第十三章原子核原子核1.原子的结构2.原子核3.相对论简介同步训练及答案.doc

网址：第十三章 原子和原子核第一节 原子结构一、知识回顾问题思考：(1)卢瑟福的a 粒子散射实验结果表明：_数a 粒子沿原方向前进，_数a 粒子发生较大偏转，有的甚至_。(2)卢瑟福的a 粒子散射实验，用事实否定了汤姆生原子“枣糕式”模型，同时为卢瑟福提出更合理的原子_式结构学说奠定了实验基础。(3)卢瑟福的原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的_，叫做原子核，原子的全部_和几乎全部的_都集中在原子核里，带负电的_在核外空间绕核旋转。知识梳理：1汤姆孙发现了电子，使人们认识到原子内部具有复杂的结构。2卢瑟福建立了原子的核式结构理论3玻尔理论有三个要点(1)原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的。电子虽然绕核旋转，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。(2)原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它将辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定。即hvE1E2。(3)原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动。原子的定态是不连续的，因而电子的可能轨道也是不连续的。4能级和能级跃迁(1)在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，各状态对应的能量也是不连续的，这些不连续的能量值叫做原子能级。氢原子的轨道半径与能级公式为rnn2r1，其中r10.531010m，为基态轨道半径；E113.6eV，为基态能级的能量，n为量子数，n1，2，3，其中E的值是取电子距核无穷远处为电势能零点而计算出来的。(2)原子从一种定态跃迁到另一种定态叫做原子的能级跃迁。5光谱及光谱分析。光谱按产生的机制可分为发射光谱和吸收光谱；发射光谱又可分为连续光谱和明线光谱。利用物质产生的明线光谱或吸收光谱可鉴定物质的成份，这就是光谱分析。6氢原子光谱：氢原子光谱系的波长可以用巴耳末公式计算：，式中R叫做里德伯常量，R1.10107m1，n3，4，5，只能取整数，不能取连续值。二、重点、难点分析1玻尔的能级跃迁假设说明，原子无论是吸收还是辐射能量都不是任意的，必须等于原子能级发生跃迁时的两个能级间的能量差，而吸收或辐射的能量会以一定频率的光子表现出来，即光子能量EhvDE为一系列定值。这就是原子有特征谱线(一定频率的线状光谱)的原因。这一理论结合上述氢原子模型，就可得出氢原子光谱中各条谱线的频率为为氢原子的任意两个能级的能量。对于可见光的四条谱线，就是分别从m3，4，5，6能级跃迁到n2能级时放出的光。理论与实验数据吻合的很好。对于非可见光区的谱线，如赖曼系(紫外区)，玻尔理论也给出了很好的解释或预测。2玻尔理论的局限性。玻尔理论在解释很多其它原子光谱时，遇到很大麻烦，这是因为他的理论中虽然引入了量子的概念，但保留了许多经典物理理论。在他的基础上，其他科学家又提出了解释微观世界的更合理的新理论量子力学。量子力学中提出了几率波、电子云等概念。三、例题解析例1氢原子基态的能量E113.6eV。假定一些氢原子最初处于n4的激发态，这些氢原子在向低能级跃迁时，能释放出多少种频率不同的光子?在这些光子波长中的最小值是多少?分析：氢原子处于n4的能级时，它可以向n1，2，3三个能级跃迁，跃迁到n2，3能级上的氢原子，还可继续向更低的能级跃迁，所以共有6种不同的能级差，与之对应可放出6种频率不同的光子。其中由n4能级直接跃迁到n1的基态时，能级差最大，释放光子的能量最大，波长最短。解答：氢原子由n4的激发态向低能级跃迁时，可放出6种频率不同的光子。氢原子由n4能级跃迁到n1的基态时，释放光子的能量是：EE初E末由Ehvhc/l，可得出释放光子的最小波长为：说明：玻尔模型的成功之处在于它对氢光谱的解释，所以此处应为复习的重点，注意掌握玻尔的氢原子轨道和能级模型，并注意数值计算时的准确性，其中原子从较高能级n自发跃迁到较低能级所释放出的不同频率光子的种类N为：。例2关于光谱和光谱分析，以下说法正确的是( )A光谱分析可用发射光谱，也可用吸收光谱B发射光谱一定不能用来进行光谱分析C太阳光谱和白炽灯的光谱都是连续光谱D煤气灯火焰中燃烧的钠蒸汽产生的光谱为吸收光谱分析：根据光谱产生的机制可分为发射光谱(原子从高能级向低能级跃迁时，向外辐射的光波)和吸收光谱(原子从低能级向高能级跃迁时，吸收某种频率的光波)；由光谱的外观特点又可分为连续光谱和线状光谱。其中线状光谱反映了物质对应的化学成分，因此可用于光谱分析炽热的固体、液体或高压气体产生的发射光谱是连续光谱，而稀薄气体发光产生的发射光谱是不连续的明线状光谱，可用于进行光谱分析，所以选项B错误；吸收光谱是连续光谱中某些波长的光被吸收后产生的暗线状光谱，也属于线状光谱，可用于光谱分析。所以选项A正确；白炽灯的光谱是连续光谱，但太阳光谱是吸收光谱(太阳大气吸收了太阳光的某些成分)，所以选项C错误；煤气灯火焰中燃烧的钠蒸汽产生的光谱为明线状的发射光谱，所以选项D错误。解答：选项A正确。说明：光谱和光谱分析中有两类重点问题：一是某种状态的物质会发射何种光谱；二是哪些光谱可用于进行光谱分析。这些都可以根据各类光谱产生的机制和特点加以判断。四、针对训练1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2以下说法符合科学史实的是( )A卢瑟福对a 粒子散射实验进行研究，提出了原子核式结构学说B玻尔提出的轨道、定态、跃迁三个假设，成功地解释了各种原子光谱的产生C人们对天然放射线的研究，发现了质子和中子D汤姆孙对阴极射线的研究，发现了电子，并提出了电子是原子的组成部分3氢原子处于基态时，其能量为E113.6eV。下面给出一些光子的能量值，处于基态的氢原子可以吸收哪些光子?( )A13.6eVB12eVC3.4eVD10.2eV4关于光谱，以下说法中正确的是( )A霓虹灯的光谱是线状光谱B钠盐在酒精灯火焰上汽化后产生的光谱是钠的线状光谱，强的白光通过酒精灯火焰中的钠蒸汽后，产生的光谱是钠的吸收光谱C某些元素吸收光谱中的暗线说明该元素原子不能发出与这些暗线相对应的光D对月球进行光谱分析可以了解月球的成分E太阳光的光谱、光谱管发出的光谱、霓虹灯的光谱都具有原子特征谱线第二节 原子核一、知识回顾问题思考：(1)放射性元素放射的射线有三种：a 射线、b 射线和g 射线，这三种射线可以用_场和_场加以区别。(2)a 射线由氦核流组成，电离能力很_，能使照相底片感光，出射速度约为光速的十分之一，但贯穿能力很_，一张铝箔或簿纸就能挡住它；b 射线是高速电子流，速度约为光速的十分之九，贯穿本领较_，能穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较_；g 射线是高能光子流(高频电磁波)，贯穿本领很_，能穿透几厘米厚的铅板，但电离作用很_。(3)放射性元素放射出a 粒子或b 粒子后，衰变成新的原子核，衰变中的_数和_数都是守恒的。(4)完成下列各核反应方程，并判断核反应类型：_属于_变_属于_变_属于_变_属于_变知识梳理：1原子核的组成，核力原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。将核子稳固地束缚在一起的力叫核力，这是一种很强的力，而且是短程力，只能在2.01015的距离内起作用，所以只有相邻的核子间才有核力作用。2原子核的衰变(1)天然放射现象：有些元素自发地放射出看不见的射线，这种现象叫天然放射现象(2)放射性元素放射的射线有三种：a 射线、b 射线和g 射线。(3)放射性元素的衰变：放射性元素放射出a 粒子或b 粒子后，衰变成新的原子核，原子核的这种变化称为衰变(4)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间称为半衰期3放射性同位素。用人工方法可获得放射性同位素，放射性同位素的应用很多，如g 射线探伤、测厚和放疗、化疗作用；利用a 粒子和b 粒子的电离作用；将放射性同位素用作示踪原子等。4核能与爱因斯坦质能方程。爱因斯坦的质能方程将物体的能量与它的质量间建立起简单的正比关系，即Emc2，从而找到了核反应中核能变化与质量变化间的关系，即DEDmc2。5核能的利用。重核的裂变和轻核的聚变是目前获得原子核能的两种主要途径。(1)重核的裂变：重原子核裂变成中等质量的原子核。原子弹、原子反应堆及核电站都是对重核裂变的应用。(2)轻核的聚变：轻核结合成质量较大的原子核的聚变反应会放出比裂变更大的核能。氢弹是轻核聚变的一种应用，现在正大力研究和发展可控热核反应。二、重点、难点分析1天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。(1)要特别注意b 射线虽然是电子流，但它来自于原子核，是核内的中子衰变成质子和电子，质子留在核内而电子从核内释放出来，而不是核外电子放出的。利用电磁场对几种射线的作用可以研究它们的质量、电性、电量等特征。(2)放射性衰变。原子核发射a 射线或b 射线，导致原子核衰变成新的核。a 衰变规律为：新核的质量数比原来的核减4，核电荷数(质子数)减2，新核的原子序数要向前移两个位置。b 衰变规律为：新核的质量数与原来的核一样，核电荷数(质子数)加1。b 衰变的实质是原来核中的一个中子变成一个质子，同时向外放射一个电子。在发生a 衰变和b 衰变时，若新核处于能量较高的激发态，则这能量就以g 光子形式向外辐射出来。原子核的衰变反应是释放能量的反应。2原子核的人工转变是人们进一步认识原子核结构的开始。卢瑟福用a 粒子轰击氮原子核发现了核中有质子，而查德威克在a 粒子轰击铍靶的实验中发现了中子，方程分别为：+。3爱因斯坦质能方程Emc2告诉我们物体具有的能量跟它的质量成正比关系，能量大了物体的质量也增大。但不能把质能方程Emc2理解为能量和质量之间的转换关系。三、例题解析例题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131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441，那末衰变前原子核内的质子数为_。图131分析：原子核发生衰变时遵循动量守恒定律，设射出的粒子与新核的动量分别为m1v1与m2v2，由动量守恒定律知m1v1m2v20。即二者动量大小相等、方向相反，速度方向相反。又知两轨迹是相内切的圆，说明两粒子在A点受的向心力方向一致，所以它们的电性必然相反，因此，发生的应为b 衰变。新核带正电，由它在A点所受的向心力方向与磁场方向，应用左手定则可判断出它在A点的运动方向向右。所以新核按逆时针方向运动。带电粒子在磁场中做圆周运动的半径为R，又因为两粒子的动量mv大小相等，所以R1/q，可见电荷数大的新核运动轨迹应为半径较小的轨道，b 粒子运动的轨迹为。若两半径之比为441，说明新核与b 粒子的电荷数比值为441，即新核的核电荷数为44。而b 衰变的规律是新核的核电荷数比衰变前的原子核电荷数大1，所以衰变前的原子核内的质子数(核电荷数)为43。解答：对应各空的答案为：b ，向右，逆，43。说明：应用电磁场对带电粒子的作用，研究原子核衰变中放出粒子的各种特点，是一种常用的研究方法。应结合前面所学过的电磁学知识和力学中的动量守恒知识进行综合分析。例题2已知氘核的质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，核的质量为3.0150u，1u的质量对应的能量是931.5Mev。(1)写出两个氘核聚变成的核反应方程(2)计算上述核反应中释放的核能(3)若两个氘核以相等的动能0.35MeV作对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化成动能，则反应中生成的核和中子的动能各是多少?分析：(1)这是典型的核聚变反应，写核反应方程应遵循质量数守恒和核电荷数守恒的规律。(2)用质能方程计算核能时，如果质量亏损Dm用原子质量单位u(1u1.661027kg)为单位，而1u的质量与931.5MeV的能量对应，所以释放的核能的单位为MeV，即DE931.5Dm(MeV)。如果质量亏损Dm用国际单位千克为单位，则释放核能的单位也为国际单位焦耳，即DEc2Dm(J)。(3)此问以对心碰撞为核反应的简化模型，这提示我们可应用处理碰撞问题时的动量守恒和能量守恒的观点去解决问题，即核反应前后各粒子的总动量(矢量)守恒，总能量(注意此时的能量除动能外，还应包括由于质量亏损而产生的核能)也守恒。解答：(1)核反应方程为：(2)质量亏损为：Dm2.0136u2(3.0150u1.0087u)0.0035u所以释放的核能为：DEDmc2931.50.0035MeV3.26MeV(3)因为核反应中释放的核能全部转化为核和中子的动能。设核和中子的质量分别为m1、m2，速度分别为v1、v2，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得：m1v1m2v20Ek1Ek22Ek0DE解方程组，得：说明：质能方程Emc2是爱因斯坦相对论中的重要结论，它在物体质量与能量之间找到了内在联系，找到了核反应中能量变化的原因。因此，解决这类问题求出质量亏损是很关键的。(请大家想一想，如果用国际单位，此题结果如何?)另外我们看到，核反应虽然发生在微观世界，经典的牛顿力学已不再适用，但仍遵循动量守恒定律及能的转化和守恒定律。这也是解决问题的重要依据。但应注意，微观世界的运动情况和规律比较复杂，我们现在很难分析透彻，因此在分析题目时，一般要采取一些合理的假定或模型简化(如上例中就假设两氘核做对心碰撞且释放的核能全部转化成动能)。四、针对训练1关于天然放射现象，下列说法中错误的是( )A天然放射现象中的a 、b 、g 射线都来自于放射性原子核Ba 、g 射线来自于放射性原子核，b 射线来自于核外电子C放射性元素衰变的快慢与其所处的物理状态和化学状态无关D三种射线中，a 射线的电离能力最强，但其贯穿本领最小；g 射线的贯穿本领最大，而电离能力最弱2下列事例中，属于卢瑟福的科学研究的成果是( )A发现了电子，证明原子有复杂的结构B用a 粒子轰击氮核，发现了质子C用a 粒子轰击金箔，建立了原子的核式结构学说D预言原子核内有中子存在3完成下列核反应方程，其中为查德威克最初发现中子的方程是( )ABCD4在匀强磁场中有一个原来静止的碳14原子核，它放射出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆，圆的直径之比为71，如图132所示，那么碳14的衰变方程是_。图132第三节 相对论简介一、知识回顾问题思考：(1)狭义相对论的两个基本假设：狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是_的。光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是_的。(2)相对论的时空观：经典物理学认为，时间和空间是脱离物体而_存在的，是_对的，空间与时间之间也没有联系；相对论则认为时间和空间与物质的_状态有关，物质、时间、空间是紧密联系的_体。(3)广义相对论的两个基本原理：广义相对性原理：在任何参考系中，物理规律都是_的。等效原理：一个均匀的引力场与一个做匀加速运动的参考系_价。知识梳理：1相对论的诞生(1)伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的。(2)狭义相对论的两个基本假设：狭义相对性原理光速不变原理2时间和空间的相对性(1)“同时”的相对性：“同时”是相对的。在一个惯性参考系中看来“同时”的，在另一个惯性参考系中却可能“不同时”。(2)长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。(3)时间间隔的相对性：若从地面上观察地面上的实践进程为Dt，而在高速运动的飞船上的人则感觉地面上的时间进程Dt变慢了。3狭义相对论的其他结论：(1)相对论速度变换公式：(2)相对论质量：(3)质能方程：Emc24广义相对论简介：(1)广义相对论的两个基本原理：广义相对性原理等效原理(2)广义相对论的几个结论：物质的引力使光线弯曲。引力场的存在使得空间不同位置的时间进程出现差别。二、重点、难点分析1时间和空间的相对性对于长度的相对性：一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。即(公式)。还应注意：在垂直于运动方向上，杆的长度是不变的。这种长度的变化是相对的，如果两条平行的杆在沿自己的长度方向上做相对运动，与他们一起运动的两位观察者都会认为对方的杆变短了。2狭义相对论的其他结论：相对论速度变换公式：对于低速物体u与v与光速相比很小时，根据公式可知uvc2，这时uuv，这就是经典物理学的速度合成法则。对于高速物体u与v与光速相等时，即uc，不论v如何取值，在什么参考系中观察，光速都是c。还应注意这一公式仅适用于u与v在一直线上的情况，当u与v相反时，u取负值。三、例题解析例1设某人在以速度为0.5c运动的飞船上，打开一个光源，则下列说法正确的是( )A飞船正前方地面上的观察者看到这一光速为1.5cB飞船正后方地面上的观察者看到这一光速为0.5cC在垂直飞船前进方向地面上的观察者看到这一光速是cD在地面上任何地方的观察者看到的光速都是c分析：光速不变原理是狭义相对论的两个基本假设之一，是学习和理解狭义相对论的基础，本题所设置的物理情景就是考察考生对狭义相对论两个基本假设的理解。由于飞船在太空中处于真空当中，根据狭义相对论的第二个假设，不论从什么惯性参考系中去观察光的传播，真空中的光速都是c，所以选项A、B是错误的，C、D选项正确。解答：选项CD正确。例2甲在接近光速的火车上看地面上乙手中沿火车前进方向放置的尺子，同时乙在地面上看甲手中沿火车前进方向放置的尺子，则下列说法正确