第2节 原子结构和原子核
一、原子结构
1．电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。 2．原子的核式结构
(1)α粒子散射实验：1909～1911年，英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，但有少数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。
(2)原子的核式结构模型：在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。
二、氢原子光谱
1．光谱：用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按波长展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱。
2．光谱分类
3．氢原子光谱的实验规律：巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线，其波长公式17－1
－2)，(n＝3,4,5，…，R是里德伯常量，R＝1.10×10 m)。
1＝R(2λ21
n4．光谱分析：利用每种原子都有自己的特征谱线可以用来鉴别物质和确定物质的组成成分，且灵敏度很高。在发现和鉴别化学元素上有着重大的意义。
三、氢原子的能级、能级公式 1．玻尔理论
(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：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hν＝Em－En。(h是普朗克常量，h＝6.63×10
－34
J·s)
(3)轨道：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。
2．氢原子的能级、能级公式 (1)氢原子的能级 能级图如图所示
(2)氢原子的能级和轨道半径 ①氢原子的能级公式：
En＝2E1(n＝1,2,3，…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－13.6 eV。
n②氢原子的半径公式：rn＝nr1(n＝1,2,3，…)，其中r1为基态半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53 ×10
－10
2
1
m。
四、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素 1．原子核的组成
原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。 2．天然放射现象
元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。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、作示踪原子等。 (3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。 4．原子核的衰变
(1)衰变：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)分类
α衰变：ZX→Z－2Y＋2He 如： 92U→ 90Th＋2He； β衰变：ZX→Z＋1Y＋－1e 如： 90Th→ 91Pa＋－1e；
(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。
五、核力和核能 1．核力
原子核内部，核子间所特有的相互作用力。 2．核能
(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc。
(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc。
六、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程 1．重核裂变
(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。
(2)典型的裂变反应方程：
235 92
2
2
AA－442382344
A A 0234234 0
U＋0n→36Kr＋ 56Ba＋30n。
1891441
(3)链式反应：重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。 (4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。 (5)裂变的应用：原子弹、核反应堆。
(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。 2．轻核聚变
(1)定义：两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。
(2)典型的聚变反应方程：
21
H＋1H→2He＋0n＋17.6 MeV
341
1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”) (1)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强。 (2)半衰期与温度无关。
(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个。(×) (4)所有元素都可以发生衰变。
(5)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损。
(×) (×) (√) (√)
(6)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量。 (×)
2．(粤教版选修3－5P97T2)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？( ) A．把该元素放在低温阴凉处 B．把该元素密封在很厚的铅盒子里 C．把该元素同其他的稳定元素结合成化合物 D．上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率
D [半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关，故D正确。] 3．(沪科版选修3－5P75T4改编)已知铋-210的半衰期是5.0天，8 g铋-210经20天后还剩下( )
A．1 g B．0.2 g C．0.4 g D．0.5 g
T20
11????D [由公式m＝m0??τ得m＝8×??5 g＝0.5 g，D正确。] ?2??2?
4．(人教版选修3－5P81例题)(多选)已知中子的质量是mn＝1.674 9×10质量是mp＝1.672 6×10为( )
A．3.51×10C．1.76×10[答案] BC
5．(粤教版选修3－5P97T3)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是( ) A. 92U→ 90Th＋2He是α衰变 B. 7N＋2He→ 8O＋1H是β衰变 C.1H＋1H→2He＋0n是轻核聚变 D.34Se→36Kr＋2－1e是重核裂变 [答案] AC
82
82
0
2
3
4
1
14
4
17
1
238
234
4－13
－27
－27
kg，质子的
kg，氘核的质量是mD＝3.343 6×10
－27
kg，则氘核的比结合能
J J
B．1.10 MeV D．2.19 MeV
－13
玻尔理论和能级跃迁 [依题组训练]
1.(2019·全国卷Ⅰ)氢原子能级示意图如图所示。光子能量在1.63 eV～3.10 eV的光为可见光。要使处于基态(n＝1)的氢原子被激发后可辐射出可见光光子，最少应给氢原子提供的能量为( )
A．12.09 eV C．1.89 eV
B．10.20 eV D．1.51 eV
A [因为可见光光子的能量范围是1.63 eV～3.10 eV，所以氢原子至少要被激发到n＝3能级，要给氢原子提供的能量最少为E＝(－1.51＋13.60)eV＝12.09 eV，即选项A正确。]
2．(2016·北京高考)处于n＝3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有( )
A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
C [大量氢原子从n＝3能级向低能级跃迁时，能级跃迁图如图所示，有3种跃迁情况，故辐射光的频率有3种，选项C正确。]
3．(多选)(2019·永州市模拟)如图所示是玻尔为解释氢原子光谱画出的氢原子能级示意图。大量处于n＝3能级的氢原子向低能级跃迁放出若干频率的光子，设普朗克常量为h，下列说法正确的是( )
A．能产生3种不同频率的光子 B．产生的光子的最大频率为
E3－E1
hC．当氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时，氢原子的能量变大
D．若氢原子从能级n＝2跃迁到n＝1时放出的光子恰好能使某金属发生光电效应，则当氢原子从能级n＝3跃迁到n＝1时放出的光子照到该金属表面时，逸出的光电子的最大初动能为E3－E2
ABD [根据Cn可得从n＝3能级向低能级跃迁能产生C3＝3种不同频率的光子，A正确；产生的光子有最大能量的是从n＝3能级向n＝1能级跃迁时产生的，根据公式hν＝E3－E1，
2
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