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原子和原子核物理复习 松门中学江志军 原子和原子核 高考物理专题复习 原子和原子核物理 是历年高考必考内容之一 试题中出现的题型为选择题 这一部分知识要求不高 但对基本概念理解不透彻 很容易导致失分 对近5年高考试题进行了研究 发现对本单元知识 应重点掌握好以下几个方面的知识 粒子散射实验 原子能级 天然放射性 核反应及核反应方程 核力及核能 核衰变与动量守恒及带电粒子在电磁场中运动的综合应用 1 粒子散射实验实验现象 把 粒子束射到金箔上 绝大多数穿过金箔 沿原来的方向前进 少数 粒子发生较大的偏转 极少数的偏转角超过90度 甚至有的被反弹回 对实验结果的解释 卢瑟福提出的原子的核式结构 在原子的中心有一个很小的核 称为原子核 在核上集中了全部正电荷和几乎全部质量 带负电的电子在空间里高速绕核旋转 原子半径数量级为10 10m 原子核大小数量级为10 15m 例1 在卢瑟福 粒子散射实验中 有少数 粒子发生大角度偏转 其原因是 原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B 正电荷在原子中是均匀分布的 C 原子中存在带负电的电子D 原子只能处在一系列不连续的能量状态中 答案A 例2 关于原子的核式结构学说 下列说法不正确的是 原子中大部分是空的 原子核很小 B 电子在核外绕原子核旋转 向心力是库仑力 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 原子核的半径大约是10 10m 答案D 原子只能处于一系列不连续的能量状态中 这些状态称为定态 原子各个定态的能量值 原子能级 原子从一种定态跃迁到另一定态时 要辐射 或吸收 一定频率的光子 光子能量等于两定态的能量差 原子不同能量状态跟电子沿不同轨道绕核运动相对应 因定态不连续 所以电子可能轨道分布也是不连续的 6 1 6 1014 用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子 停止照射后 发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子 它们的频率由低到高依次为 1 2 3 由此可知 开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为 h 1 h 3 h 1 2 h 1 2 3 以上表示式中 A 只有 正确B 只有 正确C 只有 正确D 只有 正确 例题2 答案 C 3 天然放射现象 某些元素能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象 这些元素称为放射性元素 半衰期 是反应衰变快慢的物理量 它表示放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 半衰期只与元素本身有关 与所处的物理 化学状态及周围环境 温度都无关 天然放射性产生的三种射线 例1 关于 三种射线 下列说法中正确的是 A 射线是原子核自发放射出的氦核 它的穿透能力最强 B 射线是原子核核外电子电离形成的电子流 C 射线一般伴随着 或 射线产生 它的穿透本领最强 D 射线是电磁波 它的穿透能力最弱 答案C 例2 下面关于放射性元素半衰期的说法正确的是A 半衰期是指原子核有半数发生衰变所需的时间B 半衰期长短是由核内部本身的因素决定的 C 原子核经过 衰变或 衰变后变成新核 若新核有过多的能量时 它还要进行 衰变D 在用作示踪原子时 应选用半衰期较长的放射性元素 答案AB 例3 关于放射元素放出 三种射线的说法中正确的是 A 原子核每放出一个 粒子 就减少两个质子和两个中子 B 原子核每放出一个 粒子 就增加一个质子 减少一个中子 C 原子核每放出一个 粒子 就增加一个中子 减少一个质子 D 原子核在放出 射线 射线的同时 常伴随着放出 射线 答案ABD 4 核反应及核反应方程 核反应类型 衰变 人工转变 裂变 聚变 核反应中应遵循两个守恒规律 质量数守恒和电荷数守恒 不能写成 衰变 衰变 发现质子 发现中子 裂变方程 聚变方程 例1 已知核反应的反应物和生成物 平衡核反应方程时应遵循的原则是 A 质子数守恒 B 中子数守恒 C 电荷数守恒 D 质量数守恒 答案CD 例2 23290Th 钍 经过一系列 和 衰变 变成20882Pb 下列说法正确的是 A 铅核比钍核少8个质子B 铅核比钍核少16个中子C 共经历了4次 衰变和6次 衰变D 共经历了6次 衰变和4次 衰变 答案ABD 例3 以下几个原子核反应中 x代表 粒子的反应式是 答案C 5 核力及核能 原子核由质子和中子组成 质子和中子统称为核子 质子数相同 中子数不同的元素互称为同位素 核子之间的相互作用力叫核力 核力是很强的短距离作用力 核子在结合成原子核时释放出来的能量叫做原子核的结合能 同样 原子核在分解为核子时也要吸收能量 其数值等于它的结合能 质量亏损 反应前原子核的总质量与反应后原子核的总质量之差 爱因斯坦质能方程 E mc2 E mc2 1u相当于931 5MeV 人类获得核能的两条途径 利用重核的裂变 核电站和原子弹就是利用重核裂变 和轻核的聚变 氢弹就是利用轻核的聚变 目前聚变不能用于发电 例1 质子 中子和氘核的质量分别为m1 m2和m3 质子和中子结合成氘核时 释放出的能量是多少 例2 裂变反应是目前核能利用中常用的反应 以原子核23592U为燃料的反应堆中 当23592U俘获一个慢中子后发生的裂变可以有多种方式 其中一种可表示为 反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 以原子质量单位 为单位 已知1 的质量对应的能量为9 3 102MeV 此裂变反应释放出的能量是 m 235 0439 1 0087 u 138 9178 93 9154 3 1 0087 u 0 9132u释放的核能 E mC2 0 1932 9 3 102MeV 6 核衰变与动量守恒及带电粒子在电磁场中运动的综合应用 在 衰变过程中系统的动量守恒 若原核是静止的 则据动量守恒定律有 mv M新V新 0 或 粒子的半径大 新核的半径小 两圆内切为 衰变 两圆外切为 衰变 由两圆半径关系可推知新核及原核的核电荷数 例1 光子的能量为h 动量的大小为h c 如果一个静止的放射性元素的原子核在发生 衰变时只发生一个 光子 则衰变后的原子核 A 仍然静止 B 沿着与光子运动方向相同的方向运动 C 沿着与光子运动方向相反的方向运动 D 可能向任何方向运动 答案C 例2 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 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 试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 例3 在匀强磁场中 一个原来静止的放射性原子核 由于天然衰变而得到两条内切的圆径迹 圆半径之比为44 1 则放射性元素的原子序数是 A 43B 45C 86D 90 答案A 例4 用放射源钋 P0 发射的 粒子打在铍核49Be上 产生一种新的粒子和另一生这成物 些新粒子组成的粒子流有以下特点 1 在任意方向的磁场中都不偏转 2 让它与含氢物质中的静止的氢核相碰撞 可把氢核击出 被击出氢核的能量为4 7MeV 让它与含氮物质中的静止氮核相碰撞 也可把氮核击出 被击出氮核的能量为EN 1 2MeV 碰撞可视为对心完全弹性碰撞 且已知氢核与氮核的质量之比为1 14 试根据以上数据求出新粒子质量与氢核质量之比 对此新粒子是什么粒子作出判断 并写出 粒子轰击49Be的核反应方程式 分析 设mH mN分别表示氢核与氮核的质量 VH VN分别表示氢核 氮核被未知粒子碰撞后的速度 m表示未知粒子的质量 V表示未知粒子碰撞前的速度 V1 V2分别表示未知粒子与氢核 氮核碰撞后的速度 完全弹性碰撞过程中 系统的动量和机械能守恒 所以有mV mV1 mHVH 1 mV2 2 mV