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第2節
原子結構
原子核
一、盧瑟福核式結構模型
1.J.J.湯姆孫的“棗糕”模型.
J.J.湯姆孫
(1)1897 年__________發現電子，提出原子的“棗糕”模型，
揭開了人類研究原子結構的序幕.
均勻
(2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷_______分布在
整個球內，電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里.
2.盧瑟福的“核式結構”模型.
(1)α粒子散射實驗裝置：如圖所示.
實驗規律 盧瑟福的分析
__________α粒子仍沿原來的方向
前進 原子中絕大部分是空隙
少數α粒子發生了較大的偏轉，極少數的偏轉角超過了90°，有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到180° α粒子碰到了質量比自己大得多的帶正電的物質，原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在一個很小的范圍內
(2)α粒子散射實驗規律及盧瑟福對實驗現象的分析.
絕大多數
徑約為10－15～10－14 m；原子的半徑約為10－10 m.
(3)原子核式結構模型.
原子核
①在原子的中心有一個很小的核，叫__________.
②原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里.
③帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉.
(4)原子核的大小：從α粒子散射實驗的數據估算出原子核的半
3.質子和中子統稱______，原子核的電荷數等于其質子數，原
子核的__________數等于其質子數與中子數的和.具有相同質子數
的原子屬于同一種元素；具有相同的質子數和不同的中子數的原
子互稱同位素.
核子
質量
定態 原子只能處于一系列________的能量狀態中，在這些能量狀態中原子是穩定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量
躍遷 原子從一種定態躍遷到另一種定態時，它________或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態的能量差決定.即hν＝________(h是普朗克常量，h＝6.626×10－34 J·s)
軌道 原子的不同能量狀態跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應.原子的定態是不連續的，因此電子的可能軌道也是________的
二、玻爾原子模型
1.三條假設.
不連續
輻射
Em－En
不連續
2.氫原子的能級、能級公式.
(1)氫原子的能級圖(如圖所示).
E1
半徑，又稱玻爾半徑，其數值為 r1＝0.53×10－10 m.
(2)氫原子的能級和軌道半徑.
1
n2
－13.6 eV
①氫原子的能級公式：En＝________(n＝1,2,3，…)，其中 E1
為基態能量，其數值為 E1＝___________.
②氫原子的半徑公式：rn＝n2r1(n＝1,2,3，…)，其中 r1 為基態
三、天然放射現象、原子核的組成
1.天然放射現象.
貝克勒爾
(1)天然放射現象.
放射性
α
β
γ
元素自發放出射線的現象，首先由________發現.天然放射現
象的發現，說明原子核具有復雜的結構.
(2)放射性和放射性元素：物質發射某種看不見的射線的性質
叫________.具有放射性的元素叫放射性元素.
(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是
________射線、________射線、________射線.
2.原子核.
質子
中子
質子數
中子數
(1)原子核的組成.
①原子核由_______和_______組成，質子和中子統稱為核子；
②原子核的核電荷數＝質子數，原子核的質量數＝_______＋
________.
質子數
中子數
(2)同位素：具有相同________、不同________的原子，在元
素周期表中的位置相同.同位素具有相同的化學性質.
四、原子核的衰變和半衰期
1.原子核的衰變.
(1)原子核放出粒子或吸收粒子，變成另一種原子核的變化稱
為原子核的衰變.
(2)分類.
2.半衰期.
半數
(1)定義：放射性元素的原子核有______發生衰變所需的時間.
(2)衰變規律：N＝N0__________、m＝m0__________.
(3)影響因素：由______________因素決定，跟原子所處的物
理化學狀態無關.
原子核內部
②核力是短程力，作用范圍在 1.5×10－15 m 之內.
五、核力、核能、質能方程、質量虧損、核反應
1.核力.
核子
(1)定義：原子核內部，________間所特有的相互作用力.
(2)特點：①核力是強相互作用的一種表現.
③每個核子只跟它的相鄰核子間有核力作用.
2.核能.
放出
吸收
核子數
大
牢固
(1)結合能.
核子結合為原子核時________的能量或原子核分解為核子時
________的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能.
(2)比結合能.
①定義：原子核的結合能與________之比，叫做比結合能，
也叫做平均結合能.
②特點：不同原子核的比結合能不同，原子核的比結合能越
________，表示原子核中核子結合得越________，原子核越穩定.
3.質能方程、質量虧損.
愛因斯坦質能方程 E＝________，原子核的質量必然比組成
它的核子的質量和要小Δm，這就是質量虧損.由質量虧損可求出釋
放的核能ΔE＝________.
4.原子核的人工轉變.
(1)質子的發現.
mc2
Δmc2
質子
(2)中子的發現.
(3)放射性同位素的人工合成.
中子
5.重核的裂變.
(1)重核是指________很大的原子核.
(2)重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質量數的原子
核的反應叫做重核的裂變.在裂變的同時，還會放出幾個中子和大
量能量.
鈾 235 裂變時，同時放出 2～3 個中子，如果這些中子再引起
其他鈾 235 核裂變，就可使裂變反應不斷地進行下去，這種反應
叫________反應.鈾 235 能夠發生鏈式反應的鈾塊的最小體積叫做
它的________體積.
質量數
鏈式
臨界
6.輕核的聚變.
(1)輕核是指質量數________的原子核，如氫核、氦核等.
(2)某些輕核結合成質量數較大的原子核的反應過程叫做輕核
的________，同時放出大量的能量.
輕核聚變只能發生在超高溫條件下，故輕核聚變也叫做熱核
反應.
很小
聚變
【基礎自測】
1.判斷下列題目的正誤.
(1)人們認識原子核具有復雜結構是從盧瑟福發現質子開始
的.(
上.(
)
(2)按照玻爾理論，核外電子均勻分布在各個不連續的軌道
)
(3)氫原子由能量為 En 的定態向低能級躍遷時，氫原子輻射的
光子能量為 hν＝En.(
)
(4)如果某放射性元素的原子核有 40個，經過一個半衰期后還
剩 20 個.(
)
(5)質能方程表明在一定條件下，質量可以轉化為能量.(
)
答案：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
(　　)
B.質子
D.α粒子
A.中子
C.電子
答案：A
3.(2024 年北京卷)已知釷 234 的半衰期是 24 天.1 g 釷 234 經
過 48 天后，剩余釷 234 的質量為(
)
A.0 g
B.0.25 g
C.0.5 g
D.0.75 g
0.25 g，B 正確.
答案：B
4.(2024 年江蘇卷)在某原子發生的躍遷中，輻射如圖所示的 4
種光子，其中只有一種光子可使某金屬發生光電效應，是(
)
A.λ1
B.λ2
C.λ3
D.λ4
解析：根據光電方程可知當只有一種光子可使某金屬發生光
電效應，該光子對應的能量最大，根據圖中能級圖可知躍遷時對
應波長為λ3 的光子能量最大，C 正確.
答案：C
熱點 1 氫原子能級及能級躍遷
[熱點歸納]
1.兩類能級躍遷：
(1)自發躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發出光子.
(2)受激躍遷：低能級→高能級，吸收能量.
①光照(吸收光子)：光子的能量必須恰等于能級差 hν＝ΔE；
②碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，
E外≥ΔE；
③大于電離能的光子被吸收，將原子電離.
2.譜線條數的確定方法：
(1)一個氫原子躍遷可能發出的光譜線條數最多為(n－1).
(2)一群氫原子躍遷可能發出的光譜線條數的兩種求解方法：
②利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種
可能情況一一畫出，然后相加.
3.氫原子躍遷時電子動能、電勢能與原子能量的變化規律：
隨 n 增大而增大，隨 n 減小而減小，其中 E1＝－13.6 eV.
(2)電子動能變化規律.
①從公式上判斷.電子繞氫原子核運動時靜電力提供向心力即
②從庫侖力做功上判斷.當軌道半徑增大時，庫侖引力做負功，
故電子動能減小；反之，當軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，
故電子動能增大.
(3)原子的電勢能的變化規律
①通過庫侖力做功判斷.當軌道半徑增大時，庫侖引力做負功，
原子的電勢能增大；反之，當軌道半徑減小時，庫侖引力做正功，
原子的電勢能減小；
②利用原子能量公式 En＝Ekn＋Epn判斷.當軌道半徑增大時，原
子能量增大，電子動能減小，故原子的電勢能增大；反之，當軌道
半徑減小時，原子能量減小，電子動能增大，故原子的電勢能減小.
考向 1 氫原子躍遷過程中的特點
【典題 1】(2022 年北京卷)氫原子從某激發態躍遷到基態，則
該氫原子(
)
A.放出光子，能量增加
C.吸收光子，能量增加
B.放出光子，能量減少
D.吸收光子，能量減少
解析：氫原子從某激發態躍遷到基態，則該氫原子放出光子，
且放出光子的能量等于兩能級之差，能量減少.
答案：B
思路導引
激發態能量高于基態，氫原子從某激發態躍遷到
基態能量減少，原因是以光子的形式放出能量，此過程電子動能
變大，電勢能減小.
考向 2 氫原子躍遷過程中光譜線的能量關系
【典題2】(多選， 2024 年重慶卷)我國太陽探測科學技術試
驗衛星“羲和號”在國際上首次成功實現空間太陽 Hα 波段光譜
掃描成像.Hα和 Hβ分別為氫原子由 n＝3 和 n＝4能級向 n＝2能級
躍遷產生的譜線(如圖)，則(　　)
A.Hα的波長比 Hβ的小
B.Hα的頻率比 Hβ的小
C.Hβ對應的光子能量為 3.4 eV
D.Hβ對應的光子不能使氫原子從基態躍遷到激發態
解析：氫原子 n＝3 與 n＝2 的能級差小于 n＝4 與 n＝2 的能
級差，則 Hα與 Hβ相比，Hα的波長大、頻率小，A 錯誤，B 正確；
Hβ對應的光子能量為 E＝(－0.85) eV－(－3.40) eV＝2.55 eV，C錯
誤；氫原子從基態躍遷到激發態至少需要能量 E＝(－3.40) eV－
(－13.60) eV＝10.2 eV，Hβ對應的光子不能使氫原子從基態躍遷
到激發態，D 正確.
答案：BD
種類 α射線 β射線 γ射線
組成 高速氦核流 高速電子流 光子流 (高頻
電磁波)
帶電荷量 2e －e 0
質量 4mp，mp＝
1.67×10-27 kg mp
1836 靜止質量為零
熱點 2 原子核的衰變規律
考向 1 三種射線
[熱點歸納]
(1)三種射線的比較：
種類 α射線 β射線 γ射線
速度 0.1c 0.99c c(光速)
在電磁場中 偏轉 與α射線反向偏轉 不偏轉
貫穿本領 最弱，用紙能擋住 較強，能穿透幾毫
米的鋁板 最強，能穿透
幾厘米的鉛板
對空氣的電
離作用 很強 較弱 很弱
(續表)
(2)α衰變、β衰變的比較：
【典題 3】科學家們利用 14C 測年法估測出我國三星堆遺址三
號坑的大概年份：距今 3148—2966 年的商代晚期.其測量依據是：
大氣中的 14N 在宇宙射線的照射下轉換為 14C，其核反應方程為
內，生物活著的時候其體內 12C 和 14C 的比例保持不變，當生物死
后，14C 發生衰變，其含量逐漸減少，14C 的半衰期約為 5730 年，
A.14C 與 14N 具有相同的中子數
B.14C 發生的是β衰變
C.生物活著時體內 14C 不會發生衰變
D.改變待測物體所處環境的溫度，可能會改變 14C 的半衰期
解析：14C 的中子數是8個，14N 的中子數是7個，A 錯誤；根
所以 14C 發生的是β衰變，B 正確；衰變是由原子核內部自身決定
的，與外界的物理和化學等狀態無關，C 錯誤；放射性元素的半
衰期與物理環境以及化學環境無關，D 錯誤.
答案：B
考向 2 衰變次數的確定方法
[熱點歸納]
方法一：確定衰變次數的方法是依據兩個守恒規律，設放射
和電荷數守恒可列方程
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
由以上兩式聯立解得
A－A′
A－A′
n＝
4
，m＝
2
＋Z′－Z
由此可見確定衰變次數可歸結為求解一個二元一次方程組.
方法二：因為β衰變對質量數無影響，可先由質量數的改變確
定α衰變的次數，然后根據衰變規律確定β衰變的次數.
A.鉛核比釷核少 8 個質子
B.鉛核比釷核少 16 個中子
C.共經過 4 次α衰變和 6 次β衰變
D.共經過 6 次α衰變和 4 次β衰變
解析：釷核中共有 90 個質子，142 個中子，鉛核中共有 82
個質子，126 個中子，故鉛核比釷核少 8 個質子，少 16 個中子，
錯誤，D 正確.
答案：ABD
熱點 3 半衰期
[熱點歸納]
1.半衰期公式：
2.半衰期的物理意義：
半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元
素具有的衰變速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差
別很大.
3.半衰期的適用條件：
半衰期是一個統計規律，是對大量的原子核衰變規律的總結，
對于一個特定的原子核，無法確定何時發生衰變.
答案：D
熱點 4 核反應方程
考向 1 核反應的四種類型
[熱點歸納]
(續表)
(續表)
【典題 6】(2022 年廣東佛山月考)2021 年 9 月，在甘肅省武
威市全球首臺釷基熔鹽核反應堆進行試運行放電，也標志著我國
成為世界上第一個對第四代核電技術進行商業化試驗運營的國家.
正確的是(　　)
D.核反應堆是通過核裂變把核能直接轉化為電能發電
解析：根據核反應的電荷數和質量數守恒可知，釷 232 變成
躍遷時，放出能量，會伴隨γ輻射，B 錯誤；整個過程中釋放能量，
的核能通過核裂變反應轉化為內能，然后通過發電機轉化為電能，
D 錯誤.
答案：A
易錯分析
衰變是原子核的衰變，α輻射實際上是α衰變，只
可能發生在原子核內部，不可能發生在原子的外層電子躍遷的過
程中.
考向 2 核反應方程式的書寫
[熱點歸納]
2.掌握核反應遵守的規律，是正確書寫核反應方程式或判斷某
個核反應方程式是否正確的依據，由于核反應不可逆，所以書寫
核反應方程式時只能用“→”表示反應方向.
3.核反應過程中質量數守恒，電荷數守恒.
【典題 7】(多選)下列核反應方程中，X1、X2、X3、X4 代表α
粒子的有(
)
答案：BD
熱點 5 質能方程與核能的計算
[熱點歸納]
1.對質能方程的理解：
(1)一定的能量和一定的質量相聯系，物體的總能量和它的質
量成正比，即 E＝mc2.
方程的含義：物體具有的能量與它的質量之間存在簡單的正比
關系，物體的質量增大，能量增大；物體的質量減少，能量減少.
(2)核子在結合成原子核時出現質量虧損Δm，其能量也要相應
減少，即ΔE＝Δmc2.
(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加
Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2.
2.核能的計算方法：
(1)根據ΔE＝Δmc2 計算，計算時Δm 的單位是“kg”，c 的單位
是“m/s”，ΔE 的單位是“J”.
(2)根據ΔE＝Δm×931.5 MeV 計算.因 1 原子質量單位(u)相當
于 931.5 MeV 的能量，所以計算時Δm 的單位是“u”，ΔE 的單位
是“MeV”.
(3)根據核子比結合能來計算核能：
原子核的結合能＝核子比結合能×核子數.
【典題 8】(2022 年廣東廣州模擬)2020 年 1 月 10 日，黃旭華
獲 2019 年國家最高科學技術獎.他是中國第一代核潛艇總設計師，
成功研制了我國第一代核潛艇，為我國海基核力量實現從無到有
的歷史性跨越作出了卓越的貢獻.核潛艇是以核反應堆(如圖所示)
C.根據 E＝mc2，裂變后釋放核能，裂變過程質量發生虧損
D.要能發生鏈式反應，鈾塊的體積應小于臨界體積
解析：根據核反應的質量數和電荷數守恒可知，X 元素的電
荷數(質子數)為 p＝56，質量數 q＝144，則含有 144－56＝88 個中
裂變過程質量發生虧損，C 正確；要能發生鏈式反應，鈾塊的體
積應大于臨界體積，D 錯誤.
答案：C
核反應與動量守恒定律的綜合模型
模型一 原子核衰變后在磁場中的運動軌跡問題
[熱點歸納]
靜止核在磁場中自發衰變，其軌跡為兩相切圓，α衰變時兩圓
半徑小的為新核，半徑大的為α粒子或β粒子，其特點對比如下表：
α衰變 勻強磁場中軌跡
兩圓外切，α粒子半徑大
β衰變 勻強磁場中軌跡
兩圓內切，β粒子半徑大
A.正電子動量大于硼核動量
B.空間中磁場方向垂直紙面向外
C.半徑較大的軌跡是正電子軌跡
D.正電子運動周期大于硼核周期
答案：C
模型二 核反應中的動量與能量綜合問題
[熱點歸納]
解決核反應與動量及能量守恒定律綜合的問題時，首先應用
質能方程求出核反應釋放出的核能，其次根據動量守恒定律和能
量守恒定律列出相應的方程，最后聯立求解.
【典題 10】(2022 年湖南卷)1932 年，查德威克用未知射線
轟擊氫核，發現這種射線是由質量與質子大致相等的中性粒子
(即中子)組成的.如圖，中子以速度 v0 分別碰撞靜止的氫核和氮核，
碰撞后氫核和氮核的速度分別為 v1 和 v2.設碰撞為彈性正碰，不
考慮相對論效應，下列說法正確的是(　　)
A.碰撞后氮核的動量比氫核的小
B.碰撞后氮核的動能比氫核的小
C.v2 大于 v1
D.v2 大于 v0
答案：B

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