2019高考物理快速提分法模型四原子物理学案（含解析）.docx

原子核一、原子的核式结构、天然放射现象一、原子的核式结构1原子结构的提出(1)电子的发现1897年，汤姆生发现了电子，后来人们又发现，在X射线使气体电离以及光电效应等现象中，都从物质的原子中击出电子，这表明电子是原于的组成部分，电子带负电，而原子是中性的，可见原子里还有带正电的部分，(2)汤姆生的原子结构模型原子是一个球体正电荷均匀分布在整个球内，而电子却像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里面，原子受到激发后，电子开始振动形成原子光谱(3)汤姆生原子结构的局限汤姆生的原子结构虽然解释了原子发光现象，但不能解释粒子的散射实验2粒子散射实验(1)实验装置如图所示荧光屏可以沿着姜中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子的数目，全部设备装在真空中用粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对粒子有库仑力作用，一些粒子穿过金箔后改变了运动方向，这种现象叫粒子散射(2)实验结果：绝大多数。粒子穿过金箔后沿原方向前进；少数发生较大偏转；极少数偏转角超过900；有的甚至被弹回，偏转角几乎达1800(3)实验现象的解释：认为原子中的全部正电荷和几乎所有质量都集中到一个很小的核上，由于核很小，大部分。粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑力很小，它们的运动几乎不受影响，只有极少数。粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生较大角度的偏转（4)选用金箔做粒子散射实验的原因：金的延展性好，容易制成很薄很薄的箔，实验用的箔的厚度大约是10-7m金原子带的正电荷多，与粒子间的库仑力大；金原子质量大约是粒子质量的50倍，因而惯性大，粒子运动状态容易改变，金原子运动状态不容易改变3原子的核式结构学说(1)在原子的中心有一个很小的核叫原子核，它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量(2)带负电的电子在核外空间绕核旋转4原子核的组成原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子，核子数(质子数和中子数之和)叫质量数，质子数又叫电荷数，中子不带电二、天然放射现象1天然放射现象1两种衰变：原子核由于放出某种粒子而改变为新核的变化叫原子的衰变。（1）衰变：（2）衰变：2三种射线（1）射线：由约为光速的氦核流，符号：，电离本领最强。（2）射线：（3）射线3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。半衰期由核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。经典例题根据汤姆生原子模型预测粒子散射实验结果是：A绝大多数粒子穿过金属箔后都有显著偏转B大多数粒子穿过金属箔后都有小角度偏转C极少数粒子偏转角很大，有的甚至沿原路返回D不可能有粒子偏转角很大，更不可能沿原路返回分析与解答：汤姆生原子模型是枣糕模型，原子中的正电荷均匀地分布在整个原子中，带负电的电子象枣子镶嵌在枣糕里一样镶嵌在原子中这样的原子只能使粒子发生小角度偏转或不偏转，不可能有显著偏转，更不可能沿原路返回答案为：BD变式1如右图所示为a粒子被金原子散射的径迹，其中不可能的是：A BC D分析与解答：改变粒子运动轨迹的主要因素是金原子核对粒子的库仑斥力排斥粒子，那么图线所表示的情况是不可能发生的答案为：B经典例题实验测得粒子与金核对心碰撞时所能达到的离金核的最小距离约为由此数据估算金核的密度(取1位有效数字)分析与解答：根据卢瑟福的核式结构模型，题设数据可以认为是金核的半径r，则金核的体积为，金的摩尔质量为，阿伏加德罗常数，那么金核的密度：变式1按照原子的核式结构模型，已知氢原子中电子绕核运动的轨道半径，求氢原子中电子绕原子核做匀速圆周运动的速度、频率和动能分析与解答：电子绕核做圆周运动，由库仑力来提供向心力，所以有电子绕核做圆周运动的速度：电子绕核圆周运动的频率：电子运动的动能：Aabc经典例题如图所示，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竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b分析与解答：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。）答案为：AC。变式1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分析与解答：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。答案为：D。放射源探测接收器MN变式2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_一些。分析与解答：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。经典例题静止的衰变成，静止原子核衰变为，在同一匀强磁场中的轨道如图所示，由此可知A甲图为的衰变轨迹，乙图为Th核衰变轨迹 B甲图为的衰变轨迹，乙图为的衰变轨迹 C图中2，4为新核轨迹，1、3为粒子轨迹 D图中2、4为粒子轨迹，1、3为新核轨迹分析与解答：原子核P衰变成Si时，放出正电子，两者均带正电，运动方向相反，根据左手定则，轨道应是外切圆，如图乙，根据动量守恒，3为粒子轨迹同理：为粒子轨迹因此，原子核Th变成原子核Pa时，放出带负电的电子，轨道应是内切圆，如图甲，由上，可知选项B、C正确。答案为：B、CK-ABP变式1K-介子衰变的方程为，其中K-介子和-介子带负的基元电荷，0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与R-之比为21。0介子的轨迹未画出。由此可知-介子的动量大小与0介子的动量大小之比为A11 B12 C13 D16分析与解答：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式r=mv/qB，K-介子和-介子电荷量又相同，说明它们的动量大小之比是21，方向相反。由动量守恒得0介子的动量大小是-介子的三倍，方向与-介子的速度方向相反。答案为：C经典例题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分析与解答：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。答案为：C变式1 关于半衰期，以下说法正确的是：A同种放射性元素在化合物中的半衰期比单质中长。B升高温度可以使半衰期缩短。C氡的半衰期为38天，若有四个氡原子核，经过76天就只剩下一个。D氡的半衰期为38天，4克氡原子核，经过76天就只剩下1克。分析与解答：考虑到放射性元素衰变的快慢是跟原子所处的物理状态或化学状态无关，又考虑到半衰期是一种统计规律，即给定的四个氡核是否马上衰变会受到各种偶然因素的支配。答案为：D变式2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A124，259 B124，265 C112，265 D112，277分析与解答：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，答案为：D粒子散射实验的分析： (1)由于电子质量远远小于粒子质量(电子质量约为粒子质量的1/7300，即使粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就像一颗子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使粒子发生大角度散射 (2)使粒子发生大角度散射的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆生的原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，。粒于穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分相互抵消，因而也不可能使粒子大角度偏转，更不可能使粒子反向弹回，这与粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆生的原子模型 (3)实验中，绝大多数粒子不发生偏转，少数发生较大偏转，极少数偏转超过900，个别的粒子甚至被弹回，这些现象说明原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很小的体积内(原子核)二、核反应、核能裂变聚变一、核反应类型衰变：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。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）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。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。）二、核能1核能：（1）结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一定的能量，这种能量叫结合能。（2）质量亏损：组成原子核的核子质量与所组成的原子核质量之差。（3）爱因斯坦质能方程：（4）核能计算的注意点：应用时应选用国际单位，单位：焦耳；单位为千克；c单位米/秒，为原子质量单位。2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。经典例题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 Be+He _+n(5)Fe+H Co+_分析与解答：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变式1静止在匀强磁场中的一个B核俘获了一个速度为向v =73104m/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。分析与解答：由质量数守恒和电荷数守恒得：B+nHe+Li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。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67经典例题一个氢原子的质量为1673610-27kg，一个锂原子的质量为11650510-27kg，一个氦原子的质量为6646710-27kg。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？分析与解答：H+Li2He 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=27610-12J1mg锂原子含锂原子个数为10-6/11650510-27，每个锂原子对应的释放能量是27610-12J，所以共释放237108J核能。变式1两个氘核聚变产生一个中子和氦核（氦的同位素）。已知氘核的质量，氦核的质量，中子的质量。（1）写出聚变方程并计算释放的核能。（2）若反应前两个氘核的动能为035Mev。它们正面对撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转化为动能，则产生的氦核和中子的动能各为多大？分析与解答：聚变的核反应方程：核反应过程中的质量亏损为释放的核能为MeV（2）对撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的动量为0。即，反应前后总能量守恒，得，解得，。变式2处于静止状态的X原子核，经历一次衰变后变成质量为M的Y原子核放出的粒子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场，测得其做圆周运动的半径为r已知粒子的质量为m，电量为q，求此衰变过程亏损的质量分析与解答：粒子在磁场中做圆周运动，洛伦兹力提供向心力qvB=m所以，粒子的动能E=mv2=m（）2=X核衰变后生成的新核Y的速度为u，则依据动量守恒得：Mu=mu所以Y核的动能EM=Mu2=mv2衰变过程释放的总能量E=E+EM释放的能量由衰变过程亏损的质量转化而来，根据质能方程E=mc2,得亏损的质量：m=变式3云室处在磁感强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为m，电量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内。现测得粒子运动的轨道半径为R，求在衰变过程中的质量亏损。（注：涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计）分析与解答：该衰变放出粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径为R与速度v的关系由牛顿第二定律和洛仑兹力可得，核衰变过程中动量守恒，得，又衰变过程中能量来自质量亏损，即联立求解，。经典例题在其他能源中，核能具有能量大、地区适应性强的优势在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能（1）核反应方程式U+nBa+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为_，a=_以mu、mBa、mKr分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能E=_（2）有一座发电能力为P=100106kW的核电站，核能转化为电能的效率=40%假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能E=27810-11J, U核的质量Mu=39010-27kg求每年（1年=315107s）消耗的U的质量分析与解答：（1）由核反应方程的电荷数守恒和质量数守恒知X的电荷数为零，且质量数不为零，故X为中子，据质量数守恒可得235+1=141+92+a，则a=3,由爱因斯坦质能方程E=mc2得该核反应过程中放出核能E=（mu-mBa-mKr-2mn）c2（2）设一年消耗的U的质量为x千克，则消耗的核能为E核=E一年中产生的电能为E电，则E电=Pt（t为一年时间）由题意知：E电=E核，则E核=故=E=所以x=kg=110103 kg变式1一静止的U核衰变为Tn核时，放出一粒子，已知U和Tn、He的原子量分别为M0，M1，M2，求放出的粒子的初动能分析与解答：设U、Th、He的质量分别为m0、m1和m2，由质能关系可得在核反应中释放出来的核能转化为反应后Th和He核的总动能：Ek=（m0-m1-m2）c2一个U原子质量为:=m0+92me（N为阿伏加德罗常数）同理：=m1+90me,=m2+2me所以Ek=（M0-M1-M2）c2/N反应前后动量守恒，设反应后Th、He核的动量分别为p1、p2，则有：p1=p2由动量和动能之间的关系，则有：m1v12=;m2v22=则总动能：Ek=所以粒子的初动能:Eka =Ek若忽略电子质量me，则粒子的初动能：Eka=（M0-M1-M2）c2经典例题两个氘核的质量为20136 u，氦3的质量为30150 u，中子的质量为10087 u（1）写出核反应方程（2）计算两个氘核聚变释放的能量（3）计算1 kg氘完全聚变为氦3所释放的能量，这能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能？（煤的燃烧值q=3344107 J/kg）分析与解答：（1）核反应方程式为H+HH+n（2）两个氘核聚变前后的质量亏损为：m=2mH-（mHe+mn）=220136 u-（30150+10087） u=00035 u根据质能方程，释放的能量E=mc2=0003516610-27（30108） J=52310-13 J（3）1 mol氘含有6021023个氘核，1 kg氘所含氘核数n=6021023=3011026每2个氘聚变释放的能量为5231013 J,1 kg氘完全聚变为氦3所释放的能量E=52310-13J=3871013 J相当于完全燃烧kg=116106 kg的煤放出的能量变式1 太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子和H、He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2e+4HHe+释放的能量，这些核能最后转化为辐射能根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段为了简化，假定目前太阳全部由电子和H核组成（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量m1已知地球半径R=64106 m地球质量m2=601024 kg，日地中心的距离r=151011 m，地球表面处的重力加速度g= 10 m/s2,1年约为32107 s试估算目前太阳的质量m1（2）已知质子质量mp=1672610-27kg,He质量m=6645810-27kg，电子质量me=0910-30kg，光速c=3108m/s求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能（3）已知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能=135103W/m2试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命分析与解答：（1）设T为地球绕日心运动的周期，由万有引力定律和牛顿定律可知：G=m2（）2r地球表面处重力加速度：g=G由、式联立解得m1=m2（）2以题给数值代入得m1=21030 kg（2）根据质量亏损和质能公式，