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. 理解光子說及對光電效應(yīng)的解釋. 2. 理解愛因斯坦光電效應(yīng)方程并會用來解決簡單問題． 重點：光電效應(yīng)現(xiàn)象,光電效應(yīng)規(guī)律,光子說. 難點：光電效應(yīng)方程的應(yīng)用 知識梳理 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)象時遵循如下規(guī)律： （1）對于任何一種金屬，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)，低于這個極限頻率，無論強(qiáng)度如何，無論照射時間多長，也不能產(chǎn)生光電效應(yīng)； （2）在單位時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能與入射光強(qiáng)度無關(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，無論其強(qiáng)度如何，光電子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的，不超過10—9s. 二、光子說 1.光子說 ⑴光子：在空間傳播的光是不連續(xù)的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子。 ⑵光子的能量： h為普朗克常量。h=6.6310-34Js每個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間內(nèi)射到單位面積的光子數(shù)的多少． 2. 光子說對光電效應(yīng)的解釋 光子照射到金屬上時，光子一次只能將其全部能量傳遞給一個電子，一個電子一次只能獲取一個光子的能量，它們之間存在著一對一的關(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其的束縛，則立即會將其轉(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，盡管照射時間足夠長，也不能發(fā)生光電效應(yīng)的原因． 每一種金屬，正電荷對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，無論如何都不會發(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，逸出也是十分迅速的，這就是光電效應(yīng)具有瞬時效應(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要克服原子核對它的吸引而做功。 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. 愛因斯坦光電效應(yīng)方程 動能最大的光電子所具有的動能Ek＝hv－w 四、康普頓效應(yīng) 在研究電子對X射線的散射時發(fā)現(xiàn)：有些散射波的波長比入射波的波長略大。康普頓認(rèn)為這是因為光子不僅有能量，也具有動量。實驗結(jié)果證明這個設(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)整個過程的能量和動量守恒。 五、光的波粒二象性 1. 光的波粒二象性 干涉、衍射和偏振以無可辯駁的事實表明光是一種波；光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)又用無可辯駁的事實表明光是一種粒子；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 波粒二象性中所說的波是一種概率波，對大量光子才有意義。波粒二象性中所說的粒子，是指其不連續(xù)性，是一份能量。 ⑴個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)出波動性。 ⑶光在傳播過程中往往表現(xiàn)出波動性；在與物質(zhì)發(fā)生作用時往往表現(xiàn)為粒子性。 ⑷由光子的能量E=hν，光子的動量表示式也可以看出，光的波動性和粒子性并不矛盾：表示粒子性的粒子能量和動量的計算式中都含有表示波的特征的物理量——頻率ν和波長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粒子和任何運(yùn)動著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個運(yùn)動著的物體都有一種波與它對應(yīng)，該波的波長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)度無關(guān) C．用不可見光照射金屬一定比用可見光照射同種金屬產(chǎn)生的光電子的初動能要大 D．對于任何一種金屬都存在一個“最大波長”，入射光的波長必須小于這個波長，才能產(chǎn)生光電效應(yīng) 【解析】金屬的逸出功由該金屬決定，與入射光源頻率無關(guān)，光電流的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比，選項A、B錯誤。不可見光包括能量大的紫外線、X射線、γ射線，也包括能量比可見光小的紅外線、無線電波，選項C錯誤。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)實驗中，要使銫表面發(fā)出的光電子的最大功能為1.0eV，入射光的波長應(yīng)為__________m 【解析】由愛因斯坦光電效應(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，靈敏電流計中沒有電流通過，其原因可能是（ ） A. 入射光太弱； B. 入射光波長太長； C. 光照時間短； 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、照射時間長短無關(guān)；二是逸出的光電子應(yīng)能在電路中定向移動到達(dá)陽極。光電子能否到達(dá)陽極，應(yīng)由光電子的初動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，即使具有很大初動能的光電子也可能不能到達(dá)陽極，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 原子在不停地做熱運(yùn)動，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并能在一個小的空間區(qū)域停留一段時間。例如：納米技術(shù)中需要移動或修補(bǔ)分子，科學(xué)家已發(fā)明了一種稱為“激光制冷”的儀器，原理如下：在一個真空室內(nèi)，一束非常準(zhǔn)直的-23原子束（通過樣品在1000K高溫下蒸發(fā)而獲得，原子做熱運(yùn)動的速率近似為，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)動方向與激光光子的運(yùn)動方向相反，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)動方向與速度的方向總是相同，此時原子的速度為，接著重復(fù)上述過程，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)上的時間稱為原子在這種狀態(tài)下的壽命，大小約為。忽略每次吸收與發(fā)射光子的時間，接上述方式，原子從初速度減小到零，共需多長時間？該時間內(nèi)原子總共走過的路程約為多少？（，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）光子的動量 ① 納原子吸收光子時 ② 納原子放出光子時 ③ ④ ⑤ （2）設(shè)原子停留在激發(fā)態(tài)的時間為，原子總路程為L，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，光對平面鏡的入射角為，試求（1）光對平面鏡的壓力（2）光作用在平面鏡上的切向力。 【解析】光子說認(rèn)為光子具有動量的觀點，除解釋康普頓效應(yīng)外，還可以說明光壓的作用，即當(dāng)光子流遇到障礙物時，會對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)，本題是光子存在動量的一個例證。 （1）設(shè)時間打在平面鏡單位面積上的光子數(shù)為，動量的法向分量為，反射德光子數(shù)為，動量德法向分量為，方向為相反。由動量定理，光對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，由動量定理 第35講 原子結(jié)構(gòu) 能級 教學(xué)目標(biāo) 1. 知道α粒子散射實驗. 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. 理解能級的概念和原子發(fā)射與吸收光子的頻率與能級差的關(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：盧瑟福α粒子散射實驗的現(xiàn)象和所說明的問題，玻爾理論 難點：α粒子散射實驗，對原子發(fā)光現(xiàn)象解釋， 知識梳理 一、α粒子散射實驗 1. 實驗裝置： 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． 熒光屏：熒光屏裝在顯微鏡上． 2. 實驗步驟 (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，射到熒光屏上產(chǎn)生閃光，通過顯微鏡觀察(偏離正對位置，無閃光)． (2)放上金箔F，正對位置可觀察到大量的閃光點． (3)轉(zhuǎn)動顯微鏡，在不同偏轉(zhuǎn)角θ處，可看到α粒子散射現(xiàn)象． 3. 實驗結(jié)果 ⑴絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進(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。 原子核的發(fā)現(xiàn)有重大意義，因為它開辟了原子核物理的新領(lǐng)域，盧瑟福被人們尊稱為原子核物理之父． 2. 原子核式結(jié)構(gòu)的模型，是建立在α粒子散射實驗的基礎(chǔ)上的． 3. 原子、原子核的大小：原子直徑數(shù)量級 10—10m 原子核直徑數(shù)量級 10—15m 原子核直徑是原子直徑的十萬分之一． 如果原子是直徑100m的操場，原子核只有一個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。 明線光譜：稀薄氣體發(fā)光，產(chǎn)生一些不連續(xù)的亮線組成的光譜．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光譜．明線光譜是由游離狀態(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的光譜線,這些譜線叫做那種元素的特征譜線. ⑵吸收光譜: 每種氣體都從通過它的白光中吸收跟它的特征譜線波長相同的那些光，使白光的連續(xù)光譜中出現(xiàn)暗線．連續(xù)光譜中某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜． 白光通過每一種氣體時，光譜中都會產(chǎn)生一組暗線，每條暗線的波長都跟那種氣體原子的一條特征譜線相對應(yīng)． 吸收光譜中的暗線也是原子的特征譜線.只是通常在吸收光譜中看到的特征譜線比明線光譜中的要少一些． 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)．它們由高能級向低能級的躍遷會出現(xiàn)多種可能，每一種可能對應(yīng)發(fā)出某一頻率的光子．而這些可能又由對應(yīng)的能級差決定．能級是不連續(xù)的，能級差也是不連續(xù)的，所以導(dǎo)致原子光譜的亮線是不連續(xù)的． 3. 光譜分析 由于每種元素都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(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)點是非常靈敏而且迅速． 做光譜分析時，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而發(fā)現(xiàn)的． 太陽經(jīng)大氣層時產(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)(稱為定態(tài)),電子雖然繞核運(yùn)轉(zhuǎn),但不會向外輻射能量. 。(本假設(shè)是針對原子穩(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)針對線狀譜提出) 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分布也是不連續(xù)的) 氫原子的能級圖 n E/eV ∞ 0 1 -13.6 2 -3.4 3 -1.51 4 -0.85 3 E1 E2 E3 (針對原子核式模型提出，是能級假設(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,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）原子在兩個能級間躍遷時輻射或吸收光子的能量hν=Em-En 3. 從高能級向低能級躍遷時放出光子；從低能級向高能級躍遷時可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加熱的方法，使分子熱運(yùn)動加劇，分子間的相互碰撞可以傳遞能量）。原子從低能級向高能級躍遷時只能吸收一定頻率的光子；而從某一能級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。但由于它保留了過多的經(jīng)典物理理論（牛頓第二定律、向心力、庫侖力等），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能級的動能、勢能，總能量的關(guān)系是：EP=－2EK，E=EK+EP=－EK。(類似于衛(wèi)星模型) 由高能級到低能級時，動能增加，勢能降低，且勢能的降低量是動能增加量的2倍，故總能量(負(fù)值)降低。 注：1. 原子從低能級向高能級的躍遷： 當(dāng)光子作用使原子發(fā)生躍遷時，只有光子的能量滿足的躍遷條件時，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的初動能.） 當(dāng)電子等實物粒子作用在原子上，只要入射粒子的動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)而向較高能級躍遷. 2. 原子從高能級向低能級的躍遷： 當(dāng)一群氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，可能產(chǎn)生的譜線條數(shù)為n(n-1)/2； 當(dāng)一個氫原子處于某個能級向低能級躍遷時，最多可產(chǎn)生的譜線條數(shù)為（n-1），若氫原子的從高能級向某一確定的低能級躍遷，只能產(chǎn)生一條譜線 題型講解 1. α粒子散射實驗 α粒子 原子核 A 如圖所示，為α粒子散射實驗的示意圖，A點為某α粒子運(yùn)動中離原子核最近的位置，則該α粒子在A點具有 ( ) A．最大的速度 B．最大的加速度 C．最大的動能 D．最大的電勢能 【解析】α粒子在接近原子核的過程中受到原子核庫侖排斥力的作用，這個力對α粒子做負(fù)功，使α粒子的速度減小，動能減小，電勢能增大，顯然，正確選項應(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粒子散射實驗表明了原子內(nèi)部有一個很小的核，并沒有涉及到核內(nèi)部的變化，故A項錯誤；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，沒有涉及到原子核的變化，故C項錯誤；原子發(fā)光是原子躍遷形成的也沒有涉及到原子核的變化，故D項錯誤。 【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)的軌道過程中： （ ） Ａ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能增大 Ｂ.原子要放出光子，電子的動能減小，原子的電勢能減小 Ｃ.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能減小 Ｄ.原子要吸收光子，電子的動能減小，原子的電勢能增大 【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Ｂ可先排除.氫原子核外電子的繞核運(yùn)動，由原子核對電子的庫侖力作向心力，即，電子的動能，離核越遠(yuǎn)，即r越大時，電子的動能越小.由此又可排除選項Ａ、Ｃ.電子在不同軌道之間躍遷時，整個原子系統(tǒng)電勢能的變化可從兩方面加以判斷： ①根據(jù)庫侖力做功的正負(fù)，庫侖力做正功（電子從離核較遠(yuǎn)的軌道被“吸”到離核較近的軌道），電勢能減小；庫侖力做負(fù)功（電子從離核較近的軌道克服庫侖力運(yùn)動到離核較遠(yuǎn)的軌道），電勢能增加. ②根據(jù)各能級能量的關(guān)系：電子在離核不同距離的軌道上運(yùn)動時，整個原子系統(tǒng)的總能量等于電子繞核運(yùn)動的動能和系統(tǒng)的電勢能之和，即：Ｅn=Ｅkn+Ｅpn, 離核越遠(yuǎn)時（即量子數(shù)n越大），原子系統(tǒng)的總能量Ｅn越大，而電子的動能Ｅkn越小，可見，系統(tǒng)的電勢能Ｅpn一定越大.所以，本題正確答案是Ｄ. 【答案】D 點評：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??；在規(guī)定離核無窮遠(yuǎn)處的電勢能為零時，氫原子的總能量是負(fù)值． 2.庫侖力做的功等于電勢能變化量的相反數(shù)． （2）氫原子的能級如下圖所示，已知可見光的光子能量范圍約為1.62 eV～3.11 eV，下列說法錯誤的是( ) A．處于n＝3能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離 B．大量氫原子從高能級向n＝3能級躍遷時，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng) C．大量處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發(fā)出6種不同頻率的光 D．大量處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，可能發(fā)出3種不同頻率的可見光 【解析】處于n＝3能級的氫原子吸收光子而發(fā)生電離的最小能量是1.51 eV，又因紫外線的頻率大于可見光的頻率，所以紫外線的光子能量E≥3.11 eV，故A正確． 由能級躍遷理論知，氫原子由高能級向n＝3能級躍遷時，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光的光子能量．由E＝hν知，發(fā)出光子頻率小于可見光的光子頻率，發(fā)出光子為紅外線，具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，故B正確． 由能級躍遷理論知，n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，最多可發(fā)出6種頻率的光子，故C正確． 由能級躍遷理論知，大量處于n＝4能級的氫原子向低能級躍遷時，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躍遷時發(fā)出的2種頻率的光子屬于可見光，故D錯誤． 【答案】D 點評：①原子由定態(tài)n(n≥2)向低能級躍遷時可能輻射的光子頻率的種類為． ②原子躍遷時，所吸收或釋放的光子能量只能等于兩能級之間的能量差． ③原子電離時，所吸收的能量可以大于或等于某一能級能量的絕對值． ④計算時應(yīng)注意：因一般取 ∞ 遠(yuǎn)處為零電勢參考面，故各能級的能量值均為負(fù)值；能量單位 1 eV＝1.610－19 J． 4. 關(guān)于氫原子躍遷時產(chǎn)生譜線的數(shù)目、光子能量、光子波長的計算 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，觀測到了一定數(shù)目的光譜線.調(diào)高電子的能量再次進(jìn)行規(guī)測，發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目原來增加了5條.用△n表示兩次觀測中最高激發(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，產(chǎn)生的光子頻率的個數(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)光譜線的數(shù)目比原來增加了5條所對應(yīng)的量子數(shù)為n=2和n=4；n=6和n=5，經(jīng)檢驗，其他的量子數(shù)不存在光譜線的數(shù)目比原來增加了5條這一情況. 顯然，對于量子數(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. 知道三種射線的本質(zhì)和特點． 3. 知道原子核的衰變規(guī)律，知道衰變本質(zhì)，會寫兩種衰變方程．了解半衰期的概念． 4. 知道原子核的人工轉(zhuǎn)變,知道核能；了解愛因斯坦的質(zhì)能方程,知道質(zhì)量虧損；會根據(jù)質(zhì)能方程和質(zhì)量虧損的概念計算核反應(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：1. 了解天然放射現(xiàn)象和它的本質(zhì);知道三種射線的本質(zhì)和特點 2. 了解原子核的人工轉(zhuǎn)變和質(zhì)能能方程，會用相關(guān)公式進(jìn)行計算 難點：1. 三種射線的比較 2. 分析核反應(yīng)過程和核能的計算。 知識梳理 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)射射線的性質(zhì)稱為放射性．具有放射性的元素稱為放射性元素． 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很多，但它們在地球上的含量很少．原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性． 元素這種自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象稱為天然放射現(xiàn)象。 2.三種射線 ⑴放射性物質(zhì)放出的射線有三種：α射線、β射線、γ射線． ⑵三種射線的成分和性質(zhì) 名稱 構(gòu)成 符號 電量 質(zhì)量 電離能力 貫穿本領(lǐng) α射線 氦核 +2e 4u 最強(qiáng) 最弱 β射線 電子 -e 0 較強(qiáng) 較強(qiáng) γ射線 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：原子核衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒． 4.實質(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，不穩(wěn)定，要向低能級躍遷．放出γ光子． γ射線是伴隨著α射線和β射線產(chǎn)生的． 放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時，有的發(fā)生α衰，有的發(fā)生β衰變，同時伴隨γ射線．這時三種射線都有． 例：寫出鐳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)生衰變所需的時間．符號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：α射線電離性強(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)生新原子核的過程，稱為核反應(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)中放出的能量稱為核能。一個質(zhì)子和一個中子結(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，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)稱聚變. 2．聚變反應(yīng)的特點 聚變反應(yīng)的特點主要有3個 ⑴和裂變相比，聚變反應(yīng)釋放的能量更多。 例如，一個氘核和一個氚核發(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． 常見的聚變反應(yīng) 在這兩個反應(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．所以氘是實現(xiàn)這兩個反應(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、無污染。 聚變產(chǎn)物基本上是穩(wěn)定氦核，沒有放射性，不污染周圍環(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，輕核的聚變是一種理想的解決能源問題的途徑．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，才能放出能量． 題型講解 1. 三種射線的考察 放射性元素衰變時放出三種射線，按穿透能力由強(qiáng)到弱的排列順序是（ ） A．a(chǎn)射線，b射線，g射線 B．g射線，b射線，a射線， C．g射線，a射線，b射線 D．b射線，a射線，g射線 【解析】由于三種射線的能量不同，所以貫穿能力最強(qiáng)的是g射線，b射線次之，a射線最弱，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，往往會同時伴隨著___________輻射。已知A、B兩種放射性元素的半衰期分別為T1和T2，t＝T1T2時間測得這兩種放射性元素的質(zhì)量相等，那么它們原來的質(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，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t＝T1T2時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)有三個核反應(yīng)： ①→＋____；?、冢玙___；③＋→＋____． 完成上述核反應(yīng)方程，并判斷下列說法正確的是( ) 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?、??、邸 點評：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(請認(rèn)真閱讀)
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