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【备考2022】高考物理一轮复习学案
12.2
原子结构原子核
一、原子结构　光谱和能级跃迁
1.原子的核式结构
1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了__电子__，提出了原子的“枣糕模型”。
2．原子的核式结构：
观察上面两幅图，完成以下空格：
(1)1909～1911年，英国物理学家卢瑟福进行了__α粒子散射实验__，提出了核式结构模型。
(2)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”。
(3)原子的结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的__几乎全部质量和全部正电荷__都集中在原子核里，带负电的电子在__核外空间运动__。
2.光谱
1．光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的__波长__(频率)和强度分布的记录，即光谱。
2．光谱分类：
3．氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式＝R(－____)(n＝3,4,5，…R是里德伯常量，R＝1.10×107
m－1)。
4．光谱分析：利用每种原子都有自己的__特征谱线__可以用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。
3.玻尔理论　能级
1．玻尔的三条假设
(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＝6.63×10－34
J·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__。
2．基态和激发态
原子能量最低的状态叫__基态__，其他能量较高的状态叫__激发态__。
3．氢原子的能级和轨道半径
(1)氢原子的能级公式：E0＝__E1__(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝__－13.6_eV__。
(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＝0.53×10－10
m。
二、原子核　核反应和核能
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__，质子和中子都为一个单位质量。
(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示__质量数__，Z表示核电荷数。
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__还具有复杂的结构。
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。
5．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　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：X→Y＋__He__。
β衰变：X→Y＋__e__。
γ辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。
(3)两个典型的衰变方程：
①α衰变：U→Th＋He；
②β衰变：Th→Pa＋e。
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)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核__内部__自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
4.核力、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1.5×10－15
m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，叫作原子核的结合能，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，称作比结合能，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__。
1．x-t图象的理解
核心素养一氢原子的能级图
核心素养二
三种射线的比较
射线名称比较项目
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
__高速电子流__
光子流(高频电磁波)
带电量
__2e__
－e
0
质量
4mp
静止质量为零
符号
__He__
　　0－1e
γ
速度
可达0.1c
可达0.99c
__c__
垂直进入电场或磁场的偏转情况
偏转
偏转
__不偏转__
贯穿本领
最弱
较强
__最强__
对空气的电离作用
很强
较弱
__很弱__
　
1．在核反应方程24He＋　714N→　817O＋X中，X表示的是(　　)
A．质子　　　　　　
B．中子
C．电子
D．α粒子
解析：设X为AZX，根据核反应的质量数守恒得4＋14＝17＋Z，则Z＝1；电荷数守恒2＋7＝8＋A，则A＝1，即X为11H，即为质子，故选项A正确，B、C、D错误.
答案：A
2．(2018·高考全国卷Ⅲ)1934年，约里奥－居里夫妇用α粒子轰击铝核1327Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋1327Al→n＋X.X的原子序数和质量数分别为(　　)
A．15和28　　　　　　
B．15和30
C．16和30
D．17和31
解析：根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知，X的电荷数为2＋13＝15，质量数为4＋27－1＝30，根据原子核的电荷数等于原子序数，可知X的原子序数为15，质量数为30，选项B正确．
答案：B
3．某核电站遭受严重破坏，产生了严重的核泄漏，从核电站周围一定范围内的空气中和核电站排出的废水中分别检测出了放射性物质碘131和钚239，严重危及了人们的生命安全．已知该核电站采用的是重水反应堆，用　92238U(铀)吸收中子后生成　94239Pu(钚)，碘131的半衰期为8天，下列说法正确的是(　　)
A．排出的废水中的钚239是铀核裂变的生成物
B．若　92238U吸收中子后变成　92239U，　92239U很不稳定，则经过2次β衰变后变成　94239Pu
C．核电站的核废料可直接堆放在露天垃圾场
D．碘131的半衰期只有8天，因此16天后会全部消失
解析：裂变是重核生成几个中等质量原子核的过程，铀238的质量数比钚239的小，因此钚不是铀核裂变的生成物，选项A错误；发生β衰变时质量数不发生改变，根据电荷数守恒可知　92239U发生2次β衰变后变成　94239Pu，选项B正确；核电站的核废料中具有很多的放射性物质，不可以直接堆在露天垃圾场，选项C错误；碘131的半衰期是8天，它是一个统计规律，大量的碘131在8天后会剩一半，16天后会剩四分之一，选项D错误．
答案：B
一、单选题
1．关于原子能级跃迁，下列说法正确的是（　　）
A．处于n=3能级的一个氢原子回到基态时可能会辐射三种频率的光子
B．各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量（频率）不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯
C．氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，会辐射一定频率的光子，同时氢原子的电势能减小，电子的动能减小
D．已知氢原子从基态跃迁到某一激发态需要吸收的能量为12.09eV，则动能等于12.09eV的另一个氢原子与这个氢原子发生正碰，可以使这个原来静止并处于基态的氢原子跃迁到该激发态
2．已知钍234（Th）衰变产生Pa，半衰期是24天，下列说法正确的是（　　）
A．Th发生的是α衰变
B．极低温条件下Th的衰变会变慢
C．1g钍经过120天后还剩0.03125g
D．32个钍原子核Th经过72天后还剩4个
3．处于n=3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有
A．1种
B．2种
C．3种
D．4种
4．下列核反应方程正确的是（　　）
A．Na＋→X＋H，X为Mg
B．Al＋→Y＋n，Y为P
C．O＋n→M＋H，M为N
D．Si＋H→N＋n，N为P
5．为了做好疫情防控工作，小区物业利用红外测温仪对出入人员进行体温检测。红外测温仪的原理是：被测物体辐射的光线只有红外线可被捕捉，并转变成电信号。图为氢原子能级示意图，已知红外线单个光子能量的最大值为1.62eV，要使氢原子辐射出的光子可被红外测温仪捕捉，最少应给处于激发态的氢原子提供的能量为（　　）
A．10.20eV
B．2.89eV
C．2.55eV
D．1.89eV
6．花岗岩、大理石等装修材料中都不同程度地含有放射性元素，下列有关放射性的说法正确的是(　　)
A．衰变成要经过8次β衰变和6次衰变
B．氡的半衰期为3.8天，4个氡原子核经过7.6天后只剩下1个氡原子核
C．射线与射线都是电磁波，射线穿透本领远比射线弱
D．放射性元素发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的
7．太阳内部核反应的主要模式之一是质子—质子循环，循环的结果可表示为4H→He＋2e＋2ν，已知H和He的质量分别为mp＝1.0078u和mα＝4.0026u,1u＝931MeV/c2，c为光速。在4个H转变成1个He的过程中，释放的能量约为（　　）
A．8MeV
B．16MeV
C．26MeV
D．52MeV
8．如图所示为α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，关于观察到的现象，下列说法不正确的是（　　）
A．相同时间内放在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内放在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在A位置时少得多
C．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
D．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少
9．中科院近代物理研究所利用兰州重离子加速器（HIRFL），通过“熔合蒸发”反应合成超重核Ds并辐射出中子。下列可能合成该超重核的原子核组合是（　　）
A．Ni、Pb
B．Ni、Bi
C．Ni、Pb
D．Ni、Bi
二、多选题
10．下列说法正确的是（　　）
A．阴极射线和β射线的本质都是电子流，在原子内的来源是相同的
B．太阳辐射的能量主要来源于太阳中的裂变反应
C．γ射线的穿透能力比α射线强
D．红外线的波长比X射线的波长长
11．铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块，这类核反应被定名为核裂变。1947年我国科学家钱三强、何泽慧在实验中观察到铀核也可以分裂为三部分或四部分。关于铀核的裂变，下列说法正确的是（　　）
A．裂变的产物不是唯一的
B．裂变的同时能放出2或3个中子
C．裂变能够释放巨大能量，每个核子平均释放的能量在裂变反应中比在聚变反应中的大
D．裂变物质达到一定体积（即临界体积）时，链式反应才可以持续下去
12．下列核反应方程中，、、、代表粒子的有（　　）
A．
B．
C．
D．
三、填空题
13．现有几个核反应方程及衰变方程：
A．
B．N＋He→O＋H
C．H＋H→He＋n
D．Se→Kr＋2e
E．U＋n→X＋Kr＋3n
F．Na→Mg＋e
G．He＋Be→C＋n
（1）________是发现中子的核反应方程，________是研究原子弹的基本核反应方程，________是研究氢弹的基本核反应方程，________是衰变方程，________是发现质子的方程。
（2）E项中X的质量数为________，中子数为________。
四、解答题
14．已知中子的质量是mn＝1.6749×10－27kg，质子的质量是mp＝1.6726×10－27kg，氦核的质量m＝6.6467×10－27kg，真空中光速c＝3.00×108m/s。
（1）写出2个质子和2个中子结合成氦核的核反应方程；
（2）求氦核的平均结合能。（结果保留三位有效数字）
1．(多选)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656
nm.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656
nm
B．用波长为325
nm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633
nm的光照射，不能使氢原子从n＝2跃迁到n＝3的能级
2．在匀强磁场中，有一个原来静止的
14　6C原子核，它放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆，圆的直径之比为7∶1，那么碳14的衰变方程为(　　)
A．　614C→＋10e＋　514B
B．　614C→24He＋　410Be
C．　614C→12H＋　512B
D．　614C→－10e＋　714N
3．一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为　92238U→　90234Th＋24He.下列说法正确的是(　　)
A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能
B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小
C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
考题预测
参考答案
1解析：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能级时，辐射光的波长一定小于656
nm，因此选项A错误；根据发生跃迁只能吸收和辐射一定频率的光子，可知选项B错误，D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，所以选项C正确．
答案：CD
2解析：由动量守恒定律可知，放出的粒子与反冲核动量大小相等、方向相反，由在磁场中两圆径迹内切可知，反冲核带正电，放出的粒子带负电，由两圆直径之比为7∶1和R＝可知，反冲核的电荷量是粒子的7倍，故选项D正确．
答案：D
3解析：静止的原子核在衰变前后动量守恒，由动量守恒定律得0＝m1v1＋m2v2，可知m1v1＝－m2v2，故衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小，选项B正确；而动能Ek＝，由于钍核的质量(m1)大于α粒子的质量(m2)，故其动能不等，选项A错误；铀核的半衰期是大量的铀核半数发生衰变所用的时间，而不是放出一个α粒子所经历的时间，选项C错误；原子核衰变时放出核能，质量亏损，选项D错误．
答案：B
过关训练
参考答案
1．B
【详解】
A．处于n=3能级的一个氢原子回到基态时可能会辐射一种频率的光子，或两种不同频率的光子；而处于n=3能级的一群氢原子回到基态时可能会辐射三种频率的光子，故A错误。
B．根据玻尔理论，各种气体原子的能级不同，跃迁时发射光子的能量（频率）不同，因此利用不同的气体可以制成五颜六色的霓虹灯，故B正确。
C．氢原子由较高能级跃迁到较低能级时，会辐射一定频率的光子，同时氢原子的电势能减小，电子的动能增大，故C错误。
D．要使原来静止并处于基态的氢原子吸收12.09eV的能量从基态跃迁到某一激发态，根据两个氢原子碰撞时动量守恒，能量守恒，则必须使动能比12.09eV大得足够多的另一个氢原子与这个氢原子发生正碰，故D错误。
故选B。
2．C
【详解】
A．由电荷数守恒和质量数守恒可知衰变方程为
Th→Pa＋e
是β衰变，故A错误；
B．放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，与所处物理状态、化学状态无关，故B错误；
C．根据半衰期规律，可得
m余=m原=1×g=0.03125g
故C正确；
D．放射性元素的半衰期描述的是统计规律，对少数核的衰变不适用，故D错误。
故选C。
3．C
【详解】
试题分析：因为是大量处于n=3能级的氢原子，所以根据可得辐射光的频率可能有3种，故C正确．
【考点定位】考查了氢原子跃迁
【方法技巧】解决本题的关键知道能级间跃迁辐射或吸收光子的能量等于两能级间的能级差，知道数学组合公式的应用，另外需要注意题中给的是“大量”氢原子还是一个氢原子．
4．D
【详解】
由核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可知X为Mg，Y为P，M为N，N为P，故A、B、C错误，D正确。
故选D。
5．C
【详解】
AB．处于n=2能级的原子不能吸收10.20eV、2.89eV的能量，则选项AB错误；
C．处于n=2能级的原子能吸收2.55eV的能量而跃迁到n=4的能级，然后向低能级跃迁时辐射光子，其中从n=4到n=3的跃迁辐射出的光子的能量小于1.62eV可被红外测温仪捕捉，选项C正确；
D．处于n=2能级的原子能吸收1.89eV的能量而跃迁到n=3的能级，从n=3到低能级跃迁时辐射光子的能量均大于1.62eV，不能被红外测温仪捕捉，选项D错误。
故选C。
6．D
【详解】
A．铀核（）衰变成铅核（）的过程中，设发生x次衰变，y次衰变，衰变方程为
根据质量数守恒和电荷数守恒有
238=206+4x，92=82+8×2-y
解得x=8，y=6，即要经过8次衰变和6次β衰变，故A错误；
B．半衰期是对大量原子核的衰变的统计规律，对于单个原子核是不成立的，故B错误；
C．射线是氦核流，射线的实质是电磁波，射线的穿透本领比较强，故C错误；
D．衰变时，原子核中的一个中子，转变为一个质子和一个电子，电子释放出来，故D正确。
故选D。
7．C
【详解】
因电子的质量远小于质子的质量，计算中可忽略不计。质量亏损Δm＝4mp－mα，由质能方程得
ΔE＝Δmc2＝（4×1.0078－4.0026）×931MeV≈26.6MeV
故选C。
8．C
【详解】
A．根据α粒子散射实验的现象，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上沿原方向前进，因此在A位置观察到的闪光次数最多，故A正确；
BCD．少数α粒子发生大角度偏转，因此从A到D观察到的闪光次数会逐渐减少，故BD正确，C错误。
本题选说法不正确的，故选C。
9．A
【详解】
根据核反应过程中，电荷数守恒和质量数守恒有
Z1＋Z2＝110
A1＋A2＝271＋1＝272
将选项中原子核（）的质量数（A）及电荷数（Z）代入这两式检验得只有A符合，故选A。
10．CD
【详解】
A．阴极射线和β射线的本质都是电子流，但是阴极射线的来源是原子核外的电子，而β射线的来源是原子核内的中子转化为质子时产生的电子，故A错误；
B．太阳辐射的能量主要来源于太阳中的聚变反应，故B错误；
C．γ射线的穿透能力比α射线强，故C正确；
D．红外线的波长比X射线的波长长，故D正确。
故选CD。
11．ABD
【详解】
A．因铀核也可以分裂为三部分或四部分，可知裂变的产物不是唯一的，A正确；
B．裂变中放出中子，数目有多有少，在裂变的同时能放出2或3个中子，这些中子再轰击其他铀核发生裂变，B正确；
D．裂变物质达到一定体积（即临界体积），链式反应才可以持续下去，D正确；
C．在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但每个核子平均释放的能量在聚变反应中一般比在裂变反应中的大，C错误。
故选ABD。
12．BD
【详解】
A．根据电荷数守恒、质量数守恒知，X1的电荷数为2，质量数为3，但不是α粒子，故A错误；
B．根据电荷数守恒、质量数守恒知，X2的电荷数为2，质量数为4，为α粒子，故B正确；
C．根据电荷数守恒、质量数守恒知，X3的电荷数为0，质量数为1，为中子，故C错误；
D．根据电荷数守恒、质量数守恒知，X4的电荷数为2，质量数为4，为α粒子，故D正确。
故选BD。
13．G
E
C
ADF
B
144
88
【详解】
（1）[1]查德威克发现中子的核反应方程为
He＋Be→C＋n
故选填G；
[2]原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的，其核反应方程为
U＋n→＋Kr＋3n
故E是研究原子弹的基本核反应方程；
[3]研究氢弹的基本核反应方程为
H＋H→He＋n
故选填C；
[4]
是α衰变方程；
Se→Kr＋2e
Na→Mg＋e
是β衰变方程，故选填ADF。
[5]卢瑟福发现质子的方程为
N＋He→O＋H
故选填B。
（2）[6][7]根据核反应过程中，质量数，电荷数守恒，可得X的质量数为
（235＋1）－（89＋3）＝144
X的质子数为
92－36＝56
X的中子数为
144－56＝88
14．（1）2H＋2n→；（2）1.09×10－12J
【详解】
（1）核反应方程为：
（2）该反应过程中的质量亏损为
Δm＝2mn＋2mp－m＝0.0483×10－27kg
该反应释放的核能
ΔE＝Δmc2＝0.0483×10－27×9×1016J＝4.347×10－12J
氦核的平均结合能为
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