高三物理专题复习(原子核物理).doc

高三物理专题复习《原子结构与原子核》
一、 粒子散射实验
（1）粒子散射实验装置
粒子散射实验的装置，主要由放射源、金箔、荧光屏、望远镜和转动圆盘几部分组成。

（2）实验的观察结果
α粒子散射实验的实验现象：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°.

卢瑟福的原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核．原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里．带负电的电子在核外空间绕着核旋转．
【复习巩固题】
1、(多选题)关于α粒子散射实验，下列说法正确的是(　　)
A．α粒子穿过原子时，由于α粒子的质量比电子大得多，电子不可能使α粒子的运动方向发生明显的改变
B．由于绝大多数α粒子穿过金箔后仍按原来方向前进，所以使α粒子发生大角度偏转的原因是在原子中极小的区域内集中着对α粒子产生库仑力的正电荷
C．α粒子穿过原子时，只有少数粒子发生大角度偏转的原因是原子核很小，α粒子接近原子核的机会很小
D．使α粒子发生大角度偏转的原因是α粒子穿过原子时，原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等
2、　(2013·福建高考)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(　　)

3、在卢瑟福的α粒子散射实验中，某一α粒子经过某一原子核附近时的轨迹如图中实线所示．图中P、Q为轨迹上的点，虚线是过P、Q两点并与轨迹相切的直线，两虚线和轨迹将平面分为四个区域．不考虑其他原子核对该α粒子的作用，那么关于该原子核的位置，下列说法中正确的是(　　)
A．可能在①区域　　　 B．可能在②区域
C．可能在③区域 D．可能在④区域
二、 氢原子光谱
（1）光谱与光谱分析
由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。
原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。光谱
定义：由发光体直接产生的光谱

连续光谱

产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发光形成的

光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有

发射光谱
光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）

吸收光谱
线状谱

产生条件：稀薄气体发光形成的光谱
或金属蒸汽
定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱
产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的
光谱形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）

（2）氢原子光谱的实验规律
（1）氢原子的光谱：
从氢气放电管可以获得氢原子光谱，如图所示．

（2）氢原子光谱的特点：在氢原子光谱图中的可见光区内，由右向左，相邻谱线间的距离越来越小，表现出明显的规律性．
（3）巴耳末公式：
(1)巴耳末对氢原子光谱的谱线进行研究得到了下面的公式：
＝R(－) n＝3，4，5…该公式称为巴耳末公式．
(2)公式中只能取n≥3的整数，不能连续取值，波长是分立的值．
（4）其他谱线：除了巴耳末系，氢原子光谱在红外和紫外光区的其他谱线，也都满足与巴耳末公式类似的关系式．
【复习巩固题】
1、关于太阳光谱，下列说法正确的是(　　)
A．太阳光谱是吸收光谱
B．太阳光谱中的暗线，是太阳光经过太阳大气层时某些特定频率的光被吸收后而产生的
C．根据太阳光谱中的暗线，可以分析太阳的物质组成
D．根据太阳光谱中的暗线，可以分析地球大气层中含有哪些元素
2、如图甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为(　　)

a元素 B．b元素 C．c元素 D．d元素
3、氢原子光谱的巴耳末系中波长最长的光波的光子能量为E1，其次为E2，则为(　　)
A.　　　 B.　　　
C.　　　 D.
三、 玻尔氢原子理论
1．玻尔的原子理论
（1）能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。
（本假设是针对原子稳定性提出的）
（2）跃迁假设：原子从一种定态（设能量为En）跃迁到另一种定态（设能量为Em）时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 （h为普朗克恒量）
（本假设针对线状谱提出）
（3）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形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的分布也是不连续的。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）
2.玻尔根据经典电磁理论和牛顿力学计算出氢原子的电子的各条可能轨道半径和电子在各条轨道上运动时的能量（包括动能和势能）公式：
轨道半径： n=1，2，3……
能 量： n=1，2，3……
式中r1、E1、分别代表第一条（即离核最近的）可能轨道的半径和电子在这条轨道上运动时的能量，rn、En 分别代表第n条可能轨道的半径和电子在第n条轨道上运动时的能量，n是正整数，叫量子数。

2．氢原子的能级图

3．玻尔理论对氢光谱的解释
（1）基态和激发态
基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态，叫基态。
激发态：原子处于较高能级时，电子在离核较远的轨道上运动，这种定态，叫激发态。
（2）原子发光：原子从基态向激发态跃迁的过程是吸收能量的过程。原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，吸收或辐射的能量恰等于发生跃迁的两能级之差。
【复习巩固题】
1、(2014·山东卷)氢原子能级如图所示，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、根据玻尔理论，某原子从能量为E的轨道跃迁到能量为E′的轨道，辐射出波长为λ的光．以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，E′等于(　　)
A．E－h B．E＋h
C．E－h D．E＋h
3、用频率为ν0的光照射大量处于基态的氢原子，在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为ν1、ν2、ν3的三条谱线，且ν3＞ν2＞ν1，则(　　)
A．ν0＜ν1 B．ν3＝ν2＋ν1
C．ν0＝ν1＋ν2＋ν3 D.＝＋
4、氢原子从n＝3激发态向低能级状态跃迁可能放出的光子中，只有一种光子不能使金属A产生光电效应，则下列说法正确的是(　　)
A．不能使金属A产生光电效应的光子一定是从n＝3激发态直接跃迁到基态时放出的
B．不能使金属A产生光电效应的光子一定是从n＝3激发态直接跃迁到n＝2激发态时放出的
C．从n＝4激发态跃迁到n＝3激发态，所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应
D．从n＝4激发态跃迁到基态，所放出的光子一定不能使金属A产生光电效应
5、紫外线照射一些物质时，会发生荧光效应，即物质发生可见光，这些物质中的原子先后发生两次跃迁，其能量变化分别为ΔE1和ΔE2，下列关于原子这两次跃迁的说法中正确的是(　　)
A．两次均向高能级跃迁，且|ΔE1|>|ΔE2|
B．两次均向低能级跃迁，且|ΔE1|＜|ΔE2|
C．先向高能级跃迁，再向低能级跃迁，且|ΔE1|＜|ΔE2|
D．先向高能级跃迁，再向低能级跃迁，且|ΔE1|＞|ΔE2|
6、原子从一个能级跃迁一个较低能级时，有可能不发射光子．例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子，使之脱离原子，这一现象叫做俄歇效应．以这种方式脱离了原子的电子叫俄歇电子.已知铬原子的能级公式可简化表示为，式中n=1，2，3……表示不同的能级，A是正的已知常数.上述俄歇电子的动能是（ ）
A． B． C． D．
四、天然放射现象
（1）物质发射射线的性质称为放射性(radioactivity)。元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象．具有放射性的元素称为放射性元素．
（2）放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．
1．三种射线的本质
(1)α射线：α射线是高速α粒子流，实际就是氦原子核，电荷数是2，质量数是4.
(2)β射线：β射线是高速电子流．
(3)γ射线：γ射线是能量很高的电磁波．
(4)如图1所示中1是β射线，2是γ射线，3是α射线．
2．三种射线的特点
(1)α射线：α粒子容易使空气电离，但穿透本领很弱．
(2)β射线：β粒子穿透能力较强，但电离作用较弱．
(3)γ射线：γ粒子电离作用很弱，但穿透能力很强．
3、α衰变：X→Y＋He(新核的质量数减少4，电荷数减少2.)
举例：U→Th＋He.
β衰变：X→　AZ＋1Y＋e(新核的质量数不变，电荷数增加1.)
实质是核内的一个中子转化成一个质子和一个电子，其转化方程为：n→H＋e.
举例：Th→Pa＋e.
γ射线是在α或β衰变过程中伴随而生的，且γ粒子是不带电的粒子，因此γ射线并不影响原子核的电荷数，故γ射线不会改变元素在周期表中的位置．
4、半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．不同的放射性元素，半衰期不同．
注意以下两点：
(1)对于同一种元素，其半衰期是一定的，无论是加温、加压，或是处于单质、化合物状态均不影响元素的半衰期，但不同元素的半衰期不同，有的差别很大．
(2)半衰期是一种统计规律．对于大量的原子核发生衰变才具有实际意义，而对于少量的原子核发生衰变，该统计规律不再适用．
5．半衰期公式

【复习巩固题】
1、原子核92U经放射性衰变①变为原子核90Th，继而经放射性衰变②变为原子核91Pa，再经放射性衰变③变为原子核92U.放射性衰变①、②和③依次为(　　)
A．α衰变、β衰变和β衰变
B．β衰变、α衰变和β衰变
C．β衰变、β衰变和α衰变
D．α衰变、β衰变和α衰变
2、放射性元素氡(Rn)经α衰变成为钋(Po)，半衰期约为3.8天，但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素Rn的矿石，其原因是(　　)
A．目前地壳中的Rn主要来自于其他放射性元素的衰变
B．在地球形成的初期，地壳中元素Rn的含量足够高
C．当衰变产物Po积累到一定量以后，Po的增加会减慢Rn的衰变进程
D.Rn主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期
3、如图所示为查德威克实验示意图，用天然放射性元素钋(Po)放射的α射线轰击铍时会产生粒子流A，用粒子流A轰击石蜡时，会打出粒子流B，经研究知道(　　)

A．A为中子，B为质子
B．A为质子，B为中子
C．A为γ射线，B为中子
D．A为中子，B为γ射线
4、（2010福建卷）（1）测年法是利用衰变规律对古生物进行年代测定的方法。若以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻的质量，为t＝0时的质量。下面四幅图中能正确反映衰变规律的是 。（填选项前的字母）K^S*5U.C#

5、静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1，如图所示，则(　　)
A．α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B．原来放射性元素的核电荷数为90
C．反冲核的核电荷数为88
D．α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
五、 核力与结合能
1．比结合能曲线：不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示．

从图中可看出，中等质量原子核的比结合能最大，轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小．
2．当比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时会释放核能．
3．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，中等核子数的原子核，比结合能较大，原子核较稳定．
4．质量亏损
（1）质量亏损
科学家研究证明在核反应中原子核的总质量与组成原子的核子的质量之和并不相等，例如精确计算表明：氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来.
（2）爱因斯坦质能方程： E＝mc2
相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即E＝mc2式中， c为真空中的光速。
爱因斯坦质能方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的。
（3）核反应中由于质量亏损而释放的能量：△E=△m c2
物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化△E与物体的质量变化△m的关系：△E=Δmc2.
单个的质子、中子的质量已经精确测定。用质谱仪或其他仪器测定某种原子核的质量，与同等数量的质子、中子的质量之和相比较，看一看两条途径得到的质量之差，就能推知原子核的结合能。
【复习巩固题】
1、(2014·北京卷)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　)
A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2
2、为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是(　　)
A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能
C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损
D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能
3、(2013·新课标全国卷Ⅱ)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(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能
D．比结合能越大，原子核越不稳定
E．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
4、中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的结合能．下列说法正确的是(　　)
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子
B．用能量等于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
C．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
D．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零
5、一个电子(质量为m、电荷量为－e)和一个正电子(质量为m、电荷量为e)，以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为ν，若这两个光子的能量都为hν，动量分别为p和p′，下面关系中正确的是(　　)
A．hν＝mc2，p＝p′
B．hν＝mc2，p＝p′
C．hν＝mc2＋Ek，p＝－p′
D．hν＝(mc2＋Ek)，p＝－p′
六、 重核裂变与轻核聚变
1．核裂变
重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。
不是所有的核反应都能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。
2、铀核的裂变
（1）铀核的裂变的一种典型反应。

（2）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，叫做核裂变的链式反应。
链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积或铀块的质量大于临界质量．通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。(2)有足够数量的慢中子．
3、．聚变及其条件
（1）两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变。
例：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV
（2）氢的聚变反应：
21H+21H→31He+11H+4 MeV、
21H+31H→42He+10n+17.6 MeV
（3）释放能量：ΔE＝Δmc2＝17.6 MeV，平均每个核子释放能量3 MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍
（4）核聚变发生的条件
微观上：参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15 m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。
宏观上：要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。
【复习巩固题】
1、一个铀235吸收一个中子后发生的一种核反应方程是235 92U＋n→136 54Xe＋Sr＋10n，放出的能量为E，铀235核的质量为M，中子的质量为m，氙136核的质量为m1，锶90核的质量为m2，真空中光速为c，则释放的能量E等于(　　)
A．(M－m1－m2)c2
B．(M＋m－m1－m2)c2
C．(M－m1－m2－9m)c2
D．(m1＋m2＋9m－M)c2
2、1个铀235核吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏伽德罗常数)(　　)
A．NA×196 MeV B．235NA×196 MeV
C．235×196 MeV D．×196 MeV
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H＋C→N＋Q1，H＋N→C＋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
H
He
He
C
N
N
质量
/u
1.007 8
3.016 0
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
以下推断正确的是(　　)
A．X是He，Q2 ＞Q1 B．X是He，Q2 ＞Q1
C．X是He，Q2 ＜Q1 D．X是He，Q2 ＜Q1
七、 基本粒子
粒子
媒介子
轻子
（6种）
强子
参与强作用
光子（传递电磁相互作用）
胶子（传递强相互作用）
电子
电子中微子
μ子和μ子中微子
子和 子中微子

质子
中子
介子
超子
上夸克
下夸克
奇夸克
粲夸克
底夸克
顶夸克
夸克

【复习巩固题】
1、目前普遍认为，质子和中子都由被称为μ夸克和d夸克的两类夸克组成，μ夸克带电量为2e/3，d夸克带电量为-e/3，e为元电荷，则下列论断可能的是（ ）
A．质子由1个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个μ夸克和2个d夸克组成，中子由2个μ夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个μ夸克和1个d夸克组成，中子由1个μ夸克和1个d夸克组成
2、介子衰变方程为：→π-+πo其中介子和π-介子带负的基元电荷，πo介子不带电，如图所示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧Ap，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧pB,两轨迹在p点相切，它们半径Rk-与Rπ-之比为2：1（πo介子的轨迹未画出）由此可知π-的动量大小与πo的动量大小之比为（ ）
A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．1：6