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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载第十六章 原子和原子核教学过程：结构 粒子散射试验卢瑟福玻尔一、原子模型1JJ 汤姆生模型（枣糕模型） 1897 年发觉电子,熟悉到原子有复杂结构；2卢瑟福的核式结构模型（行星式模型） 粒子散射试验是用 粒子轰击金箔,结果：绝大 多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原先的方向前进,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肯定集中在一个很小的核上；卢瑟福由 粒子散射试验提出模型：在原子的中心 粒子有一个很小的核,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 粒子散射试验的
2、试验数据仍可以估算出原子核大小的数量级是10-15m；3玻尔模型（引入量子理论）（1）玻尔的三条假设（量子化）名师归纳总结 轨道量子化：原子只能处于不连续的可能轨道中,n E2 E/eV 0 即原子的可能轨道是不连续的4 -0.853能量量子化： 一个轨道对应一个能级,轨道不连续,3 -1.51 所以能量值也是不连续的,这些不连续的能量值叫做能级；在这些能量状态是稳固的,并不向外界辐射能量,叫2 -3.4 定态E1 E3 原子可以从一个能级跃迁到另一个能级；原子由高能级向低能级跃迁时,放出光子, 在吸取一个光子或通过其他1 氢原子的能级图-13.6 途径获得能量时,就由低能级向高能级跃迁；原子
3、在两个第 1 页,共 6 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 能级间跃迁时辐射或吸取光子的能量学习必备E2欢迎下载n叫量子数；）hE 1（量子化就是不连续性,（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取光子,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取肯定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸取能量大于或等于电离能的任何频率的光子；（如在基态, 可以吸取 E 13.6eV 的任何光子,所吸取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
4、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 论胜利地说明了氢光谱的规律；但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿其次定律、向 心力、库仑力等） ,所以在说明其他原子的光谱上都遇到很大的困难；例 1：种可能的跃迁方式（C4 2 ）412.8eV （1）（2）运算最高的光子频率12.1eV （3）运算最大波长10.2eV 例 2：现有 1200 个氢原子被激发到量子数为的能级上, 如这些受激氢原子最终都回到基态,就在此过程中发出的光子总数是多少？0eV 假定处在量子数为n 的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的n11；（ D ）A2200
5、 B2000 C1200 D 24 00 4氢原子中的电子云 对于宏观质点,只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情形,就可以应用牛顿 定律确定该质点运动的轨道,算出它在以后任意时刻的位置和速度；对电子等微观粒子,牛顿定律已不再适用,因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置； 玻尔理论中说的 “ 电子轨道”实际上也是没有意义的；更加完全的量子理论认为,我们只能知道电子在原子核邻近各点显现的概率的大小；在不同的能量状态下,电子在各 个位置显现的概率是不同的；假如用疏密不同的点子表示电子在各个位置显现的概率,画 出图来,就像一片云雾一样,可以形象地称之为电子云；二、自然放射现象 1自然放射现象
6、自然放射现象的发觉,使人们熟悉到原子核也有复杂结构；1895 年汤姆生电子 1896 年贝可勒尔自然放射现象 1897 年伦琴伦琴射线大于等于 83 号元素的都具有自然放射性,小于 2各种放射线的性质比较83 号的有的也具有自然放射性名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 种类本质质量（ u）学习必备欢迎下载电离性贯穿性电荷（ e）速度（ c） 射线氦核4 +2 0.1 最强最弱,纸能拦住 射线电子1/1840 -1 0.99 较强较强,穿几mm铝板 射线光子0 0 1 最弱最强,穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、
7、正交电场和磁场中的偏转情形比较：O 如、 图所示, 在匀强磁场和匀强电场中都是 比 的偏转大, 不偏转； 区分是：在磁场中偏转轨迹是圆弧,在电场中偏转轨迹是抛物线；图中 确定打在 O点；假如 也打在 O点,就 必打在 O点下方；假如 也打在 O点,就 必打在 O点下方；3、半衰期 1、 描述衰变的快慢 2、 由核内部本身打算,与所处的物理和化学状态无关 3、 是统计规律,少数原子核不存在该规律4、NN01nmm 01n放射源M 22【例 3】如下列图,是利用放射线自动掌握铝板厚度的装置； 假如放射源能放射出 、 、 三种射线,而依据设计,该生产线压制的是3mm厚的铝板,探测接收器N 那么是三种
8、射线中的_射线对掌握厚度起主要作用；当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的 个数超过标准值时,将会通过自动装置将 M、N两个轧辊间的距离调剂得 _些；解： 射线不能穿过 3mm厚的铝板, 射线又很简单穿过 3mm厚的铝板,基本不受铝板厚度的影响；而 射线刚好能穿透几毫米厚的铝板,因此厚度的微小变化会使穿过 铝板的 射线的强度发生较明显变化；即是 射线对掌握厚度起主要作用；如超过标准值,说明铝板太薄了,应当将两个轧辊间的距离调剂得大些；三、核反应（核的变化,电荷数守恒,质量数守恒,质量并不守恒；0 1e4 2He）（1）衰变： 衰变：238U234Th4He（核内21H21n）9290210
9、 衰变：234 90 Th234 91Pa0 1e（核内1 0n1 1H） + 衰变：30P30Si0e（核内1H1n0e）15141101 衰变：原子核的能量也是不连续的,原子核放出射线后,核处于激发态,名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载当它向低能级跃迁时,辐射 光子；因此 衰变是相伴着 、 衰变发生的；（2）人工转变：147 N 42 He 178 O 11 H（卢瑟福 发觉质子的核反应）94 Be 42 He 126 C 0 1 n（查德威克 发觉中子的核反应）27 13 Al 4 2 He
10、30 15 P 0 1 n 30 15 P 30 14 Si 0 1 e（小居里 人工制造放射性同位素）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, 从而排除有害静电； 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；用于讨论农作物化肥需求情形,诊断甲状腺疾病的类型,讨论生物大分子结构及其功能；进行考古讨论；利用放射性同位素碳 14,判定出土木质文物的产生岁月；一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全,半衰期短,可制成各种外形,强度简单掌握）；（3）重核的裂变 ：235 92 U 0
11、 1 n 141 56 Ba 92 36 Kr 3 0 1 n 在肯定条件下 （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；（4）轻核的聚变 ：2H3H4He1n（需要几百万度高温,所以又叫热核反应）1120【例 4】关于放射性同位素应用的以下说法中正确的有A放射线转变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,因此达到排除有害静电的目的B利用 射线的贯穿性可以为金属探伤,也能进行人体的透视C用放射线照耀作物种子能使其DNA发生变异,其结果肯定是成为更优秀的品种D用 射线治疗肿瘤时肯定要严格掌握剂量,以免对人体正常组织造成太大的危害 解：利用放射线排除有害静电是利用放射线的电离性,使
12、空气分子电离成为导体,将静电泄出； 射线对人体细胞损害太大,不能用来进行人体透视；作物种子发生的 DNA突变不肯定都是有益的,仍要经过挑选才能培养出优秀品种；用 有副作用,因此要科学地严格掌握剂量；此题选 D；四、核能 1核能 核反应中放出的能叫核能； 射线治疗肿瘤对人体确定2质量亏损 核子结合生成原子核,所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些,这种现象叫做质量亏损；3爱因斯坦质能方程：物体的能量和质量间存在着正比关系；比例系数为光速的平方；2 2E mc E mc（在非国际单位里,可以用 1Uc 2=931.5MeV；它表示 1 原子质量单位的质量跟 931.5MeV 的能量相对应
13、； ）4释放核能的途径凡是释放核能的核反应都有质量亏损；核子组成不同的原子核时,平均每个核子的质名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 学习必备 欢迎下载量亏损是不同的,所以各种原子核中核子的平均质量不同；核子平均质量小的,每个核子平均放的能多；铁原子核中核子的平均质量最小,所以铁原子核最稳固；凡是由平均质量大的核,生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的；【例 5】 一个氢原子的质量为 1.6736 10-27 kg,一个锂原子的质量为10-27 kg,一个氦原子的质量为 6.6467 10-27 kg；一个锂核受到一个
14、质子轰击变为11.6505 2 个 粒子,写出核反应方程,并运算该反应释放的核能是多少？ 多少核能？1mg 锂原子发生反应共释放1 7 4解： 1H+ 3Li 2 2He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有 8 个核外电子,反应后两个氦原子也是共有 8 个核外电子,因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量,得到的恰好是反应前后核的质量亏损,电子质量自然消掉；由质能方程 E= mc 2 得释放核能 E=2.76 10-12 J 1mg锂原子含锂原子个数为 10-6 11.6505 10-27 ,每个锂原子对应的释放能量是=2.76 10-12J,所以共释放 2.37 10 8J
15、 核能；【例 6】 静止的氡核 22286Rn 放出 粒子后变成钋核 21884Po, 粒子动能为 E ；如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,就该反应中的质量亏损为 A.218 4 Ea B. 0 C.c 2 222218 Ea D.c 2 218222 Eac 22解：由于动量守恒,反冲核和 粒子的动量大小相等,由 EK p 1,它们的动2 m m222能之比为 4 218,因此衰变释放的总能量是 E,由质能方程得质量亏损是218222 Ea2；218 c【例 7】静止在匀强磁场中的一个 105B 核俘获了一个速度为向 v =7.3 10 4m/s 的中子而发生
16、核反应,生成 粒子与一个新核；测得 粒子的速度为 2 10 4 m/s,方向与反应前中子运动的方向相同,且与磁感线方向垂直；求：写出核反应方程；画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图（磁感线方向垂直于纸面对外）；求 粒子与新核轨道半径之比；求 粒子与新核旋转周期之比；解：（1）由质量数守恒和电荷数守恒得：10 5B+1 0n4 2He+7 3Li （2）由于 粒子和反冲核都带正电,由左手定就知,它们旋转方名师归纳总结 向都是顺时针方向103m/s 方向和 粒第 5 页,共 6 页（3）由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是- - - - - - -精选学习资料 - - - - -
17、- - - - 学习必备欢迎下载2mrmv可求得它们子的速度方向相反,由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式的半径之比是1207 qB（4）由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式T可求得它们的周期qB之比是 67 5核反应堆 目前的全部正式运行的核电站都是应用裂变发电的；核反应堆的主要组成是：（1）核燃料；用浓缩铀（能吸取慢中子的铀 235 占 3%4%）；（2）减速剂；用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速,以便被铀 235 吸取）；（3）掌握棒；用镉做成（镉吸取中子的才能很强）；（4）冷却剂；用水或液态钠（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） ；（
18、5）水泥防护层；用来屏蔽裂变产物放出的各种射线；6粒子物理学 到 19 世纪末,人们熟悉到物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子 组成,原子核由质子和中子组成；20 世纪 30 岁月以来,人们熟悉了正电子、 子、 K 介子、 介子等粒子；后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）；现在已经发觉的粒子达 400 多种,形成了粒子物理学；依据粒子物理理论,可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子,其中强子是由更基本的粒子夸克组成；从目前的观点看,媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“ 点状” 粒子；用粒子物理学可以较好地说明宇宙的演化；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页