第34讲++原子、原子核物理.doc

第34讲 原子、原子核物理目标要求：1.掌握原子结构，理解氢原子的能级和能级公式2.知道原子核的组成、放射性、原子核的半衰期、放射性同位素、核力、核反应方程、结合能、质量亏损知识归纳整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子(电子、质子、中子、正电子、粒子、光子)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程(核反应方程、质能方程)；4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。一原子结构1.汤姆生模型：汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。从而打开原子的大门.2.卢瑟福的核式结构模型：卢瑟福粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说。粒子散射实验是用粒子轰击金箔，实验现象：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。而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾：原子是否稳定,其发出的光谱是否连续3.玻尔模型(引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数)玻尔补充三条假设定态-原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态),电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量。(本假设是针对原子稳定性提出的)跃迁-原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定)(本假设针对线状谱提出) ()。氢原子跃迁的光谱线问题（一群氢原子可能辐射的光谱线条数为）。 (大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式能量和轨道量子化-定态不连续,能量和轨道也不连续;(即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分布也是不连续的)(针对原子核式模型提出，是能级假设的补充)氢原子的激发态和基态的能量(最小)与核外电子轨道半径间的关系是:【说明】氢原子跃迁 轨道量子化rn=n2r1(n1,2.3) r1=0.5310-10m 能量量子化： E1=13.6eVEn ，Ep，r，nEk，v吸收光子时增大减小放出光子时减小增大氢原子跃迁时应明确：一个氢原子 直接跃迁 向高能级跃迁 吸收光子 一般光子 某一频率光子 一群氢原子 各种可能跃迁 向低能级跃迁 放出光子 可见光子 一系列频率光子氢原子吸收光子时要么全部吸收光子能量，要么不吸收光子a光子能量大于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时，该光子可被吸收。(即：光子和原子作用而使原子电离)b光子能量小于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时,则只有能量等于两个能级差的光子才能被吸收。(受跃迁条件限：只适用于光于和原于作用使原于在各定态之间跃迁的情况)。氢原子吸收外来电子能量时可以部分吸收外来碰撞电子的能量（实物粒子作用而使原子激发）。因此，能量大于某两个能级差的电子均可被氢原子吸收，从而使氢原子跃迁。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。氢原子在n能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK。(类似于卫星模型)由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的2倍，故总能量(负值)降低。量子数二天然放射现象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。核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始衰变(用电磁场研究)：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铅版三核反应1四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)衰变： 衰变：(实质：核内)衰变形成外切(同方向旋)，衰变：(实质：核内的中子转变成了质子和中子)衰变形成内切(相反方向旋)，且大圆为、粒子径迹。 +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)(卢瑟福)用粒子轰击氮核,并预言中子的存在(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的射线轰击铍 (人工制造放射性同位素)正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)粒子轰击铝箔重核的裂变： 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。）核能计算：方法有三：由(m单位为“kg”)计算；由E=931.5m(m 单位为“u”)计算；借助动量守恒和能量守恒计算。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,与物理和化学状态无关)、 同位素等重要概念 放射性标志放射性同位素的应用利用其射线：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。作为示踪原子。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。典型例题例（2011上海）卢瑟福利用粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是（）例（2011全国卷1）已知氢原子的基态能量为E，激发态能量，其中n=2,3。用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速。能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为AB C D例（2011上海）天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知（）（A）来自于原子核外的电子（B）的电离作用最强，是一种电磁波（C）的电离作用较强，是一种电磁波（D）的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子例（2011山东）（8分）【物理-物理3-5】碘131核 不稳定，会发生衰变，其半衰变期为8天。碘131核的衰变方程：（衰变后的元素用X表示）。经过_天 75%的碘131核发生了衰变。针对训练1关于天然放射现象，下列叙述正确的是字 （ ）A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减少B衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的C在，这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强D铀核（U）衰变为铅核（U）的过程中，要经过8次衰变和10次衰变2科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3)它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHe2HHe.关于He聚变下列表述正确的是（ ）A聚变反应不会释放能量 B聚变反应产生了新的原子核C聚变反应没有质量亏损 D目前核电站都采用He聚变反应发电3.仔细观察氢原子的光谱,发现它只有几条分离的不连续的亮线,其原因是( )A.氢原子只有几个能级 B.氢原子只能发出平行光C.氢原子有时发光,有时不发光D.氢原子辐射的光子的能量是不连续的,所以对应的光的频率也是不连续的 4氢原子的部分能级如图所示，大量处于激发态的氢原子从一束单一频率的光中吸收了能量后，跃迁到某较高激发态，再向低能级跃迁时，可以发出种不同频率的光子，其中能量最小的光子是氢原子A从跃迁到产生的 B从跃迁到产生的C从跃迁到产生的 D从跃迁到产生的5.卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验,获得了重要发现:关于粒子散射实验的结果,下列说法正确的是( )A.证明了质子的存在 B.证明了原子核是由质子和中子组成的C.证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里D.说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动6.氢原子的核外电子由离原子核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时,下列说法中正确的是( )A.氢原子的能量增加 B.氢原子的能量减少C.氢原子要吸收一定频率的光子 D.氢原子要放出一定频率的光子7. （2010全国卷）原子核与氘核反应生成一个粒子和一个质子。由此可知（ ） AA=2，Z=1 B. A=2，Z=2 C. A=3，Z=3 D. A=3，Z=28（2010全国卷）原子核经放射性衰变变为原子核，继而经放射性衰变变为原子核，再经放射性衰变变为原子核。放射性衰变、和依次为（ ）A衰变、衰变和衰变 B衰变、衰变和衰变C衰变、衰变和衰变 D衰变、衰变和衰变9利用光谱分析鉴别物质的组成成分时，灵敏度是很高的(1)如何进行操作？_.(2)如图1甲所示的a、b、c、d为四种元素的特征谱线，图乙是某矿物的线状谱，通过光谱分析可以确定该矿物中缺少的元素为_Aa元素 Bb元素 Cc元素 Dd元素10(1)如图所示为氢原子的能级图用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射的不同波长的光有_种11(8分)(2009山东高考)历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为8.9 MeV的He.(1 MeV1.61013J)(1)上述核反应方程为_(2)质量亏损为_kg.12(8分)原来静止的原子核X，发生衰变后放出一个动能为E0的粒子，求：(1)生成的新核动能是多少？(2)如果衰变释放的能量全部转化为粒子及新核