第35課·原子結(jié)構(gòu)原子核1．原子核式結(jié)構(gòu)模型a．α粒子散射實(shí)驗(yàn)需要記憶的結(jié)論(1)(2013福建理綜，5分)在盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，金箔中的原子核可以看作靜止不動(dòng)，下列各圖畫出的是其中兩個(gè)α粒子經(jīng)歷金箔散射過程的徑跡，其中正確的是()答案：C解析：α粒子受到原子核的斥力作用而發(fā)生散射，離原子核越近的粒子，受到的斥力越大，散射角越大，故C項(xiàng)正確。b．人們認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)、原子核的幾個(gè)重要史實(shí)(2)(多選)(2018匯編，6分)下列實(shí)驗(yàn)、自然現(xiàn)象與結(jié)論相對(duì)應(yīng)正確的是()A．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了電子B．湯姆孫通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型C．玻爾提出了玻爾原子理論，成功地解釋了氫原子光譜D．查德威克發(fā)現(xiàn)的天然放射現(xiàn)象，說明原子核是可以再分的E．居里夫婦發(fā)現(xiàn)的正電子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)eF．盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)HG．貝可勒爾發(fā)現(xiàn)中子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n答案：CEF解析：湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，故A項(xiàng)錯(cuò)誤。盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，故B項(xiàng)錯(cuò)誤。玻爾通過對(duì)氫原子光譜研究提出了玻爾原子理論，成功地解釋了氫原子光譜，故C項(xiàng)正確。貝可勒爾發(fā)現(xiàn)的天然放射現(xiàn)象，說明原子核是可以再分的，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。居里夫婦發(fā)現(xiàn)正電子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e，故E項(xiàng)正確。盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(14,07)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,08)O＋eq\o\al(1,1)H，故F項(xiàng)正確。查德威克發(fā)現(xiàn)中子，其核反應(yīng)方程為eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(12,06)C＋eq\o\al(1,0)n，故G項(xiàng)錯(cuò)誤。2．氫原子光譜氫原子能級(jí)躍遷規(guī)律a．從能量的關(guān)系入手分析氫原子能級(jí)躍遷問題(3)(多選)(2018改編，6分)氫原子的能級(jí)如圖所示，已知可見光的光子能量范圍約為1.64eV～3.19eV。下列說法正確的是()A．處于n＝3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離B．大量處于n＝2能級(jí)的氫原子可以吸收能量為2.55eV的可見光光子，躍遷到第4能級(jí)C．動(dòng)能為10.4eV的電子射向大量處于基態(tài)的氫原子，氫原子不會(huì)發(fā)生躍遷D．動(dòng)能大于等于13.6eV的電子可以使基態(tài)的氫原子發(fā)生電離答案：ABD解析：處于n＝3能級(jí)的氫原子發(fā)生電離時(shí)需要吸收的能量為ΔE＝0－(－1.51)eV＝1.51eV，紫外線的頻率大于可見光的頻率，故紫外線光子的能量大于3.19eV，所以紫外線光子的能量大于處于n＝3能級(jí)的氫原子的電離能，故氫原子會(huì)發(fā)生電離，故A項(xiàng)正確。當(dāng)光子的能量小于氫原子電離時(shí)所需要的能量，光子的能量只能是氫原子能級(jí)之差時(shí)才可以使氫原子發(fā)生躍遷，即ΔE＝Em－En。故處于n＝2能級(jí)的氫原子躍遷到n＝4能級(jí)需要吸收的能量ΔE1＝－0.85eV－(－3.4)eV＝2.55eV，故大量處于n＝2能級(jí)的氫原子可以吸收能量為2.55eV的可見光光子躍遷到第4能級(jí)，故B項(xiàng)正確。由于[－3.4－(－13.6)]eV＝10.2eV<10.4eV，故動(dòng)能為10.4eV的電子射向大量處于基態(tài)的氫原子，氫原子會(huì)發(fā)生躍遷，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。同理動(dòng)能大于等于13.6eV的電子可以使基態(tài)的氫原子發(fā)生電離，故D項(xiàng)正確。(4)(多選)(2018匯編，6分)氫原子能級(jí)如圖所示，當(dāng)氫原子從n＝3躍遷到n＝2的能級(jí)時(shí)，輻射光的波長為656nm。以下判斷正確的是(已知1eV＝1.6×10－19J，h＝6.6×10－34J·s)()A．氫原子從n＝2躍遷到n＝1的能級(jí)時(shí)，輻射光的波長大于656nmB．用波長為325nm的光照射，可使氫原子從n＝1躍遷到n＝2的能級(jí)C．一群處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多產(chǎn)生3種譜線D．用波長為633nm的光照射，不能使氫原子從n＝2躍遷到n＝3的能級(jí)E．一個(gè)處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多產(chǎn)生2種譜線F．一群處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射的光子都可以使逸出功為3.34eV的鋅板發(fā)生光電效應(yīng)答案：CDE解析：由于n＝3與n＝2間的能量差為－1.51eV－(－3.4)eV＝1.89eV，而n＝1與n＝2間的能量差為－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV，根據(jù)ΔE＝hν＝heq\f(c,λ)可知，氫原子從n＝2能級(jí)躍遷到n＝1能級(jí)時(shí)的波長λ＝121nm<656nm，故A項(xiàng)、B項(xiàng)均錯(cuò)誤。一群處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的譜線條數(shù)，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)有n＝Ceq\o\al(2,3)＝eq\f(3×2,2)＝3，故C項(xiàng)正確。要使氫原子從n＝2躍遷到n＝3的能級(jí)，吸收的能量必須與氫原子從n＝3躍遷到n＝2的能級(jí)時(shí)釋放的能量相等，因此只能用波長為656nm的光照，才能使氫原子從n＝2躍遷到n＝3的能級(jí)，故D項(xiàng)正確。一個(gè)氫原子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)輻射出的光譜線的條數(shù)最多的是逐級(jí)躍遷，即最多是n－1種。故一個(gè)處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)最多產(chǎn)生2種譜線，故E項(xiàng)正確。根據(jù)金屬發(fā)生光電效應(yīng)的條件可知，入射光子的能量要大于金屬的逸出功，故氫原子輻射的光子能量大于3.34eV的，都可以使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)。根據(jù)C項(xiàng)可知，一群處于n＝3能級(jí)上的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)輻射3種光子。光子的能量分別為E1＝－3.4eV－(－13.6)eV＝10.2eV，E2＝－1.51eV－(－13.6)eV＝12.09eV，E3＝－1.51eV－(－3.4)eV＝1.89eV，所以其中兩種光子的能量大于鋅板的逸出功，因此只有兩種光子可以使鋅板發(fā)生光電效應(yīng)，故F項(xiàng)錯(cuò)誤。b．根據(jù)庫侖力做功情況解決原子躍遷時(shí)電子勢能與動(dòng)能變化問題(5)(2018改編，6分)處于激發(fā)態(tài)的原子，如果在入射光子的電磁場的影響下，從高能態(tài)向低能態(tài)躍遷，同時(shí)兩個(gè)狀態(tài)之間的能量差以光子的形式輻射出去，這種輻射被稱為受激輻射。原子發(fā)生受激輻射時(shí)，發(fā)出的光子的頻率、發(fā)射方向等都跟入射光子完全一樣，這樣使光得到加強(qiáng)，這就是激光產(chǎn)生的機(jī)理。發(fā)生受激輻射時(shí)，產(chǎn)生激光的原子的總能量En、電子的電勢能Ep、電子的動(dòng)能Ek的變化情況是()A．En減小、Ep增大、Ek減小B．En減小、Ep減小、Ek增大C．En增大、Ep減小、Ek減小D．En增大、Ep增大、Ek增大答案：B解析：原子發(fā)生受激輻射時(shí)，向外輻射能量，可知原子總能量En減小。根據(jù)玻爾理論可知，氫原子的高能級(jí)軌道距離原子核比較遠(yuǎn)，所以氫原子發(fā)生輻射時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑變小。由于原子核對(duì)電子的庫侖力做正功，故電子的電勢能Ep減小、動(dòng)能Ek增大，故B項(xiàng)正確。3．原子核的衰變規(guī)律a．利用磁場和電場判斷射線種類(6)(2014福建理綜，5分)如圖所示，放射性元素鐳衰變過程中放出α、β、γ三種射線，分別進(jìn)入勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中，下列說法正確的是()A．①表示γ射線，③表示α射線B．②表示β射線，③表示α射線C．④表示α射線，⑤表示γ射線D．⑤表示β射線，⑥表示α射線答案：C解析：α射線實(shí)質(zhì)為高速氦核流，帶正電，β射線為電子流，帶負(fù)電，γ射線為高頻電磁波。根據(jù)電荷所受電場力特點(diǎn)，正電荷向負(fù)極板偏轉(zhuǎn)，負(fù)電荷向正極板偏轉(zhuǎn)，不帶電的粒子不偏轉(zhuǎn)，可知①為β射線，②為γ射線，③為α射線。三種射線在磁場中垂直磁場運(yùn)動(dòng)，根據(jù)左手定則，α射線受到洛倫茲力向左偏，β射線受到洛倫茲力向右偏，γ射線不受洛倫茲力，不偏轉(zhuǎn)；故④為α射線，⑤為γ射線，⑥表示β射線。故C項(xiàng)正確。b．依據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒解決衰變方程問題(7)(經(jīng)典題，6分)放射性同位素釷232經(jīng)α、β衰變會(huì)變成氡，其衰變方程為，其中()A．x＝1，y＝3B．x＝2，y＝3C．x＝3，y＝1D．x＝3，y＝2答案：D解析：原子核經(jīng)過一次α衰變，電荷數(shù)減小2，質(zhì)量數(shù)減小4，一次β衰變后電荷數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變，根據(jù)衰變過程中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒有4x＝232－220、90－2x＋y＝86，解得x＝3，y＝2，故D項(xiàng)正確。c．利用m＝求解半衰期問題(8)(2014江蘇單科，4分)氡222是一種天然放射性氣體，被吸入后會(huì)對(duì)人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷，它是世界衛(wèi)生組織公布的主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一，其衰變方程是________。已知的半衰期約為3.8天，則約經(jīng)過________天，16g的衰變后還剩1g。答案：eq\o\al(4,2)He(2分)15.2(2分)解析：根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知，未知粒子的電荷數(shù)為2，質(zhì)量數(shù)為4，為α粒子，即eq\o\al(4,2)He。根據(jù)m＝得＝eq\f(m,m0)＝eq\f(1,16)，解得時(shí)間t＝15.2天。(9)(經(jīng)典題，4分)某考古隊(duì)發(fā)現(xiàn)一古生物骸骨?？脊艑＜腋鶕?jù)骸骨中eq\o\al(14,6)C的含量推斷出了該生物死亡的年代。已知此骸骨中eq\o\al(14,6)C的含量為活著的生物體中eq\o\al(14,6)C的eq\f(1,4)，eq\o\al(14,6)C的半衰期為5730年，該生物死亡時(shí)距今約________年。答案：11460(4分)解析：根據(jù)m＝得＝eq\f(1,4)，即t＝2τ，因?yàn)棣樱?730年，故t＝11460年。4．核反應(yīng)方程與核能計(jì)算a．根據(jù)比結(jié)合能解決原子核穩(wěn)定性問題(10)(2017春渝中區(qū)校級(jí)期中，6分)原子核的比結(jié)合能與核子數(shù)的關(guān)系如圖。由此可知()A．越重的原子核，如鈾核()，因?yàn)樗暮俗佣啵肆Υ?，所以結(jié)合得堅(jiān)固而穩(wěn)定B．越輕的原子核，如鋰核()，因?yàn)樗暮俗又挥?個(gè)，比鈾核簡單，因而比鈾核結(jié)合得更穩(wěn)定C．原子核發(fā)生衰變的過程是比結(jié)合能增大的過程D．原子核A和B結(jié)合成C，原子核F分裂成E和D，都會(huì)釋放核能答案：D解析：較重的原子核，如鈾核()，它的核子多，核力大，但由題圖可知，核子多的原子核，比結(jié)合能小，所以結(jié)合得不堅(jiān)固，也不穩(wěn)定，故A項(xiàng)錯(cuò)誤。較輕的原子核，如鋰核()，因?yàn)樗暮俗又挥?個(gè)，比鈾核簡單，但鋰核()的比結(jié)合能比鈾核小，因而比鈾核結(jié)合得更不堅(jiān)固，更不穩(wěn)定，故B項(xiàng)錯(cuò)誤。原子核發(fā)生衰變的過程，比結(jié)合能不一定增大，比如發(fā)生β衰變，原子的核子數(shù)沒有發(fā)生改變，所以比結(jié)合能也沒有增大，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。原子核A和B結(jié)合成C，原子核F分裂成E和D，都是比結(jié)合能小的原子核生成比結(jié)合能大的原子核，所以都會(huì)釋放核能，故D項(xiàng)正確。b．通過核反應(yīng)特點(diǎn)辨析核反應(yīng)類型(11)(2018改編，8分)在下列描述核反應(yīng)方程中，屬于α衰變的是________，屬于β衰變的是________，屬于裂變的是________，屬于聚變的是________(填正確答案標(biāo)號(hào))。A.B.C.D.E.F.G.答案：C(2分)AB(2分)E(2分)F(2分)解析：原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變。衰變的重要特征是“→”前只有一個(gè)原子核，“→”后有一個(gè)α粒子或β粒子與一個(gè)新核，A和B的反應(yīng)生成物里都有電子，屬于β衰變；C的反應(yīng)生成物里有α粒子，是α衰變。裂變是質(zhì)量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個(gè)質(zhì)量數(shù)較小的原子核，屬于裂變的是E；聚變是兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程，屬于聚變的是F。c．根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒書寫核反應(yīng)方程(12)(2013重慶理綜，6分)鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應(yīng)，則a＋b可能是()A.B.C.D.答案：D解析：核反應(yīng)遵循電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒。A項(xiàng)中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)不守恒，B項(xiàng)中質(zhì)量數(shù)不守恒，C項(xiàng)中電荷數(shù)不守恒，故D項(xiàng)正確。d．利用質(zhì)能方程求解核反應(yīng)釋放能量的問題(13)(2014北京理綜，6分)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。當(dāng)一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核時(shí)，釋放的能量是(c表示真空中的光速)()A．(m1＋m2－m3)cB．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2答案：C解析：根據(jù)題意可得核反應(yīng)方程為，可得質(zhì)量虧損Δm＝m1＋m2－m3，根據(jù)質(zhì)能方程可得釋放的能量ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，故C項(xiàng)正確。e．根據(jù)動(dòng)量守恒定律解決衰變中的動(dòng)量和能量問題(14)(2017全國Ⅱ，6分)一靜止的鈾核放出一個(gè)α粒子衰變成釷核，衰變方程為eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，下列說法正確的是()A．衰變后釷核的動(dòng)能等于α粒子的動(dòng)能B．衰變后釷核的動(dòng)量大小等于α粒子的動(dòng)量大小C．鈾核的半衰期等于其放出一個(gè)α粒子所經(jīng)歷的時(shí)間D．衰變后α粒子與釷核的質(zhì)量之和等于衰變前鈾核的質(zhì)量答案：B解析：將α粒子與釷核看成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)不受外力作用，所以動(dòng)量守恒。根據(jù)動(dòng)量守恒定律可知，α粒子與釷核的動(dòng)量大小相等，方向相反，故B項(xiàng)正確。根據(jù)動(dòng)量公式p＝mv與動(dòng)能公式Ek＝eq\f(1,2)mv2可得Ek＝eq\f(p2,2m)，釷核的質(zhì)量大于α粒子的質(zhì)量，所以釷核的動(dòng)能小于α粒子的動(dòng)能，故A項(xiàng)錯(cuò)誤。鈾核的半衰期等于一半數(shù)量的鈾核發(fā)生衰變需要的時(shí)間，而放出一個(gè)α粒子所經(jīng)歷的時(shí)間是一個(gè)原子核衰變的時(shí)間，所以兩者不相等，故C