原子物理2011.ppt

1、一.原子的模型,1.汤姆生的枣糕式模型,2.卢瑟福的核式结构模型,放射源,金箔,荧光屏,正电荷均匀分布在球内,电子镶嵌在球内,绝大多数粒子沿原方向前进或只发生很小偏转;少数粒子发生较大偏转;极少数粒子偏转角超过900：有的甚至被弹回。,（1）粒子散射实验,（2）结论：,08上海综合,3、卢瑟福的原子核式结构模型,（1）模型：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绕着核旋转,（2）解释粒子散射实验,（3）意义,估计原子核的半径在10-1510-14m,（1）.玻尔假设,(a)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

2、子是稳定的,电子虽然做加速运动,但并不向外辐射能量.这些状态叫做定态,(b)原子从一种定态(设能量E初)跃迁到另一种定态(设能量E终)时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量( )由这两种定态的能量差决定,(c)规律:,注：原子的能量状态是和电子在哪条轨道上相对应的,4.波尔的原子模型,（2）.玻尔的氢原子模型,第一条轨道,第二条轨道,第三条轨道,原子的状态最稳定,电子在第一条轨道上运动,此时原子的能量值,称为第一能级E1,此时原子的状态称为基态,电子在第二条轨道上运动,原子处于第一激发态,原子的状态不稳定,此时原子的能量值,称为第 二能级E2,原子的能量值是动能和电势能之和,3、氢原子

3、的能级图,-13.6eV,- 3.4eV,-1.51eV,-0.85eV,-0.54eV,二.原子的发光机制,原子吸收能量,低能级,高能级,原子放出能量,高能级,低能级,发光,加热或光照,例1.如图给出了氢原子的最低的四个能级,氢原子在这些能级之间跃迁,所辐射的光子的频率最多几种?其中最小频率是多少?最小波长又是多少?,(1)6种,(2)最小频率对应能级差最小,(3)最小波长对应最大能量,=9.7510-8m,例2.处于基态的的氢原子在某单色光的照射下,只能发出频率为 的三种频率的光，且 ，则该照射光的光子的能量为【 】,对光子和原子之间的作用:原子发生能级跃迁必须符合hv=E初-E终, 对于

4、实物粒子轰击原子的情况,电子的能量完全可以全部被吸收,所以只要入射粒子的动能大于或等于原子的某两个能级差值,就可以使原子受激而跃迁到较高能级,例3（2004北京）氦原子被电离一个核外电子，形成类氢结构的氦离子。已知基态的氦离子能量为E154.4eV，氦离子能级的示意图如图所示。在具有下列能量的光子中，不能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是【 】 A 40.8eV E5 -0 B 43.2eV E43.4eV C 51.0eV E3 6.0eV D 54.4eV E213.6eV E154.4eV,例5（07天津）右图为氢原子能级的示意图，现有大量的氢原子处于的激发态，当向低能级跃迁时辐射出若干不同

5、频率的光。关于这些光下列说法正确的是【 】 最容易表现出衍射现象的光是由能级跃到能级产生的 频率最小的光是由能级跃迁到能级产生的 这些氢原子总共可辐射出种不同频率的光 用能级跃迁到能级 辐射出的光照射逸出功为6.34的 金属铂能发生光电效应。,氢原子能级、光子的发射与吸收,例6(07重庆) 可见光光子的能量在1.61eV3.10eV范围内.若氢原子从高能级跃迁到量子数为n的低能级的谱线中有可见光，根据氢原子能级图(题14图)可判断n为【 】 A.1 B.2 C.3 D.4,B,光子的发射与吸收,-0 4_-0.85 3_-1.51 2_-3.40 1_-13.60,例7（07广东）图1所示为氢

6、原子的四个能级，其中为基态，若氢原子A处于激发态E2，氢原子B处于激发态E3，则下列说法正确的是【 】 A原子A可能辐射出3种频率的光子 B原子B可能辐射出3种频率的光子 C原子A能够吸收原子B发出的光子并跃迁到能级E4 D原子B能够吸收原子A发出的光子并跃迁道能级E4,B,光子的发射与吸收 可能的辐射种类,例8(07全国)氢原子在某三个相邻能级之间跃迁时，可能发出三种不同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为 和 ，且 ,则另一个波长可能是 【 】,A + B - C D,例9.(07全)用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子，观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量在此进行观测，

7、发现光谱线的数目比原来增加了5条。用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差，E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图可以判断，n和E的可能值为 A、n=1，13.22 eV E13.32 eV B、n=2，13.22 eV E13.32 eV C、n=1，12.75 eV E13.06 eV D、n=2，12.75 eV E13.06 Ev,AD 解析: 存在两种可能,第一种n=2到n=4,由于是电子轰击,所以电子的能量必须满足13.6-0.85E13.6-0.54,故D选项正确;第二种可能是n=5到n=6,电子能量必须满足13.6-0.38E13.6-0.28,故A选项正确,二、天然放射

8、现象与原子核人工转变,（一）天然放射现象,1、放射性：,一些天然矿物质发出穿透能力很强的射线的性质,2、放射性元素：,具有放射性的元素,Po,Ra,原子序数大于等于84的元素都具有放射性,（二）放射线的性质,1、放射线的构成,（1）直接射的照相底片上。,底片上出现一个暗斑,（2）加入偏转电场。,向左偏转,方向不变,向右偏转,射线,电子,射线,射线,粒子,2、放射线的特性,射线,射线,射线,贯穿能力弱、电离能力强,贯穿能力很强、电离能力较弱,贯穿能力特强、电离能力特弱,08四川,（三）放射性元素的衰变,原子序数大于84的所有天然存在的元素，都具有放射性；小于84的也有一些有放射性,1、衰变：,原

9、子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化,2、衰变的种类：,进行、衰变后不稳定，会跃迁到基态，伴随着能量的辐射，即放出射线,（06全国）现有三个核反应： A是裂变，是 衰变，是聚变 B是聚变，是裂变，是 衰变 C是 衰变，是裂变，是聚变 D是 衰变，是聚变，是裂变,核反应的类型鉴别,（四）半衰期,1半衰期：,放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间,2.半衰期的决定因素,由原子核本身决定,与物理和化学状态无关,注意:半衰期是对大量原子核的统计规律,对个别原子核的衰变时间无法确定,?电子哪里来,几点注意:,1.对半衰期的理解:,(1)半衰期由原子核本身决定,与其物理化学状态无关,n为经历半衰期个

10、数,2.释放的核能,(1)质量亏损:,m=m反应物-m生成物,(2)释放的核能:,E=mC2,1c2=931.5MeV,质量转化为能量的说法是错误的。,3.三个发现:,发现质子:,发现中子:,发现正电子:,卢瑟福,查德威克,小居里夫妇,例14（2005北京）为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程E=mc2,下列说法不正确的是 A、 E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B、根据E=mc2可以计算核反应中释放的核能 C、一个中子和一个质子结合成氘核时释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损。 D、 E= mc2中的E是发生核反应中释

11、放的核能,例15.在下列4个核反应中, x表示中子的有【 】,例16.用中子轰击铝27,产生钠24和x,钠具有放射性,它衰变成镁24,这里的x和钠的衰变分别是【 】 A.质子和衰变 B.电子和衰变 C.粒子和衰变 D.正电子和衰变,例17.静止的氡（86）222核放出粒子后变成钋（84）218, 粒子动能为E0,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.4E0/218C2 B.0 C. 222E0/218C2 D. 18E0/222C2,例18.一个正电子和一个负电子相撞发生湮灭转化为一对光子,已知负电子和正电子的质量为m,光在真空中的速度

12、为C,普朗克恒量是h,转化前它们的动能忽略不计,求光子的波长.,例19.一个锂核受到一个质子的轰击,变成2个粒子,已知一个氢原子核的质量是1.673610-27kg,一个锂原子核的质量是11.650510-27kg,一个氦原子的质量是6.646610-27kg,求上述反应所释放的能量.,m=mL+mH-m=0.030910-27kg,E=mc2=0.030910-2791016=2.78110-12J,例20.能够表明原子核具有复杂结构的事实是【 】,A.天然放射现象,B.粒子散射实验,C.阴极射线,D.光电效应,例21.下面对某原子核的叙述错误的是【 】 A.放出粒子后,原子核的中子数减1,

13、原子序数少1 B.放出粒子后,原子核的质量数减4,核电荷数少2 C.放出粒子后,原子核的质量数减不变,核电荷数加1 D.,例21.已知铋的半衰期为5天,则【 】 A.有2g的铋,经过5天后还剩1g B.有2mol的铋,经过5天后还剩1mol C.有21020个的铋,经过5天后还剩11020 个 D.有2个铋核,经过5天后还剩1个,例22.某放射性元素经过m次衰变和n次衰变,变成一种新原子核,新原子核比原来原子核的质子数少了【 】 A.2m+n B.2m-n C.m+n D.m-n,例23.两个放射性元素的样品A和B,当A有15/16发生核衰变时,B恰好有63/64的原子核发生了衰变,则A.B的

14、半衰期之比【 】,例24.放射性同位素 被科学家称为”碳钟”,它可以用来断定生物的死亡年限,此项成果1960获诺贝尔奖. (1)宇宙射线中的高能量中子碰撞空气中的氮原子核后,就会形成 , 写出核反应方程. (2) 很不稳定,容易发生衰变,其半衰期是5730年,写出它的核反应方程 的生成和衰变通常是平衡的,即空气中生物活体中的 的含量是不变的,当机体死亡后,机体内的含量不断减少.若测得一具古生物遗骸中的 含量只有活体中的12.5%,求其死亡时间,17190年,三重核的裂变,核裂变：,铀核在俘获一个中子后，发生了一个重核分裂成两个中等质量的核的反应过程,核反应方程,链式反应:,铀核裂变时,同时放出

15、几个中子,这些中子再引起其它铀核裂变,就可以使裂变过程不断地进行下去,这种反应过程叫链式反应,4.临界体积:,能够发生链式反应的铀块的最小体积,什么,什么,什么,核反应堆,铀棒：天然铀或浓缩铀组成,减速剂：,石墨或重水、普通水,作用：裂变产生的速度很大的中子跟这些物质相碰后，速度很慢，变成容易被铀235吸收的慢中子,控制棒：,镉棒,作用：镉棒吸收中子的能力很强，通过棒的深、浅吸收中子，控制反应速度。,四、轻核的聚变,1、定义：,轻核结合成质量较大的核叫核聚变,2、热核反应：,通过加热使轻核在碰撞中达到近距离，实现核聚变,太阳释放的能量主要来自热核反应,3、氢弹：,例25.太阳辐射能量主要来自太

16、阳内部的【 】 A.化学反应 B.放射性衰变 C.裂变反应 D.热核反应,例26.中子和质子结合成氘核,在这一反应中【 】 A.反应物的质量大于生成物的质量 B.反应前后质量数一定守恒 C.此反应一定释放能量 D.此反应一定吸收能量,例27.氘核和氚核聚合成氦核的核反应方程如下,设氘核质量m1,氚核质量m2,氦核质量m3,中子质量m4,则反应过程中释放的能量为【 】,A.(m1+m2-m3)C2 B.(m1+m2-m4)C2 C.(m1+m2-m3-m4)C2 D.(m3+m4-m1-m2)C2,例28.已知两个氘核聚变成一个氦核放出23.76MeV的能量,那么1g氘完全聚变成氦时将会放出的能

17、量为【 】 A.约为1.136106J B.约为2.272106J C.约为5.681011J D.约为5.68106J,例29.关于重核的裂变和轻核的聚变能释放原子能的原因,以下说法正确的是【 】 A.重核和轻核的质量转变为能量 B.重核的质量大,轻核的质量小 C.重核的裂变和轻核的聚变都有质量亏损 D.在裂变和聚变的过程中亏损的质量转化为能量.,?,?,?,?,?,例31.（07上海）一置于铅盒中的放射源发射的、和射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图所示，则图中的射线a为_射线，射

18、线b为_射线。,例32（07四川）关于天然放射现象，下列说法正确的是 A放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期 B放射性物质放出的射线中，粒子动能很大因此贯穿物质的本领很强 C当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生哀变 D放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出射线,例33（07江苏） 2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过（钙48）轰击（锎249）发生核反应，成功合成了第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素，实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次衰变后，变成质量为282的

19、第112号元素的原子核，则上述过程中的粒子x是 A、中子 B、质子 C、电子 D、粒子,五、关于核能的计算 核能的计算是原子物理中的热点问题，在重核的裂变，轻核的聚变，放射性衰变以及某些大工程的核反应中，都伴随着巨大的核能释放，如何计算这些核能呢？根据不同的题设条件和不同的核反应特征，归纳如下,1、根据质量亏损计算核能 由于原子核及核子的质量大小可用国际单位中的“kg”作单位，也能用原子质量单位“u”来表示，这样，也就有了两种方法,(1)用E=mc2计算核能 公式中的各物理量必须用国际单位制中的单位来表示其数值，所以当原子核及核子的质量用“kg”作单位时，该式计算核能较为方便。 例： 一个铀核

20、衰变为钍核时释放出一个粒子，已知铀核质量m1=3.85313110-25kg，钍核质量m2=3.78656710-25kg，粒子的质量m3=6.6467210-27kg，在这个衰变过程中释放出的能量是多少？（保留两位有效数字）,解析：铀核衰变成钍核时的质量亏损 m=m1(m2+m3) =（3.8531313.7865670.0664672）10-25 =9.610-30kg 所释放的能量根据爱因斯坦质能方程： E=mc2=9.610-30(3108)2 =8.710-13J,(2)用1u的质量对应931.5MeV的能量来计算核能 如果核反应系统中的粒子质量是用原子质量单位“u”表示的，则可直接

21、应用质量与能量的这一数值关系来计算核能。,例；假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是2.0136u,中子的质量是1.0087u,氦核同位素的质量是3.0150u,则聚变的核反应方程是 ,在聚变核反应中释放的能量为 Mev,(保留两位有效数字),解析:根据题意可知，核反应方程为： 21H + 21H 32 He + 10n 核反应过程中的质量亏损 m=2mH（mHe+mn） =22.0136u(3.0150+1.0087)u=3.510-3u 由于1 u的质量与931.5Mev的能量相对应，所以氘核聚变时放出的能量 E=3.510-3931.5Mev=3.26 Mev,云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中,一静止的质量为M的原子核在云室