第2讲 原子与原子核 讲义

第2讲原子与原子核[学生用书P233]【基础梳理】一、原子的核式结构1．α粒子散射实验的结果：绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至被撞了回来，如图所示．2．原子的核式结构：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．二、玻尔理论1．定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，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：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＝Em－En．(h是普朗克常量，h＝6.626×10－34J·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．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的．4．氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级图(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＝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.三、天然放射现象、原子核的组成1．天然放射现象(1)天然放射现象：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，说明原子核具有复杂的结构．(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放射性．具有放射性的元素叫放射性元素．(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线．2．原子核(1)原子核的组成①原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．②原子核的核电荷数＝质子数，原子核的质量数＝质子数＋中子数．(2)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子，在元素周期表中的位置相同，同位素具有相同的化学性质．四、原子核的衰变和半衰期1．原子核的衰变(1)原子核放出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：α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42He；β衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e.2．半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．(2)衰变规律：N＝N012t/τ、m＝m012t/τ．(3)影响因素：由原子核内部因素决定，跟原子所处的物理化学状态无关．五、核力、结合能、质量亏损、核反应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．核能(1)结合能：核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能．(2)比结合能①定义：原子核的结合能与核子数之比，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，原子核越稳定．3．质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E＝mc2，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＝Δmc2．4．获得核能的途径(1)重核裂变；(2)轻核聚变．5．核反应(1)遵守的规律：电荷数守恒、质量数守恒．(2)反应类型：衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变．【自我诊断】判一判(1)原子的能量量子化现象是指原子在不同状态中具有不同的能量．()(2)炽热的固体、液体和高压气体发出的光谱是连续光谱．()(3)根据玻尔理论，氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时，辐射一定频率的光子，同时电子的动能增大，电势能减小．()(4)假如有18个某种放射性元素的原子核，经过一个半衰期，一定有9个原子核发生了衰变．()(5)β衰变的电子来源于原子核外的电子．()(6)高温、高压的情况下，原子核的半衰期将会变短．()(7)爱因斯坦的质能方程反映了物质的质量就是能量，它们之间可以相互转化．()提示：(1)√(2)√(3)√(4)×(5)×(6)×(7)×做一做(多选)(高考全国卷Ⅱ改编)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用．下列说法符合历史事实的是()A．密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值B．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素D．汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷提示：选ACD.密立根通过油滴实验，验证了物体所带的电荷量都是某一值的整数倍，测出了基本电荷的数值，选项A正确；贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，明确了原子核具有复杂结构，选项B错误；居里夫妇通过对含铀物质的研究发现了钋(Po)和镭(Ra)，选项C正确；汤姆逊通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，说明了阴极射线是带负电的粒子，并测出了粒子的比荷，选项D正确．玻尔理论和氢原子的光谱分析[学生用书P234]【知识提炼】1．能级图中各物理量意义的说明相关量意义能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态——定态横线左端的数字“1，2，3…”表示量子数横线右端的数字“－13.6，－3.4…”表示氢原子的能量相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大相邻的能量差越小，距离越小带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为hν＝Em－En2.原子跃迁的条件(1)原子跃迁条件hν＝Em－En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况．(2)当光子能量大于或等于13.6eV时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6eV时，氢原子电离后，电子具有一定的初动能．(3)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发．由于实物粒子的动能可全部或部分被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于或等于两能级的能量差值(E＝Em－En)，均可使原子发生能级跃迁．3．跃迁中两个易混问题(1)一群原子和一个原子：氢原子核外只有一个电子，这个电子在某个时刻只能处在某一个可能的轨道上，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，可能的情况只有一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现了．(2)直接跃迁与间接跃迁：原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时．有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁．两种情况下辐射(或吸收)光子的能量是不同的．直接跃迁时辐射(或吸收)光子的能量等于间接跃迁时辐射(或吸收)的所有光子的能量和．【典题例析】(多选)如图所示是氢原子的能级图，大量处于n＝4激发态的氢原子向低能级跃迁时，一共可以辐射出6种不同频率的光子，其中巴耳末系是指氢原子由高能级向n＝2能级跃迁时释放的光子，则()A．6种光子中波长最长的是n＝4激发态跃迁到基态时产生的B．6种光子中有2种属于巴耳末系C．使n＝4能级的氢原子电离至少要0.85eV的能量D．若从n＝2能级跃迁到基态释放的光子能使某金属板发生光电效应，则从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子也一定能使该金属板发生光电效应[审题指导]激发态的氢原子向低能级跃迁时，能级差越大，发射光子的频率越大；而巴耳末系是高能级向n＝2能级跃迁时发射的光子，可看出有2种．[解析]根据跃迁假说，在跃迁的过程中释放光子的能量等于两能级之差，故从n＝4跃迁到n＝3时释放光子的能量最小，频率最小，波长最长，所以A错误；由题意知6种光子中有2种属于巴耳末系，它们分别是从n＝4跃迁到n＝2和从n＝3跃迁到n＝2时释放的光子，故B正确；E4＝－0.85eV，故n＝4能级的电离能等于0.85eV，所以C正确；由题图知，从n＝3能级跃迁到n＝2能级释放的光子的能量小于n＝2能级跃迁到基态释放的光子的能量，所以D错误．[答案]BC氢原子能级图与原子跃迁问题的解答技巧(1)能级之间跃迁时放出的光子频率是不连续的．(2)能级之间发生跃迁时放出(吸收)的光子频率由hν＝Em－En求得．若求波长可由公式c＝λν求得．(3)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)．(4)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＝n（n－1）2.②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．【迁移题组】迁移1对原子核式结构的理解1．(2015·高考安徽卷)如图所示是α粒子(氦原子核)被重金属原子核散射的运动轨迹，M、N、P、Q是轨迹上的四点，在散射过程中可以认为重金属原子核静止．图中所标出的α粒子在各点处的加速度方向正确的是()A．M点B．N点C．P点D．Q点解析：选C.α粒子(氦原子核)和重金属原子核都带正电，互相排斥，加速度方向与α粒子所受斥力方向相同．带电粒子加速度方向沿相应点与重金属原子核连线指向轨迹曲线的凹侧，故只有选项C正确．迁移2对能级图的理解和应用2．(多选)(高考山东卷)氢原子能级如图，当氢原子从n＝3跃迁到n＝2的能级时，辐射光的波长为656nm.以下判断正确的是()A．氢原子从n＝2跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长大于656nmB．用波长为325nm的光照射，可使氢原子从n＝1跃迁到n＝2的能级C．一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时最多产生3种谱线D．用波长为633nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级解析：选CD.根据氢原子的能级图和能级跃迁规律，当氢原子从n＝2能级跃迁到n＝1的能级时，辐射光的波长一定小于656nm，因此A选项错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率的光子，可知B选项错误，D选项正确；一群处于n＝3能级上的氢原子向低能级跃迁时可以产生3种频率的光子，所以C选项正确．氢原子的能量及变化规律[学生用书P235]【知识提炼】氢原子跃迁时电子动能、电势能与原子能量的变化规律：1．原子能量变化规律：En＝Ekn＋Epn＝E1n2，随n增大而增大，随n的减小而减小，其中E1＝－13.6eV.2．电子动能变化规律(1)从公式上判断电子绕氢原子核运动时静电力提供向心力即ke2r2＝mv2r，所以Ek＝ke22r，随r增大而减小．(2)从库仑力做功上判断，当轨道半径增大时，库仑引力做负功，故电子动能减小．反之，当轨道半径减小时，库仑引力做正功，故电子的动能增大．3．原子的电势能的变化规律(1)通过库仑力做功判断，当轨道半径增大时，库仑引力做负功，原子的电势能增大．反之，当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小．(2)利用原子能量公式En＝Ekn＋Epn判断，当轨道半径增大时，原子能量增大，电子动能减小，故原子的电势能增大．反之，当轨道半径减小时，原子能量减小，电子动能增大，故原子的电势能减小．【跟进题组】1．按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量________(选填“越大”或“越小”)．已知氢原子的基态能量为E1(E10)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为________(普朗克常量为h)．解析：电子离原子核越远电势能越大，原子能量也就越大；根据动能定理有，hν＋E1＝12mv2，所以电离后电子速度为2（hν＋E1）m.答案：越大2（hν＋E1）m2．氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53×10－10m，能量E1＝－13.6eV，求氢原子处于基态时：(1)电子的动能；(2)原子的电势能；(3)用波长是多少的光照射可使其电离？解析：(1)设处于基态的氢原子核外电子速度为v1，则：ke2r21＝mv21r1.所以电子动能Ek1＝12mv21＝ke22r1＝9×109×（1.6×10－19）22×0.53×10－10×1.6×10－19eV＝13.6eV.(2)因为E1＝Ek1＋Ep1，所以Ep1＝E1－Ek1＝－