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第68讲 原子结构和原子核
目录
01、考情透视，目标导
航
02、知识导图，思维引航.............................................................................................2
03、考点突破，考法探究.............................................................................................3
考点一.原子的核式结构..........................................................................................3
知识点一、原子的核式结构模型.....................................................................3
知识点二、分析原子的核式结构模型所用的规律.........................................4
考向1．α粒子散射实验现象...........................................................................4
考向2．α粒子散射实验分析...........................................................................5
考点二.玻尔理论与能级跃迁 氢原子光谱..........................................................5
知识点1.两类能级跃迁.....................................................................................5
知识点2.电离.....................................................................................................6
知识点3.原子辐射光谱线数量的确定方法.....................................................6
考向1 氢原子的能级跃迁问题......................................................................6
考向2 谱线条数的确定..................................................................................7
考向3 受激跃迁与电离..................................................................................7
考向4 能级跃迁与光电效应的综合..............................................................7
考点三.原子核的衰变与半衰期..............................................................................8
知识点1.α衰变和β衰变的比较......................................................................8
知识点2.三种射线的比较.................................................................................9
知识点3.确定衰变次数的方法.........................................................................9
知识点4.半衰期的理解.....................................................................................9
知识点5.原子核在磁场中衰变后运动分析.....................................................9
考点四.原子核的衰变与半衰期............................................................................10
知识点1.核反应的四种类型...........................................................................10
知识点2.核反应方程式的书写.......................................................................10
知识点3.核能的计算方法...............................................................................10
知识点4.对质能方程的理解...........................................................................11
考向1 核反应生成物的分析........................................................................11
考向2 核反应类型分析................................................................................11
考向3 放射性同位素及其衰变....................................................................11
考向4 质能方程的应用................................................................................12
考向2 质能方程与动量守恒定律的综合应用............................................12
考向3 根据比结合能曲线分析核能............................................................13
04、真题练习，命题洞见...........................................................................................132024·海南·高考物理第6题
2024·北京·高考物理第4题
2024·江西 ·高考物理第1题
考情 2024·湖南 ·高考物理第8题
分析 2024·江苏 ·高考物理第1题
2024·新课标 ·高考物理第20题
2024·浙江 ·高考物理第9题
2024·贵州 ·高考物理第8题
目标1.理解原子的核式结构，了解氢原子光谱，理解玻尔原子结构理
论，会分析能级跃迁问题。
复习
目标 目标2.理解原子核的衰变，会计算原子核的半衰期。
目标3.理解原子核的人工转变、重核的裂变、轻核的聚变，会书写核
反应方程，会计算核反应过程的核能。考点一.原子的核式结构
知识点一、原子的核式结构模型
1．电子的发现：英国物理学家_______发现了电子。
2．α粒子散射实验
(1)装置：1909年，英国物理学家_______和他的助手进行了用α粒子轰击金箔的实验，实验装置如图所示。
(2)现象：实验发现绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿_______的方向前进，但有少数α粒子发生了大
角度偏转，极少数偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞了回来”。(如图所示)
3．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_______和几乎全部_______都集中在
核里，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。
知识点二、分析原子的核式结构模型所用的规律
(1)库仑定律：F＝k，可以用来确定电子和原子核、α粒子和原子核间的相互作用力。
(2)牛顿运动定律和圆周运动规律：可以用来分析电子绕原子核做匀速圆周运动的问题。
(3)功能关系及能量守恒定律：可以分析由于库仑力做功引起的带电粒子在原子核周围运动时动能、电势能
之间的转化问题。
考向1．α粒子散射实验现象
1.(多选)α粒子散射实验是近代物理学中经典的实验之一，卢瑟福通过该实验证实了原子的核式结构模型，
其实验装置如图所示。下列说法正确的是( )A．荧光屏在C位置的亮斑比在A、B位置的亮斑少
B．该实验说明原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上
C．荧光屏在B位置的亮斑比在A位置的亮斑多
D．该实验说明原子质量均匀地分布在原子内
考向2．α粒子散射实验分析
2.1909年，物理学家卢瑟福和他的学生用α粒子轰击金箔，研究α粒子被散射的情况，实验用高速的α射
线轰击厚度为微米级的金箔，发现绝大多数的 α粒子都照直线穿过薄金箔，偏转很小，但有少数 α粒子发
生角度较大的偏转，极少数α粒子偏转角大于90°，甚至观察到有些α粒子偏转角接近180°，其散射情境
如图所示。关于α粒子散射实验，下列说法正确的是( )
A．实验的目的是想证明原子具有核式结构模型
B．实验中α粒子穿过金箔发生偏转的原因是受到电子对它的库仑力作用
C．极少数α粒子发生大角度偏转，是原子内部两侧的正电荷对α粒子的斥力不相等造成的
D．由实验数据可以估算出金原子核的直径数量级
考点二.玻尔理论与能级跃迁 氢原子光谱
知识点1.两类能级跃迁
(1)自发跃迁：高能级(n)――→低能级(m)→放出能量，发射光子，hν＝E －E 。
n m
(2)受激跃迁：低能级(m)――→高能级(n)→吸收能量。
①光照(吸收光子)：光子的能量必须恰好等于能级差，hν＝E －E 。
n m
②碰撞、加热等：只要入射粒子的能量大于或等于能级差即可，E ≥E －E 。
外 n m
③大于电离能的光子被吸收，原子将电离。知识点2.电离
电离态：n＝∞，E＝0
基态→电离态：E ＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。
吸
激发态→电离态：E ＞0－E ＝|E |。
吸 n n
若吸收能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还携带动能。
知识点3.原子辐射光谱线数量的确定方法
(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)条。
(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数N＝C＝。
考向1 氢原子的能级跃迁问题
1．2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望
远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)。根据如图所示的氢原子能级图，
可知此谱线来源于太阳中氢原子( )
A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁
B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁
C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁
D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁
考向2 谱线条数的确定
2．氢原子的能级图如图所示，下列说法正确的是( )
A．玻尔的原子理论认为电子绕原子核旋转的轨道是连续的
B．用能量为11 eV的光子照射处于基态的氢原子可以使之发生跃迁
C．大量处于n＝3能级的氢原子，最多可向外辐射2种不同频率的光子
D．一个处于n＝3能级的氢原子，最多可向外辐射2种不同频率的光子
考向3 受激跃迁与电离
3．“北斗三号”采用星载氢原子钟，该钟数百万年到一千万年才有1 s 误差。氢原子的部分能级结构如图所示，则下列说法正确的是( )
A．用动能为14 eV的电子轰击处于基态的氢原子，一定不能使其跃迁到激发态
B．氢原子由基态跃迁到激发态后，核外电子动能减小，原子的电势能增大
C．某个处于基态的氢原子可以吸收12.09 eV的光子，发出3种不同频率的光
D．处于基态的氢原子只能吸收13.6 eV的能量实现电离
考向4 能级跃迁与光电效应的综合
4．已知金属锌的逸出功为3.34 eV，氢原子能级分布如图所示，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级可产
生a光，从n＝2能级跃迁到n＝1能级可产生b光。a光和b光的波长分别为λ 和λ 。现用a、b光分别照
a b
射到金属锌表面均可产生光电效应，遏止电压分别为U 和U。下列说法中正确的是( )
a b
A．λ<λ
a b
B．U<U
a b
C．a光的光子能量为3.4 eV
D．b光照射到金属锌表面产生的光电子的最大初动能为8.75 eV
考点三.原子核的衰变与半衰期
知识点1.α衰变和β衰变的比较
衰变类型 α衰变 β衰变
衰变方程 X→Y＋He X→Y＋e
2个质子和2个中子结合成一 1个中子转化为1个质子
衰变实质 个He射出 和1个电子
2H＋2n→He n→H＋e
匀强磁场中轨迹形状
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒知识点2.三种射线的比较
电离 贯穿
名称 构成 符号 电荷量 质量
能力 本领
α射线 氦核 He ＋2e 4 u 最强 最弱
β射线 电子 e －e u 较强 较强
γ射线 光子 γ 0 0 最弱 最强
知识点3.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。
知识点4.半衰期的理解
半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言。
知识点5.原子核在磁场中衰变后运动分析
静止原子核在匀强磁场中自发衰变，如果产生的新核和放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直，则它
们的运动轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒定律有mv ＝mv ，又r
1 1 2 2
＝，则半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表：
匀强磁场中轨迹：
α衰变 X―→Y＋He
两圆外切，α粒子半径大
匀强磁场中轨迹：
β衰变 X―→Y＋e
两圆内切，β粒子半径大
考点四.原子核的衰变与半衰期
知识点1.核反应的四种类型
类 型 可控性 核反应方程典例
α衰变 自发 U―→Th＋He
衰
β衰变 自发 Th―→Pa＋e变
N＋He―→O＋H
(卢瑟福发现质子)
He＋Be―→C＋n
人工转变 人工控制 (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
P―→Si＋e
电子
比较容易 U＋n―→Ba＋Kr＋3n
重核裂变 进行人工
U＋n―→Xe＋Sr＋10n
控制
轻核聚变 很难控制 H＋H―→He＋n
知识点2.核反应方程式的书写
(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)掌握核反应方程遵循的规律：质量数守恒，电荷数守恒。
(3)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。
知识点3.核能的计算方法
(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。
(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV/u计算。因1原子质量单位(1 u)相当于931.5 MeV，所以计算时Δm的单位是
“u”，ΔE的单位是“MeV”。
(3)根据核子比结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子比结合能×核子数。
知识点4.对质能方程的理解
(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即E＝mc2。
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2。
(3)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＝Δmc2。
考向1 核反应生成物的分析
1．(2023·全国甲卷) 在下列两个核反应方程中：X＋N―→Y＋O、Y＋Li―→2X，X和Y代表两种不同的
原子核，以Z和A分别表示X的电荷数和质量数，则( )
A．Z＝1，A＝1 B．Z＝1，A＝2
C．Z＝2，A＝3 D．Z＝2，A＝4考向2 核反应类型分析
2．(2024·成都模拟)我们在地球上获取和消耗的能量，绝大部分来自太阳内部核聚变释放的核能。下列核
反应方程中，属于核聚变的是( )
A.U―→Tu＋He
B.H＋H―→He＋n
C.He＋Al―→P＋n
D.U＋n―→Ba＋Kr＋3n
考向3 放射性同位素及其衰变
3．正电子发射型计算机断层显像(PET)的基本原理：将放射性同位素O注入人体，O在人体内衰变放出的
正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子，γ光子被探测器探测后经计算机处理产生清晰图
像，下列说法正确的是( )
A.O在人体内衰变的方程是O―→N＋n
B．正负电子湮灭的方程是e＋e―→2γ
C．正负电子相遇而湮灭违背了能量守恒定律
D．在PET中，O的主要用途是参与人体的代谢过程
考向4 质能方程的应用
4．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫
星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在 1分钟
内释放的能量量级为1048 J 。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为
(光速为3×108 m/s)( )
A．1019 kg B．1024 kg
C．1029 kg D．1034 kg
考向2 质能方程与动量守恒定律的综合应用
5．静止的Pu核发生α衰变，产生的新核为U，释放出的α粒子的动能为E，假设衰变时能量全部以动能
形式释放出来，则衰变过程中总的质量亏损是(光速为c)( )
A． B．
C． D．
考向3 根据比结合能曲线分析核能
6．太阳目前处于主序星阶段，氢燃烧殆尽后将发生氦闪，进入红巨星阶段。“氦闪”是氦聚变变成碳的
过程,2He―→Be，Be极不稳定，短时间再结合一个氦变成碳，Be＋He―→C，已知原子核的比结合能—质
量数的图像如图，He的纵坐标为7.08，C的纵坐标为7.69，下列说法中正确的是( )A．原子核的结合能越大，原子核就越稳定
B．一次氦闪放出的核能为7.32 MeV
C．氦4的核子平均质量小于碳12的核子平均质量
D．氦4的结合能为7.08 MeV
1．（2024·浙江·高考真题）玻尔氢原子电子轨道示意图如图所示，处于n =3能级的原子向低能级跃迁，
会产生三种频率为 、 、 的光，下标数字表示相应的能级。已知普朗克常量为h，光速为c。正确
的是（ ）
A．频率为 的光，其动量为
B．频率为 和 的两种光分别射入同一光电效应装量，均产生光电子，其最大初动能之差为
C．频率为 和 的两种光分别射入双缝间距为d，双缝到屏的距离为L的干涉装置，产生的干涉条纹
间距之差为 。
D．若原子n=3 跃迁至 n=4 能级，入射光的频率
2．（2024·安徽·高考真题）大连相干光源是我国第一台高增益自由电子激光用户装置，其激光辐射所应用
的玻尔原子理论很好地解释了氢原子的光谱特征。图为氢原子的能级示意图，已知紫外光的光子能量大于，当大量处于 能级的氢原子向低能级跃迁时，辐射不同频率的紫外光有（ ）
A．1种 B．2种 C．3种 D．4种
3．（2024·浙江·高考真题）氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示，此四条谱线满足巴耳末公式
，n=3、4、5、6用 和 光进行如下实验研究，则（ ）
A．照射同一单缝衍射装置， 光的中央明条纹宽度宽
B．以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖， 光的侧移量小
C．以相同功率发射的细光束，真空中单位长度上 光的平均光子数多
D．相同光强的光分别照射同一光电效应装置， 光的饱和光电流小
4．（2024·海南·高考真题）人工核反应 中的X是（ ）
A．中子 B．质子 C．电子 D．α粒子
5．（2024·北京·高考真题）已知钍234的半衰期是24天。1g钍234经过48天后，剩余钍234的质量为（
）
A．0g B．0.25g C．0.5g D．0.75g
6．（2024·甘肃·高考真题）2024年2月，我国科学家在兰州重离子加速器国家大科学装置上成功合成了新
核素 ，核反应方程如下： 该方程中X是（ ）
A．质子 B．中子 C．电子 D． 粒子
7．（2024·广东·高考真题）我国正在建设的大科学装置——“强流重离子加速器”。其科学目标之一是探
寻神秘的“119号”元素，科学家尝试使用核反应 产生该元素。关于原子核Y和质
量数A，下列选项正确的是（ ）
A．Y为 B．Y为
C．Y为 D．Y为8．（2024·广西·高考真题）近期，我国科研人员首次合成了新核素锇 （ ）和钨 （ ）。
若锇 经过1次 衰变，钨 经过1次 衰变（放出一个正电子），则上述两新核素衰变后的新核有
相同的（ ）
A．电荷数 B．中子数 C．质量数 D．质子数
9．（2024·河北·高考真题）锂是新能源汽车、储能和信息通信等新兴产业的关键材料．研究表明，锂元素
主要来自宇宙线高能粒子与星际物质的原子核产生的散裂反应，其中一种核反应方程为
，式中的X为（ ）
A． B． C． D．
10．（2024·山东·高考真题）2024年是中国航天大年，神舟十八号、嫦娥六号等已陆续飞天，部分航天器
装载了具有抗干扰性强的核电池。已知 衰变为 的半衰期约为29年； 衰变为 的半衰期约
87年。现用相同数目的 和 各做一块核电池，下列说法正确的是（ ）
A． 衰变为 时产生α粒子
B． 衰变为 时产生β粒子
C．50年后，剩余的 数目大于 的数目
D．87年后，剩余的 数目小于 的数目
11．（2024·湖北·高考真题）硼中子俘获疗法是目前治疗癌症最先进的手段之一、 是该
疗法中一种核反应的方程，其中X、Y代表两种不同的原子核，则（ ）
A．a=7，b=1 B．a=7，b=2 C．a=6，b=1 D．a=6，b=2
12．（2024·全国·高考真题）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，总的反应效果可用
表示，式中x、y的值分别为（ ）
A． ， B． ， C． ， D． ，
13．（2024·江苏·高考真题）用粒子轰击氮核从原子核中打出了质子，该实验的核反应方程式是
，粒子X为（ ）
A．正电子 B．中子
C．氘核 D．氦核
14．（2024·福建·高考真题） ，则其中的X表示（ ）
A． B． C． D．
15．（2024·浙江·高考真题）已知氘核质量为 ，氚核质量为 ，氦核质量为 ，中子质
量为 ，阿伏加德罗常数 取 ，氘核摩尔质量为 ， 相当于 。关
于氘与氚聚变成氦，下列说法正确的是（ ）A．核反应方程式为
B．氘核的比结合能比氦核的大
C．氘核与氚核的间距达到 就能发生核聚变
D． 氘完全参与聚变释放出能量的数量级为
16．（2024·重庆·高考真题）我国太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”在国际上首次成功实现空间太阳
H 波段光谱扫描成像。H 和H 分别为氢原子由n = 3和n = 4能级向n = 2能级跃迁产生的谱线（如图），
α α β
则（ ）
A．H 的波长比H 的小
α β
B．H 的频率比H 的小
α β
C．H 对应的光子能量为3.4eV
β
D．H 对应的光子不能使氢原子从基态跃迁到激发态
β
