其中1u＝1.6606×10－27kg,1uc2＝931.5MeV．四、近代物理中的前沿科技问题近几年来，高考试题中STS(科学·技术·社会)问题(如反物质、中微子、介子、夸克、弗兰克－赫兹实验等)占有较大的比例，出现了以科技前沿为背景的信息题．解决这类试题的关键在于：认真阅读题目、理解题意，捕获有效信息、删除干扰信息；仔细分析问题所描述的物理状态或物理过程，并从中建立起相应的物理模型；最后运用相关的物理规律求解．●例4K－介子的衰变方程为K－→π－＋π0，其中K－介子和π－介子所带电荷量为元电荷e，π0介子不带电．如图6－11所示，两匀强磁场方向相同，以虚线MN为理想边界，磁感应强度分别为B1、B2．今有一个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场B1中，其轨迹为圆弧AP，P在MN上，K－在P点时的速度为v，方向与MN垂直．在P点该介子发生了上述衰变，衰变后产生的π－介子沿速度v的反方向射出，其运动轨迹如“心”形图线所示．则以下说法正确的是()图6－11A．π－介子的运行轨迹为PENCMDPB．π－介子运行一周回到P用的时间T＝2πmB2eC．B1＝4B2D．π0介子做匀速直线运动【解析】由题意可知，K－介子衰变为π－介子和π0介子后，π－介子沿速度v的反方向射出，而π－介子带负电，根据左手定则可以判断，π－介子的运行轨迹为PDMCNEP，则选项A错误；设π－介子在左右两侧磁场中做匀速圆周运动的半径分别为R1和R2，运动周期分别为T1和T2，由图可知：R1R2＝12，又R1＝mveB1、R2＝mveB2，则B1＝2B2，即选项C错误；而T1＝2πmeB1，T2＝2πmeB2，则π－介子运行一周回到P所用的时间T＝T12＋T22＋T12＝T1＋T22＝2πmeB2，即选项B正确；π0介子由于不带电而不受洛伦兹力作用，它将做匀速直线运动，即选项D正确．综上所述，选项B、D正确．[答案]BD-5-【点评】本题涉及匀速圆周运动、线速度、角速度、周期、向心力、洛伦兹力、左手定则、牛顿第二定律等知识点，考查学生对上述知识的理解和掌握程度，以及分析、推理的能力和信息处理的能力．解决本题的关键在于：先利用左手定则判断π－介子的运行轨迹，再运用洛伦兹力、牛顿第二定律等知识分析求解．★同类拓展2006年3月24日，由中国自行研究、设计的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克EAST核聚变实验装置(又称“人造太阳”)，如图6－12所示，已成功完成首次工作调试．由于它和太阳产生能量的原理相同，都是热核聚变反应，所以被外界称为“人造太阳”．“人造太阳”的原理就是在这台装置的真空室内加入少量氢的同位素氘和氚，使其在一定条件下发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量．核聚变的主要原料是氘和氚，在海水中含量极其丰富．则下列说法中错误．．的是()图6－12A．“人造太阳”的核反应方程是21H＋31H→42He＋10nB．“人造太阳”的核反应方程是23592U＋10n→14156Ba＋9236Kr＋310nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2D．与这种热核聚变比较，核裂变反应堆产生的废物具有放射性【解析】“人造太阳”中的核反应为轻核的聚变，故A正确、B错误．核反应释放的能量都遵循质能方程ΔE＝Δmc2，C正确．聚变方程产生的42He不具有放射性，而裂变反应产生的废物会衰变放出α或β射线，D正确．[答案]B