15.2 原子結(jié)構(gòu) 核能

1、第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)核能1基礎(chǔ)梳理整合核心理解深化方法探究突破基礎(chǔ)梳理整合構(gòu)建能力大廈的奠基石一、原子結(jié)構(gòu)1.電子的發(fā)現(xiàn)湯姆生在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了,提出了原子的棗糕模型。2.粒子散射實驗粒子散射實驗是用粒子轟擊金箔,結(jié)果是穿過金箔后仍沿原來方向前進(jìn),發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),極個別粒子甚至。答案：1.電子2.絕大多數(shù)少數(shù)反向43.核式結(jié)構(gòu)在原子的中心有一個很小的,叫原子核,原子的都集中在原子核里,帶在核外空間運動。答案：核幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷負(fù)電的電子5二、氫原子光譜1.光譜分析利用元素的特征譜線(線狀譜)分析和確定物質(zhì)的組成成分即光譜分析。2.氫原子光譜的實驗規(guī)律巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線,其

2、波長公式=R(-)(n=3,4,5,R是里德伯常量,R=1.10107 m-1)。6三、玻爾模型1.玻爾的三條假設(shè)(1)能量量子化:原子只能處于一系列狀態(tài)中,在這些狀態(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,這些狀態(tài)叫做。對氫原子滿足:En=E1,其中E1=-13.6 eV答案：不連續(xù)定態(tài)7相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子運動的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。對氫原子滿足:rn=n2r1,其中r1=0.5310-10 m。(3)能級躍遷:原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)時,它一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定,即h=E2-E1。(2

3、)軌道量子化:原子的跟電子沿不同的圓形軌道繞核運動答案： (2)定態(tài)軌道 (3)輻射或吸收82.氫原子能級圖:如圖所示91896年,在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)未知的射線,把這些射線稱為射線、射線、射線,這就是天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明原子核。答案：貝克勒爾具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)四、天然放射現(xiàn)象及三種放射線的比較1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)102.三種射線的比較113.三種射線在勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)情況比較:12五、原子核的衰變及衰變規(guī)律1.衰變原子核由于自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)化為新核的變化。2.衰變規(guī)律(1)衰變XYHe,實質(zhì):H+nHe(2)衰變XYe,實質(zhì)nHe133.半衰期(1)定義:放射性元

4、素衰變有一定的速率,我們把放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間叫半衰期,用表示。(2)公式:m=m0( (3)特點:半衰期由該元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定,跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度等)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物等)無關(guān)。另外,半衰期僅是對大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律。比如研究200個鈾的原子核經(jīng)過一個半衰期后還剩多少個鈾的原子核是沒有意義的。14六、核能1.核力核子間的作用力。核力是短程強(qiáng)力,作用范圍在1.510-15 m之內(nèi),只在的核子間發(fā)生作用。答案：相鄰15結(jié)合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量,叫做原子核的能,亦稱核能。3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E

5、=,原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小,這就是質(zhì)量虧損m。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能E=。答案：2.核子結(jié)合3.mc2mc2 2.核能16七、重核的裂變與輕核的聚變1.裂變重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)。如:U+XeSr+1n。2.聚變輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)。如:HHn。核心理解深化拓展升華思維的加油站一、氫原子能級圖及原子躍遷的理解【自主探究1】 用頻率為0的光照射大量處于基態(tài)的氫原子,在所發(fā)射的光譜中僅能觀測到頻率分別為1、2、3的三條譜線,且321,則()。A.01B.3=2+1 C.0=1+2+3 D.=+ 思路點撥:氫原子從n能級躍遷到基態(tài)能輻射幾種頻率的光?答案：B19

6、解析:大量處于基態(tài)的氫原子躍遷時只有三條譜線,這說明是從n=3的能級向低能級躍遷,根據(jù)能量守恒有,h3=h2+h1,解得:3=2+1,選項B正確。20歸納要點對原子躍遷條件的理解(1)原子從低能級向高能級躍遷,吸收一定能量的光子,當(dāng)一個光子的能量滿足h=E末-E初時,才能被某一個原子吸收,使原子從低能級E初向高能級E末躍遷,而當(dāng)光子能量h大于或小于E末-E初時都不能被原子吸收。(2)原子從高能級向低能級躍遷,以光子的形式向外輻射能量,所輻射的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時的兩能級間的能量差。(3)原子躍遷條件h=Em-En只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況。對于光子和氫原子作用而使

7、原子電離時,只要入射光的能量E13.6 eV,原子就能吸收。對于實物粒子與原子作用使原子激發(fā)時,粒子能量大于或等于能級差即可。21二、核反應(yīng)的四種類型【自主探究2】 現(xiàn)有5個核反應(yīng)方程AHHHenBUnXSr+nCNaMgeDNaRnHeEHeBeCn22(1)是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程,是研究核彈的基本核反應(yīng)方程式。(2)B項中X的質(zhì)量數(shù)為,中子數(shù)為。(3)以上五個核反應(yīng)的反應(yīng)類型是,A.;B.;C.;D.;E.。答案:(1)EB、A(2)14086(3)聚變裂變衰變衰變原子核的人工轉(zhuǎn)變(3)衰變是原子核自發(fā)地放出粒子或粒子的反應(yīng),C是衰變,D是衰變,E是人工控制的原子核的變化,屬人工轉(zhuǎn)變,裂變

8、是重核吸收中子后分裂成幾個中等質(zhì)量的核的反應(yīng),B是裂變,聚變是幾個輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核的反應(yīng),A是聚變。(2)由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可以判定X質(zhì)量數(shù)為140,電荷數(shù)為54,所以中子數(shù)為:140-54=86。解析:(1)E是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程,A是氫彈、B是原子彈的核反應(yīng)方程。24歸納要點1.熟記常見基本粒子的符號,是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子H)、中子n)、粒子He)、粒子e)、正電子e)、氘核H)、氚核H)等。2.核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律,這是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)。25BeHeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)(3)重核裂變:例:U

9、nXeSr+1n(可人工控制,緩慢釋放能量)UnBaKr+n(4)輕核聚變:例HHHen(不能人工控制)3.熟悉核反應(yīng)的四種基本類型,可以幫助我們理清思路,很快寫出正確的核反應(yīng)方程。(1)衰變:例:UThHeThPae(2)人工轉(zhuǎn)變:例:NHeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)26易錯辨析 請你判斷下列表述正確與否,對不正確的,請予以更正。1.衰變中的電子來源于原子核外電子。2.核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒,方程兩邊的質(zhì)量也相等。3.如某放射性元素的半衰期是5天,那么100個該元素的原子核經(jīng)過10天還剩下25個。4.電子繞核旋轉(zhuǎn)的半徑越大,動能越小,電勢能越大,總能量越大。5.目前核電站多數(shù)是采用核聚變反應(yīng)發(fā)電

10、。273.錯誤。半衰期是對大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律,100個太少,不能用半衰期公式計算。4.正確。5.錯誤?，F(xiàn)在的核電站利用核裂變釋放的能量,不是聚變釋放的能量,利用聚變釋放的能量是現(xiàn)在努力的方向,雖有突破,但還不能大規(guī)模應(yīng)用。答案:1.錯誤。衰變的實質(zhì)是中子衰變成質(zhì)子,放出電子,來源于原子核內(nèi)部,核反應(yīng)方程為:He。2.錯誤。核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒,但方程兩邊的質(zhì)量并不相等,核反應(yīng)一般要釋放能量,反應(yīng)后的核子的總質(zhì)量小于反應(yīng)前的總質(zhì)量,稱為質(zhì)量虧損。28方法探究突破提升應(yīng)用技巧的突破口命題研究一、能級躍遷與光譜線問題【例1】 如圖所示為氫原子最低的四個能級,當(dāng)氫原子在這些能級間躍遷時:30(1)

11、有可能放出多少種能量的光子。(2)在哪兩個能級間躍遷時,所放出光子波長最長?波長是多少?思路點撥:(1)輻射出的光譜線條數(shù)如何求?(2)用h=Em-En和c=求波長。31由h=E4-E3得:h=E4-E3 所以= m1.8810-6 m。 答案:(1)6種(2)見解析解析:(1)N=種=6種。(2)氫原子由第4能級向第3能級躍遷時,能級差最小,輻射的光子波長最長。32規(guī)律總結(jié)(1)一個氫原子和一群氫原子的區(qū)別:一個氫原子只有一個電子,在某個時刻電子只能在某一個可能的軌道上,當(dāng)電子從一個軌道躍遷到另一個軌道上時,可能情況有種,=,但產(chǎn)生的躍遷只有一種。而如果是大量的氫原子,這些原子的核外電子躍遷

12、時就會出現(xiàn)所有的可能情況。(2)入射光子和入射電子的區(qū)別:若是在光子的激發(fā)下引起原子躍遷,則要求光子的能量必須等于原子的某兩個能級差;若是在電子的碰撞下引起的躍遷,則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個能級差。33拓展鏈接1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)行觀測,發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目比原來增加了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(如圖所示)可以判斷,n和E的可能值為()。34A.n=1,13.22 eVE13.32 eVB.n=2,13.22 eVE13.32 eVC.n=

13、1,12.75 eVE13.06 eVD.n=2,12.75 eVEE4-E1,E-0.85-(-13.60) eV=12.75 eV,E-0.54-(-13.60) eV=13.06 eV,所以12.75 eVE13.06 eV,故D項正確。同理當(dāng)n=1時,使調(diào)高后電子的能量滿足E6-E1EE7-E1,-0.38-(-13.60) eVE-0.28-(-13.60) eV,所以13.22 eVE13.32 eV。故A項正確。36【例2】 放射性同位素釷232經(jīng)、衰變會生成氡,其衰變方程為ThRn+x+y,其中()。命題研究二、核反應(yīng)方程A.x=1,y=3 B.x=2,y=3C.x=3,y=1

14、D.x=3,y=2思路點撥:由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒能求解嗎?解析:由衰變方程ThRn+He+e,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得:232=220+4x,90=86+2x-y可解得x=3、y=2。答案： D37規(guī)律總結(jié)根據(jù)核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒來求解,解二元一次方程組,有時為了確定衰變次數(shù),往往由質(zhì)量數(shù)的改變先確定衰變的次數(shù),因為衰變對質(zhì)量數(shù)無影響,然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)。38種聚變反應(yīng)可能發(fā)生,放出熱量。這幾種反應(yīng)的總效果可以表示為HHe+H+n+43.15 MeV,由平衡條件可知()。拓展鏈接2核聚變有望給人類的未來提供豐富的潔凈能源。當(dāng)氘等離子體被加熱到適當(dāng)高溫時,氘核參與的幾A

15、.k=1,d=4B.k=2,d=2C.k=1,d=6D.k=2,d=3答案：B解析:根據(jù)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得解得,B對。39【例3】 一塊含鈾的礦石質(zhì)量為M,其中鈾元素的質(zhì)量為m,鈾發(fā)生一系列衰變,最終生成物為鉛。已知鈾的半衰期為T,那么下列說法中正確的是()。命題研究三、半衰期的理解與計算A.經(jīng)過2個半衰期后,這塊礦石中基本不再含有鈾B.經(jīng)過2個半衰期后,原來所含的鈾元素的原子核有發(fā)生了衰變C.經(jīng)過3個半衰期后,其中鈾元素的質(zhì)量還剩 D.經(jīng)過1個半衰期后該礦石的質(zhì)量剩下 思路點撥:解答本題的關(guān)鍵是理解半衰期的概念,注意:經(jīng)過1個半衰期后是鈾元素的質(zhì)量還有,不是該礦石的質(zhì)量還剩

16、下。40規(guī)律總結(jié):半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律,與外界因素?zé)o關(guān),用 N0、m0分別表示衰變前的原子核數(shù)目和質(zhì)量,N、m分別表示衰變后剩 余的原子核的數(shù)目和質(zhì)量,為半衰期,t表示衰變過程所經(jīng)歷的時間,則 N=N0(,m=m0(。解析:經(jīng)過2個半衰期后礦石中剩余的鈾應(yīng)該有,經(jīng)過3個半衰期后礦 石中剩余的鈾還有。因為衰變產(chǎn)物大部分仍然留在該礦石中,所以 礦石質(zhì)量沒有太大的改變。答案：C41拓展鏈接3一個氡核Rn衰變成釙核Po并放出一個粒子,其半衰期為 3.8天。1 g氡經(jīng)過7.6天衰變掉氡的質(zhì)量,以及Rn衰變成Po的過程放出的粒子是()。A.0.25 g,粒子B.0.75 g,粒子C.0.25

17、g,粒子D.0.75 g,粒子答案：B解析:氡核半衰期為3.8天,7.6天為2個半衰期,所以1 g氡7.6天衰變掉的質(zhì)量為1 g+(1 g)=0.75 g。由RnPo He知Rn衰變成Po的過程中放出的粒子是He,即粒子,所以B正確。42【例4】 天文學(xué)家測得銀河系中氦的百分含量約為25%,有關(guān)研究表明,宇宙中氦生成的途徑有兩條:一是在宇宙誕生后二分鐘左右生成的;二是在宇宙演化到恒星誕生后,由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)生成的。(1)把氫核聚變反應(yīng)簡化為4個氫核H)聚變成氦核He),同時放出2個正電子e)和2個中微子(e),請寫出該氫核聚變反應(yīng)的方程,并計算一次反應(yīng)釋放的能量。(2)研究表明,銀河系

18、的年齡約為t=3.81017 s,每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量約為11037 J(即P=11037 J/s)?，F(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚命題研究四、質(zhì)量虧損與核能的計算變反應(yīng),試估算銀河系中氦的百分含量(最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。43(3)根據(jù)你的估算結(jié)果,對銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。(可能用到的數(shù)據(jù):銀河系質(zhì)量約為M=31041 kg,原子質(zhì)量單位1 u=1.6610-27 kg,1 u相當(dāng)于1.510-10 J的能量,電子質(zhì)量me=0.000 5 u,氦核質(zhì)量m=4.002 6 u,氫核質(zhì)量mp=1.007 8 u,中微子e質(zhì)量為零。)思路點撥:書寫核反應(yīng)方程求出氫核聚變時的質(zhì)量虧損求出聚變時釋放的核能估算銀河系中氦的百分含量與已知百分含量對比得出結(jié)論。44解析:(1)核反應(yīng)方程為:HHe+e+2e 其質(zhì)量虧損:m=4mp-m-2me 其釋放的能量:E=