2020年高中物理之原子模型与衰变跃迁

高中物理之原子模型与衰变跃迁整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子(电子、质子、中子、正电子、粒子、光子)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程(核反应方程、质能方程)。4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全部内容。一、原子模型1、汤姆生模型(枣糕模型) 汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。从而打开原子的大门.2、卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）卢瑟福粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说粒子散射实验是用粒子轰击金箔，实验现象：结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数粒子发生了较大的偏转.这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。卢瑟福由粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，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运动。由粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾原子是否稳定,其发出的光谱是否连续3、玻尔模型(引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n叫量子数)玻尔补充三条假设定态-原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态),电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量. 。(本假设是针对原子稳定性提出的)跃迁-原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定)(本假设针对线状谱提出)能量和轨道量子化-定态不连续,能量和轨道也不连续;(即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分布也是不连续的)氢原子的能级图n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E3 (针对原子核式模型提出，是能级假设的补充)（1）光子的发射与吸收(特别注意跃迁条件):原子发生定态跃迁时,要辐射(吸收)一定频率的光子:hfE初-E末 轨道量子化rn=n2r1 r1=0.5310-10m 能量量子化： E1=-13.6eV原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h=Em-En（2）从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E 13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。（3）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。氢原子的激发态和基态的能量(最小)与核外电子轨道半径间的关系是:En=E1/n2，rn=n2r1，其中E1=13.6eV, r1=5.31010m,(大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式共有=n (n1)/2种；E51=13.06 E41=12.75 E31=12.09 E21=10.2； (有规律可依)E52=2.86 E42=2.55 E32=1.89； E53=0.97 E43=0.66； E54=0.31氢原子在n能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK。(类似于卫星模型)由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的2倍，故总能量(负值)降低。其直观结构：二、天然放射现象1、天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始衰变(用电磁场研究)：2、各种放射线的性质比较种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅版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：四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)衰变： 衰变：(实质：核内)衰变形成外切(同方向旋)， 衰变：(实质：核内的中子转变成了质子和中子)衰变形成内切(相反方向旋)，且大圆为、粒子径迹。 +衰变：（核内） 衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。人工转变：(发现质子的核反应)(卢瑟福)用粒子轰击氮核,并预言中子的存在 (发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的射线轰击铍 (人工制造放射性同位素)正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)粒子轰击铝箔重核的裂变： 在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）三、半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规律）计算式为：N表示核的个数 ，此式也可以演变成 或，式中m表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量。半衰期(由核内部本身的因素决定,与物理和化学状态无关)、 同位素等重要概念 放射性标志四、放射性同位素的应用利用其射线：射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程，基因工程。作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。重要的物理现象或史实跟相应的科学家单摆的等时性 伽利略单摆的周期公式 惠更斯电流的磁效应 奥斯特电磁感应定律 法拉第首先用电场线描述电场 法拉第电子电量的测定 密立根分子电流假说 安培预言了电磁波的存在 麦克斯韦建立了电磁场理论 麦克斯韦用实验证实了电磁波的存在 赫兹光的微粒说 牛顿光的波动说 惠更斯光的电磁说 麦克斯韦光的干涉现象 杨氏电子的发现 汤姆生中子的发现 查德威克质子的发现 卢瑟福人工放射性同位素发现 小居里夫妇a粒子散射实验 卢瑟福圆满解释氢光谱 玻尔原子的核式结构模型 卢瑟福天然放射性的发现 贝克勒耳光电效应规律光子说 爱因斯坦质能方程 爱因斯坦相对论 爱因斯坦原子核结构练习题考纲要求： 天然放射性、射线、射线、射线、半衰期I级 质子的发现、中子的发现、原子核的组成I级知识达标：1物质发射射线的性质称为 ,具有放射性的元素称为 放射性物质放出的射线有三种： 、 和 2射线是高速粒子流，粒子的电荷数是 ，质量数是 ，实际上就是 ；射线是高速 流；Y射线不带电，它是能量很高的 ,波长很 ，在lO-10m以下3如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种 的形式存在，放射性都不受影响也就是说，放射性与 无关我们已经知道,元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定 _也就是说 _. 4放射性有许多重要的应用Y射线的 很强，可以用来检查金属内部是否有砂眼或裂纹射线对生物体有很强的作用，可以 ，也可以杀死食物中的细菌5某原子核放出一个粒子后，核的质量数 ，电荷数 ，成为新核这种衰变叫做衰变；某原子核放出一个粒子后，核的质量数 ，电荷数 ，成为新核这种衰变叫做衰变6.在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合在一起从核里发射出来，这就是 原子核里虽然没有电子，但是核内的 可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是 7放射性元素的 有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期放射性 元素衰变的快慢是由 本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态 8卢瑟福用粒子轰击 产生了氧17(氧16的一种 )和一个质子，核反应方程式是：_，查德威克用粒子轰击铍原子核，发现了中子，核反应方成式是：_经典题型1关于射线、射线、射线和x射线，以下列说法正确的是： A它们都发自原子核内部 B它们都是高频电磁波 C贯穿本领最大的是射线 D对空气电离作用最大的是射线2放射性元素的原子核连续经过三次衰变和两次衰变若最后变成另一种元素 的原子核Y，则新核Y的正确写法是：A. B. C. D. 3放射性元素发生衰变对，放出一个负电子，该电子是： A核外电子从内层轨道上跃迁出来的 B核内电子受激发而射出来的 C核内的一个质子衰变成中子放出来的 D核内的一个中子衰变成质子放出来的4放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图所示，其中： AC为氦核组成的粒子流，它在空气中电离本领最强 BC是原子核外电子电离而生成的 CB为比x射线波长更短的光子流，它的电离能力最弱， DA为高速电子组成的电子流，贯穿能力最强5放射性元素的半衰期以下说法中止确的是： A半衰期是指原子核中核子数减少一半所需的时间 B半衰期是指原子核有半数发生衰变所需的时间 C半衰期是指原子核全部衰变所需时间的一半贯穿能力最强 D半衰期是指具有放射性的物体总质量减少一半所需的时间6有人欲减缓放射性元素的衰变，下面的说法正确的是： A把放射性元素放置在密封的铅盒里 B把放射性元素放置在低温处 C把放射性元素同其它稳定性的元素结合成化合物 D上述各种办法都无法减缓放射性元素的衰变7以下哪些实验现象可以说明原子核内部有复杂的结构： Aa粒子散射实验 B伦琴射线的发现 C元素发光时产生明线光谱的现象 D天然放射现象8放射性探伤是利用了： A射线的电离本领 B射线的贯穿本领 C射线的贯穿本领 D放射性元素的示踪本领9.要经过 次衰变和经过 次衰变才能变成10. 衰变成时释放出 粒子，衰变成时释放出 粒子 如果衰变时产生的新核处于激发态，将会辐射出 11.、三种粒子按其静止质量大小的顺序是 ，按穿透能力大小的顺序是 ，按其电离本领大小的顺序是 12完成下列核反应方程：(1) (2) (3) (4) (5