15.2-原子的核式结构--玻尔理论--天然放射现象--教学设计

陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 1 页 15 215 2 原子的核式结构原子的核式结构 玻尔理论玻尔理论 天然放射现象天然放射现象 一 知识点梳理一 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 2 0X10 15的距离内起作用 所以只有相邻的核子间才 有核力作用 4 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 射线 15 2 1 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 2 页 放射源 金箔 荧光屏 显微镜 A B C D 15 2 2 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 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 典型例题二 典型例题 例例 1 1 如图 15 2 2 所示为卢瑟福和他的同事们做 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 例例 2 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 U Th He 衰变 238 92 234 90 4 2 Th Pa e 衰变 234 90 234 91 0 1 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 3 页 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 13 6 eV 可知 电子从低轨道 量子数 n 2 1 n E 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 2 2 r ke r mv2 2 1 r ke 2 2 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 例例3 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 238 92 U 206 82 Pb 衰变 解析解析 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 UeHn 0 1 1 1 1 0 238 92 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 4 页 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 206 82 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 4 206238 判定 衰变的次数 y 应满足 2x y 82 92 y 2x 10 6 次 故本题正确 答案为 B C 点评点评 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 例例 4 4 如图 15 2 3K 介子衰变的方程为 其中 K 介子和 介 0 K 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 2 1 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 1 1 B 1 2 C 1 3 D 1 6 解析解析 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 0 k K R v2 R pK p p 2 qB p Bqv vm K K KK qB p 1 2 p pK 0 p 正确选项为 C p3 0 点评点评 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 K A B P 15 2 3 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 5 页 例例 5 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 O P 214 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 O P 214 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 0 093MeV 原子核的 L 层的能量为 0 017MeV 原 子核的 M 层的能量为 0 004MeV 所以可能发射的特征 X 射的能量为 0 076MeV 0 087MeV 0 013MeV 故正确为 A C 点评点评 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 B A a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n 4 的能级向n 2 的能级跃迁时产生的 则b光 可能是氢原子从n 3 的能级向n 2 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 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 6 页 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 A 4 88eV 或 7 97eV B 4 88eV 或 6 68eV C 2 35eV 或 7 97eV D 1 29eV 或 3 09eV 或 7 97eV D 3 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 2 n A 已知常数 上述俄歇电子的动能是 A K R A UR UA UR I 1 2 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 7 页 A A B A C A D A 16 3 16 7 16 11 16 13 5 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 BD A 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 1 4 D 被测定的古老岩石样品在 90 亿年时铀 铅原子数之 比约为 1 3 6 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 10 2eV 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 11 0eV 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 12 5eV 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 63 10 34J s 关于 4 4THz 的 T 射线 下列说法中错误错误的是 BC A 它在真空中的速度为 3 0 108m s B 它是某种原子核衰变时产 陕西府谷中学物理教研组资料 教学设计 第 8 页 生的 C 它的波长比可见光短 D 它的光子的能量约为 2 9 10 21J 9 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 1 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 2 12 A 放出频率为的光子 B 放出频率为的光子 12 12 C 吸收频率为的光子 D 吸收频率为的光子 12 12 10 日光灯中有一个启动器 其中的玻璃