【创新课堂】高二物理 竞赛专题系列专题9 原子物理.doc

原子物理一、考点内容1氢原子的能级结构,氢原子的电子云,光子的发射和吸收。2天然放射现象,射线、射线、射线,半衰期。3质子的发现,中子的发现,原子核的组成。 4核能,爱因斯坦的质能方程。5重核的裂变,链式反应;轻核的聚变。 6核反应堆，放射性污染和防护二、复习思路 原子、原子核的内容以人类认识微观世界的过程为线索，介绍有关原子、原子核著名实验和实验结论的初步知识。“联系实际、联系生活、联系高科技”已成为高考命题的趋势，所以同学应特别注意。 本单元的内容多而杂，学习要求是识记和理解，而许多同学又记不住。下面介绍一种行之有效的方法：以科学家的姓名为线索，以其发现为主要内容，通过读书或阅读科普读物归纳“十大人物，九大发现，四大核变”形成知识体系，这样非常便于记忆和理解。由于本单元理论的形成都是以事实发现为依据，故在每一理论复习时，应按如下知识链进行：事实、发现发现的意义模型成功之处、不足之处新的发现事实意义。 （一）：十大人物，九大发现1、汤姆孙（又译作“汤姆生”）电子的发现（第一大发现）原子可分2、卢瑟福粒子散射实验（第二大发现）原子的核式结构模型与经典的电磁场理论矛盾 卢瑟福粒子轰击氮原子核发现质子（第三大发现）3、玻尔原子的能级（第四大发现）成功解释氢光谱的规律，不能解释比较复杂的原子。4、贝克勒耳天然放射现象（第五大发现）原子核有复杂结构5、玛丽.居里，皮埃尔.居里天然放射现象研究发现放射性元素钋和镭（第六大发现）放射性元素的衰变6、查德威克粒子轰击铍原子核发现中子（第七大发现）原子核由质子和中子组成。7、约里奥.居里，伊丽芙.居里粒子轰击铝箔发现放射性同位素（第八大发现）应用（利用它的射线；作为示踪原子）8、爱因斯坦质能方程：（）（第九大发现）（二）：四大核变1、放射性元素的衰变2、原子核的人工转变3、重核的裂变:链式反应核能的应用（发电、原子弹）4、轻核的聚变:热核反应（氢弹）三、重点难点解析1原子核式结构：通过对卢瑟福粒子散射实验现象的分析：粒子穿过金箔后，绝大多数没有发生偏转，仍沿原来方向前进，只有少数发生较大的偏转，极少数偏转角度超过90，甚至达到180，这是汤姆逊的枣糕模型所不能解释的，说明原子具有核式结构。2氢原子的能级结构：j越大，越大，能量越高，原子越不稳定；k处于激发态的氢原子会自发的向低能级跃迁，以光子的形式释放能量，释放的能量等于两个能级的能量差，原子能量的释放和吸收均满足均满足这一关系，是不连续的。l原子吸收能量的原则是吸收能量恰好等于两个能级差，或者吸收能量大于或等于其电离能，使电子成为自由电子。当原子吸收光子时，由于光子不可分，故其必须选择能量满足上述原则的光子；当原子吸收实物粒子（如电子）能量时，原子可以根据需要吸收其中的一部分能量，即对实物粒子的能量没有条件限制。3、 衰变的实质： 衰变放出电子，并不表示原子核中有电子，而是原子核中的一个中子转化质子时伴随着放出一个电子，即4、质量亏损及核能：并不是指质量的消失，只是在核反应的过程中以辐射能量的形式体现了相应部分的质量；不能理解为质量为的物质可以转化为的能量，这只是反应了质量与能量间的密切联系，在计算核能时应用来计算。四例题精讲例1、（2003年全国）铀核裂变的产物之一是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90（）这些衰变是：a、1次衰变，6次衰变 b、4次衰变c、2次衰变 d、2次衰变，2次衰变例2、欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是：a、用10.2ev的光子照射 b、用11ev的光子照射c、用14ev的光子照射 d、用11ev的电子碰撞例3、（04江苏卷）若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子的特征x射线。内层空位的产生有多种机制，其中一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位（被电离的电子成为内转换电子）。的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量e0=1.416mev交给内层电子（如k、l、m层电子，k、l、m标记原子中最靠近核的三个电子层）使其电离，实验测得从原子的k、l、m层电离出的电子的动能分别为ek=1.323mev、el=1.399mev、em=1.412mev。则可能发射的特征x射线的能量为：a、0013mev b、0017mev c、0076mev d、0093mev例4、（02广东卷）如下一系列核反应是在恒星内部发生的： 其中为质子，为粒子，为正电子，为一种中微子。已知质子的质量为，粒子的质量为，正电子的质量为，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速，试计算该系列核反应完成后释放的能量。.例5。(2005广东高考)如图所示,氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,辐射出能量为2.55 ev的光子.问最少要给基态的氢原子提供多少电子伏的能量,才能使它辐射上述能量的光子?请在图中画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图.例6一个静止的放射性原子核处于垂直纸面向里的匀强磁场中，由于发生了衰变而形成如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为116( )a.该原子核发生了衰变b.反冲核沿小圆作逆时针方向运动c.原来静止的原子核的原子序数为15d.沿大圆和沿小圆运动的粒子运动周期相同例7已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u,he核的质量为3.015 0 u；(1)写出两个氘核聚变成he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0.35 mev作对心碰撞即可发生上述核反应，其释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的he核和中子的动能各是多少? 五、配套练习1下列说法中正确的是：a、原子由电子和带正电的物质组成是卢瑟福粒子散射实验得出的b、玻尔理论认为原子只能处于能量不连续的一系列状态c、从目前观点看，媒介子、轻子和强子是没有内部结构的“点状”粒子d、强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子2下列衰变中，属于衰变的是：a、 b、 c、 d、3下列说法中不正确的是：a、激光的主要特点是：方向性好、单色性好、亮度高b、天然放射性现象说明原子核内部具有复杂结构c、人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素，它们的物质结构相同d、目前的核电站中采用核反应堆使轻核聚变，将释放出巨大能量转移成电能4用人工的方法可以得到放射性同位素，放射性同位素的原子核可以发生衰变。则下列描述不正确的是：a、放射性同位素放出的射线可以穿透黑纸使照相底片感光b、用粒子轰击铝原子核得到磷的同位素的核反应方程为：c、经过6次衰变和4次衰变变成一种稳定的元素，该元素的原子序数为82。d、射线的贯穿能力很强，可以用来检查金属内部是否有裂纹，还可以用来治疗肿瘤。5如右图所示，p为匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成三束，以下判断正确的是：a、为射线，为射线 b、为射线，为射线c、为射线，为射线 d、为射线，为射线61994年3月，中国科技大学研制成功了比较先进的ht7型超导托卡马克， 托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环行的)，kamera(真空室)，magnet(磁)的头两个字母以及katushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上的信息下列说法不正确的是：a、 种核反应原理是轻核的聚变，同时释放出大量的能量，与太阳发光的原理类似b、这种装置同我国秦山核电站、大压湾核电站所使用的核装置原理相同c、这种装置可以控制热核反应速度，使聚变能缓慢而稳定释放d、这种装置产生的核聚变对环境的污染比核裂变要轻得的多7（钍）经过一系列和衰变，成为（铅）。对此，下列说法正确的是：a、钍核比铅核多10个质子 b、铅核比钍核多8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8下列说法正确的是：a、原子核分解为核子时，要释放出大量的核能b、粒子散射实验的结果表明原子核内有复杂结构c、发现中子的核反应方程式为d、秦山核电站是利用核聚变释放的原子能来发电的9e经衰变成为f，再经衰变成为g，再经衰变成为h。上述系列衰变可记为下式：e f g h另一系列衰变如下：p q r s已知p是f的同位素。（本题中用大写字母代表原子核）则：a、q是g的同位素，r是h的同位素 b、r是e的同位素，s是f的同位素c、r是g的同位素，s是h的同位素 d、q是e的同位素，r是f的同位素10右上图是放射线的物理特性演示实验简图，下列结论与这个实验结果不一致的是：a、纸、金属a、铅都能够挡住射线，其中铅阻挡放射线的效果最为显著b、金属a可挡住射线与射线c、在磁场的作用下，射线与射线所受到的磁场力的方向相反d、利用磁铁和金属a可挡住全部的放射线11有“科学界奥斯卡”之称的美国科学杂志年度世界科技十大突破评选揭晓，证明宇宙由暗物质和暗能量“主宰”位居榜首，美国发射的航天器将我国研制的磁谱仪带入太空，其目的就是探索反物质的存在。科学家探寻的所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反。试回答：(1)反粒子，它的质量数为_，电荷数为_。(2)一对正、负电子相遇发生湮灭，转化为一对频率相同的光子。已知电子质量为0.910-30kg，那么这两个光子的频率约为_hz(相遇前的动能可略去不计，保留两位有效数字)。12静止在匀强磁场中的锂(63li)核，俘获一个速度为vn=7.7104 m/s的中子，反应后生成的粒子的速度为v=2.0104 m/s，其方向与反应前中子的运动方向相同。(1)写出核反应方程。(2)求出另一粒子的速度大小和方向。(3)画出两粒子的运动轨迹，并求出其半径之比。(设磁场方向垂直纸面向里，入射中子的速度方向在纸面内)(4)当粒子旋转6周时，另一粒子旋转几周?13光具有波粒二象性，光子的能量ehv，其中频率表征波的特性.在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长的关系为：.若某激光管以pw60 w的功率发射波长6.63107 m的光束，试根据上述理论计算：（1）该管在1 s内发射出多少个光子?（2）若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面受到的光束对它的作用力f为多大?14(26届第12题)（18分）一静止的原子核a发生衰变后变成原子核b，已知原子核a、原子核b和粒子的质量分别为ma、mb，和m，光速为c（不考虑质量与速度有关的相对论效应）, 求衰变后原子核b和粒子的动能15(26届第13题)（18分）近代的材料生长和微加工技术，可制造出一种使电 子的运动限制在半导体的一个平面内（二维）的微结构器件，且可做到电子在器件中像子弹一样飞行，不受杂质原子射散的影响这种特点可望有新的应用价值图l 所示为四端十字形二维电子气半导体，当电流从l端进人时，通过控制磁场的作用，可使电流从 2, 3，或4端流出对下面摸拟结构的研究，有助于理解电流在上述四端十字形导体中的流动在图 2 中， a、b、c、d为四根半径都为r的圆柱体的横截面，彼此靠得很近，形成四个宽度极窄的狭缝1、2、3、4，在这些狭缝和四个圆柱所包围的空间（设为真空）存在匀强磁场，磁场方向垂直于纸面指向纸里以b表示磁感应强度的大小一个质量为m、电荷量为q的带正电的粒子，在纸面内以速度v0沿与a、b都相切的方向由缝1射人磁场内，设粒子与圆柱表面只发生一次碰撞，碰撞是弹性的，碰撞时间极短，且碰撞不改变粒子的电荷量，也不受摩擦力作用试求b为何值时，该粒子能从缝2处且沿与b、c都相切的方向射出光学答案例1、解析：每发生一次衰变质量数减少4个，质子数少2个，而每发生一次衰变质量数不变，质子数增加一个，此问题质量数没变，说明没有发生衰变，只发生了衰变，由于新核质子数增加了4个，所以发生了4次衰变 答案：b点评：搞清楚衰变、衰变的特点或质子数和质量数守恒是解决这类问题的关键。例2、解析：由氢原子能级结构可算出，10.2ev刚好为氢原子n=1和n=2的两能级之差，而11ev则不是氢原子基态和任一激发态的能量之差，因而氢原子只能吸收前者，不能吸收后者。对于14ev的光子，其能量大于氢原子的电离能（13.6ev），足以使氢原子电离，使电子脱离核的束缚而成为自由电子，因而不受氢原子能级间跃迁条件的限制。用电子去碰撞原子时，入射电子的动能可以部分或全部被氢原子吸收，所以只要入射电子动能大于或等于基态和某个激发态能量之差，也可以使氢原子激发。 答案：a、c、d点评：注意实物粒子与光子使氢原子发生能级跃迁的不同，以及大于氢原子电离能的光子使氢原子受激发不受氢原子能级间跃迁条件的限制。例3、解析：解答本题的关键是要读懂题，读懂题目中所说明的物理过程，弄懂x射线的来源，其实题目已说得很清楚高能级的电子向较低能级的空位跃迁的能量差。根据题意，的原子核从某一激发态回到基态时，将能量e0=1.416mev交给内层电子，而这些电子电离后的动能分别为ek=1.323mev、el=1.399mev、em=1.412mev，由能量守恒定律可知内层电子在三个空位的能级分别为：ek0=ek-e0=1.323mev-1.416mev= -0.093mevel0=el-e0=1.399mev-1.416mev= -0.017mev em0=em-e0=1.412mev-1.416mev= -0.004mev再由题意，可能发射的特征x射线的能量为三个能级之差，再将上面三个能级任意两个相减即为发出的特征x射线的能量。 答案：a、c点评：错误的根本原因在于没读懂题意，只是随意将题中的能量值相减得到的数值作为答案，造成错误选择。例4、解析：想办法计算出这一系列核反应的质量亏损是解决本题的关键，题中6个方程可等效为下面一个方程： 根据爱因斯坦质能方程可算出整个过程释放的能量。答案：点评：不能对这6个方程进行等效，从而不能算出质量亏损，是解决本题失败的主要原因。例5、解析：氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,满足h=en-e2=2.55 even=h+e2=-0.85 ev,所以n=4基态氢原子要跃迁到n=4的能级,应提供：e=e4-e2=12.75 ev 跃迁图见右下图：例6、解析：因反冲核与放射粒子的轨道为内切圆，故放射性粒子应带负电荷，故a错误；由r=,因反冲核与放射性粒子的动量大小相等，方向相反，故内切圆为反冲核，因反冲核带正电，故其圆做逆时针方向运动，故b正确；由r=知反冲核的电荷数是放射性粒子的16倍，又因放射粒子为电子，故原核的正电荷数为15，故c正确；由t=，因不同，则反冲核与放射粒子运动的周期不同，故d错误。答案：bc。例7、解析：应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反应方程为21h+21h32he+10n其质量亏损：m=2md-(mhe+mn)=22.013 6 u-(3.015 0+1.008 7)u=0.003 5 u因1 u相当于931.5 mev，所以核反应释放的核能为e=0.003 5931.5 mev=3.26 mev。题设该核反应中释放的核能全部转化为机械能即转化为32he核和中子的动能。设32he核和中子的质量分别为m1、m2,速度大小分别为v1、v2，则由动量守恒及能量的转化和守恒定律得：m1v1-m2v2=0 e1+e2=2e0+e 上式中e1为32he的动能，e2为中子的动能：e1=m1v21,e2=m2v22e1/e2= 由、联立解得：e1=(2e0+e)=(20.35+3.26) mev=0.99 meve2=(2e0+e)=(20.35+3.26) mev=2.97 mev练习答案12345678910bcddbbdcbd11解析：(1)4，-2(2)由爱因斯坦质能方程可知：e=mc2=2mec2=20.910-30(3108)2 j=1.6210-13 j其能量全部转化为光子的能量，则有：e=2hr代入数值，得：r=hz=1.21020 hz12 解析：(1)li+he+h(2)设另一个粒子的速度大小为v，反应过程动量守恒，故有：17.7104=42104+3v解得v=-1103 m/s，即速度方向与反应前中子速度方向相反(3)两粒子均由洛伦兹力提供向心力，在匀强磁场中的运动轨迹如图所示，其半径之比：=(4)带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期：t=故这两个粒子的周期之比为：可见粒子旋转6周时，另一粒子恰好旋转4周。 13解析：（1）设在时间t内发射出的光子数为n，光子频率为v，每一个光子的能量ehv，则pw，又v，则n代入有关数据得n2.01020（个）.（2）在时间t内激光管发射出的光子全部被黑体表面吸收，光子的末动量变为零，据题意可知，n个光子的总动量为p总npnh/据动量定理可知ftp总黑体表面对光子束的作用力为f2.0107 n又据牛顿第三定律，光子束对黑体表面的作用力为ff2.0107 n.14参考解答：设粒子速度的大小为v，原子核b