选修35 第十二章 第1讲docWord格式.docx

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T14：

核反应方程

1.2017年高考将此部分纳入必考内容，以选择题为主，试题难度不大。

2.考查频率较高的是光电效应、原子能级、放射性现象、半衰期、核反应方程、核能、裂变、聚变等知识。

爱因斯坦光电效应方程

氢原子光谱

氢原子的能级结构、能级公式

原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期

放射性同位素

核力、

结合能、

质量亏损

裂变反应和聚变反应、裂变反应堆

射线的危害和防护

第1讲　原子结构　原子核

知识排查

原子结构1.电子的发现：

英国物理学家汤姆孙发现了电子。

2.原子的核式结构

（1）α粒子散射实验：

1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，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。

（如图1所示）

图1

（2）原子的核式结构模型：

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。

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×

107m－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。

氢原子的能级、能级公式

1.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＝6.63×

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。

2.氢原子的能级、能级公式

（1）氢原子的能级

能级图如图2所示

图2

（2）氢原子的能级和轨道半径

①氢原子的能级公式：

En＝E1（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、放射性、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

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。

3.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、做示踪原子等。

（3）防护：

防止放射性对人体组织的伤害。

4.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：

X→Y＋He　如：

U→Th＋He；

β衰变：

X→Y＋e　如：

Th→Pa＋e；

（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。

核力和核能

1.核力

原子核内部，核子间所特有的相互作用力。

2.核能

（1）核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2。

（2）原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。

裂变反应和聚变反应、裂变反应堆核反应方程

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：

U＋n→Kr＋Ba＋3n。

（3）链式反应：

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

两个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：

H＋H→He＋n＋17.6MeV

小题速练

1.在卢瑟福α粒子散射实验中，有少数α粒子发生了大角度偏转，其原因是（　　）

A.原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上

B.正电荷在原子内是均匀分布的

C.原子中存在着带负电的电子

D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中

答案　A

2.下列有关氢原子光谱的说法正确的是（　　）

A.氢原子的发射光谱是连续谱

B.氢原子光谱说明氢原子只发出特定频率的光

C.氢原子光谱说明氢原子能量是连续的

D.氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差无关

解析　由于氢原子发射的光子的能量E＝En－Em＝E1－E1＝E1，所以发射的光子的能量值E是不连续的，只能是一些特定频率的谱线，故选项A错误，B正确；

由于氢原子的轨道是不连续的，根据玻尔原子理论知氢原子的能级也是不连续的，即是分立的，故选项C错误；

当氢原子从较高轨道第n能级跃迁到较低轨道第m能级时，发射的光子的能量为E＝En－Em＝hν，显然n、m的取值不同，发射光子的频率就不同，故氢原子光谱线的频率与氢原子能级的能量差有关，选项D错误。

答案　B

3.（多选）如图3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3

A.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10.2eV

C.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C＝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　AC

4.（2017·

上海单科）由放射性元素放出的氦核流被称为（　　）

A.阴极射线　　　B.α射线C.β射线D.γ射线

解析　在天然放射现象中，放出α、β、γ三种射线，其中α射线属于氦核流，选项B正确。

5.（2017·

上海单科）在同位素氢、氘、氚的核内具有相同的（　　）

A.核子数B.电子数C.中子数D.质子数

解析　同位素是指在原子核中的质子数相同而中子数不同的元素，故氢、氘、氚的核内具有相同的质子数，选项D正确。

答案　D

6.（多选）关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是（　　）

A.U―→Th＋He是α衰变

B.N＋He―→O＋H是β衰变

C.H＋H―→He＋n是轻核聚变

D.Se―→Kr＋2e是重核裂变

7.下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是（　　）

A.γ射线是高速运动的电子流

B.氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大

C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变

D.83Bi的半衰期是5天，100克83Bi经过10天后还剩下50克

解析　γ射线是光子流，故选项A错误；

氢原子辐射光子后，由高能级向低能级跃迁，半径减小，绕核运动的动能增大，故选项B正确；

太阳辐射能量主要来源是太阳中发生的轻核聚变，故选项C错误；

100克83Bi经过10天即2个半衰期还剩下×

100克＝25克，故选项D错误。

8.太阳内部持续不断地发生着4个质子（H）聚变为1个氦核（He）的热核反应，核反应方程是4H→He＋2X，这个核反应释放出大量核能。

已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c。

下列说法中正确的是（　　）

A.方程中的X表示中子（n）

B.方程中的X表示电子（e）

C.这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2

D.这个核反应中释放的核能ΔE＝（4m1－m2－2m3）c2

解析　由核反应质量数守恒、电荷数守恒可推断出X为正电子e，A、B错误；

质量亏损为Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝（4m1－m2－2m3）c2，C错误，D正确。

　氢原子的能级及能级跃迁

1.定态间的跃迁——满足能级差

（1）从低能级（n小）高能级（n大）―→吸收能量。

hν＝En大－En小

（2）从高能级（n大）低能级（n小）―→放出能量。

2．电离

电离态：

n＝∞，E＝0

基态→电离态：

E吸＝0－（－13.6eV）＝13.6eV电离能。

n＝2→电离态：

E吸＝0－E2＝3.4eV

如吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。

3．氢原子跃迁时能量的变化

（1）氢原子能量：

En＝Ekn＋Epn＝，随n增大而增大，其中E1＝－13.6eV。

（2）电子动能：

电子绕氢原子核运动时库仑力提供向心力，即k＝m，所以Ek＝随r增大而减小。

（3）电势能：

通过库仑力做功判断电势能的增减，当轨道半径减小时，库仑力做正功，电势能减小；

反之，轨道半径增大时，电势能增加。

【例1】　（多选）氢原子各个能级的能量如图4所示，氢原子由n＝1能级跃迁到n＝4能级，在它回到n＝1能级过程中，下列说法中正确的是（　　）

图4

A．可能激发出频率不同的光子只有6种

C.可能激发出的光子的最大能量为12.75eV

D.可能激发出的光子的最大能量为0.66eV

解析　氢原子由n＝4能级跃迁到n＝1能级，可能发出的谱线条数为C，即6种频率或能量不同的光子，A正确，B错误；

可能激发出的光子的最大能量为n＝4能级跃迁到n＝1能级对应的，C正确，D错误。

解决氢原子能级跃迁问题的四点技巧

（1）原子跃迁时，所吸收或释放的光子能量只能等于两能级之间的能量差。

（2）原子电离时，所吸收的能量可以大于或等于某一能级能量的绝对值。

（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＝C＝。

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。

（5）计算能级能量时应注意：

因一般取无限远处为零电势参考平面，故各能级的能量值均为负值；

能量单位1eV＝1.6×

10－19J。

1.一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子（　　）

A.放出光子，能量增加B.放出光子，能量减少

C.吸收光子，能量增加D.吸收光子，能量减少

解析　氢原子从高能级向低能级跃迁时，放出光子，能量减少，故选项