2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第13章 波粒二象性 原子結(jié)構(gòu) 原子核教案 新人教版.doc
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2019-2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第13章 波粒二象性 原子結(jié)構(gòu) 原子核教案 新人教版 教學(xué)目標(biāo) 1. 理解光子說(shuō)及對(duì)光電效應(yīng)的解釋. 2. 理解愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程并會(huì)用來(lái)解決簡(jiǎn)單問(wèn)題． 重點(diǎn)：光電效應(yīng)現(xiàn)象,光電效應(yīng)規(guī)律,光子說(shuō). 難點(diǎn)：光電效應(yīng)方程的應(yīng)用 知識(shí)梳理 一、光電效應(yīng) 1. 光照使物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)現(xiàn)象；所發(fā)射的電子叫光電子；光電子定向移動(dòng)所形成的電流叫光電流。 2. 光電效應(yīng)現(xiàn)象所遵循的基本規(guī)律。 物體在光照的條件下發(fā)射電子而發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)遵循如下規(guī)律： （1）對(duì)于任何一種金屬，入射光的頻率必須大于某一極限頻率才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，低于這個(gè)極限頻率，無(wú)論強(qiáng)度如何，無(wú)論照射時(shí)間多長(zhǎng)，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)； （2）在單位時(shí)間里從金屬極板中發(fā)射出的光電子數(shù)跟入射光的強(qiáng)度成正比； （3）發(fā)射出的光電子的最大初動(dòng)能與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只隨入射光頻率的增大而增大； （4）只要入射光的頻率高于金屬極板的極限頻率，無(wú)論其強(qiáng)度如何，光電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的，不超過(guò)10—9s. 二、光子說(shuō) 1.光子說(shuō) ⑴光子：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個(gè)光量子，簡(jiǎn)稱(chēng)光子。 ⑵光子的能量： h為普朗克常量。h=6.6310-34Js每個(gè)光子的能量只決定于光的頻率。 ⑶光強(qiáng) 同樣頻率的光，光的強(qiáng)弱的不同則反映了單位時(shí)間內(nèi)射到單位面積的光子數(shù)的多少． 2. 光子說(shuō)對(duì)光電效應(yīng)的解釋 光子照射到金屬上時(shí)，光子一次只能將其全部能量傳遞給一個(gè)電子，一個(gè)電子一次只能獲取一個(gè)光子的能量，它們之間存在著一對(duì)一的關(guān)系．電子吸收光子后，能量增加，如果能量足夠大，就能擺脫金屬中正電荷對(duì)其的束縛，從金屬表面逸出，成為光電子． 如果光子的能量較小(頻率較低)，電子吸收光子后的能量不足以克服金屬中正電荷對(duì)其的束縛，則立即會(huì)將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，而不能從金屬中逸出，這就是入射光的頻率較低時(shí)，盡管照射時(shí)間足夠長(zhǎng)，也不能發(fā)生光電效應(yīng)的原因． 每一種金屬，正電荷對(duì)電子的束縛能力都不同，因此，電子逸出所需做的最小功也不一樣．光子頻率小于該頻率，無(wú)論如何都不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)，這就是每一種金屬都存在極限頻率的原因． 金屬中的電子對(duì)于光子的吸收是十分迅速的，電子一次性獲得的能量足夠時(shí)，逸出也是十分迅速的，這就是光電效應(yīng)具有瞬時(shí)效應(yīng)的原因． 三、光電效應(yīng)方程 1. 金屬的逸出功 光電效應(yīng)中，金屬中的電子在飛出金屬表面時(shí)要克服原子核對(duì)它的吸引而做功。 某種金屬中的不同電子，脫離這種金屬所需的功不一樣。 使電子脫離某種金屬所做功的最小值，叫做這種金屬的逸出功 2. 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程 動(dòng)能最大的光電子所具有的動(dòng)能Ek＝hv－w 四、康普頓效應(yīng) 在研究電子對(duì)X射線(xiàn)的散射時(shí)發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長(zhǎng)比入射波的波長(zhǎng)略大。康普頓認(rèn)為這是因?yàn)楣庾硬粌H有能量，也具有動(dòng)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這個(gè)設(shè)想是正確的。因此康普頓效應(yīng)也證明了光具有粒子性。 康普頓效應(yīng)是光子與自由電子之間的相互作用，光子被電子全部吸收后，又重新放出新光子（散射光子不是轉(zhuǎn)移部分能量的入射光子）康普頓效應(yīng)整個(gè)過(guò)程的能量和動(dòng)量守恒。 五、光的波粒二象性 1. 光的波粒二象性 干涉、衍射和偏振以無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無(wú)可辯駁的事實(shí)表明光是一種粒子；因此現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光具有波粒二象性。 2. 正確理解波粒二象性 波粒二象性中所說(shuō)的波是一種概率波，對(duì)大量光子才有意義。波粒二象性中所說(shuō)的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。 ⑴個(gè)別光子的作用效果往往表現(xiàn)為粒子性；大量光子的作用效果往往表現(xiàn)為波動(dòng)性。 ⑵ν高的光子容易表現(xiàn)出粒子性；ν低的光子容易表現(xiàn)出波動(dòng)性。 ⑶光在傳播過(guò)程中往往表現(xiàn)出波動(dòng)性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)往往表現(xiàn)為粒子性。 ⑷由光子的能量E=hν，光子的動(dòng)量表示式也可以看出，光的波動(dòng)性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動(dòng)量的計(jì)算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長(zhǎng)λ。 由以上兩式和波速公式c=λν還可以得出：E = p c。 六、物質(zhì)波（德布羅意波） 由光的波粒二象性的思想推廣到微觀(guān)粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)λ=。 題型講解 1. 光電效應(yīng)的規(guī)律 關(guān)于光電效應(yīng)，有如下幾種陳述，其中正確的是（ ） A．金屬電子的逸出功與入射光的頻率成正比 B．光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān) C．用不可見(jiàn)光照射金屬一定比用可見(jiàn)光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的初動(dòng)能要大 D．對(duì)于任何一種金屬都存在一個(gè)“最大波長(zhǎng)”，入射光的波長(zhǎng)必須小于這個(gè)波長(zhǎng)，才能產(chǎn)生光電效應(yīng) 【解析】金屬的逸出功由該金屬?zèng)Q定，與入射光源頻率無(wú)關(guān)，光電流的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤。不可見(jiàn)光包括能量大的紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)，也包括能量比可見(jiàn)光小的紅外線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電波，選項(xiàng)C錯(cuò)誤。所以應(yīng)選D。 【答案】D 2. 光電效應(yīng)方程 （1）已知金屬銫的逸出功為1.9eV，在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，要使銫表面發(fā)出的光電子的最大功能為1.0eV，入射光的波長(zhǎng)應(yīng)為_(kāi)_________m 【解析】由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程可得： =W+m ∴=1.9+1.0=2.9eV=2.91.610—19J ∴λ==4.310—7 m 【答案】 （2）如圖所示，電路中所有元件完好，光照射到陰極上時(shí)，靈敏電流計(jì)中沒(méi)有電流通過(guò)，其原因可能是（ ） A. 入射光太弱； B. 入射光波長(zhǎng)太長(zhǎng)； C. 光照時(shí)間短； D. 電源正負(fù)極接反。 【解析】 在本題電路中形成電流的條件，一是陰極在光的照射下有光電子逸出，這決定于入射光的頻率是否高于陰極材料的極限頻率，與入射光的強(qiáng)弱、照射時(shí)間長(zhǎng)短無(wú)關(guān)；二是逸出的光電子應(yīng)能在電路中定向移動(dòng)到達(dá)陽(yáng)極。光電子能否到達(dá)陽(yáng)極，應(yīng)由光電子的初動(dòng)能大小和兩極間所加電壓的正負(fù)和大小共同決定。一旦電壓正負(fù)極接反，即使具有很大初動(dòng)能的光電子也可能不能到達(dá)陽(yáng)極，即使發(fā)生了光電效應(yīng)現(xiàn)象，電路中也不能形成光電流。故該題的正確答案是B、D。 【答案】BD 3. 光子說(shuō) 原子在不停地做熱運(yùn)動(dòng)，為了能高精度地研究孤立原子的性質(zhì)，必須使他們幾乎靜止下來(lái)并能在一個(gè)小的空間區(qū)域停留一段時(shí)間。例如：納米技術(shù)中需要移動(dòng)或修補(bǔ)分子，科學(xué)家已發(fā)明了一種稱(chēng)為“激光制冷”的儀器，原理如下：在一個(gè)真空室內(nèi)，一束非常準(zhǔn)直的-23原子束（通過(guò)樣品在1000K高溫下蒸發(fā)而獲得，原子做熱運(yùn)動(dòng)的速率近似為，受一束激光的正面照射，如圖所示，設(shè)原子處在基態(tài)，運(yùn)動(dòng)方向與激光光子的運(yùn)動(dòng)方向相反，選好激光頻率使光子能量E等于納原子第一 激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能量差，原子就能吸收它而發(fā)生躍遷，躍遷后原子的速度變?yōu)?，隨后該原子發(fā)射光子并回到基態(tài)，設(shè)所發(fā)射光子的運(yùn)動(dòng)方向與速度的方向總是相同，此時(shí)原子的速度為，接著重復(fù)上述過(guò)程，直到原子的速度減小到零，求： (1)吸收與發(fā)射光子的總次數(shù)為多少 (2)原子停留在激發(fā)態(tài)上的時(shí)間稱(chēng)為原子在這種狀態(tài)下的壽命，大小約為。忽略每次吸收與發(fā)射光子的時(shí)間，接上述方式，原子從初速度減小到零，共需多長(zhǎng)時(shí)間？該時(shí)間內(nèi)原子總共走過(guò)的路程約為多少？（，納原子的質(zhì)量，阿伏加德羅常數(shù)，光速） 【解析】設(shè)吸收與發(fā)射光子的總數(shù)為，光速為， （1）光子的動(dòng)量 ① 納原子吸收光子時(shí) ② 納原子放出光子時(shí) ③ ④ ⑤ （2）設(shè)原子停留在激發(fā)態(tài)的時(shí)間為，原子總路程為L(zhǎng)，則 ⑥ 4. 康普頓效應(yīng) 頻率為的光，射到一平面鏡上，設(shè)單位時(shí)間內(nèi)達(dá)到鏡面單位面積上的入射光光子數(shù)目為，平面鏡的反射率為，光對(duì)平面鏡的入射角為，試求（1）光對(duì)平面鏡的壓力（2）光作用在平面鏡上的切向力。 【解析】光子說(shuō)認(rèn)為光子具有動(dòng)量的觀(guān)點(diǎn)，除解釋康普頓效應(yīng)外，還可以說(shuō)明光壓的作用，即當(dāng)光子流遇到障礙物時(shí)，會(huì)對(duì)障礙物施加壓力的作用，如同氣體分子在容器壁上碰撞形成氣體對(duì)器壁的壓強(qiáng)一樣，光壓就是光子流產(chǎn)生的壓強(qiáng)，本題是光子存在動(dòng)量的一個(gè)例證。 （1）設(shè)時(shí)間打在平面鏡單位面積上的光子數(shù)為，動(dòng)量的法向分量為，反射德光子數(shù)為，動(dòng)量德法向分量為，方向?yàn)橄喾?。由?dòng)量定理，光對(duì)平面鏡單位面積德正壓力即光壓為 （2）光作用在平面鏡上的切向力由所吸收光子的切向沖量引起，由動(dòng)量定理 第35講 原子結(jié)構(gòu) 能級(jí) 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道α粒子散射實(shí)驗(yàn). 2. 知道原子的核式結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容，理解模型提出的主要思想。 3. 理解能級(jí)的概念和原子發(fā)射與吸收光子的頻率與能級(jí)差的關(guān)系． 4. 知道原子光譜為什么是一些分立的值．知道原子光譜的一些應(yīng)用． 5. 知道原子光譜為什么是一些分立的值．知道原子光譜的一些應(yīng)用． 重點(diǎn)：盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和所說(shuō)明的問(wèn)題，玻爾理論 難點(diǎn)：α粒子散射實(shí)驗(yàn)，對(duì)原子發(fā)光現(xiàn)象解釋?zhuān)? 知識(shí)梳理 一、α粒子散射實(shí)驗(yàn) 1. 實(shí)驗(yàn)裝置： 放射源：釙放在帶小孔的鉛盒中，放射出高能粒子(α粒子)帶正電，mα>>me 金箔：厚度極小，可至1微米(金原子的質(zhì)量大，且易延成很薄的箔)． 顯微鏡：能繞金箔在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)． 熒光屏：熒光屏裝在顯微鏡上． 2. 實(shí)驗(yàn)步驟 (1)釙放出的α粒子從鉛盒的小孔射出，形成很細(xì)的一束射線(xiàn)，射到熒光屏上產(chǎn)生閃光，通過(guò)顯微鏡觀(guān)察(偏離正對(duì)位置，無(wú)閃光)． (2)放上金箔F，正對(duì)位置可觀(guān)察到大量的閃光點(diǎn)． (3)轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡，在不同偏轉(zhuǎn)角θ處，可看到α粒子散射現(xiàn)象． 3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ⑴絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)． (2)少數(shù)α粒子發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn) 二、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型 1. 在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)。 原子核的發(fā)現(xiàn)有重大意義，因?yàn)樗_(kāi)辟了原子核物理的新領(lǐng)域，盧瑟福被人們尊稱(chēng)為原子核物理之父． 2. 原子核式結(jié)構(gòu)的模型，是建立在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的． 3. 原子、原子核的大小：原子直徑數(shù)量級(jí) 10—10m 原子核直徑數(shù)量級(jí) 10—15m 原子核直徑是原子直徑的十萬(wàn)分之一． 如果原子是直徑100m的操場(chǎng)，原子核只有一個(gè)直徑為幾毫米的玻璃球那么大． 4. 原子核是由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子。 三、原子光譜 1. 光譜:按一定次序排列的彩色光帶. ⑴發(fā)射光譜:由發(fā)光物體直接產(chǎn)生的光譜叫做發(fā)射光譜。 連續(xù)光譜：熾熱的固體、液體及高壓氣體的，由波長(zhǎng)連續(xù)分布的光組成的光譜．例如電燈燈絲發(fā)出的光，熾熱鋼水發(fā)出的光。 明線(xiàn)光譜：稀薄氣體發(fā)光，產(chǎn)生一些不連續(xù)的亮線(xiàn)組成的光譜．把固態(tài)或液態(tài)物質(zhì)放到煤氣燈的火焰或電弧中去燒，使它們氣化后發(fā)光，就可以得到它們的明線(xiàn)光譜．明線(xiàn)光譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)出的，也叫原子光譜．每種元素的原子只能發(fā)出某些具有特定波長(zhǎng)的光譜線(xiàn),這些譜線(xiàn)叫做那種元素的特征譜線(xiàn). ⑵吸收光譜: 每種氣體都從通過(guò)它的白光中吸收跟它的特征譜線(xiàn)波長(zhǎng)相同的那些光，使白光的連續(xù)光譜中出現(xiàn)暗線(xiàn)．連續(xù)光譜中某些波長(zhǎng)的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜． 白光通過(guò)每一種氣體時(shí)，光譜中都會(huì)產(chǎn)生一組暗線(xiàn)，每條暗線(xiàn)的波長(zhǎng)都跟那種氣體原子的一條特征譜線(xiàn)相對(duì)應(yīng)． 吸收光譜中的暗線(xiàn)也是原子的特征譜線(xiàn).只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線(xiàn)比明線(xiàn)光譜中的要少一些． 2. 玻爾理論解釋氫原子光譜 某種稀薄氣體盡管元素成分較單一，但各原子分別處于不同的能量狀態(tài)．它們由高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷會(huì)出現(xiàn)多種可能，每一種可能對(duì)應(yīng)發(fā)出某一頻率的光子．而這些可能又由對(duì)應(yīng)的能級(jí)差決定．能級(jí)是不連續(xù)的，能級(jí)差也是不連續(xù)的，所以導(dǎo)致原子光譜的亮線(xiàn)是不連續(xù)的． 3. 光譜分析 由于每種元素都有自己的特征譜線(xiàn)，因此可以根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成．這種方法叫做光譜分析．這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常靈敏而且迅速． 做光譜分析時(shí)，可以利用發(fā)射光譜，也可以利用吸收光譜． 銣和銫就是從光譜中看到了以前所不知道的特征譜線(xiàn)而發(fā)現(xiàn)的． 太陽(yáng)經(jīng)大氣層時(shí)產(chǎn)生的吸收光譜． 四、玻爾模型 1. 玻爾模型(引入量子理論，量子化就是不連續(xù)性，整數(shù)n叫量子數(shù))玻爾補(bǔ)充三條假設(shè) 定態(tài)--原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)(稱(chēng)為定態(tài)),電子雖然繞核運(yùn)轉(zhuǎn),但不會(huì)向外輻射能量. 。(本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提出的) 躍遷--原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài),要輻射(或吸收)一定頻率的光子(其能量由兩定態(tài)的能量差決定) (本假設(shè)針對(duì)線(xiàn)狀譜提出) 能量和軌道量子化----定態(tài)不連續(xù),能量和軌道也不連續(xù);(即原子的不同能量狀態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng),原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子的可能軌道分布也是不連續(xù)的) 氫原子的能級(jí)圖 n E/eV ∞ 0 1 -13.6 2 -3.4 3 -1.51 4 -0.85 3 E1 E2 E3 (針對(duì)原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)的補(bǔ)充) 2. 光子的發(fā)射與吸收(特別注意躍遷條件):原子發(fā)生定態(tài)躍遷時(shí),要輻射(吸收)一定頻率的光子:hf＝E初-E末 （1）軌道量子化rn=n2r1 r1=0.5310-10m （2）能量量子化： E1=-13.6eV （3）原子在兩個(gè)能級(jí)間躍遷時(shí)輻射或吸收光子的能量hν=Em-En 3. 從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子；從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加熱的方法，使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的相互碰撞可以傳遞能量）。原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)只能吸收一定頻率的光子；而從某一能級(jí)到被電離可以吸收能量大于或等于電離能的任何頻率的光子。（如在基態(tài)，可以吸收E ≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于電離外，都轉(zhuǎn)化為電離出去的電子的動(dòng)能）。 4. 玻爾理論的局限性。由于引進(jìn)了量子理論（軌道量子化和能量量子化），玻爾理論成功地解釋了氫光譜的規(guī)律。但由于它保留了過(guò)多的經(jīng)典物理理論（牛頓第二定律、向心力、庫(kù)侖力等），所以在解釋其他原子的光譜上都遇到很大的困難。 氫原子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量(最小)與核外電子軌道半徑間的關(guān)系是:En=E1/n2，rn=n2r1， 其中E1=－13.6eV, r1=5.310－10m, (大量)處于n激發(fā)態(tài)原子躍遷到基態(tài)時(shí)的所有輻射方式共有=n (n－1)/2種 E51=13.06 E41=12.75 E31=12.09 E21=10.2； (有規(guī)律可依) E52=2.86 E42=2.55 E32=1.89； E53=0.97 E43=0.66； E54=0.31 氫原子在n能級(jí)的動(dòng)能、勢(shì)能，總能量的關(guān)系是：EP=－2EK，E=EK+EP=－EK。(類(lèi)似于衛(wèi)星模型) 由高能級(jí)到低能級(jí)時(shí)，動(dòng)能增加，勢(shì)能降低，且勢(shì)能的降低量是動(dòng)能增加量的2倍，故總能量(負(fù)值)降低。 注：1. 原子從低能級(jí)向高能級(jí)的躍遷： 當(dāng)光子作用使原子發(fā)生躍遷時(shí)，只有光子的能量滿(mǎn)足的躍遷條件時(shí)，原子才能吸收光子的全部能量而發(fā)生躍遷.（電離除外，比如光子能量為14eV的光子照射基態(tài)氫原子，會(huì)使基態(tài)的氫原子電離，電離后電子還具有14eV-13.6eV=0.6eV的初動(dòng)能.） 當(dāng)電子等實(shí)物粒子作用在原子上，只要入射粒子的動(dòng)能大于或等于原子某兩定態(tài)能量之差，即可使原子受激發(fā)而向較高能級(jí)躍遷. 2. 原子從高能級(jí)向低能級(jí)的躍遷： 當(dāng)一群氫原子處于某個(gè)能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能產(chǎn)生的譜線(xiàn)條數(shù)為n(n-1)/2； 當(dāng)一個(gè)氫原子處于某個(gè)能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，最多可產(chǎn)生的譜線(xiàn)條數(shù)為（n-1），若氫原子的從高能級(jí)向某一確定的低能級(jí)躍遷，只能產(chǎn)生一條譜線(xiàn) 題型講解 1. α粒子散射實(shí)驗(yàn) α粒子 原子核 A 如圖所示，為α粒子散射實(shí)驗(yàn)的示意圖，A點(diǎn)為某α粒子運(yùn)動(dòng)中離原子核最近的位置，則該α粒子在A點(diǎn)具有 ( ) A．最大的速度 B．最大的加速度 C．最大的動(dòng)能 D．最大的電勢(shì)能 【解析】α粒子在接近原子核的過(guò)程中受到原子核庫(kù)侖排斥力的作用，這個(gè)力對(duì)α粒子做負(fù)功，使α粒子的速度減小，動(dòng)能減小，電勢(shì)能增大，顯然，正確選項(xiàng)應(yīng)該為BD 【答案】BD 2. 原子核式結(jié)構(gòu)模型 下列現(xiàn)象中，與原子核內(nèi)部變化有關(guān)的是（ ） A．粒子散射現(xiàn)象 B．天然放射現(xiàn)象 C．光電效應(yīng)現(xiàn)象 D．原子發(fā)光現(xiàn)象 【解析】α粒子散射實(shí)驗(yàn)表明了原子內(nèi)部有一個(gè)很小的核，并沒(méi)有涉及到核內(nèi)部的變化，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；天然放射現(xiàn)象是原子核內(nèi)部發(fā)生變化自發(fā)的放射出α粒子或電子，從而發(fā)生α衰變或β衰變，故B項(xiàng)正確；光電效應(yīng)是原子核外層電子脫離原子核的束縛而逸出，沒(méi)有涉及到原子核的變化，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；原子發(fā)光是原子躍遷形成的也沒(méi)有涉及到原子核的變化，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。 【答案】B 3. 波爾模型 （1）氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)的軌道過(guò)程中： （ ） Ａ.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能增大 Ｂ.原子要放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能減小 Ｃ.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能減小 Ｄ.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能增大 【解析】根據(jù)玻爾理論，氫原子核外電子在離核越遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)能量越大，必須吸收一定能量的光子后，電子才能從離核較近的軌道躍遷到離核較遠(yuǎn)的軌道，選項(xiàng)Ｂ可先排除.氫原子核外電子的繞核運(yùn)動(dòng)，由原子核對(duì)電子的庫(kù)侖力作向心力，即，電子的動(dòng)能，離核越遠(yuǎn)，即r越大時(shí)，電子的動(dòng)能越小.由此又可排除選項(xiàng)Ａ、Ｃ.電子在不同軌道之間躍遷時(shí)，整個(gè)原子系統(tǒng)電勢(shì)能的變化可從兩方面加以判斷： ①根據(jù)庫(kù)侖力做功的正負(fù)，庫(kù)侖力做正功（電子從離核較遠(yuǎn)的軌道被“吸”到離核較近的軌道），電勢(shì)能減?。粠?kù)侖力做負(fù)功（電子從離核較近的軌道克服庫(kù)侖力運(yùn)動(dòng)到離核較遠(yuǎn)的軌道），電勢(shì)能增加. ②根據(jù)各能級(jí)能量的關(guān)系：電子在離核不同距離的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)原子系統(tǒng)的總能量等于電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和系統(tǒng)的電勢(shì)能之和，即：Ｅn=Ｅkn+Ｅpn, 離核越遠(yuǎn)時(shí)（即量子數(shù)n越大），原子系統(tǒng)的總能量Ｅn越大，而電子的動(dòng)能Ｅkn越小，可見(jiàn)，系統(tǒng)的電勢(shì)能Ｅpn一定越大.所以，本題正確答案是Ｄ. 【答案】D 點(diǎn)評(píng)：1. 量子化的氫原子能量的不連續(xù)的 量子化的氫原子，量子數(shù)越大，電子離核越遠(yuǎn)，原子的總能量越大；量子數(shù)越小，電子離核越近，總能量越?。辉谝?guī)定離核無(wú)窮遠(yuǎn)處的電勢(shì)能為零時(shí)，氫原子的總能量是負(fù)值． 2.庫(kù)侖力做的功等于電勢(shì)能變化量的相反數(shù)． （2）氫原子的能級(jí)如下圖所示，已知可見(jiàn)光的光子能量范圍約為1.62 eV～3.11 eV，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( ) A．處于n＝3能級(jí)的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線(xiàn)，并發(fā)生電離 B．大量氫原子從高能級(jí)向n＝3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng) C．大量處于n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的光 D．大量處于n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，可能發(fā)出3種不同頻率的可見(jiàn)光 【解析】處于n＝3能級(jí)的氫原子吸收光子而發(fā)生電離的最小能量是1.51 eV，又因紫外線(xiàn)的頻率大于可見(jiàn)光的頻率，所以紫外線(xiàn)的光子能量E≥3.11 eV，故A正確． 由能級(jí)躍遷理論知，氫原子由高能級(jí)向n＝3能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出光子的能量E≤1.51 eV，所以發(fā)出光子能量小于可見(jiàn)光的光子能量．由E＝hν知，發(fā)出光子頻率小于可見(jiàn)光的光子頻率，發(fā)出光子為紅外線(xiàn)，具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，故B正確． 由能級(jí)躍遷理論知，n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，最多可發(fā)出6種頻率的光子，故C正確． 由能級(jí)躍遷理論知，大量處于n＝4能級(jí)的氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)，發(fā)出光子的能量分別為：0.66 eV(4→3)，2.55 eV(4→2),12.75 eV(4→1),1.89 eV(3→2),12.09 eV(3→1)，10.2 eV(2→1)，所以只有3→2和4→2躍遷時(shí)發(fā)出的2種頻率的光子屬于可見(jiàn)光，故D錯(cuò)誤． 【答案】D 點(diǎn)評(píng)：①原子由定態(tài)n(n≥2)向低能級(jí)躍遷時(shí)可能輻射的光子頻率的種類(lèi)為． ②原子躍遷時(shí)，所吸收或釋放的光子能量只能等于兩能級(jí)之間的能量差． ③原子電離時(shí)，所吸收的能量可以大于或等于某一能級(jí)能量的絕對(duì)值． ④計(jì)算時(shí)應(yīng)注意：因一般取 ∞ 遠(yuǎn)處為零電勢(shì)參考面，故各能級(jí)的能量值均為負(fù)值；能量單位 1 eV＝1.610－19 J． 4. 關(guān)于氫原子躍遷時(shí)產(chǎn)生譜線(xiàn)的數(shù)目、光子能量、光子波長(zhǎng)的計(jì)算 用大量具有一定能量的電子轟擊大量處于基態(tài)的氫原子，觀(guān)測(cè)到了一定數(shù)目的光譜線(xiàn).調(diào)高電子的能量再次進(jìn)行規(guī)測(cè)，發(fā)現(xiàn)光譜線(xiàn)的數(shù)目原來(lái)增加了5條.用△n表示兩次觀(guān)測(cè)中最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n之差，E表示調(diào)高后電子的能量.根據(jù)氫原子的能級(jí)圖1可以判斷，△n和E的可能值為 A. △n＝1，13.22cV＜E＜13.32cV B. △n＝2，13.22eV＜E＜13.32eV C. △n＝1，12.75cV＜E＜13.06cV D. △n＝2，12.75cV＜E＜13.06cV 【解析】當(dāng)量子數(shù)為n時(shí)，產(chǎn)生的光子頻率的個(gè)數(shù)為n(n-1)/2，可以列出下面的表格： N 1 2 3 4 5 6 7 N(n-1)/2 0 1 3 6 10 15 21 由表格中可以發(fā)現(xiàn)光譜線(xiàn)的數(shù)目比原來(lái)增加了5條所對(duì)應(yīng)的量子數(shù)為n=2和n=4；n=6和n=5，經(jīng)檢驗(yàn)，其他的量子數(shù)不存在光譜線(xiàn)的數(shù)目比原來(lái)增加了5條這一情況. 顯然，對(duì)于量子數(shù)為n=6和n=5，△n＝1，調(diào)高后電子的能量E大于E5-E1=13.22eV，而小于E7-E1=13.32eV，故A正確. 同理，對(duì)于量子數(shù)為n=4和n=2，△n＝2，調(diào)高后電子的能量E大于E4-E1=12.75eV，而小于E5-E1=13.06eV，故D正確 【答案】AD 第36講 原子核 核能 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律，知道天然放射現(xiàn)象的原因是原子核的衰變． 2. 知道三種射線(xiàn)的本質(zhì)和特點(diǎn)． 3. 知道原子核的衰變規(guī)律，知道衰變本質(zhì)，會(huì)寫(xiě)兩種衰變方程．了解半衰期的概念． 4. 知道原子核的人工轉(zhuǎn)變,知道核能；了解愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程,知道質(zhì)量虧損；會(huì)根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計(jì)算核反應(yīng)中釋放的核能. 5. 知道原子核的人工轉(zhuǎn)變,知道核能的概念.知道裂變和聚變 重點(diǎn)：1. 了解天然放射現(xiàn)象和它的本質(zhì);知道三種射線(xiàn)的本質(zhì)和特點(diǎn) 2. 了解原子核的人工轉(zhuǎn)變和質(zhì)能能方程，會(huì)用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算 難點(diǎn)：1. 三種射線(xiàn)的比較 2. 分析核反應(yīng)過(guò)程和核能的計(jì)算。 知識(shí)梳理 一、天然放射現(xiàn)象 1.天然放射現(xiàn)象 ⑴放射性與放射性元素：物質(zhì)發(fā)射射線(xiàn)的性質(zhì)稱(chēng)為放射性．具有放射性的元素稱(chēng)為放射性元素． ⑵天然放射現(xiàn)象 原子序數(shù)大于82的元素都有放射性．天然放射性元素的種類(lèi)很多，但它們?cè)诘厍蛏系暮亢苌伲有驍?shù)小于83的元素，有的也具有放射性． 元素這種自發(fā)地放出射線(xiàn)的現(xiàn)象稱(chēng)為天然放射現(xiàn)象。 2.三種射線(xiàn) ⑴放射性物質(zhì)放出的射線(xiàn)有三種：α射線(xiàn)、β射線(xiàn)、γ射線(xiàn)． ⑵三種射線(xiàn)的成分和性質(zhì) 名稱(chēng) 構(gòu)成 符號(hào) 電量 質(zhì)量 電離能力 貫穿本領(lǐng) α射線(xiàn) 氦核 +2e 4u 最強(qiáng) 最弱 β射線(xiàn) 電子 -e 0 較強(qiáng) 較強(qiáng) γ射線(xiàn) 光子 γ 0 0 最弱 最強(qiáng) 二、衰變 1.原子核的衰變：放射性元素的原子核放出某種粒子后變成新的原子核的變化． 2.兩種衰變：α衰變、β衰變． 鈾238（）的α衰變 釷234（）的β衰變 3.衰變規(guī)律：原子核衰變時(shí)電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒． 4.實(shí)質(zhì)：α衰變 β衰變 5.γ衰變 α衰變或β衰變后產(chǎn)生的新核往往處于高能級(jí)，不穩(wěn)定，要向低能級(jí)躍遷．放出γ光子． γ射線(xiàn)是伴隨著α射線(xiàn)和β射線(xiàn)產(chǎn)生的． 放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時(shí)，有的發(fā)生α衰，有的發(fā)生β衰變，同時(shí)伴隨γ射線(xiàn)．這時(shí)三種射線(xiàn)都有． 例：寫(xiě)出鐳226、釙210的一次α衰變方程。銅66、磷32的一次β衰變方程。 α衰變、盧衰變表示了原子核是可以變化的．每一種元素的衰變快慢一樣嗎?衰變快慢有什么規(guī)律?如何描述這一變化規(guī)律? 三、半衰期 1. 半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間．符號(hào)Ｔ． 2. 半衰期反映了放射性元素衰變的速率． 每種放射性元素都有一定的半衰期．氡222衰變?yōu)獒?18的半衰期為3.8天，鐳226衰變?yōu)殡?22的半衰期為1620年，鈾238衰變?yōu)殁Q234的半衰期為4.5109年. 3. 放射性元素的半衰期的大小是由核內(nèi)部本身的因素決定的，與它所處物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)． 四、人工轉(zhuǎn)變： (發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))(盧瑟福)用α粒子轟擊氮核,并預(yù)言中子的存在 (發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng))(查德威克)釙產(chǎn)生的α射線(xiàn)轟擊鈹 (人工制造放射性同位素) 正電子的發(fā)現(xiàn)(約里奧居里和伊麗芙居里夫婦)α粒子轟擊鋁箔 五、放射性同位素的應(yīng)用 1. 利用其射線(xiàn)：α射線(xiàn)電離性強(qiáng),用于使空氣電離,將靜電泄出,從而消除有害靜電。γ射線(xiàn)貫穿性強(qiáng),可用于金屬探傷,也可用于治療惡性腫瘤。各種射線(xiàn)均可使DNA發(fā)生突變,可用于生物工程，基因工程。 2. 作為示蹤原子。用于研究農(nóng)作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類(lèi)型，研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。 3. 進(jìn)行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。 一般都使用人工制造的放射性同位素（種類(lèi)齊全，各種元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，廢料容易處理?？芍瞥筛鞣N形狀，強(qiáng)度容易控制）。 六、核反應(yīng) 1. 原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程，稱(chēng)為核反應(yīng)。 2. 原子核的人工轉(zhuǎn)變 （1）1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子核反應(yīng)方程 （2）查德威克發(fā)現(xiàn)中子核反應(yīng)方程 3. 核反應(yīng)規(guī)律： 在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒 小居里夫婦發(fā)現(xiàn)正電子 七、質(zhì)能方程 1.核反應(yīng)伴隨著能量變化 核反應(yīng)中放出的能量稱(chēng)為核能。一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子結(jié)合成氘核，放出2.2Mev能量 2.質(zhì)量虧損 組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差(或者參加核反應(yīng)的原子核總質(zhì)量與生成新原子核的總質(zhì)量之差)叫質(zhì)量虧損. 3.質(zhì)能方程 愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 質(zhì)量虧損放出能量 和結(jié)合成核放出能量2.22Mev 4.原子質(zhì)量單位u 1u＝１.660610－27kg 相當(dāng)于931.5Mev的能量 八、裂變 重核分裂成質(zhì)量較小的核釋放出核能的反應(yīng),稱(chēng)為裂變 鈾核的裂變 1. 鈾核裂變的一種典型反應(yīng) 1939年12月，德國(guó)物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾核時(shí)，鈾核發(fā)生了裂變，鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是 2. 裂變反應(yīng)中的能量的計(jì)算 以上述典型反應(yīng)為例： 裂變前的總質(zhì)量 ， 裂變后的質(zhì)量 ，， 質(zhì)量虧損 釋放的能量 1kg鈾235含有的鈾原子核數(shù)為 1kg鈾235完全反應(yīng)釋放的總能量為 九、聚變 l. 聚變反應(yīng) 由輕原子核聚合成較重原子核的反應(yīng)稱(chēng)聚變. 2．聚變反應(yīng)的特點(diǎn) 聚變反應(yīng)的特點(diǎn)主要有3個(gè) ⑴和裂變相比，聚變反應(yīng)釋放的能量更多。 例如，一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生聚變，其核反應(yīng)方程是 根據(jù)已知的數(shù)據(jù) 氘核的質(zhì)量：mD=2.014102u 氚核的質(zhì)量：mT=3.016.050u 氦核的質(zhì)量：mα=4.002603u 中子的質(zhì)量：mn=1008665u 該反應(yīng)釋放能量為 平均每個(gè)核子放出的能量為3.3MeV ⑵聚變材料豐富 1L海水中大約有0．03g氘，如果發(fā)生聚變，放出的能量相當(dāng)于燃燒300L汽油． 常見(jiàn)的聚變反應(yīng) 在這兩個(gè)反應(yīng)中，前一反應(yīng)的材料是氘，后一反應(yīng)的材料是氘和氚，而氚又是前一反應(yīng)的產(chǎn)物．所以氘是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)反應(yīng)的原始材料，而氘是重水的組成成分，在覆蓋地球表面三分之二的海水中是取之不盡的． ⑶安全、無(wú)污染。 聚變產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定氦核，沒(méi)有放射性，不污染周?chē)h(huán)境．而裂變產(chǎn)物一般都有放射性，容易引起環(huán)境污染． 可見(jiàn)，輕核的聚變是一種理想的解決能源問(wèn)題的途徑．那么，是不是任意的核聚在一起就釋放能量呢? 不是．由愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程可知，只有在反應(yīng)中出現(xiàn)質(zhì)量虧損，即生成物的總質(zhì)量小于反應(yīng)物的總質(zhì)量時(shí)，才能放出能量． 題型講解 1. 三種射線(xiàn)的考察 放射性元素衰變時(shí)放出三種射線(xiàn)，按穿透能力由強(qiáng)到弱的排列順序是（ ） A．a(chǎn)射線(xiàn)，b射線(xiàn)，g射線(xiàn) B．g射線(xiàn)，b射線(xiàn)，a射線(xiàn)， C．g射線(xiàn)，a射線(xiàn)，b射線(xiàn) D．b射線(xiàn)，a射線(xiàn)，g射線(xiàn) 【解析】由于三種射線(xiàn)的能量不同，所以貫穿能力最強(qiáng)的是g射線(xiàn)，b射線(xiàn)次之，a射線(xiàn)最弱，故正確答案選B。 【答案】B 2.半衰期 放射性元素的原子核在a衰變或b衰變生成新原子核時(shí)，往往會(huì)同時(shí)伴隨著___________輻射。已知A、B兩種放射性元素的半衰期分別為T(mén)1和T2，t＝T1T2時(shí)間測(cè)得這兩種放射性元素的質(zhì)量相等，那么它們?cè)瓉?lái)的質(zhì)量之比mA:mB＝_________。γ， 【解析】放射性元素的原子核在α衰變或β衰變生成新原子核時(shí)，往往以γ光子的形式釋放能量，即伴隨γ輻射；根據(jù)半衰期的定義，經(jīng)過(guò)t＝T1T2時(shí)間后剩下的放射性元素的質(zhì)量相同，則 ，故 3. 考查衰變、裂變、聚變以及人工轉(zhuǎn)變概念 現(xiàn)有三個(gè)核反應(yīng)： ①→＋____；?、冢玙___；③＋→＋____． 完成上述核反應(yīng)方程，并判斷下列說(shuō)法正確的是( ) A．①是裂變，②是β衰變，③是聚變 B．①是聚變，②是裂變，③是β衰變 C．①是β衰變，②是裂變，③是聚變 D．①是β衰變，②是聚變，③是裂變 【答案】① ②3?、邸 點(diǎn)評(píng)：①原子核自發(fā)地放出某種粒子成為新的原子核，叫做衰變；原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)較小的原子核，叫做重核裂變；原子序數(shù)很小的原子核聚合成原子序數(shù)較大的原子核，叫做輕核聚變． ②所有核反應(yīng)都遵循質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒的規(guī)律，情況復(fù)雜時(shí)可列方程組求解． 4. 核能和質(zhì)量虧損 某科學(xué)家提出年輕熱星體中核聚變的一種理論，其中的兩個(gè)核反應(yīng)方程為 ＋→＋Q1 ＋→＋X＋Q2 方程中Q1、Q2表示釋放的能量，相關(guān)的原子核質(zhì)量見(jiàn)下表： 原子核 質(zhì)量/u 1.0078 3.0160 4.0026 12.0000 13.0057 15.0001 下列判斷正確的是( ) A．X是，Q2>Q1 B．X是，Q2>Q1 C．X是，Q2下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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