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原子物理,原子结构 原子核组成 核能,广州新王牌/,原子的核式结构与玻尔理论,一、原子的核式结构 1.实验基础：用粒子轰击金箔，结果大多 数粒子穿过金箔后沿原方向前进，少数粒子 发生了较大的偏转，极少数粒子偏转角度超过 90，有的甚至被弹回.该实验就是粒子散射实 验.,广州新王牌/,2.结论：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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绕着核旋转. 原子核所带的正电荷数等于核外电子数，所以整个原子是中性的，电子绕核运动的向心力就是核对它的库仑力. 3.原子和原子核的大小：原子的大小数量级大约是10-10m，原子核的大小数量级在10-1510-14m之间.,广州新王牌/,二、玻尔的量子化模型,（1）经典电磁理论对原子核式结构的解释中认为，原子是不稳定的，电子绕核旋转，并不断向外辐射电磁波，因此电子的能量不断衰减，最终电子陨落到原子核上；事实上原子是稳定的.,（2）经典电磁理论认为原子发射的光谱，由于原子能量逐渐衰减，因此其辐射的电磁波的频率应当是连续的；事实上原子发生产生的光谱是不连续的.,1.卢瑟福核式结构与经典电磁理论的矛盾：,广州新王牌/,2.玻尔理论. (1)三个假设： 定态假设原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但不向外辐射能量. 跃迁假设原子从一种定态（设能量 为E初）跃迁到另一种定态（设能量为E终）时， 它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能 量由这两种定态的能量差决定，即h=E初-E终。 轨道量子化假设原子的不同能量状 态跟电子沿不同的圆形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 的分布也是不连续的.,广州新王牌/,(2)两个公式：（了解） 能级公式：原子各定态的能量叫做原子的能级，对于氢原子，其能级公式为： En=E1/n2(n=1、2、3) 轨道公式：rn=n2r1(n=1、2、3) n为量子数，只能取正整数，En是半径为rn的轨道的能量值，它等于核外电子在该轨道上运转时动能和原子的电势能总和，若规定无限远处为零电势点，则E1=-13.6eV. 注意：量子数n=1定态，又叫基态，能 量值最小，电子动能最大，电势最小；量子 数越大，能量值越大，电子动能越小，电势 能越大.,例题:,广州新王牌/,练习,1.原子的核式结构学说是根据以下哪个实验或现象提出来的（ ） A.光电效应 B.氢原子光谱实验 C.粒子散射实验 D.天然放射现象,广州新王牌/,2.卢瑟福提出的原子的核式结构学说的根据 是在粒子散射实验中发现粒子（ ） A.全部穿过或发生很小的偏转 B.全部发生很大的偏转 C.绝大多数穿过金箔后前进方向几乎不变， 只有少数发生很大偏转 D.绝大多数发生偏转，甚至被弹回,广州新王牌/,3.玻尔在他的原子模型中所做的假设有( ) A.原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做 加速运动，但并不向外辐射能量 B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕 核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不 连续的 C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射（或吸收）一定频率的光子 D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核运 转的频率,广州新王牌/,【例1】在粒子散射实验中，有少数粒子发生 了较大角度偏转，其原因是（A） A.原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在原子中 心一个很小的核上 B.正电荷在原子中是均匀分布的 C.原子中存在着带负电的电子 D.原子只处在一系列不连续的能量状态中,广州新王牌/,【解析】粒子散射实验的意义，在于它是 原子的核式结构理论建立的基础. 答案为A.,广州新王牌/,【例2】处于基态的氢原子在某单色光的照射 下，只能发出频率为1、2、3的三种光， 且1 2 3，则该照射光的光子能量（C） A.h1 ； B.h2 ； C.h3； D.h(1 +2 +3)；,广州新王牌/,【解析】根据玻尔理论，当处于基态的氢原子受到某单色光照射时，氢原子应吸收一个光子的能量h，从基态跳迁到某一定态，如果处于该定态的氢原子向较低定态跃迁只能发出频率为1、2、3的三种光，则该定态一定为第三能级，再由三种光的频率的大小和氢原子能级关系，当有h1h2h3 ，而且有（h1+h2）=h3，而h3为照射光的光子能量，也为基态与第三能级间的能量差，故本题答案为C.,广州新王牌/,【例3】估算运动员跑步时的德布罗意波的波长， 说明为什么我们观察不到运动员的波动性 【解析】设运动员的质量为60kg，该运动员跑步 时速度为10m/s，则其德布罗意波的波长： =h/mv=6.6310-34/(6010)=1.110-36m；由计 算结果可知，其波长太小，几乎观察不到.所以观 察不到宏观的物体的波动性.,广州新王牌/,【解题回顾】观察下列宏观物体的波动性， 是因为，波长大小，而微观粒子的德布罗意 波长较大，就较容量观察到其波动性.,广州新王牌/,【例4】粒子散射实验中，当粒子最接近 原子核时，粒子符合下列的情况是（AD） A.动能最小 B.势能最小 C.粒子与金原子核组成的系统的能量最小 D.所受原子核的斥力最大,广州新王牌/,【解析】该题所考查的是原子的核式结构、 动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识 点.粒子在接近金原子核的过程中，要克服 库仑斥力做功，动能减少电势能增大，两者 相距最近时，动能最小，电势能最大，总能 量守恒.根据库仑定律，距离最近时，斥力最 大.综上所述，本题答案为AD.,返回:,广州新王牌/,原子核的组成,一、天然放射性 1.贝克勒尔首先发现了某些矿物中能发出某种看不见的射线，此射线可以穿透黑纸使照相底片感光.物质发射这种射线的性质叫放射性，具有这种性质的物质称作放射性元素.通过研究发现，原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有这种性质，这种能自发的放射出射线的现象叫天然放射现象.,广州新王牌/,2.三种射线的比较： 射线：本质是氦核流，速度约为光速的十分之一，贯穿本领弱，电离作用极强； 射线：电子流，速度接近光速，贯穿本领强，电离作用弱； 射线：本质量波长极短的电磁波，就是光子，贯穿本领最强，电离作用最弱；,广州新王牌/,3.原子核的衰变：原子核自发的放出某种粒子而转变成为新核的过程叫原子核的衰变. 衰变： ,同时放出射线； 衰变： ，同时放出射线；,广州新王牌/,4半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间. 剩余的原子核数和质量，N0、m0为最 初原核子数和质量. 半衰期由核内部的因素决定的，与原 子的物理状态和化学状态无关，即与外部 条件无关.,广州新王牌/,二、原子核的组成 1.原子核由质子和中子组成，质子和中 子统称为核子，质子数相同，中子数不同的 元素称为同位素.使核子紧密结合在一起的力 叫核力，核力是很强的短距离作用力；原子 核内只有相邻的核子间才有核力作用.,广州新王牌/,2.核子的发现. (1)发现质子的核反应方程（1919年，卢瑟福）： . (2)发现中子的核反应方程（1932年，查德威克）： . 中子首先是卢瑟福预言了其存在，而小居里夫妇最先做出这一实验，发现了中子，但小居里夫妇没有注意到卢瑟福的预言，当初认为它是一种波长极短的电磁波.,广州新王牌/,三、原子核的人工转变 1.用人工的方法使原子核发生变化叫做原子核的人工转变，它是人们研究原子核的结构及其变化规律的有力武器. 2.用人工转变的方法得到放射性同位素，是一个重要的发现，放射性同位素主要有两方面的应用：利用它的射线；作为示踪原子.,广州新王牌/,3.放射性同位素的发现（1934年，约里奥居里夫 妇）： ，而 也有放射 性； ，其中 是正电子. 4.注意：在人工转变中，用某高速粒子去轰击某原子核后，原子核发射出粒子和射线并转变成新的原子核的过程中，不可认为是高速粒子从原子核中打出了粒子.,广州新王牌/,练习,1.下面哪些事实证明了原子核具有复杂结构( ) A.粒子的散射实验 B.天然放射现象 C.阴极射线的发现 D.伦琴射线的发现,广州新王牌/,2.射线的本质是( ) A.电子流 B.高速电子流 C.光子流 D.高速氦核流,广州新王牌/,3.放射性元素的半衰期是( ) A.质量减小一半需要的时间 B.原子量减少一半需要的时间 C.原子核全部衰变所需时间的一半 D.原子核有半数发生衰变需要的时间,广州新王牌/,【例1】 经过 次衰变和 次衰变，转变成 . 【解析】对于衰变和衰变来说， 衰变不改 变质量数，所以应当先以质量数的变化来计算 衰变次数.原子每发生一次衰变时质量就减少4 个单位，电荷数减少2个单位，而每发生一次衰 变，则质量数不变，电荷数增加一个单位.,广州新王牌/,质量数由232减少到208共发生衰变的次数为： Na=(232-208)/4=6; 再结合电荷数的变化确定衰变的次数： N= 【解题回顾】解决核反应方程类问题时，一定要抓住核反应中质量数和电荷数守恒这个规律，本例还要注意衰变的特点质量数不变.,广州新王牌/,【例2】将天然放射性物质放入顶端开有小孔的铅盒S里，放射线便从小孔中射出，沿带电平行金属板A、B之间的中线垂直于电场方向进入电场，轨道如图1-2-1所示，则轨迹 是射线，轨迹 是射线，轨迹 是射线. 板带正电， 板带负电.,图1-2-1,广州新王牌/,【解析】由于射线不带电，进入电场后不会改变方向，所以轨迹为射线. 带电粒子垂直进入匀强电场，则在匀强电场中做类平抛运动，竖直方向的位移为s=v0t,设两板间的距离为d，则1/2D=1/2at2，a=8E/m=qU/dm,则 s= ，,广州新王牌/,由此式可知s与粒子进入电场的初速度v0成 正比，与粒子的荷质比q/m的平方根成反比.射线 速度约为射线的1/10，而粒子的荷质比比粒 子的荷质比要小的多，所以粒子的竖直方向位 移要大，所以是射线的轨迹，是射线的 轨迹. 粒子带正电，而向A板偏移，因此A板带负 电，B板带正电.,广州新王牌/,【例3】静止在匀强磁场中的某放射性元素的核，放出一个粒子，其速度方向与磁场方向垂直，测得粒子和反冲核轨道半径之比Rr=301，如图17-2-2所示，,图17-2-2,广州新王牌/,则（ ） A.粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反 B.反冲核的原子序数为62 C.原来放射性元素的原子序数为62 D.反冲核与粒子的速度之比为162,广州新王牌/,【解析】本题结合动量守恒、衰变方程、带电粒子在磁场中的圆周运动等几个知识点综合运用；由动量守恒得：MV+mv=0，其中MV为反冲核动量，mv为粒子的动量. Q为原来放射性元素的原子核电荷数，则反冲核的电荷数为Q-2，粒子电荷数为2. 反冲核的轨迹半径R=MV/B（Q-2）； 粒子的轨道半径r=mv/(2B)；综合以上公式可得Q=62.,广州新王牌/,【解题回顾】把原子核知识与电磁场及力 学知识结合起来，考查学生综合分析也是 每年高考中的热点之一。本例中要注意反 冲核与粒子的动量关系及电磁性质，体 会外切圆的由来.,返回,广州新王牌/,核能,一、核能 1.核力：为核子间作用力.其特点为短程强 引力，只在相邻的核子间发生作用，与核子的 电性无关. 2.核能：核子结合为原子核时释放的能量或 原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核 的结合能，亦称核能. 获得核能的两个基本途径是重核裂变和轻核聚变.,广州新王牌/,3.质量亏损：组成原子核的核子与原子核 的质量之差叫做质量亏损；需说明的是任何 一个原子核的质量总是小于组成它的所有核 子的质量和. 4.爱因斯坦质能方程：凡具有质量的物体 都具有能量，物体的质量和能量间的关系为： E=mc2；若原子核质量亏损为m，对应释放 的能量为E=mc2.,广州新王牌/,注意： 核反应过程中需遵循三个守恒定律：电荷数守恒定律、质量数守恒定律和动量守恒定律； 质量亏损，并不是质量损失也不是质量消失了，因此不能说与质量守恒定律相矛盾； 不能理解为质量转化为能量，质量和能量分别是物质的属性之一，不能等同.,广州新王牌/,二、核反应 1.重核的裂变：重核俘获一个中子后分裂 为几个中等质量的核的反应过程叫重核的裂 变. 2.链式反应：重核裂变时放出几个中子， 再引起其他重核裂变而使裂变反应不断进行 下去（原子弹原理）.,广州新王牌/,3.临界体积：能发生链式反应的最小体积. 4.反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防 护层. 5.轻核的聚变：某些轻核结合成质量较大的 核的反应过程，该过程能释放出更多的量. 6.热核反应：在极高温度下轻核产生的聚变 反应，为氢弹的工作原理.,广州新王牌/,练习,1.关于核能，下列说法中正确的是（ ） A.核子结合成原子核时，需吸收的能量 B.核子结合成原子核时，放出的能量 C.不同的核子结合成原子核时，所需吸收的能 量相同 D.使一个氘核分解成一个中子和一个质子时， 吸收的能量是一个恒定值,广州新王牌/,2.质子的质量为mp，中子的质量为mn，它们结 合成质量为m的氘核，放出的能量应为( ) A.（mp+mn-m）c2 B.(mp+mn)c2 C.mc2 D.(m-mp)c2,广州新王牌/,3.关于铀核裂变，下述说法正确的是（ ） A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂 变成两块 B.铀核裂变时还能同时释放2到3个中子 C.为了使裂变的链式反应容易产生，最好是 用纯铀235 D.铀块的体积对产生链式反应无影响,广州新王牌/,4.下列核反应属于裂变反应的是( ) A. B. C. D.,广州新王牌/,【例1】一个静止的铀238原子核放射出一个 速度为1.17106m/s的粒子，求：（1）写 出核反应方程；（2）反冲核的速度是多大； （3）在此衰变过程中，由粒子的动能变化 引起的质量亏损是多少.,广州新王牌/,【解析】写核反应方程要注意质量数和电荷数守恒、衰变时系统的动量守恒，同时，衰变过程当然也是能量转化的过程，即由于质量亏损放出核能，这些能量在一定条件下也可转化成其他形式的能量. （1） .,广州新王牌/,(2)核衰变的系统受的合外力为0，所以动 量守恒，即0=mv+MV；（m、M分别代表粒子 和新核的质量，v、V分别表示粒子和新核衰 变后的速度），则：V=-mv/M=-2104m/s， 即新核的运动方向与粒子的运动方向相反， 所以叫做反冲核.,广州新王牌/,(3)衰变前，铀238的动能为0，衰变后系统的 总动能增大： E=1/2mv2+1/2MV2=1. 2310-7J，这就 是由核衰变放出的能量转化而来的，相应的质 量亏损可由质能方程得： m=E/c2=1.3710-31kg.,广州新王牌/,【解题回顾】在讨论核反应前后粒子速度 或动能时，注意利用动量原理，同时应注 意反应中是否有核能释放，以及核能是否 都以动能形式释放.,广州新王牌/,【例2】太阳不断地向外辐射能量.太阳内部 存在有大量氢，在超高温作用下氢原子被电离， 互相碰撞，能使4个氢核聚变为1个氦核，同时 释放出大量能量.已知质子质量mH=1.0078u， 粒子的质量ma=4.0026u，电子质量me=0.00055u. （1）写出该反应方程式；（2）核反应中释放 的能量为多少兆电子伏特？合多少焦耳？,广州新王牌/,【解析】根据核反应方程时质量守恒和电荷数守恒，可写出反应方程