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第3课时原子结构原子核[知识梳理]知识点一、原子核式结构、氢原子光谱、原子的能级1．原子的核式结构(1)电子的发现：英国物理学家发现了电子。(2)α粒子散射实验：1909～1911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，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1所示)。汤姆孙卢瑟福原来图1(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。正电荷质量2．氢原子光谱(1)光谱用光栅或棱镜可以把光按波长展开，获得光的(频率)和强度分布的记录，即光谱。(2)光谱分类有些光谱是一条条的，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱是连在一起的，这样的光谱叫做连续谱。(3)氢原子光谱的实验规律巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式1λ＝R122－1n2，(n＝3,4,5，…)，R是里德伯常量，R＝1.10×107m－1，n为量子数。波长亮线光带3．玻尔理论(1)定态：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。(2)跃迁：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，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝。(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34J·s)(3)轨道：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，因此电子的可能轨道也是的。不连续稳定Em－En不连续不连续4．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图2所示图2(2)氢原子的能级和轨道半径①氢原子的能级公式：En＝1n2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6eV。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＝0.53×10－10m。知识点二、原子核的组成、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素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(1)天然放射现象元素地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明具有复杂的结构。质子质子数自发原子核(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫。具有放射性的元素叫元素。(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是、、。(4)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：消除静电、工业探伤、作等。③防护：防止放射性对人体组织的伤害。放射性放射性α射线β射线γ射线天然人工示踪原子3．原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种的变化称为的衰变。(2)分类α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42Heβ衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e(3)半衰期：放射性元素的原子核有发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的、无关。原子核原子核半数物理化学状态知识点三、核力与结合能、质量亏损1．核力(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力。(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现；②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内；③每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。2．结合能核子结合为原子核时的能量或原子核分解为核子时的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。3．比结合能(1)定义：原子核的结合能与之比，称做比结合能，也叫平均结合能。(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越。释放吸收核子数稳定4．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝。mc2Δmc2知识点四、裂变反应和聚变反应、链式反应核反应方程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：23592U＋10n→8936Kr＋14456Ba＋310n。(3)链式反应：由重核裂变产生的使裂变反应一代接一代继续下去的过程。中子(4)临界体积和临界质量：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、、防护层。链式反应原子弹镉棒2．轻核聚变(1)定义：两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)典型的聚变反应方程：21H＋31H→42He＋10n＋17.6MeV质量较大热核反应思维深化判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。(1)α粒子散射实验说明了原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上。()(2)氢原子由能量为En的定态向低能级跃迁时，氢原子辐射的光子能量为hν＝En。()(3)氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就剩下一个原子核了。()(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒。()(5)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化。()答案(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×[题组自测]题组一原子的核式结构模型1．(多选)关于原子结构，下列说法正确的是()A．玻尔原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律B．卢瑟福核式结构模型可以很好地解释原子的稳定性C．卢瑟福的α粒子散射实验表明原子内部存在带负电的电子D．卢瑟福的α粒子散射实验否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”解析玻尔提出的原子模型能很好地解释氢原子光谱的实验规律；卢瑟福核式结构模型不能解释原子的稳定性；卢瑟福的α粒子散射实验表明原子具有核式结构，否定了汤姆孙关于原子结构的“西瓜模型”，故A、D正确，B、C错误。答案AD2．在卢瑟福α粒子散射实验中，金箔中的原子核可以看作静止不动，下列各图画出的是其中两个α粒子经历金箔散射过程的径迹，其中正确的是()解析金箔中的原子核与α粒子都带正电，α粒子接近原子核过程中受到斥力而不是引力作用，A、D错误；由原子核对α粒子的斥力作用及物体做曲线运动的条件，知曲线轨迹的凹侧应指向受力一方，选项B错、C对。答案C题组二氢原子能级及能级跃迁3.图3所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是()图3A．原子A可能辐射出3种频率的光子B．原子B可能辐射出3种频率的光子C．原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4D．原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁到能级E4解析原子A从激发态E2跃迁到E1，只辐射一种频率的光子，A错。原子B从激发态E3跃迁到基态E1可能辐射三种频率的光子，B对。由原子能级跃迁理论可知，原子A可能吸收原子B由E3跃迁到E2时放出的光子并跃迁到E3，但不能跃迁到E4，C错。A原子发出的光子能量ΔE＝E2－E1大于E4－E3，故原子B不可能跃迁到能级E4，D错。答案B4.根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图4所示。电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”或“远”)。当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条。图4解析根据玻尔原子理论，量子数n越小，轨道越靠近原子核，所以n＝3比n＝5的轨道离原子核近，大量处于n＝4激发态的原子跃迁一共有6种情形，即产生6条谱线。答案近6题组三原子核的衰变及核反应方程5．(多选)在下列4个核反应方程中，X表示α粒子的是()A.3015P→3014Si＋XB.23892U→23490Th＋XC.2713Al＋X→2712Mg＋11HD.2713Al＋X→3015P＋10n解析根据质量数守恒和电荷数守恒可知，四个选项中的X分别代表：01e、42He、10n、42He，选项B、D正确。答案BD6．恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K时，可以发生“氦燃烧”。①完成“氦燃烧”的核反应方程：42He＋________→84Be＋γ。②84Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16s。一定质量的84Be，经7.8×10－16s后所剩84Be占开始时的________________。解析①由质量数、电荷数守恒42He＋42He→84Be＋γ②在t＝7.8×10－16s时间内，原子核衰变的次数n＝tT＝3故m＝18m0答案①42He(或α)②18或(12.5%)题组四质量亏损及核能的计算7．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．铯原子核(13355Cs)的结合能小于铅原子核(20882Pb)的结合能D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能解析由原子核的结合能定义可知，原子核分解成自由核子时所需的最小能量为原子核的结合能，选项A正确；重原子核的核子平均质量大于轻原子核的平均质量，因此原子核衰变产物的结合能之和一定大于衰变前的结合能，选项B正确；铯原子核的核子数少，因此其结合能小，选项C正确；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D错误。答案ABC8．当前，发电站温室气体排放问题引起了越来越多的关注，相比煤炭等传统能源，核电能够大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等物质的排放，已成为世界快速发展的电力工业。经广大科技工作者的不懈努力，我国的核电技术已进入世界的先进行列，世界各地现在正在兴建的核电反应堆达到57座，我国以20座名列第一。核电站的最核心部分是核反应堆，核反应堆中的燃料23592U产生裂变，在短时间内释放出大量的核能可供人类利用。核反应堆中的镉棒起________作用，核反应方程应为23592U＋________→9236Kr＋14156Ba＋310n。若其质量分别为mU＝390.3139×10－27kg，mn＝1.6749×10－27kg，mBa＝234.0016×10－27kg，mKr＝152.6047×10－27kg，核反应中释放的能量为ΔE＝________J。解析控制中子数可以控制反应速度；Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.3578×10－27kg，ΔE＝Δmc2＝3.22×10－11J。答案吸收中子控制核反应速度10n3.22×10－11考点一氢原子能级及能级跃迁1．定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n小)――→跃迁高能级(n大)―→吸收能量。hν＝En大－En小(2)从高能级(n大)――→跃迁低能级(n小)―→放出能量。hν＝En大－En小2．电离电离态与电离能电离态：n＝∞，E＝0基态→电离态：E吸＝0－(－13.6eV)＝13.6eV电离能。n＝2→电离态：E吸＝0－E2＝3.4eV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。【例1】[2013·江苏卷·12C(2)]根据玻尔原子结构理论，氦离子(He＋)的能级图如图5所示。电子处在n＝3轨道上比处在n＝5轨道上离氦核的距离________(选填“近”或“远”)。当大量He＋处在n＝4的激发态时，由于跃迁所发射的谱线有________条。图5解析根据玻尔理论rn＝n2r1可知电子处在n＝3的轨道上比处在n＝5的轨道上离氦核的距离近。大量He＋处在n＝4的激发态时，发射的谱线有6条。答案近6解答氢原子能级图与原子跃迁问题应注意：(1)能级之间发生跃迁时放出(吸收)光子的频率由hν＝Em－En求得。若求波长可由公式c＝λν求得。(2)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。(3)一群氢原子跃迁发出可能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＝C2n＝nn－12。②利用能级图求解：在氢