文档文本内容
第64 讲 原子结构与原子核
目录
01 考情解码·命题预警..........................................................................................................................2
02 体系构建·思维可视.........................................................................................................................3
03 核心突破·靶向攻坚.........................................................................................................................4
考点一 原子结构与玻尔理论 ....................................................................................................4
知识点1 原子的核式结构....................................................................................................................4
知识点2 玻尔理论................................................................................................................................4
知识点3 能级跃迁................................................................................................................................4
考向1 原子的核式结构........................................................................................................................5
考向2 玻尔理论与能级跃迁..........................................................................................................6
考点二 原子核的衰变....................................................................................................................7
知识点1 三种射线................................................................................................................................8
知识点2 原子核的衰变........................................................................................................................8
考向1 三种射线....................................................................................................................................9
考向2 原子核的衰变...................................................................................................................... 9
考点三 核反应及核能的计算......................................................................................................10
知识点1 核反应..................................................................................................................................10
知识点2 核能.......................................................................................................................................11
考向1 核反应及分类...........................................................................................................................11
考向2 核能的计算..............................................................................................................................12
04 真题溯源·考向感知.......................................................................................................................13
常考考点
真题举例
原子结构与玻尔理论
2023·辽宁·高考真题
2021·辽宁·高考真题
原子核的衰变
2025·辽吉黑蒙·高考真题
2021·全国乙卷·高考真题
核能
2022·辽宁·高考真题
考情分析：
1. 原子结构与原子核在高考中属于必考内容，是近代物理的基础。在全高考中主要以选择题形式出现，
分值约5 分。
2．从命题思路上看，考查方向为
基本知识考查：能级跃迁规律及相关计算，衰变规律、核反应方程、质量亏损与结合能，重要实验（如α
粒子散射实验）和科学家贡献的识记与理解。
常见模型考查：玻尔原子模型，核式结构模型；
与科技相结合：核反应，宇宙线产生的核反应、“碳-14 测年”技术中的半衰期应用。
3．从命题思路上看，试题情景为
学习探究类：经典问题：氢原子能级图相关的光子频率、波长、动能的计算，给定初始核素和衰变类型，
求解最终核素或经历的衰变次数，结合图像（如衰变图、比结合能曲线）进行分析判断，书写重要的核反
应方程（如铀核裂变、太阳中的聚变反应），创新与应用情境：医学应用：放射性同位素示踪、放疗（如
钴-60 衰变放出的γ 射线），能源问题：核电站（重核裂变）、人造太阳（轻核聚变）中的核能释放，环境
保护：核废料的处理与衰变。
复习目标：
目
一：
标
知道原子的核式结构，通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构.
目标二：了解原子核的组成及核力的性质，了解半衰期及其统计意义.
目标三：认识原子核的结合能，了解核裂变及核聚变，能根据质量数、电荷数守恒写出核反应方程.
考点
一
原子结构与玻尔理论
知识点1 原子的核式结构
1.电子的发现：英国物理学家汤姆孙发现了电子。
2.α 粒子散射实验：1909 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。
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。
知识点2 玻尔理论
1.定态假设：电子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量状态中电子绕核的转动是稳定的，电
子虽然绕核运动，但并不产生电磁辐射。
2.跃迁假设：电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)跃迁到能量较低的定态轨道(能量记为En，m>n)
时，会放出能量为hν 的光子，这个光子的能量由前后两个能级的能量差决定，即hν＝Em－
E n.(h 是普朗
克常量，h＝6.63×10－34 J·s)。
3.轨道量子化假设：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。
知识点3 能级跃迁
1.能级和半径公式：
（1）能级公式：En＝E1(n＝1,2,3…)，其中E1为基态能量，其数值为E1＝－
13.6
eV。
（2）半径公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3…)，其中r1为基态轨道半径，又称玻尔半径，其数值为r1＝0.53×10
－10 m。
2.氢原子的能级图，如图1 所示。
图1
得分速记
1.两类能级跃迁
(1)自发跃迁：高能级→低能级，释放能量，发射光子。
光子的频率ν＝＝。
(2)受激跃迁：低能级→高能级，吸收能量。
吸收光子的能量必须恰好等于能级差hν＝ΔE。
2.光谱线条数的确定方法
(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n－1)。
(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数N＝C＝。
3.电离
(1)电离态：n＝∞，E＝0。
(2)电离能：指原子从基态或某一激发态跃迁到电离态所需要吸收的最小能量。
例如：基态→电离态：E 吸＝0－(－13.6 eV)＝13.6 eV。
(3)吸收的能量足够大，克服电离能后，获得自由的电子还具有动能。
考向1 原子的核式结构
例1（2023·黑龙江哈尔滨·三模）在
粒子散射实验中，下列图景正确的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【变式训练1·变考法】（2025·广东揭阳·模拟预测）如图所示，在α 粒子散射实验中，图中实线表示α 粒
子的运动轨迹，假定金原子核位置固定，a、b、c 为某条轨迹上的三个点，其中a、c 两点距金原子核的距
离相等，则（ ）
A．大多数α 粒子几乎沿原方向返回
B．卢瑟福根据α 粒子散射实验提出了能量量子化理论
C．在a、c 两点金原子核对α 粒子的库仑力相同
D．从a 经过b 运动到c 的过程中，α 粒子的电势能先增大后减小
考向2 玻尔理论与能级跃迁
例1 （2025·内蒙古·模拟预测）氢原子能级图如图所示，大量氢原子从
的能级向
的能级跃迁时
辐射出可见光a，从
的能级向
的能级跃迁时辐射出可见光b，则（ ）
A．大量氢原子从
的能级向基态跃迁时会辐射出
射线
B．氢原子可吸收2eV 的光子从
能级跃迁到
能级
C．在真空中传播时，a 光较b 光速度小
D．当氢原子从
能级跃迁到
能级时，原子能量变小
【变式训练1·变考法】（2024·内蒙古包头·二模）如图所示为氢原子的发射光谱和氢原子能级图，
、
、
、
是其中的四条光谱线及其波长，分别对应能级图中从量子数为n=3、4、5、6 的能级向量子
数为n=2 的能级跃迁时发出的光谱线。已知可见光波长在400nm~700nm 之间，下列说法正确的是
（ ）
A．
谱线对应的光是可见光中的紫光
B．四条光谱线中，
谱线对应的光子能量最大
C．
谱线对应的是从n=5 的能级向n=2 的能级跃迁时发出的光谱线
D．
谱线对应的光，照射逸出功为3.20eV 的金属，可使该金属发生光电效应
【变式训练2·与光电效应相结合】（2020·内蒙古通辽·模拟预测）光电效应的发现使人们对光有了新的认
识。用图（a）装置观察光电效应，将不带电的锌板与验电器相连，验电器箔片闭合；用弧光灯发出的紫
外线照射锌板，发现验电器箔片张开。已知锌的逸出功为3.34eV，原子的能级图如图（b）所示。下列说
法正确的（ ）
A．紫外线照射锌板时，锌板失去电子带正电，验电器箔片得到电子带负电
B．若用光子能量为1.82eV 的某单色光照射锌板，只要照射足够长的时间，验电器箔片也一定会张开
C．用大量处于n=4 能级氢原子发出的光照射锌板，逸出光电子的最大初动能为9.41eV
D．用大量处于n=4 能级的氢原子发出的光照射锌板，其中有4 种频率的光可以使锌板发生光电效应
考点二 原子核的衰变
知识点1 三种射线
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
放射性元素自发地发出射线的现象，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。
3.三种射线的比较
名称
构成
符号
电荷量
质量
电离能力
贯穿本领
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2 原子核的衰变
1.原子核的衰变
(1)衰变：原子核自发地放出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)α 衰变、β 衰变
衰变类型
α 衰变
β 衰变
衰变方程
X→Y＋He
X→Y＋e
衰变实质
2 个质子和2 个中子结合成
一个整体射出
中子转化为质子和
电子
2H＋2n→He
n→H＋e
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒
(3)γ 射线：γ 射线经常是伴随着α 衰变或β 衰变同时产生的。
2.半衰期
(1)公式：N 余＝N 原() ，m 余＝m 原() 。
(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压
强)或化学状态(如单质、化合物)无关(选填“有关”或“无关”)。
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、做示踪原子等。
(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。
考向1 三种射线
例1 （2025·辽宁沈阳·二模）图甲是研究天然放射现象的示意图，图乙是电子束穿过铝箔后的衍射图样，
下列描述正确的是（ ）
A．图甲中
粒子束是
②
α 射线
B．图甲中
粒子束是
③
α 射线
C．图乙证明了电子具有波动性
D．图乙证明了电子具有粒子性
考向2 原子核的衰变
例1 （2025·内蒙古呼和浩特·二模）科学家将
封装在钻石中进而研发一种新型核电池。
能自发进行
衰变，衰变方程为
，则X 为（ ）
【变式训练1·与半衰期相结合】（2025·内蒙古赤峰·二模）我国探月工程嫦娥六号搭载的氡气测量仪主要
用于探测月壤中氡的同位素及其衰变产物。在地球上氡原子核
的半衰期为3.8 天，氡原子核
衰
变为钋原子核
，同时放出一个粒子X。下列说法正确的是（ ）
A．粒子X 是中子
B．粒子X 是
粒子
C．在月球上，
的半衰期大于3.8 天
D．在月球上，
的半衰期小于3.8 天
【变式训练2·变考法】（2025·内蒙古呼和浩特·一模）自然界中一些放射性重元素会发生一系列连续衰变，
称为衰变链。已知
的衰变链如图所示，图中纵坐标为中子数，横坐标为质子数，X 为衰变链中某一原
子核。下列判断中正确的是（ ）
A．
衰变为X 要经过2 次α 衰变，3 次β 衰变
B．
衰变为X 要经过2 次α 衰变，2 次β 衰变
C．
衰变为X 质量数减小了2
D．
衰变为X 质量数减小了6
考点三 核反应及核能的计算
知识点1 核反应
1.核反应的四种类型
类型
可控性
核反应方程典例
衰
变
α 衰变
自发
U→Th＋He
β 衰变
自发
Th→Pa＋e
人工转变
人工控制
N＋He→O＋H
(卢瑟福发现质子)
He＋Be→C＋n
(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，同时发现正电子
P→Si＋e
重核裂变
容易控制
U＋n→Ba＋Kr＋3n
U＋n→Xe＋Sr＋10n
轻核聚变
现阶段很难
H＋H→He＋n
控制
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2 核能
1.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)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δ mc
2 。
(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＝Δ mc
2 。
得分速记
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 计算.因1 原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，所以计算时Δm 的单位
是“u”，ΔE 的单位是“MeV”。
考向1 核反应及分类
例1 （2025·内蒙古赤峰·三模）2025 年1 月20 日，我国“人造太阳”核聚变实验装置（EAST）首次完成
1 亿摄氏度一千秒“高质量燃烧”，创造了新的世界纪录。下列方程属于核聚变反应的是（ ）
A．
B．
C．
D．
【变式训练1·变考法】（24-25 高三上·内蒙古赤峰·期末）在2023 年12 月举办的中国国际海事技术学术会
和展览会上，我国江南造船厂官宣将生产全球最大的核动力集装箱船，该船将使用第四代核反应堆
钍
——
基熔盐核反应堆。钍基熔盐核反应堆经历了
的增殖反应和
链式反应两个过程，如图所示；其中
链式核反应方程为：
。下列说法正确的是（ ）
A．核反应方程中的
，
B．增殖反应的反应类型也属于核裂变
C．
比
更稳定
D．β 衰变辐射电子，说明原子核中存在电子
【变式训练2·变考法】（2025·吉林长春·模拟预测）
是原子能电池的放射源之一，
发生β 衰变变
成Y，半衰期为28.5 年。
主要来源于
的裂变，其核反应方程为
。下
列说法中正确的是（ ）
A．
的比结合能比
的比结合能大
B．
的β 衰变方程为
C．
衰变产生的β 射线是核外电子吸收能量后跃迁产生的
D．密闭容器中装有
经过28.5 年后容器中剩余物质质量为0.5g
考向2 核能的计算
例1 （2025·辽宁·二模）太阳现正处于主序星演化阶段．它主要是由正，负电子和
、
等原子核组成，
维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是
（释放的核能），这些核能最
后转化为辐射能．已知质子质量
，
核质量
，电子质量
，光速
，则每发生一次上述核聚变反应所释放的核能为（ ）
A．
B．
C．
D．
【变式训练1·变考法】（24-25 高三下·辽宁·期中）如图为原子核的比结合能曲线，横坐标为质量数
，纵
坐标为比结合能，由图可知（ ）
A．质量数
的原子核比结合能最大，因此该核发生核反应时会释放大量能量
B．铀核
的比结合能小于中等质量原子核，故铀核裂变生成两个中等核的过程会释放核能
C．两个氢核
聚变为氦核
的过程需要吸收能量
D．
比
更稳定
【变式训练2·变考法】（2025·黑龙江·二模）2024 年10 月3 日，Physical Review C 期刊上发表了中国科学
院近代物理研究所的研究成果：研究团队合成新核素钚
，并测量了该新核素的半衰期。已知
钚-227 的衰变方程为
，下列说法正确的是（ ）
A．Y 的电离能力较强，但穿透能力较弱
B．该反应遵循电荷数守恒和质量守恒定律
C．
原子核的结合能小于
原子核的结合能
D．100 个钚
原子核经过两个半衰期后还剩余25 个
【变式训练3·与动量相结合】（2025·辽宁鞍山·二模）镭（Ra）元素在1902 年由居里夫妇首先
发现，原子序数为88。镭的所有同位素都具有强烈的放射性，其中最稳定的同位素为镭226（
），
它会发生α 衰变变成氡（Rn）。设有一个静止的镭原子核发生了α 衰变，认为衰变产生的总能量等于α 粒
子（
）的动能与氡原子核的动能之和，其中α 粒子的动能为E，忽略衰变过程释放光子的动量和能量，
认为原子核的质量之比等于质量数之比。
(1)补全上述衰变的核反应方程式，
_______；
(2)求衰变产生的总能量；
(3)若产生的α 粒子和氡原子核以垂直于磁场方向的速度进入同一个匀强磁场中，求两个粒子的偏转半径rα
和rRn之比。
1．（2024·江苏·高考真题）如图所示，纳原子在几个能级间跃迁时辐射的光的波长分别为
、
、
和
。其中只有一种波长的光能使某种金属发生光电效应，该光的波长为（ ）
A．λ1
B．λ2
C．λ3
D．λ4
2．（2021·全国乙卷·高考真题）医学治疗中常用放射性核素
产生
射线，而
是由半衰期相对较长
的
衰变产生的。对于质量为
的
，经过时间t 后剩余的
质量为m，其
图线如图所示。
从图中可以得到
的半衰期为（ ）
3．（2021·辽宁·高考真题）赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，接收电路的电极如果受到光照，就更容
易产生电火花。此后许多物理学家相继证实了这一现象，即照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表
面逸出。最初用量子观点对该现象给予合理解释的科学家是（ ）
A．玻尔
B．康普顿
C．爱因斯坦
D．德布罗意
4．（2022·辽宁·高考真题）2022 年1 月，中国锦屏深地实验室发表了首个核天体物理研究实验成果。表明
我国核天体物理研究已经跻身国际先进行列。实验中所用核反应方程为
，已知
、
、
的质量分别为
，真空中的光速为c，该反应中释放的核能为E。下列说法正确的是（ ）
A．X 为氘核
B．X 为氚核
C．
D．
5．（2025·浙江·高考真题）利用磁偏转系统可以测量不同核反应中释放的高能粒子能量，从而研究原子核
结构。如图1 所示，用回旋加速器使氘原子核（
）获得2.74MeV 动能，让其在S 处撞击铝（
）核发
生核反应，产生处于某一激发态和基态的同位素核（
）以及两种不同能量的质子（
）。产生的质子
束经狭缝X 沿水平直径方向射入半径为R，方向垂直纸面向里、大小为B 的圆形匀强磁场区域，经偏转后
打在位于磁场上方的探测板上A、D 处（探测板与磁场边界相切于A 点，D 点与磁场圆心O 处在同一竖直
线上），获得如图2 所示的质子动能的能谱图。
(1)写出氘核撞击铝核的核反应方程；
(2)求A、D 的间距L；
(3)若从回旋加速器引出的高能氘核流为1.0mA，求回旋加速器的输出功率；
(4)处于激发态的
核会发生β 衰变，核反应方程是
。若
核质量等于
核质量，电
子质量为0.51MeV/c2，在上述两个核反应过程中，原子核被视为静止，求衰变释放的能量。
