高考物理二轮复习全套课件原子物理..ppt

2020 3 4 1 原子物理 2020 3 4 2 一 认识原子结构 1 汤姆生 英国剑桥大学卡文迪许实验室主任 1906年因在电子和气体导电两方面的卓越成就获诺贝尔物理奖 1897年汤姆生发现电子 原子具有复杂结构 葡萄干布丁模型 正电荷 2020 3 4 3 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 2 卢瑟福 汤姆生的学生 英国剑桥大学卡文迪许实验室主任 新西兰最伟大的物理学家 1908年获诺贝尔化学奖 共培养了10名诺贝尔奖获得者 粒子散射实验 现象 有少数 粒子发生了较大的偏转 绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进 汤姆生模型对 粒子散射实验的解释 与实验现象不一致 核式结构模型 卢瑟福 在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 内容 带负电的电子在核外空间运动 对 粒子散射实验的解释 与实验现象一致 2020 3 4 4 原子 原子核直径 原子直径数量级 10 10m 原子核直径数量级 10 15 10 14m 与经典物理学观点的矛盾 原子稳定 原子光谱连续 3 玻尔 卢瑟福的学生 丹麦物理学家 1922年获诺贝尔物理学奖 玻尔原子理论 定态 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 电子虽然绕核运动 但并不辐射能量 跃迁 原子从一种定态跃迁到另一种定态时 它吸收或放出一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能级差决定 h em en 2020 3 4 5 能级 原子核外电子轨道的不连续对应原子的能量也不连续 这些能量值叫做能级 基态 能量的最低值 激发态 除基态以外的其它状态 轨道 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也是不连续的 氢原子能级和轨道半径 e1 13 6ev 能级 en e1 n2 轨道半径 r1 0 53 10 10m rn n2r1 n 1 2 3 称为量子数 2020 3 4 6 跃迁的条件 原子吸收光子从低能级向高能级跃迁所吸收的光子能量必须为 h em en 注意 电离不受上述条件限制 只要光子能量大于等于原子的初始能级值就会发生电离 电离后的电子动能 ek h en 当实物粒子与原子作用使原子激发或电离时 原子所吸收的能量为实物粒子的全部或部分动能 当实物粒子的动能大于或等于两能级差就可能使原子受激发跃迁 大于或等于某能级值就可能使原子电离 原子光谱 原子由高能级向低能级跃迁要放出光子 光子能量h em en 原子能级的不连续可得原子光谱不连续 原子从高能级向低能级跃迁可产生的光子种数 2020 3 4 7 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 例1 关于粒子散射实验 a 绝大多数粒子经过重金属箔后 发生了角度不太大的偏转b 粒子在接近原子核的过程中 动能减小 电势能减小c 粒子离开原子核的过程中 动能增大 电势能增大d 对粒子散射实验的数据进行分析 可以估算原子核的大小 2020 3 4 8 例2 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3 氢原子辐射出一个光子后 则 a 电子绕核旋转半径增大b 电子的动能增大c 氢原子电势能增大d 原子的能级值增大 2020 3 4 9 激光 同种原子在同样的两个能级间发生跃迁产生的 特性 是相干光 由于是相干光 所以和无线电波一样可以调制 因此可以用来传递信息 光纤通信就是激光和光导纤维结合的产物 平行度好 传播很远距离之后仍能保持一定强度 因此可以用来精确测距 激光雷达不仅能测距 还能根据多普勒效应测出目标的速度 对目标进行跟踪 还能用于在vcd或计算机光盘上读写数据 亮度高 能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量 可以用来切割各种物质 焊接金属 在硬材料上打孔 利用激光作为手术刀切开皮肤做手术 焊接视网膜 利用激光产生的高温高压引起核聚变 2020 3 4 10 二 认识原子核的复杂结构 1 天然放射现象 发现者 贝克勒尔 法国物理学家 1903年荣获诺贝尔物理奖 意义 1896年贝克勒尔发现天然放射现象使人们认识到原子核具有复杂结构 天然放射现象 元素自发地放出射线的现象 放射性 物质发射射线的性质 放射性元素 有放射性的元素 原子序数 83的所有元素均具放射性 83的有的元素也具放射性 各种放射线的性质比较 2020 3 4 11 三种射线在匀强磁场 匀强电场 正交电场和磁场中的偏转情况比较 例4 如图所示 铅盒a中装有天然放射性物质 放射线从其右端小孔中水平向右射出 在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场 则下列说法中正确的有a 打在图中a b c三点的依次是 射线 射线和 射线b 射线和 射线的轨迹是抛物线c 射线和 射线的轨迹是圆弧d 如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场 可能使屏上的亮斑只剩下b 2020 3 4 12 例5 如图所示 是利用放射线自动控制铝板厚度的装置 假如放射源能放射出 三种射线 而根据设计 该生产线压制的是3mm厚的铝板 那么是三种射线中的 射线对控制厚度起主要作用 当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时 将会通过自动装置将m n两个轧辊间的距离调节得 些 2 衰变 概念 原子核放出 粒子或 粒子变成新的原子核的变化 衰变 放出 粒子的衰变 衰变 放出 粒子的衰变 注 在 衰变过程中均以 射线的形式释放能量 衰变规律 衰变 如 衰变 如 2020 3 4 13 在衰变方程中遵守质量数守恒和核电荷数守恒 在衰变过程中动量守恒 计算衰变次数的方法 衰变的实质 衰变 是某元素的原子核同时放出两个质子和两个中子组成的粒子 衰变 元素的原子核的一个中子变成质子时同时放出一电子 半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 注 半衰期由原子核内部本身的因素决定 跟原子所处的物理 化学状态无关 2020 3 4 14 放射性的防护与应用 详见课本p69 例6 近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展 科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时 发现所生成的超重元素的核x经过6次 衰变后成为 由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是a 124 259b 124 265c 112 265d 112 281 放射性同位素的发现 约里奥 居里 1935年获诺贝尔化学奖 应用 利用射线 作为示踪原子 考古研究 2020 3 4 15 例7 完成下列核反应方程 n n c n he o b n he be he n fe h co 例8 一块含铀的矿石质量为m 其中铀元素的质量为m 铀发生一系列衰变 最终生成物为铅 已知铀的半衰期为t 那么下列说法中正确的有a 经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了b 经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m 4发生了衰变c 经过三个半衰期后 其中铀元素的质量还剩m 8d 经过一个半衰期后该矿石的质量剩下m 2 例9 关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有a 放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电 因此达到消除有害静电的目的b 利用 射线的贯穿性可以为金属探伤 也能进行人体的透视c 用放射线照射作物种子能使其dna发生变异 其结果一定是成为更优秀的品种d 用 射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量 以免对人体正常组织造成太大的危害 2020 3 4 16 三 核反应 核能 1 核反应 原子核发生变化变成新原子核的过程 人工转变 用人工的方法使原子核发生变化 发现质子的核反应 发现中子的核反应 衰变 裂变 聚变 2 核能 核反应中释放的能量 质量亏损 核子结合生成原子核 所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些 质能方程 爱因斯坦的相对论指出 物体的能量和质量之间存在着密切的联系 e mc2 或 e mc2 2020 3 4 17 释放核能的途径 如 原子质量单位1u 1 660566 10 27kg 相当于多少ev的能量 再如 1个质子和1个中子结合成氘核时释放出多少能量 已知质子质量为1 007825u 中子质量为1 008665u 931 5mev 2 2mev 每个碳原子燃烧释放的能量大约为4ev 裂变 核物理中把重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应 如 质量亏损 m 0 3578 10 27kg 释放核能 201mev 链式反应 纯铀235超过临界体积 核反应堆 2020 3 4 18 聚变 把轻核结合成质量较大的核释放出核能的反应 条件 几百万摄氏度的高温 亦称热核反应 释放核能17 6mev 平均每个核子释放3mev以上 比裂变大3 4倍 优势 地球上燃料丰富 1l海水中含氘0 03g 释放的能量相当于300l汽油 产物清洁无污染 试验 中国环流器一号 1984年9月启动 ht 7超导托卡马克 1994年调试成功 例10 中子和质子结合成氘核 同时释放出光子 以下说发正确的是 a 反应后氘核质量一定小于反应前质子和中子的质量之和 b 反应前后的质量数不变 因而质量不变 c 由核子组成原子核一定向外释放能量 d 光子所具有的能量为 mc2 其中 m为反应中的质量亏损 c为光子的能量 2020 3 4 19 例12 用中子轰击锂核 发生核反应 生成氘核和 粒子 并放出4 8mev的能量 1 写出核反应方程 2 求出质量亏损 3 若中子与锂核是以等值的动量相碰 氘核和 粒子的动能之比是多少 4 粒子的动能是多少 例11 静止的氡核rn放出 粒子后变成钋核po 粒子动能为e 若衰变放出的能量全部变为反冲核和 粒子的动能 真空中的光速为c 则该反应中的质量亏损为a b 0c d 2020 3 4 20 例13 静止在匀强磁场中的一个b核俘获了一个速度为向v 7 3 104m s的中子而发生核反应 生成 粒子与一个新核 测得 粒子的速度为2 104m s 方向与反应前中子运动的方向相同 且与磁感线方向垂直 求 写出核反应方程 画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图 磁感线方向垂直于纸面向外 求 粒子与新核轨道半径之比 求 粒子与新核旋转周期之比 四 粒子物理学 到19世纪末 人们认