复习建议：原子和原子核2011.12.ppt

原 子 原 子 核 复习建议,2012年高考,北大附中 张绍田,2011年12月,、知识体系, ,84.电子的发现，电子比荷的测定 85.粒子散射实验，原子的核式结构 86.氢原子的能级结构，光子的发射和吸收，氢原子的电子云 87.原子核的组成，天然放射现象，射线、射线、射线，衰变、半衰期,、2012高考考点及要求, ,88.原子核的人工转变，核反应方程，放射性同位素及其应用。人类对物质结构的认识 89.放射性污染和防护 90、核能、质量亏损，爱因斯坦的质能方程 91.重核的裂变，链式反应，核反应堆 92.轻核的聚变，可控热核反应 93.狭义相对论的基本假设和基本结论,、近几年北京卷原子物理考查分析,一、原子核式结构,1.粒子散射实验,（1）实验装置,（2）实验观察：放射源放出粒子，观察粒子穿过金箔后的运动情况,（3）观察到的现象,*绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原方向前进；,*极少数粒子偏转超过90，有的几乎大180。,*少数粒子穿过金箔后，发生大角度偏转；,、原子物理知识流水帐,2.卢瑟福的原子核式结构,说明：,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里绕着核旋转。,对粒子散射实验现象的解释：,(2)由粒子散射估计：核半径在1014m以下。,(1)核电荷数 = 核外电子数 = 原子序数；,例题1 在 粒子散射实验中，当 粒子穿过金箔时，下列理解正确的是（ ） A、与金原子核相距较远的粒子，可能发生大角度偏转 B、与金原子核相距较近的粒子，可能发生大角度偏转 C、 粒子与金原子核距离最近时，系统的能量最小 D、 粒子与金原子核距离最近时，系统的电势能最大,BD,二、玻尔的原子模型 能级,1.卢瑟福的核式结构与经典电磁理论的矛盾,表明：,1.经典电磁理论不适用与微观,2.卢瑟福的核式结构有待于完善,2.玻尔的原子模型（三条假设）,(1)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，但并不向外辐射能量。这些状态叫做定态。,(2)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，它吸收(或辐射)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。,(3)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。,玻尔的理论来源: *卢瑟福的核式结构模型 *普朗克的量子论 *氢光谱的实验研究,说明：氢原子各定态的能量值，应是电子绕核运动的动能与电势能的代数和，除电离（n，取无穷远处电势能ED=0）时，各定态能量值均为负值，且随n的增加电势能EP增加，动能EK减少。刚好电离时，EP=0，EK=0，En=0。,因此r变大 E 变大,EK变小 ED变大,r： E 0 最大,EK0 最小,ED 0 最大,1.轨道和能量的两个公式,轨道半径 r=n2r1,能量 En=E1/n2,其中量子数n =1、2、3. r1=0.5310-10m，E1= -13.6ev,原子的跃迁条件：h v =E初E末适用于除电离外的光子和原子作用，使原子定态之间的跃迁情况。若光子和原子作用使其电离，h v E1均可，光子能量h v 越大，被电离后的电子动能越大。,原子处于激发态，（n2）是不稳定的，或自发地向基(n=1)或较低能级跃迁。这种跃迁具有随机性，对于一个原子而言，会出现多种可能性；对于一群原子（发光体）而言，各种可能性都会发生，我们会同时得到该原子的全部光谱线。,2.氢原子能级 原子各个定态的能量值，叫做原子的能级。,3.能级跃迁与原子的发光机制,基态与激发态,E低,E高,吸收能量,放出能量,例题1根据玻尔理论，某原子的电子从能量为E的轨道跃迁到能量为E的轨道，辅射出波长为的光。用h表示普朗克常量，用c表示真空中的光速，则E等于（ ）,C,A.,B.,D.,C.,例题2如图所示为氢原子的能级图，若用能量为10.5eV的光子去照射一群处于基态的氢原子，则氢原子将 ( ),A. 能跃迁到n=2的激发态上去 B. 能跃迁到n=3的激发态上去 C. 能跃迁到n=4的激发态上去 D. 以上三种说法均不正确,D,关于氢原子能级跃迁的知识,可拓展到一般原子发光。原子由高能级的激发态跃迁到低能级或基态时,辐射光子；原子由基态或低能级的激发态跃迁到高能级时,吸收光子；原子辐射或吸收光子的能量,只能是某两个能级的能量差；能量不是原子能级差的光子,原子既不能辐射也不能吸收。,研究原子发光是研究原子结构的重要途径,原子光谱可分为明线光谱和暗线光谱,而这两种光谱具有严格的对称性。对这些物理光学的基本知识,应有更好的理解。,例题3处于基态的氢原子在某单色光束照射下,只能发出频率为v1、v2、v3的三种光，且v1v2v3，则该照射光的光子能量为 ( ) A hv1 B hv2 C hv3 D h(v1v2v3),原子受激发后，跃迁到高能级的激发态。大量处于高能级激发态的原子，向低能级的激发态或基态跃迁时，辐射光子的频率有多种可能。具体某一个原子辐射哪种频率的光子，是极其偶然的，各个原子发出的光子是向四面八方辐射的，它们的频率互不相同，因此同一个点光源所发出的光也不能发生干涉现象。这就是“相干光源”不容易获得的原因。,C,三、天然放射现象,原子核由于放射出某种粒子而转变为新核的变化，叫原子核的衰变。,1.原子核的衰变：,2.三种射线的性质,带电性,氦核流,穿透能力,构成,速度,实质,名称,正,强,弱,C/10,电离能力,负,弱,强,接近C,电子流,中,最弱,极强,光子,C,光子流,意义：三种射线均来自于核内，与原子的存在形式无关，说明核的复杂性，一种元素可以变成另一种元素。,3.放射性元素的衰变规律,(1)核的表示,X：元素符号，Z：核电核数,A：质量数=原子量数,如：,+,(2) 衰变规律,规律：,+, 衰变：放出粒子的衰变, 衰变：放出 粒子的衰变。,规律：,+,如：,+, 衰变：放出光子（能量）的衰变。,放射性元素衰变过程，电荷数、质量数守恒，能量亦守恒.(质量不守恒,有亏损),4.半衰期,放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期。,半衰期反映了衰变的快慢，它是大量核衰变的统计规律。半衰期由核本身的因素决定，与其它因素无关。,例题1氡222，半衰期为3.8天。现有32g的氡。问（1）写出核衰变方程；（2）19天后还剩多少克？,2.规律：,m：剩余质量（或个数） m0：原有质量（或个数） n：半衰期个数,例题2写出下列衰变方程。（一次 衰变）,例题3钍232经过几次衰变几次 衰变，变为铅208？,四、原子核的人工转变 原子核的组成,1原子核的人工转变,原子核在其它粒子的作用下变成另一种原子核的变化，称为原子核的人工转变。 利用原子核的人工转变，人们发现了质子、中子和放射性同位素。,2原子核的组成,质子的发现： 卢瑟夫 1919,中子的发现： 查德威克 1932,+,+,（1）核电荷数=质子数,（2）核质量数=质子数+中子数,原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。核内质子数等于核电荷数，中子数与质子数之和等于核的质量数。,3.放射性同位素,1934年，小居里夫妇,核反应方程,磷30衰变,注意：原子核既然是由质子和中子组成的，那么核内为什么能放出粒子、粒子和正电子呢？,质子和中子可以互相转化，从而放出电子或正电子。,反中微子, 衰变：核中4个核子（2个质子与2个中子）结合起来一起放出,就形成了衰变。,v,中微子,例题 （钍）核经过一系列和衰变，最后变为 （铅），下列判断正确的是( ) A.铅核比钍核少8个质子 B.铅核比钍核少16个中子 C.共经过4次衰变和6次衰变 D.共经过6次衰变和4次衰变,ABD,请思考:书写核反应方程时，质量数守恒，能否理解为质量守恒？核反应方程与化学反应方程，有那些共同点，有那些区别？,五、核能,（一）核力,1.原子核由质子和中子组成，质子间存在斥力，核又很稳定。核内存在克服库仑斥力把核子紧紧地拉在一起的力叫做核力。,2.核力的特征,核力是强作用力,核力是短程力,作用范围：210-15m。 (1.510-15m),核子半径：0.810-15m。,核力是特殊力,可见，相邻核子之间才有作用。,（二）核能,1.原子结合成分子,2.离子结合成原子,3.核子结合成原子核,原子核分解为核子,由于核子间存在着强大的核力，所以核子结合成原子核或分解为核子时，都伴随着巨大的能量变化。这个能量叫做核能。,（三）质量亏损,组成原子核的核子总质量与原子核的质量之差，叫做核的质量亏损。,例如：,中子的质量 mn=1.008665u,质子的质量 mp=1.007276u,核子的总质量 mn+ mp=2.015941u,氘核的质量 mD=2.013553u,质量差 m=(mn+ mp ) - mD= 0.002388u,其中 1u=1.660566 10-27kg。,（四）爱因斯坦质能方程,E = mc2,说明：,E = m c2,核能的计算：,注意：1uc2=931.5MeV,(2)核反应中的质量亏损与释放出的能量对应。,(1)物体具有的能量跟它的质量有简单的正比关系。,E = m c2=0.002388uc2=2.22MeV,例题1为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005。年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2，下列说法中不正确的是( ) AE=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B根据E=mc2可以计算核反应中释放的核能 C一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损 DE=mc2中的E是发生核反应中释放的核能,2005年北京理科综合能力测试16题，答案为D。,例题2中子和质子结合成氘核时, 质量亏损为m，相应的能量E= mc2= 2.2MeV是氘核的结合能。下列说法正确的是( ) A. 用能量小于2.2MeV的光子照射静止氘核时, 氘核不能分解为一个质子和一个中子 B. 用能量等于2.2MeV的光子照射静止氘核时, 氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零 C. 用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时, 氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零 D. 用能量大于2.2MeV的光子照射静止氘核时, 氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零,2008全国理科综合能力测试（）16题，答案为:,应同时遵从能量守恒和动量守恒！,教学(学习)中的知识贯通不够！,AD,六、重核的裂变和轻核的聚变,1重核的裂变,重核分裂成中等质量的核的过程，叫做重核的裂变。,由于中子的增殖使裂变反应能持续地进行的过程称为链式反应。发生链式反应的条件是：裂变物质的体积临界体积。,应用：原子弹，原子核反应堆（广东大亚湾发电站）,+141MeV,+？MeV,核电站,E.Fermi（费米） ，意大利物理学家（19011954），1938年获得诺贝尔奖发明了热中子链式反应堆,费米(19011954),（1）核反应堆,中子减速剂,吸收中子控制反应速度,反应堆,蒸汽轮机,发电机,冷凝器,水泥防护层,热交换器,（2）核电站工作流程,2轻核的聚变,轻核结合成质量较大的核的反应过程，叫轻核的聚变。,发生聚变反应的条件：超高温（几百万度以上）热核反应。,应用：氢弹。可控热核反应。,+17.6MeV,例题1在匀强磁场中的A点，有一个静止的原子核，当它发生 衰变时，射出的粒子及新核的运动轨迹如图 所示。在A点发生衰变时，新核的运动方向是 。衰变后，新核按 时 针方向沿图中的轨 道 运动。若两 圆的半径之比为44:1, 那末衰变前原子核内 的质子数为 。,向右,逆时针,43,例题2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 ( ),A.2200 B.2000 C.1200 D.2400,400,200,200,200,2004年全国理科综合能力测试题，答案为A。,例题2用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测，发现光谱线的数目原来增加了5条。用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n和E的可能值为( ) An1，13.22eVE13.32eV Bn2，13.22eVE13.32eV Cn1，12.75eVE13.06eV Dn2，12.75eVE13.06eV,2007全国理科综合能力测试（）19题，答案为AD。,n1： n15， n26。,n2： n12， n24。,能量吸收： 共振吸收-全部。 碰撞吸收-部分。,例题2氮氖激光器能产生三种波长的激光。其中两种波长分别为1=0.6328m，2=3.39m。己知波长为1的激光是氖原子在能级间隔为E1=1.96eV两个能级之间跃迁产生的。用E2表示产生波长为2的激光所对应的跃迁的能级间隔，则E2的近似值为( ) 10.50eV 0.98eV 0.53eV 0.36eV,2009全国理科综合能力测试（）16题，答案为D。,本题考查光子的能量E=h和波尔的原子跃迁理论。,例题3三个原子核X、Y、Z，X核放出一个正电子后变为Y核，Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦核(42 He)。则下面说法中正确的是( ) A.X核比Z核多一个质子 B.X核比Z核少一个中子 C.X核的质量数比Z核的质量数大3 D.X核与Z核的总电荷是Y核电