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第3讲原子结构原子核知识排查氢原子光谱、原子的能级1.氢原子光谱(1)光谱分类有些光谱是一条条的亮线，这样的光谱叫做线状谱。有的光谱是连在一起的光带，这样的光谱叫做连续谱。(2)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。2.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：电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＝6.63×10－34J·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。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。3.氢原子的能级、能级公式(1)氢原子的能级能级图如图1所示图1(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。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：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。2.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：放射性元素发射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。(4)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。③防护：防止放射性对人体组织的伤害。3.原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。(2)分类α衰变：AZX→A－4Z－2Y＋42Heβ衰变：AZX→AZ＋1Y＋0－1e两个典型的衰变方程。①α衰变：23892U→23490Th＋42He；②β衰变：23490Th→23491Pa＋0－1e；(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的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。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释放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。3.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。4.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。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：(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2.轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程：21H＋31H→42He＋10n＋17.6MeV3.人工转变人工转变方程(1)卢瑟福发现质子：147N＋42He→178O＋11H。(2)查德威克发现中子：94Be＋42He→126C＋10n。小题速练1.思考判断(1)人们认识原子具有复杂结构是从英国物理学家汤姆孙研究阴极射线发现电子开始的。()(2)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的。()(3)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。()(4)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。()(5)按照玻尔理论，核外电子均匀地分布在各个不连续的轨道上。()(6)玻尔理论成功地解释了氢原子光谱，也成功地解释了氦原子光谱。()(7)氢原子吸收光子后，将从高能级向低能级跃迁。()(8)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。()(9)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。()(10)三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线。()(11)目前核电站多数是采用核聚变反应发电。()答案(1)√(2)×(3)√(4)×(5)×(6)×(7)×(8)×(9)×(10)√(11)×2.(多选)如图2是氢原子的能级图，一群氢原子处于n＝3能级，下列说法中正确的是()图2A.这群氢原子跃迁时能够发出3种不同频率的波B.这群氢原子发出的光子中，能量最大为10.2eVC.从n＝3能级跃迁到n＝2能级时发出的光波长最长D.这群氢原子能够吸收任意光子的能量而向更高能级跃迁解析根据C23＝3知，这群氢原子能够发出3种不同频率的光子，故A正确；由n＝3跃迁到n＝1，辐射的光子能量最大，ΔE＝(13.6－1.51)eV＝12.09eV，故B错误；从n＝3跃迁到n＝2辐射的光子能量最小，频率最小，则波长最长，故C正确；一群处于n＝3能级的氢原子发生跃迁，吸收的能量必须等于两能级的能级差，故D错误。答案AC3.根据所给图片结合课本相关知识，下列说法正确的是()图2A.图2甲是电子束穿过铝箔后的衍射图样，证明电子具有粒子性B.图乙是利用不同气体制成的五颜六色的霓虹灯，原因是各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量不同，光子的频率不同C.图丙是工业上使用的用射线检测金属板厚度的装置，在α、β、γ三种射线中，最有可能使用的射线是β射线D.图丁是原子核的比结合能与质量数A的关系图象，由图可知中等大小的核的比结合能最大，即(核反应中)平均每个核子的质量亏损最小解析题图甲是电子束穿过铝箔后的衍射图样，证明电子具有波动性，选项A错误；题图乙是利用不同气体制成的五颜六色的霓虹灯，原因是各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量不同，光子的频率不同，选项B正确；题图丙是工业上使用的用射线检测金属板厚度的装置，在α、β、γ三种射线中，由于γ射线穿透能力最强，最有可能使用的射线是γ射线，选项C错误；题图丁是原子核的比结合能与质量数A的关系图象，可知中等大小的核的比结合能最大，即在核子结合成原子核时平均每个核子释放的能量最大，平均每个核子的质量亏损最大，选项D错误。答案B4.如图4所示为查德威克发现中子的实验示意图，利用钋(21084Po)衰变放出的α粒子轰击铍(94Be)，产生的粒子P能将石蜡中的质子打出来。下列说法正确的是()图4A.α粒子是氦原子B.粒子Q的穿透能力比粒子P的强C.钋的α衰变方程为21084Po―→20882Pb＋42HeD.α粒子轰击铍的核反应方程为42He＋94Be―→126C＋10n解析α粒子是氦原子核，选项A错误；粒子P是中子，粒子Q是质子，由于质子带正电，当质子射入物质时，受到的库仑力作用会阻碍质子的运动，而中子不带电，不受库仑力作用，所以选项B错误；在钋衰变中，根据质量数守恒知产生的是20682Pb，并非20882Pb，选项C错误；42He＋94Be―→126C＋10n是查德威克发现中子的核反应方程，选项D正确。答案D玻尔理论和能级跃迁1.定态间的跃迁——满足能级差(1)从低能级(n小)――→跃迁e→2γ13.(2018·南京市、盐城市高三第一次模拟)(1)(多选)下面四幅示意图中能正确反应核反应过程的是()(2)氦原子的一个核外电子被电离，形成类氢结构的氦离子。如图4所示为氦离子能级的示意图。现有氦离子从n＝4能级到n＝________能级辐射出的光子能量为10.2eV；用该光照射逸出功为2.29eV的金属钠，光电子产生的最大初动能为________eV。图4解析(1)核反应过程遵循质量数守恒和核电荷数守恒，B、C选项中的核电荷数不守恒，故A、D正确。(2)根据题意E4－En＝10.2eV，解得En＝－13.6eV，由图可知n＝2；由光电效应方程可知Ekm＝ΔE－W0＝(10.2－2.29)eV＝7.91eV。答案(1)AD(2)27.91