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高考物理總復習課件
第十三章 　近代物理初步
第2節(jié) 原子結(jié)構(gòu) 原子核
一、盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型
1.J.J.湯姆孫的“棗糕”模型.
J.J.湯姆孫
(1)1897 年__________發(fā)現(xiàn)電子，提出原子的“棗糕”模型，
揭開了人類研究原子結(jié)構(gòu)的序幕.
均勻
(2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷_______分布在
整個球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里.
2.盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)”模型.
(1)α粒子散射實驗裝置：如圖 13-2-1 所示.
圖 13-2-1
實驗規(guī)律 盧瑟福的分析
__________α粒子仍沿原來的方向
前進 原子中絕大部分是空隙
少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)的偏轉(zhuǎn)角超過了90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180° α粒子碰到了質(zhì)量比自己大得多的帶正電的物質(zhì)，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在一個很小的范圍內(nèi)
(2)α粒子散射實驗規(guī)律及盧瑟福對實驗現(xiàn)象的分析.
絕大多數(shù)
徑約為10－15～10－14 m；原子的半徑約為10－10 m.
(3)原子核式結(jié)構(gòu)模型.
原子核
①在原子的中心有一個很小的核，叫__________.
②原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里.
③帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn).
(4)原子核的大小：從α粒子散射實驗的數(shù)據(jù)估算出原子核的半
3.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱______，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原
子核的__________數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的和.具有相同質(zhì)子數(shù)
的原子屬于同一種元素；具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的原
子互稱同位素.
核子
質(zhì)量
定態(tài) 原子只能處于一系列________的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量
躍遷 原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài)時，它________或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定.即hν＝________(h是普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s)
軌道 原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應(yīng).原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是________的
二、玻爾原子模型
1.三條假設(shè).
不連續(xù)
輻射
Em－En
不連續(xù)
2.氫原子的能級、能級公式.
(1)氫原子的能級圖(如圖 13-2-2 所示).
圖 13-2-2
E1
半徑，又稱玻爾半徑，其數(shù)值為 r1＝0.53×10－10 m.
(2)氫原子的能級和軌道半徑.
1
n2
－13.6 eV
①氫原子的能級公式：En＝________(n＝1,2,3，…)，其中 E1
為基態(tài)能量，其數(shù)值為 E1＝___________.
②氫原子的半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中 r1 為基態(tài)
三、天然放射現(xiàn)象、原子核的組成
1.天然放射現(xiàn)象.
貝克勒爾
(1)天然放射現(xiàn)象.
放射性
α
β
γ
元素自發(fā)放出射線的現(xiàn)象，首先由________發(fā)現(xiàn).天然放射現(xiàn)
象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結(jié)構(gòu).
(2)放射性和放射性元素：物質(zhì)發(fā)射某種看不見的射線的性質(zhì)
叫________.具有放射性的元素叫放射性元素.
(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是
________射線、________射線、________射線.
2.原子核.
質(zhì)子
中子
質(zhì)子數(shù)
中子數(shù)
(1)原子核的組成.
①原子核由_______和_______組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子.
②原子核的核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)，原子核的質(zhì)量數(shù)＝_______＋
________.
質(zhì)子數(shù)
中子數(shù)
(2)同位素：具有相同________、不同________的原子，在元
素周期表中的位置相同.同位素具有相同的化學性質(zhì).
四、原子核的衰變和半衰期
1.原子核的衰變.
(1)原子核放出粒子或吸收粒子，變成另一種原子核的變化稱
為原子核的衰變.
(2)分類.
2.半衰期.
半數(shù)
(1)定義：放射性元素的原子核有______發(fā)生衰變所需的時間.
(2)衰變規(guī)律：N＝N0__________、m＝m0__________.
(3)影響因素：由______________因素決定，跟原子所處的物
理化學狀態(tài)無關(guān).
原子核內(nèi)部
②核力是短程力，作用范圍在 1.5×10－15 m 之內(nèi).
五、核力、核能、質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損、核反應(yīng)
1.核力.
核子
(1)定義：原子核內(nèi)部，________間所特有的相互作用力.
(2)特點：①核力是強相互作用的一種表現(xiàn).
③每個核子只跟它的相鄰核子間有核力作用.
2.核能.
放出
吸收
核子數(shù)
大
牢固
(1)結(jié)合能.
核子結(jié)合為原子核時________的能量或原子核分解為核子時
________的能量，叫做原子核的結(jié)合能，亦稱核能.
(2)比結(jié)合能.
①定義：原子核的結(jié)合能與________之比，叫做比結(jié)合能，
也叫做平均結(jié)合能.
②特點：不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越
________，表示原子核中核子結(jié)合得越________，原子核越穩(wěn)定.
3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損.
愛因斯坦質(zhì)能方程 E＝________，原子核的質(zhì)量必然比組成
它的核子的質(zhì)量和要小Δm，這就是質(zhì)量虧損.由質(zhì)量虧損可求出釋
放的核能ΔE＝________.
4.原子核的人工轉(zhuǎn)變.
(1)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn).
mc2
Δmc2
質(zhì)子
(2)中子的發(fā)現(xiàn).
(3)放射性同位素的人工合成.
中子
5.重核的裂變.
(1)重核是指________很大的原子核.
(2)重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量數(shù)的原子
核的反應(yīng)叫做重核的裂變.在裂變的同時，還會放出幾個中子和大
量能量.
鈾 235 裂變時，同時放出 2～3 個中子，如果這些中子再引起
其他鈾 235 核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進行下去，這種反應(yīng)
叫________反應(yīng).鈾 235 能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的鈾塊的最小體積叫做
它的________體積.
質(zhì)量數(shù)
鏈式
臨界
6.輕核的聚變.
(1)輕核是指質(zhì)量數(shù)________的原子核，如氫核、氦核等.
(2)某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過程叫做輕核
的________，同時放出大量的能量.
輕核聚變只能發(fā)生在超高溫條件下，故輕核聚變也叫做熱核
反應(yīng).
很小
聚變
【基礎(chǔ)自測】
1.判斷下列題目的正誤.
(1)人們認識原子核具有復雜結(jié)構(gòu)是從盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始
的.(
上.(
)
(2)按照玻爾理論，核外電子均勻分布在各個不連續(xù)的軌道
)
(3)氫原子由能量為 En 的定態(tài)向低能級躍遷時，氫原子輻射的
光子能量為 hν＝En.(
)
(4)如果某放射性元素的原子核有 40個，經(jīng)過一個半衰期后還
剩 20 個.(
)
(5)質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為能量.(
)
答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
2.(2023 年天津卷)關(guān)于太陽上進行的核聚變，下列說法正確
的是(
)
A.核聚變需要在高溫下進行
B.核聚變中電荷不守恒
C.太陽質(zhì)量不變
解析：因為高溫時才能使得粒子的熱運動劇烈，才有可能克
服他們自身相互間的排斥力，使得它們間的距離縮短，才能發(fā)生
聚變，A 正確.核聚變中電荷是守恒的，B 錯誤.因為太陽一直在發(fā)
生核聚變，需要放出大量能量，根據(jù)質(zhì)能方程可知太陽質(zhì)量減小，
錯誤.
答案：A
3.(2022 年上海模擬)放射性元素鐳在衰變過程
中釋放出α、β、γ三種射線，進入勻強電場中的偏轉(zhuǎn)
)
圖 13-2-3
情況如圖 13-2-3 所示，由此可推斷(
A.①表示γ射線，③表示α射線
B.①表示γ射線，③表示β射線
C.②表示γ射線，③表示α射線
D.②表示γ射線，③表示β射線
解析：α射線帶正電，β射線帶負電，γ射線不帶電，γ射線
在磁場中一定不偏轉(zhuǎn)，②為γ射線.電場中，α射線向右偏，β射線
向左偏，①為β射線，③為α射線.故 C 正確.
答案：C
解析：同位素之間質(zhì)子相同，中子不同，可知質(zhì)量數(shù)不同，
C 正確.
答案：C
熱點 1 氫原子能級及能級躍遷
[熱點歸納]
1.兩類能級躍遷：
(1)自發(fā)躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發(fā)出光子.
(2)受激躍遷：低能級→高能級，吸收能量.
①光照(吸收光子)：光子的能量必須恰等于能級差 hν＝ΔE.
②碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，
E外≥ΔE.
③大于電離能的光子被吸收，將原子電離.
2.譜線條數(shù)的確定方法：
(1)一個氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)最多為(n－1).
(2)一群氫原子躍遷可能發(fā)出的光譜線條數(shù)的兩種求解方法：
②利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種
可能情況一一畫出，然后相加.
3.氫原子躍遷時電子動能、電勢能與原子能量的變化規(guī)律：
隨 n 增大而增大，隨 n 減小而減小，其中 E1＝－13.6 eV.
(2)電子動能變化規(guī)律.
①從公式上判斷.電子繞氫原子核運動時靜電力提供向心力即
②從庫侖力做功上判斷.當軌道半徑增大時，庫侖引力做負功，
故電子動能減小；反之，當軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，
故電子動能增大.
(3)原子的電勢能的變化規(guī)律
①通過庫侖力做功判斷.當軌道半徑增大時，庫侖引力做負功，
原子的電勢能增大；反之，當軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，
原子的電勢能減小.
②利用原子能量公式 En＝Ekn＋Epn判斷.當軌道半徑增大時，原
子能量增大，電子動能減小，故原子的電勢能增大；反之，當軌道
半徑減小時，原子能量減小，電子動能增大，故原子的電勢能減小.
考向 1 氫原子躍遷過程中的特點
【典題 1】(2022 年北京卷)氫原子從某激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，則
該氫原子(
)
A.放出光子，能量增加
C.吸收光子，能量增加
B.放出光子，能量減少
D.吸收光子，能量減少
解析：氫原子從某激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，則該氫原子放出光子，
且放出光子的能量等于兩能級之差，能量減少.
答案：B
思路導引
激發(fā)態(tài)能量高于基態(tài)，氫原子從某激發(fā)態(tài)躍遷到
基態(tài)能量減少，原因是以光子的形式放出能量，此過程電子動能
變大，電勢能減小.
考向 2 氫原子躍遷過程中光譜線的能量關(guān)系
【典題 2】(2023年湖北卷)2022 年10月，我國自主研發(fā)的“夸
父一號”太陽探測衛(wèi)星成功發(fā)射.該衛(wèi)星搭載的萊曼阿爾法太陽望
遠鏡可用于探測波長為 121.6 nm 的氫原子譜線(對應(yīng)的光子能量
為 10.2 eV).根據(jù)如圖 12-2-4 所示的氫原子能級圖，可知此譜線來
源于太陽中氫原子(
)
圖 12-2-4
A.n＝2 和 n＝1 能級之間的躍遷
B.n＝3 和 n＝1 能級之間的躍遷
C.n＝3 和 n＝2 能級之間的躍遷
D.n＝4 和 n＝2 能級之間的躍遷
解析：由圖中可知 n＝2 和 n＝1 的能級之間的能量差值為ΔE
＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，與探測器探測到的
譜線能量相等，故可知此譜線來源于太陽中氫原子 n＝2 和 n＝1
能級之間的躍遷.
答案：A
種類 α射線 β射線 γ射線
組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻
電磁波)
帶電荷量 2e －e 0
質(zhì)量 4mp，mp＝
1.67×10-27 kg mp
1836 靜止質(zhì)量為零
熱點 2 原子核的衰變規(guī)律
考向 1 三種射線
[熱點歸納]
(1)三種射線的比較：
種類 α射線 β射線 γ射線
速度 0.1c 0.99c c(光速)
在電磁場中 偏轉(zhuǎn) 與α射線反向偏轉(zhuǎn) 不偏轉(zhuǎn)
貫穿本領(lǐng) 最弱，用紙能擋住 較強，能穿透幾毫
米的鋁板 最強，能穿透
幾厘米的鉛板
對空氣的電
離作用 很強 較弱 很弱
(續(xù)表)
(2)α衰變、β衰變的比較：
【典題 3】科學家們利用 14C 測年法估測出我國三星堆遺址三
號坑的大概年份：距今 3148—2966 年的商代晚期.其測量依據(jù)是：
大氣中的 14N 在宇宙射線的照射下轉(zhuǎn)換為 14C，其核反應(yīng)方程為
內(nèi)，生物活著的時候其體內(nèi) 12C 和 14C 的比例保持不變，當生物死
后，14C 發(fā)生衰變，其含量逐漸減少，14C 的半衰期約為 5730 年，
A.14C 與 14N 具有相同的中子數(shù)
B.14C 發(fā)生的是β衰變
C.生物活著時體內(nèi) 14C 不會發(fā)生衰變
D.改變待測物體所處環(huán)境的溫度，可能會改變 14C 的半衰期
解析：14C 的中子數(shù)是 8 個，14N 的中子數(shù)是 7 個，A 錯誤.根
所以 14C 發(fā)生的是β衰變，B 正確.衰變是由原子核內(nèi)部自身決定的，
與外界的物理和化學等狀態(tài)無關(guān)，C 錯誤.放射性元素的半衰期與
物理環(huán)境以及化學環(huán)境無關(guān)，D 錯誤.
答案：B
考向 2 衰變次數(shù)的確定方法
[熱點歸納]
方法一：確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律，設(shè)放射
和電荷數(shù)守恒可列方程
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
由以上兩式聯(lián)立解得
A－A′
A－A′
n＝
4
，m＝
2
＋Z′－Z
由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組.
方法二：因為β衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，可先由質(zhì)量數(shù)的改變確
定α衰變的次數(shù)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù).
A.鉛核比釷核少 8 個質(zhì)子
B.鉛核比釷核少 16 個中子
C.共經(jīng)過 4 次α衰變和 6 次β衰變
D.共經(jīng)過 6 次α衰變和 4 次β衰變
解析：釷核中共有 90 個質(zhì)子，142 個中子，鉛核中共有 82
個質(zhì)子，126 個中子，故鉛核比釷核少 8 個質(zhì)子，少 16 個中子，
錯誤，D 正確.
答案：ABD
熱點 3 半衰期
[熱點歸納]
1.半衰期公式：
2.半衰期的物理意義：
半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元
素具有的衰變速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差
別很大.
3.半衰期的適用條件：
半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，
對于一個特定的原子核，無法確定何時發(fā)生衰變.
答案：C
熱點 4 核反應(yīng)方程
考向 1 核反應(yīng)的四種類型
[熱點歸納]
(續(xù)表)
(續(xù)表)
【典題 6】(2022 年廣東佛山月考)2021 年 9 月，在甘肅省武
威市全球首臺釷基熔鹽核反應(yīng)堆進行試運行放電，也標志著我國
成為世界上第一個對第四代核電技術(shù)進行商業(yè)化試驗運營的國家.
說法正確的是(
)
圖 13-2-5
D.核反應(yīng)堆是通過核裂變把核能直接轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電
解析：根據(jù)核反應(yīng)的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒可知，釷 232 變成
躍遷時，放出能量，會伴隨γ輻射，B 錯誤.整個過程中釋放能量，
的核能通過核裂變反應(yīng)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，然后通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，
D 錯誤.
答案：A
易錯分析
衰變是原子核的衰變，α輻射實際上是α衰變，只
可能發(fā)生在原子核內(nèi)部，不可能發(fā)生在原子的外層電子躍遷的過
程中.
考向 2 核反應(yīng)方程式的書寫
[熱點歸納]
2.掌握核反應(yīng)遵守的規(guī)律，是正確書寫核反應(yīng)方程式或判斷某
個核反應(yīng)方程式是否正確的依據(jù)，由于核反應(yīng)不可逆，所以書寫
核反應(yīng)方程式時只能用“→”表示反應(yīng)方向.
3.核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.
【典題 7】(多選)下列核反應(yīng)方程中，X1、X2、X3、X4 代表α
粒子的有(
)
答案：BD
熱點 5 質(zhì)能方程與核能的計算
[熱點歸納]
1.對質(zhì)能方程的理解：
(1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)
量成正比，即 E＝mc2.
方程的含義：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在簡單的正比
關(guān)系，物體的質(zhì)量增大，能量增大；物體的質(zhì)量減少，能量減少.
(2)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其能量也要相應(yīng)
減少，即ΔE＝Δmc2.
(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加
Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2.
2.核能的計算方法：
(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2 計算，計算時Δm 的單位是“kg”，c 的單位
是“m/s”，ΔE 的單位是“J”.
(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5 MeV 計算.因 1 原子質(zhì)量單位(u)相當
于 931.5 MeV 的能量，所以計算時Δm 的單位是“u”，ΔE 的單位
是“MeV”.
(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能：
原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù).
【典題 8】(2022 年廣東廣州模擬)2020 年 1 月 10 日，黃旭華
獲 2019 年國家最高科學技術(shù)獎.他是中國第一代核潛艇總設(shè)計師，
成功研制了我國第一代核潛艇，為我國海基核力量實現(xiàn)從無到有
的歷史性跨越作出了卓越的貢獻.核潛艇是以核反應(yīng)堆(如圖 13-
圖 13-2-6
C.根據(jù) E＝mc2，裂變后釋放核能，裂變過程質(zhì)量發(fā)生虧損
D.要能發(fā)生鏈式反應(yīng)，鈾塊的體積應(yīng)小于臨界體積
解析：根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可知，X 元素的電
荷數(shù)(質(zhì)子數(shù))為 p＝56，質(zhì)量數(shù) q＝144，則含有 144－56＝88 個中
裂變過程質(zhì)量發(fā)生虧損，C 正確.要能發(fā)生鏈式反應(yīng)，鈾塊的體積
應(yīng)大于臨界體積，D 錯誤.
答案：C
核反應(yīng)與動量守恒定律的綜合模型
模型一 原子核衰變后在磁場中的運動軌跡問題
[熱點歸納]
靜止核在磁場中自發(fā)衰變，其軌跡為兩相切圓，α衰變時兩圓
半徑小的為新核，半徑大的為α粒子或β粒子，其特點對比如下表：
α衰變 勻強磁場中軌跡
兩圓外切，α粒子半徑大
β衰變 勻強磁場中軌跡
兩圓內(nèi)切，β粒子半徑大
【典題 9】14C 發(fā)生衰變時，可能放出α粒子或電子.靜止在某
勻強磁場中的 14C 原子核發(fā)生衰變后兩粒子的軌跡如圖 13-2-7 所
示，下列說法正確的是(
)
B.大圓半徑是小圓半徑的 6 倍
C.軌跡為小圓的粒子的中子數(shù)為 6
D.軌跡為大圓的粒子是由中子轉(zhuǎn)變而來的
圖 13-2-7
解析：若放出的粒子是α粒子，則衰變后兩粒子都帶正電，兩粒子在磁場中
的軌跡應(yīng)該是外切圓，而圖中兩粒子的軌跡是內(nèi)切圓，故放出的是電子，發(fā)生
的是β衰變，A 錯誤.衰變過程滿足動量守恒，可知衰變后瞬間兩粒子的動量大
可知軌跡為大圓的粒子是電子，是由中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時釋放出來的，D正確.衰
答案：D
模型二 核反應(yīng)中的動量與能量綜合問題
[熱點歸納]
解決核反應(yīng)與動量及能量守恒定律綜合的問題時，首先應(yīng)用
質(zhì)能方程求出核反應(yīng)釋放出的核能，其次根據(jù)動量守恒定律和能
量守恒定律列出相應(yīng)的方程，最后聯(lián)立求解.
【典題 10】(2022 年湖南卷)1932 年，查德威克用未知射線轟
擊氫核，發(fā)現(xiàn)這種射線是由質(zhì)量與質(zhì)子大致相等的中性粒子(即中
子)組成的.如圖 13-2-8，中子以速度 v0 分別碰撞靜止的氫核和氮
核，碰撞后氫核和氮核的速度分別為 v1 和 v2.設(shè)碰撞為彈性正碰，
)
不考慮相對論效應(yīng)，下列說法正確的是(
A.碰撞后氮核的動量比氫核的小
B.碰撞后氮核的動能比氫核的小
C.v2 大于 v1
D.v2 大于 v0
圖 13-2-8
答案：B
謝謝
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