选修3-5原子物理讲义

精品文档 1欢迎下载 光电效应 光照射金属板时 可以使金属板发射电子的现象 右图中 锌板带正电 验电器也带正电 光电效应中 金属板发射出来的电子叫光电子 光电子的定向移动可以形成光电流 相关知识 电磁波按照频率依次增大 波长依次减小 的顺序排列 无线电波 红外线 可见光 紫外线 x 射线 射线 可见光又分为 7 中颜色 红 橙 黄 绿 蓝 靛 紫 光的频率和颜色是对应关系 一个频率对应一种光的颜色 单色光就是单一频率的光 光照强度 单位时间内照射到单位面积上的光的能量 光线和接收面垂直时 通俗讲 光照强度大就是光线密集的意思 房间里开一盏灯时没有开两盏灯光照强度大 光电效应的规律 右图为研究光电效应的电路图 1 光电管中存在饱和电流 当光照强度 光的颜色一定时 光电流随着 AK 极之间的电压增大 而增大 但是当电压增大到一定程度以后 光电流就不再增大了 光电流能达到的最大值叫饱和 电流 控制光的颜色 饱和电流与光照强度有关 光照越强则饱和电流越大 2 光电管两端存在着遏止电压 当 A K 极之间电压为零时 光电流并不为零 当在 A K 极 加反向电压时 即 A 极为负极板 K 极为正极板时 光电子在两极之间减速运动 反向电压越大 光电流越小 当反向电 压达到某一值时 光电流消失 能够使光电流消失的反向电压叫遏止电压 用 UC表示 遏止电压与光照强度无关 只与入射光的频率有关 频率越大则遏止电压越大 右图中 甲乙丙三种光的频率大小关系 1 乙的光照强度大小关系 3 金属能否发生光电效应取决于入射光的频率 与光照强度和光照时间无关 当入射光的频率低于某一值时 无论光照多强 时间多长都不会发生光电效应 而这一值叫做截止频率 又叫极限频率 用 c表示 4 如果入射光的频率超过了截止频率 无论光照强度多么弱 发生光电效应仅需 10 9s 爱因斯坦为了解释光电效应 提出了光子说 1 在空间传播的光是不连续的 而是一份一份的 每一份叫做一个光子 光子的能量 E h 指光的频率 2 金属中的自由电子吸收光子能量时 必须是一次只能吸收一个光子 而且不能累计吸收 3 光子不能再分 自由电子吸收光子时要么是全部吸收 要么不吸收 4 自由电子吸收光子仅需 10 9s 光子说对光电效应的解释 1 当光照颜色一定时 光照越强 则单位时间内照射到金属上的光子数越多 光子数越多则发射出来的光电子数越多 所以光电流就越大 当 A K 极间的电压大到一定程度后 所有的光电子都能从 K 极到达 A 极 出现了饱和电流 光照越强 光子数 光电子数相应越多 则饱和电流增大 2 自由电子吸收了光子能量后 能够从金属内部逃逸出来 自由电子从金属中逃逸出来的过程中 要克服原子核对它的 引力做功 自由电子从金属中逃逸出来的过程中所要克服引力所做功的最小值 叫金属的逸出功 用 W0表示 逸出功是由 金属本身决定的 不同的金属有不同的逸出功 若要自由电子能够从金属中逃逸出来 则自由电子吸收的光子能量 E h 必须大于金属的逸出功 W0 因此金属存在着截止频率 h c W0 当光子能量 h W0 时 才能发生光电效应 电子从金属中逃逸出来后剩余的动能 由能量守恒定律可知 EK h W 其中 W 指自由电子逃逸过程中克服引力做的功 当 W 最小时 电子剩余的动能则越大 所以 电子的最大初动能 EKm h W0 3 在光电管中 当在 K 极加反向电压时 电场力对电子做负功 当反向电压达到遏止电 压 UC时 光电子恰好不能到达 A 极 如右图 A 极接电源负极 则遏止电压 UC满足 eUC 0 EKm h W0 所以 遏止电压只 精品文档 2欢迎下载 与入射光的频率有关 与光照强度和光照时间无关 玻尔氢原子理论 产生背景 原子的发光光谱是线状谱 即 原子发出的光的频率 或波长 只能是一些不连续的特定值 每一种原子都有自己独特的线状谱 就好像每一个人都有属于自己独特的指纹一样 玻尔为了解释原子光谱的规律 提出了玻尔氢原子理论 1 轨道量子化假设 原子核外的电子只能在一些不连续的 特定的轨道上绕核匀速圆周运动 好像这些轨道是由上帝安排 好的一样 2 定态假设 电子在那些特定轨道上运动时 不会向外辐射电磁波 整个原子的能量不会减少 原子处于相对稳定状态 简称定态 3 能量量子化假设 电子在那些特定轨道上运动时 原子的能量也有一些不连续的特定值与之对应 原子的能量也只能是 一些不连续的特定值 电子的轨道不同 原子的能量也不同 原子的能量指 电子的动能和电子与原子核系统的电势能 玻尔认为 电子绕原子核的运动规律与卫星绕地球的运动规律相似 轨道半径越大 则 电子的动能越小 而电势能越大 因为从低轨道到高轨道时引力做负功 由微积分计算可知 轨道半径增大的过程中 势能增加的多而动能减小的少 所以 轨道半径越大时 原子的能量越大 玻尔以 轨道为电势能的零点 电子在 轨道时 动能也是零 所以在 时原子的能量为零 以 轨道为电势的零点 玻尔还计算出电子在第一轨道时 原子的能量为 13 6ev 电子在第 n 轨道时 原子的能量为 其中 n 是轨道数 也叫量子数 1 2 n E E n 4 能级与跃迁 原子的每一个能量值 叫做原子的能级 电子在低轨道时 原子的能量值 较小 叫低能级状态 电子在高轨道时 原子的能量值较大 叫高能级状态 高与低都是相 对的 电子只能在那些特定的轨道上 所以电子从一个轨道到另一轨道时 好像没有中间过程 叫 轨道跃迁 5 基态与激发态 电子在第 1 轨道上时 原子处于第 1 能级状态 此时原子最稳定 不会向 外辐射能量 叫基态 电子处在 2 3 轨道上时 原子处在相对较高的能级状态 叫激发态 6 原子从外界吸收能量时 电子会从低轨道向高轨道跃迁 原子就从低能级跃迁到了高能级 而处于高能级的原子会自发 地向低能级跃迁 当原子从高能级向低能级跃迁时 原子的能级会减小 而减小的能量就以光子的形式辐射出去 跃迁一 次就会发出一个光子 根据能量守恒可知 原子辐射的光子能量 E h 两个能级的差值 氢原子的能级是一些特定值 所以能级差也是一些不连续的特定值 所以原子发光的光谱是线状谱 玻尔计算的氢原子的 光谱与实际试验观察完全吻合 玻尔因此获得诺贝尔奖 原子吸收光子的能量时 也是选择一定频率的 不是任意能量的光子都可以吸收 经典例题 1 已知能使某金属产生光电效应的极限频率为 0 则 A 当用频率为 2 0的单色光照射该金属时 一定能产生光电子 B 当用频率为 2 0的单色光照射该金属时 所产生的光电子的最大初动能为h 0 C 当照射光的频率 大于 0时 若 增大 则逸出功增大 D 当照射光的频率 大于 0时 若 增大一倍 则光电子的最大初动能也增大一倍 2 如图所示 当电键K断开时 用光子能量为 2 5 eV 的一束光照射阴极P 发现电流表读数不为零 合上电键K 调节滑线变阻器 发现当电压表读数小于 0 60 V 时 电流表读数仍不为零 当电压表读 数大于或等于 0 60 V 时 电流表读数为零 由此可知阴极材料的逸出功为 A 1 9 eV B 0 6 eV C 2 5 eV D 3 1 eV 3 在光电效应实验中 飞飞同学用同一光电管在不同实验条件下得到了三条光电流与电压 之间的关系曲线 甲光 乙光 丙光 如图所示 则可判断出 A 甲光的频率大于乙光的频率 B 乙光的波长大于丙光的波长 第 1 轨道 第 2 轨道 轨道 精品文档 3欢迎下载 C 乙光对应的截止频率大于丙光的截止频率 D 甲光对应的光电子最大初动能大于丙光的光电子最大初动能 4 以往我们认识的光电效应是单光子光电效应 即一个电子只能短时间内能吸收到一个光子而从金属表面逸出 强激光的 出现丰富了人们对于光电效应的认识 用强激光照射金属 由于其光子密度极大 一个电子在短时间内吸收多个光子成为 可能 从而形成多光子电效应 这已被实验证实 光电效应实验装置示意如图 用频率为 v 的普通光源照射阴极 k 没有 发生光电效应 换同样频率为 v 的强激光照射阴极 k 则发生了光电效应 此时 若加上反向电压 U 即将阴极 k 接电源正 极 阳极 A 接电源负极 在 kA 之间就形成了使光电子减速的电场 逐渐增大 U 光电流会逐渐减小 当光电流恰好减小到 零时 所加反向电压 U 可能是下列的 其中 W 为逸出功 h 为普朗克常量 e 为电子电量 A U B U e w e h e w e h 2 C U D U 5 2 hw ee 5hw ee 5 已知金属甲发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射光的频率关系如直线 1 所示 现用某 单色光照射金属甲的表面 产生光电子的最大初动能为E1 若用同样的单色光照射金属乙表面 产 生的光电子的最大初动能E2 如图所示 则金属乙发生光电效应时产生光电子的最大初动能跟入射 光的频率关系图线应是 A a B b C c D 上述三条图线都有可能 6 下列关于光电效应的陈述中 正确的是 A 金属的逸出功与入射光的频率成正比 B 光电流强度与入射光强度无关 C 用不可见光照射金属一定比用可见光照同种金属产生的光电子最大初动能大 D 对任何一种金属 都有一个 最大波长 入射光的波长必须小于这个波长才能产生光电效应 7 氢原子能级图的一部分如图所示 a b c 分别表示在不同能级之间的三种跃迁途径 设在 a b c 三种跃迁过程中 放出光子的能量和波长分别是和 则 A B C D 8 用能量为 12eV 的光子照射处于基态的氢原子时 则下列说法中正确的是 A 使基态电子电离 B 使电子跃迁到 n 3 的能级 C 使电子跃迁到 n 4 的能级 D 电子仍处于基 态 9 用总能量为 13eV 的一个自由电子与处于基态的氢原子发生碰撞 不计氢原子的动量变化 则电子可能剩余的能量 碰 撞中无能量损失 是 A 10 2eVB 2 8eV C 0 91eVD 12 75eV 10 氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时 可能发生的情况有 A 放出光子 电子动能减少 原子势能增加 且动能减少量小于势能的增加量 B 放出光子 电子动能增加 原子势能减少 且动能增加量与势能减少量相等 C 吸收光子 电子动能减少 原子势能增加 且动能减少量小于势能的增加量 D 吸收光子 电子动能增加 原子势能减少 且动能增加量等于势能的减少量 10 光子能量为E的一束单色光照射到容器中的氢气上 氢原子吸收光子能量后处于激发态 并能发射光子 现测得该氢气 发射的光子共有 3 种 其频率分别为 且 那么入射光光子的能量值是 设普朗克常量 1 2 3 321 E 精品文档 4欢迎下载 为 h A B C D 321 h 32 h 1 h 3 h 课堂练习 1 当用具有 1 87eV 能量的光子照射 n 3 激发态的氢原子时 氢原子 A 不会吸收这个光子 B 吸收该光子后被电离 电离后的动能为 0 36eV C 吸收该光子后被电离 电离后电子的动能为零 D 吸收该光子后不会被电离 2 氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时 可发出三种不同波长的辐射光 已知其中的两个波长分别为 且 21 则另一个波长可能是 21 A 21 B 21 C 21 21 D 21 21 3 氢原子的能级如图所示 已知可见的光的光子能量范围约为 1 62eV 3 11eV 下列说法错误的是 A 处于 n 3 能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线 并发生电离 B 大量氢原子从高能级向 n 3 能级跃迁时 发出的光具有显著的热效应 C 大量处于 n 4 能级的氢原子向低能级跃迁时 可能发出 6 种不同频率的光 D 大量处于 n 4 是能级的氢原子向低能级跃迁时 可能发出 3 种不同频率的可见光 4 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 5 对玻尔理论的评论和议论 正确的是 A 玻尔理论的成功 说明经典电磁理论不适用于原子系统 也说明了电磁理论不适用于电子运动 B 玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律 为量子力学的建立奠定了基础 C 玻尔理论的成功之处是引入量子观念 D 玻尔理论的成功之处 是它保留了经典理论中的一些观点 如电子轨道的概念 6 子与氢原子核 质子 构成的原子称为 氢原子 hydrogen muon atom 它在原 子核物理的研究中有重要作用 图为 氢原子的能级示意图 假定光子能量为 E 的一束 光照射容器中大量处于 n 2 能级的 氢原子 氢原子吸收光子后 发出频率为 v1 v2 v3 v4 v5和 v6的光 且频率依次增大 则 E 等于 A h v3 v1 B h v5 v6 C hv3 D hv4 7 频率为 的光照射某金属时 产生光电子的最大初动能为Ekm 改用频率为 2 的光照射同一金属 所产生光电子的最大 初动能为 h为普朗克常量 A Ekm h B 2Ekm C Ekm h D Ekm 2h 8 用一束绿光照射某金属 恰能产生光电效应 现在把入射光的条件改变 再照射这种金属 下列说法正确的是 A 把这束绿光遮住一半 则可能不产生光电效应 B 把这束绿光遮住一半 则逸出的光电子数将减少 C 若改用一束黄光照射 则逸出的光电子数将减少 D 若改用一束蓝光照射 则逸出光电子的最大初动能将增大 9 入射光照射到某金属表面上时 能发生光电效应 若入射光的强度减弱 而颜色保持不变 那么 A 从光照射到金属表面到发射出光电子的时间间隔将明显增加 B 逸出的光电子的最大初动能将减小 C 单位时间内从金属表面逸出的光电子数目将减小 D 有可能不发生光电效应 10 在研究光电效应的电路如图所示 用频率相同 强度不同的光分别照射密封真空管的钠极板 阴极 K 钠极板发射出 的光电子被阳极 A 吸收 在电路中形成光电流 下列光电流 I 与 A K 之间的电压 UAK的关系图象中 正确的是 精品文档 5欢迎下载 原子及原子核物理知识总结 一 光的本性 光既是一种电磁波 同时又具有粒子性 光具有波粒二象性 光的干涉和衍射现象能充分证明光是一种电磁波 而光电效应和康普顿效应能充分证明光具有粒子性 光电效应证明了光子具有能量 E h 康普顿效应证明了光子具有动量 P h 康普顿效应 康普顿研究了 X 射线被较轻物质 石墨 石蜡等 散射后光的成分 发现散射谱线中除了有波长与原波长相同 的成分外 还有波长较长的成分 这种散射现象称为康普顿散射或康普顿效应 光的波动性只有在研究大量光子时才能展现出来 可见光这种波是一种概率波 德布罗意指出 实物粒子也具有波粒二象性 实物粒子在运动时对应的波叫物质波 又叫德布罗意波 h p 物质波也 是概率波 1927 年戴维孙和汤姆孙分别用晶体做了电子束衍射的实验 证实了电子的波动性 二 原子的核式结构 英国物理学家汤姆孙研究了阴极射线的性质 证明了阴极射线的本质是高速运动的带负电的粒子流 他把这种带电粒子叫 做电子 美国物理学家密立根用油滴实验准确地测出了电子的电量和质量 e 1 6 10 19C 汤姆孙通过实验证实 电子是所以物质的共有组成部分 电子带负电 而原子是电中性的 所以原子中一定有带正电的物 质 对于原子的组成 汤姆孙提出了枣糕模型 原子是一个球体 里面充满了均匀分布的带正电的流体 电子镶嵌在正电荷液 体中 就象枣点缀在一块蛋糕里一样 英国物理学家卢瑟福根据著名的 粒子散射实验 粒子散射实验 提出了原子的核式结构模型 右图为 粒子散射实验粒子散射实验装置图 用 粒子粒子轰击金箔 非常薄的金片 约有 3000 层金原子的厚度 其实验结果如下 1 绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进 2 少数 粒子 约占 8000 分之一 发生了较大的偏转 3 极少数 粒子的偏转超过了 90 有的甚至几乎被撞了回来 粒子大角散射现象 尤其是有极少数 粒子偏转角度几乎达到了 1800的现象让卢瑟福感到非常震惊 它好比你对一张 纸发射炮弹 结果炮弹被反弹回来而打到自己身上 粒子好比炮弹 金箔好比一张纸 卢瑟福根据他的导师汤姆生提出 的枣糕模型计算的结果 电子质量很小 对 粒子的运动方向不会发生明显影响 由于正电荷均匀分布 粒子所受库 仑力也很小 散射角不超过零点几度 发生大角度偏转的几率几乎是零 实验结果却是有八千分之一的粒子发生了大角度 偏转 卢瑟福为了解释 粒子大角度的散射现象 提出了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质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间绕着核旋转 对 粒子散射实验现象解释 粒子穿过原子时 电子对 粒子运动的影响很小 影响 粒子运动的主要是带正电的原子核 而绝大多数的 粒子穿过原子时离核较远 受到的库仑斥力很小 运动方向几乎没有改变 只有极少数 粒子可能与核 十分接近 受到较大的库仑斥力 才会发生大角度的偏转 根据卢瑟福的原子核式模型和 粒子散射的实验数据 可以推算出各种元素原子核的电荷数 还可以估计出原子核的大小 原子的半径约为 10 10m 原子核半径约是 10 15m 原子核的体积只占原子的体积的万亿分之一 这个比例好比 如果原子 是一个标准大操场 原子核就是操场中心一颗小草上的一滴露珠 可见原子内部是十分空旷的 三 天然放射现象 1896 年法国物理学家贝克勒尔首先发现 物质发射射线的性质称为放射性 具有放射性的元素称为放射性元素 放射性元素自发地发出射线的现象叫天然放射现象 精品文档 6欢迎下载 放射性元素发出的射线有三种成分 射线 射线 射线 三种射线的本质及性质 1 射线 高速粒子流 带正电 粒子是氦的原子核 速度到达光速的 1 10 穿透能力较弱 用一张纸就能把它挡住 但是它的电离能力较强 2 射线 高速电子流 速度达到光速的 99 穿透能力较强 能穿透几毫米厚的铝板 但是电离能力较弱 3 射线 电磁波 又称 光 不带电 穿透能力很强 能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土 电离能力最弱 实验发现 如图一种元素具有放射性 那么 无论它是以单质存在 还是以化合物行驶存在 都具有放射性 放射性的强 度也不收温度 外界压强的影响 由于元素的化学性质决定于原子的核外电子 这就说明射线与这些电子无关 也就是说 射线来自原子核 这说明原子核内部是有结构的 四 原子核的组成 1919 年 卢瑟福用高速 粒子轰击氮原子核 从而首次发现了质子 1932 年卢瑟福的学生查德威克 在实验中发现了中子 原子核由质子和中子组成 质子带正电 电量与电子相等 中子不带电 质子与中子的质量非常接 近 中子的质量比质子大千分之一 质子和中子统称为核子 原子核中的质子数又叫原子核的电荷数 用 Z 表示 原子核内质子与中子的总数叫质量数 用 A 表示 电子的质量数为 0 电荷数和质量数都是正整数 但是电荷数不是电量 质量数也不是质量 同位素 原子核内电荷数相等而质量数不等的元素叫做同位素 如氕 氘 氚 五 放射性元素的衰变 1 衰变 原子核内发射出一个 粒子 变成了另外一种元素 叫 衰变 衰变方程 HeThU 4 2 234 90 238 92 2 衰变 原子核内发射出一个 粒子 变成了另外一种元素 叫 衰变 衰变方程 2342340 90911 ThPa e 原子核里没有电子 衰变中的电子来自于一个中子的分裂 衰变时中子转化成了一个质子和一个电子 其转化方程如 下 射线经常是伴随着 衰变和 衰变产生的 110 011 H en 衰变和 衰变都满足电荷数守恒和质量数守恒 衰变和衰变和 衰变都是自发产生的 衰变都是自发产生的 3 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 叫做这种元素的半衰期 不同的元素半衰期也不同 如氡 222 的半衰期为 3 8 天 也就是说 100 克的氡 222 经过 3 8 天后 还有 50 克的氡 222 再过 3 8 天 还剩 25 克氡 222 半衰期是对大量原子核的统计规律 不适用于有限数量的原子核 如某种元素的半衰期是 10 天 5000 个该元素的原子核 10 天后还剩 2500 个 是错误的说法 半衰期是由原子核内部自身因素决定的 与外界物理环境 化学环境无关 比如 半衰期与压力 温度 或与其它元素化合等无关 六 核反应 原子核在其它粒子的轰击下产生新的原子核的过程 成为核反应 核反应是在人工干涉下进行的核反应是在人工干涉下进行的 但是核反 应也遵循电荷数守恒和质量数守恒 首例核反应是卢瑟福实现的 方程 HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 七 结合能与比结合能 1 原子核内的核子是凭借核力结合在一起构成的 要把核子分开 也需要能量 这就是原子核的结合能 结合能并不是由结合能并不是由 于核子结合成原子核而具有的能量 而是为了把核子分开而需要的能量 于核子结合成原子核而具有的能量 而是为了把核子分开而需要的能量 2 组成原子核的核子越多 它的结合能越高 因此 有意义的是结合能与核 子数的比值 叫做比结合能 也叫平均结合能 比结合能越大 要把原子核 拆开就越困难 因此 比结合能越大原子核中核子结合的越牢固 原子核越 稳定 八 质量亏损与核能的利用 研究表明 单个的质子和中子的质量比原子核中质子和中子质量略大 也就 是说 核子结合成原子核时要发生质量亏损 发生质量亏损就会释放核能 释放的核能 E m C2 爱因斯坦质能方程 精品文档 7欢迎下载 E m C2 C 为光速 科学家经过精确的实验研究 得出核子平均质量与原子序数之间的关系有如图示曲线所示 从曲线可知 原子序数较小的的轻核和原子序数较大的重核其核子平均质量都较大 而原子序数处于中间的中等质量的核 其平均核子质量较小 从曲线可知 轻核聚变和重核裂变都很发生质量亏损 释放核能 重核裂变 电荷数较大的 核子数较大的原子核分裂成两个中等大小的原子核 如 右图 原子核 A 分裂成原子核 B 和 C 应用 原子弹 核电站内的核反应堆 铀核裂变的产物是多种多样的 一种典型的铀核裂变反应方程如下 nKrBanU 1 0 92 36 141 56 1 0 235 92 3 轻核聚变 两个轻核结合成一个较大的原子核 发生的条件是几百万度的高温 所以轻核聚变又叫热核反应 轻核聚变的应用 氢弹 太阳内部发生的是轻核聚变 轻核聚变目前还不能用于实际生产中 处在研究探索阶段 但是前 景无限美好 一个典型的轻核聚变反应 nHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 附 不是所有的核反应都能放出核能 有的核反应 反应后生成物的质量比反应前的质量大 这样的核反应不放出能量 反而在反应过程中要吸收大量的能量 只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量 裂变过程 裂变过程 重核被中子轰击后 与中子复合成一个处在高激发态的同位素 这种重核的同位素要发生形变 从一个接近球 形的核变为一个拉长的椭球形的核 最后分裂成两部分 同时放出中子 裂变的特点 裂变的特点 1 裂变过程中能放出巨大的能量 2 裂变的同时能放出 2 3 个 或更多个 中子 3 裂变的产物不是唯一 的 注意 注意 裂变反应的依据是实验事实 不能仅凭反应前后质量数守恒 电荷数守恒 杜撰各裂变反应 二 铀核的裂变的一种典型反应二 铀核的裂变的一种典型反应 的裂变是很常见的一种重核裂变 它裂变的反应物和生成物有多种 其中有两种很典型的反应是 U 235 92 nSrXenU 1 0 95 38 139 54 1 0 235 92 2 nKrBanU 1 0 92 36 141 56 1 0 235 92 3 那么裂变过程为什么能放出能量呢 请以铀核裂变为例 计算一个铀核在上述第二种裂变过程放出的能量 裂变前的质量 kg kg 27 103139 390 U m 27 106749 1 n m 裂变后的质量 kg kg kg 27 100016 234 Ba m 27 106047 152 Kr m 27 100247 5 3 n m 学生计算 质量亏损 kg J 201MeV 27 103578 0 m 28272 100 3 103578 0 mcE 链式反应链式反应 1939 年 12 月 德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现 用中子轰击铀核时 铀核发生了裂变 释放出 的中子又引起了其他铀核的裂变 这样不断继续下去 中子会不断增加 裂变反应就会不断加强 形成了裂变的链式反 应 这种由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程 叫做核裂变的链式反应 临界体积 临界质量 链式反应的条件 1 要有足够浓度的铀 235 浓缩铀 因为铀 235 可以俘获各种能量的中子 2 要保持足够数量的慢中子 因为铀 235 俘获慢中子的概率大 3 要有足够大的铀块 即铀块体积不小于临界体积 发生链式反应的最小体积 可不使中子还未碰到铀核就逸出铀块 把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积 相应的质量叫做临界质 量 原子弹就是根据这个原理制成的 三 核电站三 核电站 核反应堆 原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的 为了用人工方法控制链式反应的速 度 使核能比较平缓地释放出来 人们制成了核反应堆 核电站的核心设施 核反 精品文档 8欢迎下载 应堆是人工控制链式反应的装置 核反应堆的类型很多 慢中子核反应堆中 核反应堆的主要组成是 核燃料 铀棒由浓缩铀制成 作为核燃料 浓缩铀 能吸收慢中子的铀 235 约占 3 减速剂 由石墨 重水或普通水 有时叫轻水 做成 用来跟快中子碰撞 使快中子能量减少 变成慢中子 以便让 U235 俘获 控制棒 用镉做成 镉吸收中子的能力很强 用来控制反应速度 冷却剂 由水或液态的金属钠等流体做成 在反应堆内外循环流动 把反应堆内的热量传输出 把反应堆内的热量传输 出去用于发电 同时使反应堆冷却 保证安全 水泥防护层 用来屏蔽裂变产物放出的各种射线 对放射性的废料 也要装入特制的容器 埋入深地层来处理 核燃料 减速剂 冷却剂组成了核反应堆的堆芯 核能发电的优点 缺点核能发电的优点 缺点 优点 污染小 可采储量大 比较经济 缺点 一旦核泄漏会造成严重的核污染 核废料处理困难 常用裂变反应堆的类型 秦山二期 大亚湾二期是压水堆 秦山三期是沸水堆 例 1 当 粒子被重核散射时 如图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的 2 在 粒子散射实验中 没有考虑 粒子跟电子的碰撞 其原因是 A 粒子不跟电子发生相互作用 B 粒子跟电子相碰时 损失的能量极少 可忽略 C 电子的体积很小 粒子不会跟电子相碰 D 由于电子是均匀分布的 粒子所受电子作用的合力为零 3 在用 粒子轰击金箔的实验中 卢瑟福观察到的 粒子的运动情况是 A 全部 粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进 B 绝大多数 粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进 少数发生较大偏转 极少数甚至被弹回 C 少数 粒子穿过金属箔后仍按原来的方向前进 绝大多数发生较大偏转 甚至被弹回 D 全部 粒子都发生很大偏转 4 如图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 5 在存放放射性元素时 若把放射性元素 置于大量水中 密封于铅盒中 与轻核元素结合成化合物 则 A 措施 可减缓放射性元素衰变 B 措施 可减缓放射性元素衰变 C 措施 可减缓放射性元素衰变 D 上述措施均无法减缓放射性元素衰变 6 核电站核泄漏的污染物中含有碘 131 和铯 137 碘 131 的半衰期约为 8 天 会释放 射线 铯 137 是铯 133 的同位素 半衰期约为 30 年 发生衰变时会辐射 射线 下列说法正确的是 A 碘 131 释放的 射线由氦核组成 B 铯 137 衰变时辐射出的 光子能量小于可见光光子能量 C 与铯 137 相比 碘 131 衰变更慢 D 与铯 133 和铯 137 含有相同的质子数 8 下列关于原子和原子核的说法正确的是 A 衰变现象说明电子是原子核的组成部分 B 波尔理论的假设之一是原子能量的量子化 C 放射性元素的半衰期随温度的升高而变短 D 比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固 9 关于核衰变和核反应的类型 下列表述正确的有 A HeThU 4 2 234 90 238 92 是 衰变 B HOHeN 1 1 17 8 4 2 14 7 是 衰变 C nHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 是轻核聚变 D 是重核裂变 828240 343621 2SeKrHee 精品文档 9欢迎下载 10 科学家发现在月球上含有丰富的 氦 3 它是一种高效 清洁 安全的核聚变燃料 其参与的一种核聚变反应的 3 2He 方程式为 关于聚变下列表述正确的是 3314 2212 2HeHeHHe 3 2He A 聚变反应不会释放能量 B 聚变反应产生了新的原子核 C 聚变反应没有质量亏损 D 目前核电站都采用聚变反应发电 11 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核裂变反应 B 汤姆生发现电子 表明原子具有核式结构 C 一束光照射到某种金属上不能发生光电效应 是因为该束光的波长太短 D 按照波尔理论 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 原子总能量增加 12 下列说法正确的是 A 是 衰变方程 B 是核聚变反应方程 151124 7162 NHCHe 123 112 HHHe C 是核裂变反应方程 D 是原子核的人工转变方程 2382344 92902 UThHe 427301 213150 HeAlPn 13 下列说法正确的是 A 射线在电场和磁场中都不会发生偏转 B 射线比 射线更容易使气体电离 C 太阳辐射的能量主要来源于重核裂变 D 核反应堆产生的能量来自轻核聚变 15 在 衰变中常伴有一种称为 中微子 的粒子放出 中微子的性质十分特别 因此在实验中很难探测 1953 年 莱 尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统 利用中微子与水中的核反应 间接地证实了中微子的存在 1 1H 1 中微子与水中的发生核反应 产生中子 和正电子 即中微子 1 1H 1 0n 0 1e 1 1H 1 0n 0 1e 可以判定 中微子的质量数和电荷数分别是 填写选项前的字母 A 0 和 0 B 0 和 1 C 1 和 0 D 1 和 1 2 上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇 与电子形成几乎静止的整体后 可以转变为两个光子 即 2 已知正电子和电子的质量都为 9 1 10 31 反应中产生的每个光子的能量约为 J 正电子与 0 1e 0 1e 电子相遇不可能只转变为一个光子 原因是 16 正电子发射计算机断层显像的基本原理是 将放射性同位素注入人体内 参与人体的代谢过程 在人体内衰 15O15O 变放出正电子 与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子 被探测器探测到 经计算机处理后产生清晰的图像 请回答 下列问题 写出的衰变方程式 15O 设电子的质量为 m 所带电量为 q 光速为 c 普朗克常量为 h 则探测到的正负电子湮灭后生成光子 的波长为 作业与练习 1 下列核反应方程及其表述不正确的是 A 是聚变反应 B 是人工转变 C 是裂变反应 D 是衰变方程 2 关于光电效应 以下说法正确的是 精品文档 10欢迎下载 A 光电子的最大初动能与入射光的频率成正比 B 光电子的最大初动能越大 形成的光电流越强 C 能否产生光电效应现象 决定于入射光光子的能量是否大于或等于金属的逸出功 D 用频率是 1 v的绿光照射某金属发生了光电效应 改用频率是 2 v的黄光照射该金属一定不发生光电效应 3 氢原子从第 4 能级跃迁到第 2 能级发出蓝光 那么氢原子从第 5 能级跃迁到第 2 能级可能发出 A 绿光B 红光 C 黄光D 紫光 4 变成要经过 n1次 衰变 n2次 衰变 中子数减少的个数为 n3 则正确的是 U 238 92 Pb 206 82 n1 6 n2 8 n3 22 n1 6 n2 8 n3 16 n1 8 n2 6 n3 22 n1 8 n2 6 n3 16 5 太阳内部持续不断地发生着 4 个质子 聚变为 1 个氦核 的热核反应 核反应方程是 1 1H 4 2He 这个核反应释放出大量核能 已知质子 氦核 X 的质量分别为m1 m2 m3 真空中的光速为c 14 12 42HHeX 下列说法中正确的是 A 方程中的 X 表示中子 B 方程中的 X 表示电子 1 0n 0 1e C 这个核反应中质量亏损 m 4m1 m2 D 这个核反应中释放的核能 E 4m1 m2 2m3 c2 6 关于原子核的结合能 下列说法正确的是 A 原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B 一重原子核衰变成 粒子和另一原子核 衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能 C 铯原子核 的结合能小于铅原子核 的结合能 133 55Cs 208 82Pb D 比结合能越大 原子核越不稳定 E 自由核子组成原子核时 其质量亏损所对应的能最大于该原子核的结合能 7 一质子束入射到能止靶核上 产生如下核反应 式中 P 代表质子 n 代表中子 X 代表核反 27 13Al 27 13 PAlXn 应产生的新核 由反应式可知 新核 X 的质子数为 中子数为 8 放射性元素衰变为 此衰变过程的核反应方程是 用此衰变过程中发出的射线轰击 可 210 84Po 206 82Pb 19 9F 得到质量数为 22 的氖 Ne 元素和另一种粒子 此核反应过程的方程是 9 正电子 PET 发射计算机断层显像 它的基本原理是 将放射性同位素 15O注入人体 参与人体的代谢过程 15O在人 体内衰变放出正电子 与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子 被探测器探测到 经计算机处理后产生清晰的图 象 根据PET原理 回答下列问题 1 写出 15O的衰变和正负电子湮灭的方程式 2 将放射性同位素 15O注入人体 15O的主要用途 A 利用它的射线 B 作为示踪原子 C 参与人体的代谢过程 D 有氧呼吸 3 设电子质量为m 电量为q 光速为c 普朗克常数为h 则探测到的正负电子湮灭后生成的光子的波长 4 PET中所选的放射性同位素的半衰期应 填 长 或 短 或 长短均可 10 以下说法正确的是 A 卢瑟福通过实验发现了质子的核反应方程为HONHe 1 1 17 8 14 7 4 2 精品文档 11欢迎下载 B 铀核裂变的核反应是nKrBaU 1 0 92 36 141 56 235 92 2 C 质子 中子 粒子的质量分别为 m1 m2 m3 两个质子和两个中子结合成一个 粒子 释放的能量是 m1 m2 m3 c2 D 原子从 a 能级状态跃迁到 b 能级状态时发射波长为 1的光子 原子从 b 能级状态跃迁到 c 能级状态时吸收波长 2的 光子 若 1 2 那么原子从 a 能级状态跃迁到 c 能级状态时将要吸收波长为的光子 21 21 E 某放射性原子核经过 2 次 衰变和一次 衰变 核内质子数减少 3 个 11 氦 3 是一种十分清洁 安全的能源 开发月壤中蕴藏丰富的氦 3 资源 对人类社会今后的可持续发展具有深远意 义 研究发现在太阳内部两个氘核可聚变成氦 3 已知氘核的质量为 2 0136u 中子的质量为 1 0087u He 核质量为 3 2 3 0150u 若质量亏损 1u 释放的核能为 931 5MeV 则两个氘核聚变成 He 核的核反应方程为 上述 3 2 反应中释放的核能为 14 已知金属钾的逸出功为 2 22eV 氢原子的能级如图所示