选修3 第5章 原子和原子核 知识问答式 学案（附章末测试）（有解析）

选修3 第五章 原子和原子核
问题1、原子的核式结构有哪些内容？
答(1)1909～1911年，英籍物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，提出了原子核式结构模型.
(2)α粒子散射实验的结果：
①绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，
②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.
(3)原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动.
问题2.玻尔理论有哪些内容？
答(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：电子从能量较高的定态轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，会放出能量为hν的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En.(h是普朗克常量，h＝6.63×10－34 J·s)
(3)轨道不连续性：原子的定态是不连续的，因此电子的轨道也是不连续的.
问题3.氢原子的能量和能级变迁有什么规律？
答①能级公式：任意能级能量En＝E1(n＝1,2,3，…)，E1为基态能量，E1＝－13.6 eV（负值）.
结论：En＝E1且E1<0如，即高轨道能量高于低轨道能量，基态能量最小。
②半径公式：任意轨道半径rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，
其数值为r1＝0.53×10－10 m.
(2)氢原子的能级图，如图2所示
练习1：如图1所示是氢原子的能级图，一群处于n＝4的激发态的氢原子向低能级跃迁时能辐射出多少种频率不同的光子？
答：氢原子能级跃迁图如图所示．从图中可以看出能辐射出6种频率不同的光子，它们分别是n＝4→n＝3，n＝4→n＝2，n＝4→n＝1，n＝3→n＝2，n＝3→n＝1，n＝2→n＝1.
图2
[知识总结](1)原子从一种能量态跃迁到另一种能量态时，吸收(或放出)能量为hν的光子(h是普朗克常量)，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)．若m→n，则辐射光子，若n→m，则吸收光子．
(2)根据氢原子的能级图可以推知，一群量子数为n的氢原子最后跃迁到基态时，一个氢原子可能从n能级跃迁到某一激发态，产生另一条谱线，该氢原子再从这一激发态跃迁到基态，再产生一条谱……，可能发出的不同频率的光子数可用N＝C＝故最多可辐射种不同频率的光。
（3）对于只有一个氢原子的，只能是多种可能的跃迁过程的一种，只跃迁一次，有（n-1）次可能性，故一个氢原子最多可产生n－1条谱线。
（4）跃迁过程中吸收或辐射光子的频率和波长满足hν＝|Em－En|，h＝|Em－En|.
问题4、天然放射现象和原子核
答1.天然放射现象：天然放射现象也是原子核衰变，本质是原子核内的两个质子和中子作为一个整体，结合比较紧密，有时候会作为一个整体从原子核内抛射出来，形成a射线，即a衰变；核内的中子可以转化为质子和电子，释放出电子形成β射线，即是β衰变。放射性元素发生a、β衰变时，产生的新核往往处于激发状态，这时它要向低能量状态跃迁，辐射出光子，产生γ射线。
2、现象结论：元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.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.
问题5.原子核的组成有什么特点？
答(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.质子带正电，中子不带电.
(2)基本关系 ①核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝原子的核外电子数. ②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数.
(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.
问题6.原子核的衰变、半衰期有什么规律？
答(1)原子核的衰变定义：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衰变分类：
α衰变：X→Y＋He 释放一个α粒子He，形成α射线。（凡是释放氦核He的反应的都是α衰变）
β衰变：X→Y＋e 释放一个β粒子e，形成β射线。（凡是释放电子e的反应的都是β衰变）
γ辐射：γ射线经常伴随着α衰变或β衰变同时产生.其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。
③两个典型的衰变方程
α衰变：U→Th＋He 铀（U）衰变成钍（Th）释放一个氦核（He）的过程。
β衰变：Th→Pa＋e.钍（Th）衰变成镤（pu）（Pa）释放一个电子（e）的过程。
问题7．对三种射线的认识有哪些内容？
种类 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)
带电荷量 2e －e 0
速率 0.1c 0.99c c
贯穿本领 最弱，用一张纸就能挡住 较强，能穿透几毫米厚的铝板 最强，能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土
电离作用 很强 较强 很弱
问题8.衰变规律及实质是什么？
答(1)α衰变、β衰变的比较
α、β 衰变才释放带电粒子；带电粒子和反冲核的动量、带电量、运动轨迹的对比
粒子 反冲核 轨迹: 带电粒子：大圆 反冲核：小圆 原子核序号 动量守恒
α衰变 α 粒子带正电荷：q=+2e X→Y＋He 带正电荷 同为顺时针方向 同为逆时针方向 衰变前： q’/e+2； 衰变后： q’/e。 mv = m'v'； 洛仑兹力: f = qvB →；
β 衰变 Β粒子带负电荷：q=-e X→Y＋e 带正电荷 衰变前： q’/e-1； 衰变后：q’/e。
问题9半衰期是什么？怎么计算半衰期？
答（1）定义：半衰期指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间.符号用τ（读作tao）。
（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.
(3)公式：N余＝N原·()，m余＝m原·().
（4）.确定衰变次数的方法 因为β衰变对质量数无影响，所以先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数.
问题10、核反应及核反应有哪些类型？
答1.核反应的四种类型
类型 可控性 核反应方程典例
衰变 α衰变 自发 U→Th＋He
β衰变 自发 Th→Pa＋e
人工 转变 人工控制 N＋He→O＋H(卢瑟福发现质子)
He＋Be→C＋n(查德威克发现中子)
Al＋He →P＋n 约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
P→Si＋e
重核 裂变 容易 控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n
U＋n→Xe＋Sr＋10n
轻核 聚变 很难控制 H＋H→He＋n
问题11.核反应方程式怎么书写？
答(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础.如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等.
(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向.
(3)判断依据：核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒.
问题12.核力和核能怎么计算？
答(1)核力指在原子核内部，核子间所特有的相互作用力.
(2)核能计算：核子在结合成新原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量变化ΔE＝Δmc2.
(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，转化为相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2.
(4)总结：二合一时放出能量，一分为二时分解需要吸收能量。
问题13、结合能与比结合能怎么计算？
答(1)结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，需要能量，这就是原子核的结合能．
(2)比结合能：原子核的结合能与核子数之比称为比结合能．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．
（3）.利用比结合能计算核能 ：原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数. 核子的比结合能＝原子核的结合能÷核子数.
（4）释放(或吸收)的核能计算.：核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能.E原总-E新总=ΔE（放或吸）
问题14、怎么利用质能方程计算核能？
答(1)根据核反应方程，计算出核反应前与核反应后的质量亏损Δm.
(2)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能.
质能方程ΔE＝Δmc2中Δm的单位用“kg”，c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”.
(3)ΔE＝Δmc2中，若Δm的单位用“u”，则可直接利用ΔE＝Δm×931.5 MeV计算ΔE，此时ΔE的单位为“MeV”，即1 u＝1.660 6×10－27 kg，相当于931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用.
问题15、核裂变和链式反应有哪些规律？
答：用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：
▲重核裂变反应：U＋n―→Ba＋Kr＋3n；U＋n―→Xe＋Sr＋10n
问题16、重核裂变有什么规律？
答重核裂变的实质：(1)核子受激发:当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状.(2)核子分裂:核子间的距离增大，因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2 ~ 3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能.
问题17、核聚变及核能问题怎么计算？
答：1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程：H＋H―→He＋n＋γ.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
方程 U＋n―→Ba＋Kr＋3n； U＋n―→Xe＋Sr＋10n H＋H―→He＋n＋γ.
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
总结：主要核反应类型有：
(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．
(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．
(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子．
(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子．
第五章 原子物理 同步练习
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1(多选)如图3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四个位置时观察到的现象，下述说法中正确的是(　　)
A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多 B.放在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些
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
图3图5
2一个氢原子从n＝3能级跃迁到n＝2能级，该氢原子(　　)
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
3.1934年，居里夫妇用α粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋Al→X＋n.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
4(多选)如图5，一群处于n＝5能级的氢原子在向n＝1的能级跃迁的过程中(　　)
放出4种频率不同的光子 B 放出10种频率不同的光子
C.放出的光子的最大能量为13.06 eV，最小能量为0.66 eV D.放出的光子有的能使逸出功为13 eV的金属发生光电效应现象
5.关于原子核，下列说法正确的是(　　)
A.比结合能越大，原子核越稳定
B.一群处于n＝3能级的氢原子，向较低能级跃迁时最多只能放出两种频率的光子
C.Bi的半衰期是5天，100克Bi经过10天后的质量为50克
D.β衰变所释放的电子来自原子核外的电子
6.有关核反应方程，下列说法正确的是(　　)
A.U→Th＋He属于α衰变 B.N＋He→O＋H是β衰变
C.核反应方程Po→X＋He中的y＝206，X的中子个数为128 D.铀核裂变的核反应为U→Ba＋Kr＋2n
7.大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电.氘核聚变反应方程是：H＋H→He＋n.
已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，n的质量为1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2.氘核聚变反应中释放的核能约为(　　)
A.3.7 MeV B.3.3MeV C.2.7 MeV D.0.93 MeV
8如图2所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是(　　)
①表示γ射线，③表示α射线 B．②表示β射线，③表示α射线
④表示α射线，⑤表示γ射线 D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
9下列说法正确的是(　　)
α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速 B．β射线能穿透几毫米厚的铅板
C．γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱 D．β射线的粒子和电子是两种不同的粒子
E．α粒子不同于氦原子核
10氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤，它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一．其衰变方程是Rn→Po＋________.已知Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16 g的Rn衰变后还剩1 g.
11在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生了衰变，得到两条如图1所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向．不计放出的光子的能量，则下列说法正确的是(　　)
发生的是β衰变，b为β粒子的径迹 B．发生的是α衰变，b为α粒子的径迹
磁场方向垂直于纸面向外 D．磁场方向垂直于纸面向内
11题
12下列对结合能、比结合能的认识，正确的是(　　)
一切原子核均具有结合能 B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量
结合能越大的原子核越稳定 D．比结合能越大的原子核越不稳定
13如图3所示为氢原子的能级图．用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，则可能观测到氢原子发射的不同波长的光有(　　)A．15种 B．10种 C．4种 D．1种
14. 有一个处于量子数n＝4的激发态的氢原子，它向低能级跃迁时，最多可能发出几种频率的光子？
15一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量mT＝3.018 0 u．
求：(1)写出聚变方程；
（2）释放出的核能多大？
(3)平均每个核子释放的能量是多大？
第5章 原子物理 同步练习 答案
1答案　ABD 根据α粒子散射现象，因为原子核很小，绝大多数α粒子沿原方向前进，少数α粒子发生较大偏转，ABD正确.
2答案　B 因为高能级能量大于低能级能量，所以由高能级到低级能量减少，能量以光子形式放出。
3答案　B 解析　将核反应方程式改写成He＋Al→X＋n，由电荷数和质量数守恒知，X应为X.
4答案　BD解析　一群处于n＝5能级的氢原子向低能级跃迁时，共产生C＝＝10种频率不同的光子，故A项错误，B项正确；根据玻尔理论知能级差越大，跃迁时放出的光子能量越大，故ΔEmax＝E5－E1＝－0.54 eV－(－13.6 eV)＝13.06 eV，ΔEmin＝E5－E4＝－0.54 eV－(－0.85 eV)＝0.31 eV，C项错误；因ΔEmax＝13.06 eV>13 eV，故有的光子的能量大于逸出功可以使逸出功为13 eV的金属发出光电效应，D项正确.
5答案　A
解析　原子核的比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故A正确；由玻尔理论知氢原子的能量是不连续的，一群氢原子处于n＝3的能级，最多只能放出三种频率的光子，故B错误；设原来Bi的质量为m0，衰变后剩余质量为m则有：m＝m0()＝100×() g＝25 g，即可知剩余Bi的质量为25 g，故C错误；β衰变所释放的电子是原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子时产生的，故D错误.
6.答案　A 解析　α衰变是重核自发地放出α粒子的天然放射现象，其中α粒子是He，故A正确；N＋He→O＋H是发现质子的原子核人工转变，故B错误；根据质量数守恒：y＝210－4＝206，X的中子个数为206－82＝124，故C错误；铀核裂变属于重核裂变，不能自发进行，铀核裂变的核反应为U＋n→Ba＋Kr＋3n，故D错误.
7答案　B解析　根据质能方程，释放的核能ΔE＝Δmc2，Δm＝2mH－mHe－mn＝0.003 5 u，则ΔE＝0.003 5×931 MeV＝3.258 5 MeV≈3.3 MeV，故B正确，A、C、D错误.
8答案　C解析　根据三种射线的偏转轨迹可知①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，③④表示α射线．
9　答案　C 19世纪末20世纪初，人们发现了X、α、β、γ射线，经研究知道，X、γ射线均为电磁波，只是波长不同．β射线是电子流，α粒子是氦核，就α、β、γ三种射线的贯穿本领而言，γ射线最强，α射线最弱．
10解析　根据核反应过程中电荷数守恒和质量数守恒可推得该反应的另一种生成物为He.根据m余＝m原得＝4，代入τ＝3.8天，解得t＝3.8×4天＝15.2天．
答案　He　15.2
11答案　AD解析　从轨迹可以看出两粒子的运动方向不同，但开始运动的瞬间受力方向相同，说明电流方向相同，即发生了β衰变，在磁场中受力向上，由左手定则可以判断出磁场方向垂直纸面向内，A、D选项正确．
12答案　A解析　自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量，反之，将原子核分开变为自由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；核子较多的原子核的结合能大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C、D均错误．
13解析　基态的氢原子的能级值为－13.6 eV，吸收13.06 eV的能量后变成－0.54 eV，原子跃迁到n＝5能级，由于氢原子是大量的，故辐射的光子种类是＝＝10种．答案　B
14解析：对于一个氢原子，它只能是多种可能的跃迁过程的一种，如图1所示，由能级跃迁规律可知：处于量子数n＝4的氢原子跃迁到n＝3，n＝2，n＝1较低能级，所以最多的谱线只有3条。 图1
15解析　(1)聚变方程H＋2n―→H.
(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－mT＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018 0) u＝0.006 7 u，
释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV＝6.24 MeV.
(3)平均每个核子放出的能量为 MeV＝2.08 MeV.