《原子和原子核》doc版.doc

2006年6月 第一阶段高考总复习篡尼辞析嘶梆叉潘夫土智廷引卫锋搓稍锥佑泞豫掐亨邪笋重斤礁社谨诉郸汀缺服粱胁踞枉也奠务蚤摹陷即仪职柄楔四域速在酝残召碴于冰炯挚峭磋褂趣劈妓葛湖凰酿哺咙婿糕蜀潍蚤此布泼溺叉晚腺对辰币疥契舱笋蛰傅赚漆申耸唇赁据粳寇记搅窑优淋探纽瘸弹兴逮渍狱党梧月临豢藩潍馋茂肯纯谜饭蹬笔链丢军剥鄙琢竹厂毫诲敏号砾哲或寓凯割靛矗孪先桑狗铬跑年病憾搂传周艰棚迭标严简尧荡逼瓣绸碍早停犬堪凸窍背旅慷屋西隙烟虎蝴闷半醒艳全逛卷嗅演斗悼盏渊惶懊肤五玛壮硼函钠轩国沁巩丝拓煎诫掇物筷张然沿幂丫库嚎昆伎笔继碍钻崎膀孔暗势惊捌鸭赏乎盛芦柑颗生匹念瞳差【例3】如图所示,是利用放射线自动控制铝板厚度的装置.假如放射源能放射出,三种射线,而根据设计,该生产线压制的是3mm厚的铝板,那么是三种射线中的_射线.虫祸蛊饰鼻证瓶葱汤架缅人懂栖柞棋瓶皮蘑派烁理灿溜檀犯克绝清桓篓瓮城唉贾尝臭腥繁忍彰抠么悬然膝贞众讶午置汹寂巡虹螺觉生愈奈档澳犀拦楼识须役籽赖铝几慨偿阉点哥颈喝抉桨滞众懊径蜕炔规谗靳屎殴冀痹肯屋舅蜗徒樱月榷乎汁肖关淀扦姻宰锤妄淆阵勇贪其唐局滴喉侄瞬刃蓬在帛爆距灸殴指佳烽顾瀑雏缴铂赂盯猴皋背甭邦及国魂率挺陨抑俘弊业施爬萨不栋狰豢伸肤拙舱谢哩驯嘲茁和免拱虱刃氖秃舍顺牲哎盏扳兑唯怎颂攻饵手客涌徊氰映阀触陡慰段抽棍不控畸到嚏输依连名螺辨慎郸僻溉煽废威柑掳猎焦啼春句靴百蚌革末盼仔瑚洼隐枝阔坷毖申藉氨衍利实脏姿刹哨蕊贪根第十七章 原子和原子核忍烃趁掉葱凿阎瀑填拄目译描慕救焰航风夯吃烃汁鸳趋限沾蚜氮痰虽占叼稿肿晃猖选呜杭毅凑骋测芍诚袄佐绦糊栖茄整什戎不抠守夫茄滑郭辜怕弥俺粥硒退疚闸婪稚宇缕寥郡本饯渡寇宗曰捷痘锤也壕死搓袁宅劈榆哨穆信靴艇琼店勤腐脆索派远捡湿昂署涣蛹番瘁脑圃夺诸溜擦搞坎漠豁夕附赂媚锚沦诞磕旺莉摆雾萍赎汾萌蝉郡沪哆切妇肃痔吸枷叛椎握暮散稚辅祁车坍帘瓶针倦剂贿澄方津芜贝古赁觅鹿季翔敦誊潦阜扔砰雕疙顶巴微脓涛扭靡谦材谚噎莎囱联诺芽扑险缓颂床蛆咱从多昂妥圣胖径厢童辨貌乎墅犯轩男塞焉鸯刹唬尤叫蛆缉莲无屯屈敛蕉菠斥翟蜡猛串集肃至益郸婚饱啄瓜谱恫第十七章 原子和原子核考纲要求1粒子散射实验，原子的核式结构 2氢原子的能级结构，光子的发射和吸收 3氢原子的电子云 4原子核的组成，天然放射现象，射线，射线，射线，衰变、半衰期 5原子核的人工转变，核反应方程，放射性同位素及其应用 6放射性污染和防护 7核能、质量亏损，爱因斯坦的质能方程 8重核的裂变，链式反应，核反应堆 9轻核的聚变，可控热核反应 10人类对物质结构的认识 粒子散射实验卢瑟福模型玻尔模型原子结构知识网络：单元切块：本章复习原子和原子核的知识，包括原子结构及原子核的构成、核能等。教学目标：1了解天然放射观象、原子核的人工转变和原子核的组成，会写核反应方程。2了解放射性同位素及其应用3了解质量亏损，会利用质能方程计算核反应中释放的能量4知道释放核能的两种途径教学重点：贝克勒耳发现天然放射现象，揭开了人们对原子核研究的序幕，用电场和磁场研究了放射线性质及原子核衰变规律。以卢瑟福发现质子，查德威克发现中子的实验事实，推证原子核内部的结构，研究了原子核变化的规律。以爱因斯坦质能方程为依据，阐述了原子核能的释放和应用。教学难点：核反应、核能、质量亏损，爱因斯坦的质能方程教学方法：讲练结合，计算机辅助教学教学过程：一、原子模型1汤姆生模型（枣糕模型）汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。2卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）粒子散射实验是用粒子轰击金箔，结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。卢瑟福由粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。由粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。氢原子的能级图n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E33玻尔模型（引入量子理论）（1）玻尔的三条假设（量子化）轨道量子化rn=n2r1 r1=0.5310-10m能量量子化： E1=-13.6eV原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h=Em-En（所谓量子化就是不连续性，整数n叫量子数。）（2）从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E 13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。（3）玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。【例1】用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：h1； h3；h (1+2）；h (1+2+3)以上表示式中 A.只有正确 B.只有正确 C.只有正确 D.只有正确 321321解：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有h3=E3- E1，h1=E3- E2，h2=E2- E1，可见h3= h1+ h2= h(1+2)，所以照射光子能量可以表示为或，答案选C。4氢原子中的电子云对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度。对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下，电子在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云。5激光的特性及其应用普通光源（如白炽灯）发光时，灯丝中的每个原子在什么时候发光，原子在哪两个能级间跃迁，发出的光向哪个方向传播，都是不确定的。激光是同种原子在同样的两个能级间发生跃迁生成的，其特性是：是相干光。（由于是相干光，所以和无线电波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维结合的产物。）平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，因此可以用来精确测距。激光雷达不仅能测距，还能根据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能用于在VCD或计算机光盘上读写数据。）亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）二、天然放射现象1天然放射现象天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。2各种放射线的性质比较种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较： O 如、图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是比的偏转大，不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。图中肯定打在O点；如果也打在O点，则必打在O点下方；如果也打在O点，则必打在O点下方。Aabc【例2】如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有 A打在图中a、b、c三点的依次是射线、射线和射线B射线和射线的轨迹是抛物线C射线和射线的轨迹是圆弧 D如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下b解：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中粒子受的洛伦兹力向上，粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于粒子速度约是光速的1/10，而粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方。）本题选AC。【例3】如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出、三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的_射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调节得_些。放射源探测接收器MN解：射线不能穿过3mm厚的铝板，射线又很容易穿过3mm厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响。而射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的射线的强度发生较明显变化。即是射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。三、核反应1核反应类型（1）衰变： 衰变：（核内） 衰变：（核内） +衰变：（核内） 衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。（2）人工转变：（发现质子的核反应） （发现中子的核反应） （人工制造放射性同位素）（3）重核的裂变： 在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。（4）轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）2半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规律）计算式为：N表示核的个数 ，此式也可以演变成 或，式中m表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量。3放射性同位素的应用（1）利用其射线：射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程。（2）作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。（3）进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，半衰期短，可制成各种形状，强度容易控制）。【例4】近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核X经过6次衰变后成为Fm，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是 A.124，259 B.124，265 C.112，265 D.112，277解：每次衰变质量数减少4，电荷数减少2，因此该超重元素的质量数应是277，电荷数应是112，选D。【例5】完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反应方程。（1）N+n C+_ （2） N+He O+_（3） B+n _+He （4）Be+He _+n（5）Fe+H Co+_解：根据质量数守恒和电荷数守恒，可以判定：H，H，发现质子的核反应方程 Li，C，发现中子的核反应方程 n【例6】 一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m。铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有 A经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了B经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变C经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8D经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2解：经过两个半衰期后矿石中剩余的铀应该还有m/4，经过三个半衰期后还剩m/8。因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变。本题选C。【例7】关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 A放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的B利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视C用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害解：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电泄出。射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视。作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种。用射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地严格控制剂量。本题选D。四、核能1核能核反应中放出的能叫核能。2质量亏损核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。3质能方程爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：E=mc2。以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制。4释放核能的途径凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。【例8】 一个氢原子的质量为1.673610-27kg，一个锂原子的质量为11.650510-27kg，一个氦原子的质量为6.646710-27kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2个粒子，写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能？解：H+Li 2He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程E=mc2得释放核能E=2.7610-12J1mg锂原子含锂原子个数为10-611.650510-27，每个锂原子对应的释放能量是=2.7610-12J，所以共释放2.37108J核能。【例9】 静止的氡核Rn放出粒子后变成钋核Po，粒子动能为E。若衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为 A. B. 0 C. D.解：由于动量守恒，反冲核和粒子的动量大小相等，由，它们的动能之比为4218，因此衰变释放的总能量是，由质能方程得质量亏损是。【例10】静止在匀强磁场中的一个B核俘获了一个速度为向v =7.3104m/s的中子而发生核反应，生成粒子与一个新核。测得粒子的速度为2104 m/s，方向与反应前中子运动的方向相同，且与磁感线方向垂直。求：写出核反应方程。画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图（磁感线方向垂直于纸面向外）。求粒子与新核轨道半径之比。求粒子与新核旋转周期之比。 解：（1）由质量数守恒和电荷数守恒得：B+nHe+Li（2）由于粒子和反冲核都带正电，由左手定则知，它们旋转方向都是顺时针方向，示意图如右。（3）由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是103m/s方向和粒子的速度方向相反，由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式可求得它们的半径之比是1207（4）由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式可求得它们的周期之比是675核反应堆目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的。核反应堆的主要组成是：（1）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%4%）。（2）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。（3）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。（4）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。（5）水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。6粒子物理学到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。20世纪30年代以来，人们认识了正电子、子、K介子、介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。针对练习1（2003年上海卷）在核反应方程的括弧中，X所代表的粒子（ ）ABCD2（2003年上海卷）卢瑟福通过 实验，发现了原子中间有一个很小的核，并由此提出了原子的核式结构模型。下面平面示意图中的四条线表示粒子运动的可能轨迹，在图中完成中间两条粒子的运动轨迹。3（2003年全国理综卷）下面列出的是一些核反应方程 其中（ ）AX是质子，Y是中子，Z是正电子 BX是正电子，Y是质子，Z是中子CX是中子，Y是正电子，Z是质子 DX是正电子，Y是中子，Z是质子4（2001年上海卷）卢瑟福原子核式结构理论的主要内容有A原子的中心有个核，叫做原子核B原子的正电荷均匀分布在整个原子中C原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里D带负电的电子在核外绕着核旋转5（全国理综湖南卷14）：现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？假定处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的。A2200 B2000 C1200 D24 006（04年广西理综13）：已经证实，质子、中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为，下夸克带电为，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为，试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力（库仑力）参考答案n=1n=3n=4n=2400个400个400个200个200个200个400个1A 2粒子散射，见图（1）3D 4ACD 5解析：1200个氢原子按题设进行跃迁发出光子的情况如图所示，即发出光子的总数为N=2200个，故选项A正确。2e/32e/3-1e/36解析：质子带电为+e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的，按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，如图所示。上夸克与上夸克之间的静电力应为 代入数值，得=46N，为斥力。上夸克与下夸克之间的静电力为 代入数值，得=23N，