17.原子物理(教师).doc

原子的核式结构 玻尔理论 天然放射现象一、知识点梳理1、原子的核式结构（1）粒子散射实验结果：绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转。 （2）原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转 （3）原子核的大小：原子的半径大约是10-10米，原子核的半径大约为10-14米10-15米2、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定态时，它辐射(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h=E2-E1 (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是分立的 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的能量值叫做能级。3、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20X10-15的距离内起作用，所以只有相邻的核子间才有核力作用152-14、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：、射线、射线，这三种射线可以用磁场和电场加以区别，如图15.2-1 所示（3）放射性元素的衰变：放射性元素放射出粒子或粒子后，衰变成新的 原子核，原子核的这种变化称为衰变Th Pa+e 衰变U Th+He 衰变衰变规律：衰变中的电荷数和质量数都是守恒的 (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不同的放射性元素的半衰期是不同的，但对于确定的放射性元素，其半衰期是确定的它由原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关（5）同位素：具有相同质子数，中子数不同的原子在元素周期表中处于同一位置，互称同位素。二、典型例题例1 如图所示为卢瑟福和他的同事们做a 粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象，下述说法中正确的是A放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B放在B 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些C放在C、D 位置时，屏上观察不到闪光D放在D 位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少解析 根据粒子散射现象，绝大多数粒子沿原方向前进，少数粒子发生较大偏转，本题应选择A、B、D点评 本题考查学生是否掌握卢瑟福的粒子散射实验结果。例2 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中 ( ) A原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大 B原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小 C原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量增大 D原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大，原子的能量增加解析 根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核越远的轨道上运动时，其能量越大， 由能量公式En=（E1=-136 eV）可知，电子从低轨道(量子数n 小)向高轨道(n值较大)跃迁时，要吸收一定的能量的光子故选项B可排除氢原子核外电子绕核做圆周运动，其向心力由原子核对电子的库仑引力提供，即 =，电子运动的动能Ek=mv2=由此可知：电子离核越远，r越大时，则电子的动能就越小，故选项A、C均可排除 由于原子核带正电荷，电子带负电荷，事实上异性电荷远离过程中需克服库仑引力做功，即库仑力对电子做负功，则原子系统的电势能将增大，系统的总能量增加，故选项D正确点评 考查对玻尔理论、库仑定律、圆周运动规律及电场力做功性质的综合运用的能力例3 关于天然放射现象，以下叙述正确的是 （ ）A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小B衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的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()衰变为铅核()的过程中，要经过8次衰变和10次衰变解析半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关A错；衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的，B对；根据三种射线的物理性质，C对；U的质子数为92，中子数为146，Pb的质子数为82，中子数为124，因而铅核比铀核少10个质子，22个中子。注意到一次衰变质量数减少4，故衰变的次数为x= =8次。再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定衰变的次数y应满足 2x-y+8292， y2x-10=6次。故本题正确答案为B、C。点评1 本题考查衰变、衰变的规律及质量数，质子数、中子数之间的关系。 2 衰变放出的电子并不是由核外电子跃迁出来的，而是从核中衰变产生的。K-ABP例4、如图K-介子衰变的方程为，其中K-介子和-介子带负的基元电荷，0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与R之比为21。0介子的轨迹未画出。由此可知-介子的动量大小与0介子的动量大小之比为 A.11 B.12 C.13 D.16解析 根据题意，分别计算出带电粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径。根据动量的定义，分别求出两个介子的动量大小，再从图中确定两个介子动量的方向，最后运用动量守恒，计算出粒子的动量大小。qvKB=mK，RK=R，pK=-p+p，p。正确选项为（C）点评 这题以基本粒子的衰变为情景，涉及带电粒子在磁场中运动规律和动量守恒等知识点，是一道综合性题目。带电粒子在磁场中受到洛伦磁力作用，该力的方向与粒子的速度方向垂直，因此，带电粒子作圆周运动。根据动量守恒，基本粒子衰变前后的总动量不变，但计算过程要主注意动量的方向问题。例5 若原子的某内层电子被电离形成空位，其它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，其中的一种称为内转换，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（被电离的电子称为内转换电子）。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层电离出的动能分别为EK=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV.则可能发射的特征X射的能量为A 0.013MeV B 0.017MeV C 0.076MeV D 0.093MeV解析电子电离后的动能等于吸收的能量减去电子原来所处的能级的能量，所以原子核的K层的能量为0093MeV，原子核的L层的能量为0017MeV，原子核的M层的能量为0004MeV。所以可能发射的特征X射的能量为0076MeV、0087MeV、0013MeV。故正确为A、C点评这是一道信息题要求学生能把题中所给的知识与已学知识有机结合。学生首先要弄清电子的电离能、动能与吸收能量的关系。三、过关测试1、用a、b两束单色光分别照射同一双缝干涉装置，在距双缝恒定距离的屏上得到图示的干涉图样，其中甲图是a光照射时形成的，乙图是b光照射时形成的。则关于a、b两束单色光，下述正确的是BAa光光子的能量较大B在水中a光传播的速度较大C若用a光照射某金属时不能打出光电子，则用b 光照射该金属时一定打不出光电子D若a光是氢原子从n4的能级向n2的能级跃迁时产生的，则b光可能是氢原子从n3的能级向n2的能级跃迁时产生的2、德国物理学家弗兰克林和赫兹进行过气体原子激发的实验研究。如图（1）他们在一只阴极射线管中充了要考察的汞蒸气。极射发出的电子受阴极K和栅极R之间的电压UR加速，。电子到达栅极R时，电场做功eUR。此后电子通过栅极R和阳极A之间的减速电压UA。通过阳极的电流如图（2）所示，随着加建电压增大，阳极电流在短时间内也增大。但是到达一个特定的电压值UR后观察到电流突然减小。在这个电压值上，电于的能量刚好能够激发和它们碰撞的原子。参加碰撞的电子交出其能量，速度减小，因此刻达不了阳极阳极电流减小。eUR即为基态气体原于的激发能。得到汞原子的各条能级比基态高以下能量值：4.88eV, 6.68eV, 8.78eV, 10.32eV(此为汞原子的电离能)。若一个能量为7.97eV电子进入汞蒸气后测量它的能量大约是AKRAURUAURI(1)(2)A. 4.88eV或7.97eV B. 4.88eV或 6.68eVC. 2.35eV 或7.97eV D.1.29eV或3.09eV或7.97eV D3、某原子核的衰变过程是ABC，下述说法中正确的是 ， A核C比核B的中子数少2 B核C比核A的质量数少5 C原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2 D核C比核A的质子数少1 4、原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给 n=4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应以这种方式脱离了原子的 电子叫做俄歇电子已知铬原子的能级公式可简化表示为En=-，式中n=1，2，3表示不同能级，A是正的已知常数上述俄歇电子的动能是 (A)A (B)A (C)A (D)A5、 地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时（岩石形成初期时不含铅）的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数由此可以判断出BDA铀238的半衰期为90亿年B地球的年龄大致为45亿年C被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数 之比约为14D被测定的古老岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之比约为136关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是 ( ) A用波长为60nm的伦琴射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子 B用能量为102eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 C用能量为110eV的自由电子轰击，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态 D用能量为125eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态7、氢原子从能级A跃迁到能级B时，辐射出波长为1的光子，从能级A跃迁到能级C时，辐射出波长为入2的光子若入1入2，则氢原子从能级B跃迁到能级C时，将_光子，光子的波长为_。8、太赫兹辐射（1THz=1012Hz）是指频率从0.3THz到10THz、波长介于无线电波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域，所产生的T射线在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景最近，科学家终于研制出以红外线激光器为基础的首台可产生4.4THz的T射线激光器，从而使T射线的有效利用成为现实。已知普朗克常数h=6.631034Js，关于4.4THz的T射线，下列说法中错误的是 BCA它在真空中的速度为3.0108m/sB它是某种原子核衰变时产生的C它的波长比可见光短D它的光子的能量约为2.91021J9、氢原子从能级A跃迁到能级B吸收频率为的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率为的光子，若，则当它从能级B跃迁到能级C时，将A放出频率为的光子B放出频率为的光子C吸收频率为的光子D吸收频率为的光子10、日光灯中有一个启动器，其中的玻璃泡中装有氖气。启动时，玻璃泡中的氖气会发出红光，这是由于氖原子的A自由电子周期性运动而产生的B外层电子受激发而产生的C内层电子受激发而产生的D原子核受激发而产生的11、已知氦离子He+能级En与量子数n的关系和氢原子能级公式类似，处于基态的氦离子He+的电离能为E54.4eV。为使处于基态的氦离子He+处于激发态，入射光子所需的最小能量为 A13.6 eV B40.8 eV C48.4 eV D54.4 eV12、如图15.2-5所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图(1)请简述自动控制的原理(2)如果工厂生产的是厚度为1mm的铝板，在三种射线中，哪一种对铝板的厚度控制起主要作用，为什么?参考答案 1 .B 2.D 3.A 4.B 5.BD 6.ABC 7.辐射 8. BC 9.B 10.B 11.B12. （1）放射线具有穿透本领，如果向前移动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化，将这种变化转变的电信号输入到相应的装置，自动地控制图中右侧的两个轮间的距离，达到自动控制铝板厚度的目的 （2）射线起主要作用，因为射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1mm的铝板；射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板当铝板厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化较大，探测器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应。核反应 核能 质能方程一、知识点梳理1、 核反应在核物理学中，原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应典型的原子核人工转变： N+He O+H 质子H的发现方程 卢瑟福 Be+He C+n 中子n的发现方程 查德威克2、 核能（1）核反应中放出的能量称为核能（2）质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子质量之和质量亏损（3）质能方程： 质能关系为2 原子核的结合能=23、 裂变把重核分裂成质量较小的核，释放出的核能的反应，叫裂变典型的裂变反应是： + r+e+104轻核的聚变把轻核结合成质量较大的核，释放出的核能的反应叫轻核的聚变聚变反应释放能量较多，典型的轻核聚变为： + e+5链式反应 一个重核吸收一个中子后发生裂变时，分裂成两个中等质量核，同时释放若干个中子，如果这些中子再引起其它重核的裂变，就可以使这种裂变反应不断的进行下去，这种反应叫重核裂变的链式反应二、典型例题例1雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子（v。）而获得了2002年度诺贝尔物理学奖他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615t四氯乙烯（C2Cl4）溶液的巨桶电子中微子可以将一个氯核转变为一个氢核，其核反应方程式为 eClAr十e已知Cl核的质量为36.95658 u，Ar核的质量为36.95691 u，e的质量为0.00055 u，1 u质量对应的能量为931.5MeV.根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为（A）0.82 Me V （B）0.31 MeV （C）1.33 MeV （D）0.51 MeV解析由题意可得：电子中微子的能量E=mc2-（mAr+me-mCl）931.5MeV=(36.95691+0.00055-36.95658)931.5MeV=0.82MeV则电子中微子的最小能量为 Emin=0.82MeV 点评 应用爱因斯坦质能方程时，注意单位的使用。当用kg单位，c用m/s时，单位是J，也可像本题利用1 u质量对应的能量为931.5MeV.例2、质子、中子和氘核的质量分别为、，质子和中子结合成氘核时，发出射线，已知普朗克恒量为，真空中光速为，则射线的频率 _ 解析 核反应中释放的能量以释放光子的形式释放出来，由于光子的能量为h，依能量守恒定律可知：h=据此便可求出光子的频率。 质子和中子结合成氘核：+ +这个核反应的质量亏损为：根据爱因斯坦质能方程 此核反应放出的能量 （）c2 以射线形式放出，由h = 点评 此题考查计算质量亏损，根据爱因斯坦质能方程确定核能关键是对质量亏损的理解和确定例3、如图所示，有界匀强磁场的磁感应强度为B，区域足够大，方向垂直于纸面向里，直角坐标系xoy的y轴为磁场的左边界，A为固定在x轴上的一个放射源，内装镭核（）沿着与+x成角方向释放一个粒子后衰变成氡核（）。粒子在y轴上的N点沿方向飞离磁场，N点到O点的距离为l，已知OA间距离为，粒子质量为m，电荷量为q，氡核的质量为。（1）写出镭核的衰变方程；（2）如果镭核衰变时释放的能量全部变为粒子和氡核的动能求一个原来静止的镭核衰变时放出的能量。解析（1）镭核衰变方程为：（2）镭核衰变放出粒子和氡核，分别在磁场中做匀速圆周运动，粒子射出轴时被粒子接收器接收，设粒子在磁场中的轨道半径为R，其圆心位置如图中点，有，则 粒子在磁场中做匀速圆周运动，有，即，粒子的动能为 衰变过程中动量守恒，则氡核反冲的动能为 点评 要熟练掌握核反应方程，动量守恒定律，带电粒子在匀强磁场中的圆周运动规律的综合运用。例4. 核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子了。若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u=1.6610-27kg。写出氘和氚聚合的反应方程。试计算这个核反应释放出来的能量。若建一座功率为3.0105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按3.2107s计算，光速c=3.00108m/s，结果取二位有效数字）解析（1）（3） （2）E=mc2=（20141+30160-40026-10087）16610-27321016J=2.810-12J （3）M=23kg例 5众所周知，地球围绕着太阳做椭圆运动，阳光普照大地，万物生长根据学过的知识试论述说明随着岁月的流逝，地球公转的周期，日、地的平均距离及地球表面的温度的变化趋势解析 太阳内部进行着剧烈的热核反应，在反应过程中向外释放着巨大的能量，这些能量以光子形式放出根据爱因斯坦质能关系： 2 ， 知太阳质量在不断减小地球绕太阳旋转是靠太阳对地球的万有引力来提供向心力 G=m2R， 现因M减小，即提供的向心力减小，不能满足所需的向心力，地球将慢慢向外做离心运动，使轨道半径变大，日地平均距离变大由上式可知，左边的引力G减小，半径R增大，引起地球公转的角速度变化，从而使公转周期变化 G=mR，T2=，即 T增大 一方面，因太阳质量变小，发光功率变小；另一方面，日地距离变大，引起辐射到地球表面的能量减小，导致地球表面温度变低 点评 该题集原子物理与力学为一体，立意新颖，将这一周而复始的自然用所学知识一步一步说明，是一道考查能力、体现素质的好题 三、过关测试1、静止在匀强磁场中的U核，发生。衰变后生成Th核，衰变后的粒子速度方向垂直于磁场方向，则以下结论中正确的是( ) 衰变方程可表示为：U Th+He 衰变后的Th核和粒子的轨迹是两个内切圆，轨道半径之比为1:45 Th核和粒子的动能之比为2:17 若粒子转了117圈，则Th核转了90圈 A B C D2下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是(A) (B)(C) (D)15.5-33.下列关于原子结构和原子核的说法正确的是（ ）A 卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构B 天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒，其放射线在磁场中不偏转的是射线C 据图15.3-3可知，原子核A裂变变成原子核B和C要放出核能 D 据图15.3-3可知，原子核D和E聚变成原子核F要吸收核能 4.当两个中子和两个质子结合成一个粒子时，放出28.30MeV的能量，当三个粒子结合成一个碳核时，放出7.26MeV的能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放的能量约为( ) A 21.04MeV B 35.56MeV C 77.64MeV D 92.16MeV5.下列说法正确的是 A、太阳辐射的能量主要来自太阳内部的裂变反应 B、卢瑟福的a粒子散射实验可以估算原子核的大小 C、玻尔理论是依据a粒子散射实验分析得出的 D、氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时，电子的动能减小，电势能增大，总能量增大6中微子失踪之迷是一直困扰着科学家的问题。原来中微子在离子开太阳向地球运动的过程中，发生“中微子振荡”，转化为一个子和一个子。科学家通过对中微子观察和理论分析，终于弄清了中微子失踪的原因，成为“2001年世界十大科技突破”之一。若中微子在运动中只转化为一个子和一个子，并已知子的运动方向与中微子原来的方向一致，则子的运动方向（ ） A 一定与中微子方向一致 B一定与中微子方向相反 C 可能与中微子方向不在同一直线上 D 只能中微子方向在同一直线上7.在一定条件下，让质子获得足够大的速度，当两个质子p以相等的速率对心正碰，将发生下列反应：P+PP+P+P+ 其中是P反质子(反质子与质子质量相等，均为mp，且带一个单位负电荷)，则以下关于该反应的说法正确的是 A反应前后系统总动量皆为0B反应过程系统能量守恒C根据爱因斯坦质能方程可知，反应前每个质子的能量最小为2mpc2： D根据爱因斯坦质能方程可知，反应后单个质子的能量可能小于mpc286用 粒8.子轰击铍核(Be)，生成一个碳核(C)和一个粒子，则该粒子 ( ) (A)带正电，能在磁场中发生偏转 （B)在任意方向的磁场中都不会发生偏转 (C)电离本领特别强，是原子核的组成部分之一(D)用来轰击铀235可引起铀榱的裂变 9.假设钚的同位素离子Pu静止在匀强磁场中，设离子沿与磁场垂直的方向放出粒子后，变成铀的一个同位素离子，同时放出能量为E=0.09Mev的光子。（1）试写出这一核反应过程的方程式。（2）光子的波长为多少？（3）若不计光子的动量，则铀核与粒子在匀强磁场中的回旋半径之比是多少？ AONM10.如下图所示，一个有界的匀强磁场，磁感应强度B=0.50T，磁场方向垂直于纸面向里，MN是磁场的左边界。在磁场中A处放一个放射源，内装（镭），放出某种射线后衰变成Rn（氡）。试写出：衰变的方程，若A距磁场的左边界MN的距离OA=1.0m，放在MN左侧的粒子接收器接收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子，此时接收器位置距经过OA的直线1.0m，由此可以推断出一个静止镭核Ra衰变时放出的能量是多少？保留两位有效数字（取1u=1.610-27kg，电子电量e=1.6