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1、原子物理n原子结构n原子核组成n核能2021/8/9 星期一1原子的核式结构与玻尔理论一、原子的核式结构 1.实验基础：用粒子轰击金箔，结果大多数粒子穿过金箔后沿原方向前进，少数粒子发生了较大的偏转，极少数粒子偏转角度超过90，有的甚至被弹回.该实验就是粒子散射实验.2021/8/9 星期一2 2.结论：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.原子核所带的正电荷数等于核外电子数，所以整个原子是中性的，电子绕核运动的向心力就是核对它的库仑力.3.原子和原子核的大小：原子的大小数量级大约是10-10m，原子核的大小数
2、量级在10-1510-14m之间.2021/8/9 星期一3二、玻尔的量子化模型 （1）经典电磁理论对原子核式结构的解释中认为，原子是不稳定的，电子绕核旋转，并不断向外辐射电磁波，因此电子的能量不断衰减，最终电子陨落到原子核上；事实上原子是稳定的.（2）经典电磁理论认为原子发射的光谱，由于原子能量逐渐衰减，因此其辐射的电磁波的频率应当是连续的；事实上原子发生产生的光谱是不连续的.1.卢瑟福核式结构与经典电磁理论的矛盾：2021/8/9 星期一42.玻尔理论.(1)三个假设：定态假设原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但不向外辐射能量.跃迁假设原子
3、从一种定态（设能量为E初）跃迁到另一种定态（设能量为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，即h=E初初-E终终。轨道量子化假设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的分布也是不连续的.2021/8/9 星期一5(2)两个公式：（了解）能级公式：原子各定态的能量叫做原子的能级，对于氢原子，其能级公式为：En=E1/n2(n=1、2、3)轨道公式：rn=n2r1(n=1、2、3)n为量子数，只能取正整数，En是半径为rn的轨道的能量值，它等于核外电子在该轨道上运转时动能和原子的电势能总和，若规定无限远
4、处为零电势点，则E1=-13.6eV.注意：量子数n=1定态，又叫基态，能量值最小，电子动能最大，电势最小；量子数越大，能量值越大，电子动能越小，电势能越大.例题例题:2021/8/9 星期一6练习1.原子的核式结构学说是根据以下哪个实验或现象提出来的（）A.光电效应 B.氢原子光谱实验C.粒子散射实验 D.天然放射现象2021/8/9 星期一72.卢瑟福提出的原子的核式结构学说的根据是在粒子散射实验中发现粒子（）A.全部穿过或发生很小的偏转B.全部发生很大的偏转C.绝大多数穿过金箔后前进方向几乎不变，只有少数发生很大偏转D.绝大多数发生偏转，甚至被弹回2021/8/9 星期一83.玻尔在他的
5、原子模型中所做的假设有()A.原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向外辐射能量B.原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C.电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，辐射（或吸收）一定频率的光子D.电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核运转的频率2021/8/9 星期一9【例1】在粒子散射实验中，有少数粒子发生了较大角度偏转，其原因是（A）A.原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在原子中心一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只处在一系列不连续的能量状态中2021/8/9 星期一10【解析】粒子
6、散射实验的意义，在于它是原子的核式结构理论建立的基础.答案为A.2021/8/9 星期一11【例2】处于基态的氢原子在某单色光的照射下，只能发出频率为1、2、3的三种光，且1 2 3，则该照射光的光子能量（C）A.h1；B.h2；C.h3；D.h(1+2+3)；2021/8/9 星期一12【解析】根据玻尔理论，当处于基态的氢原子受到某单色光照射时，氢原子应吸收一个光子的能量h，从基态跳迁到某一定态，如果处于该定态的氢原子向较低定态跃迁只能发出频率为1、2、3的三种光，则该定态一定为第三能级，再由三种光的频率的大小和氢原子能级关系，当有h1h2h3，而且有（h1+h2）=h3，而h3为照射光的光
7、子能量，也为基态与第三能级间的能量差，故本题答案为C.2021/8/9 星期一13【例3】估算运动员跑步时的德布罗意波的波长，说明为什么我们观察不到运动员的波动性【解析】设运动员的质量为60kg，该运动员跑步时速度为10m/s，则其德布罗意波的波长：=h/mv=6.6310-34/(6010)=1.110-36m；由计算结果可知，其波长太小，几乎观察不到.所以观察不到宏观的物体的波动性.2021/8/9 星期一14【解题回顾】观察下列宏观物体的波动性，是因为，波长大小，而微观粒子的德布罗意波长较大，就较容量观察到其波动性.2021/8/9 星期一15【例4】粒子散射实验中，当粒子最接近原子核时
8、，粒子符合下列的情况是（AD）A.动能最小B.势能最小C.粒子与金原子核组成的系统的能量最小D.所受原子核的斥力最大2021/8/9 星期一16【解析】该题所考查的是原子的核式结构、动能、电势能、库仑定律及能量守恒等知识点.粒子在接近金原子核的过程中，要克服库仑斥力做功，动能减少电势能增大，两者相距最近时，动能最小，电势能最大，总能量守恒.根据库仑定律，距离最近时，斥力最大.综上所述，本题答案为AD.返回返回:2021/8/9 星期一17原子核的组成一、天然放射性 1.贝克勒尔首先发现了某些矿物中能发出某种看不见的射线，此射线可以穿透黑纸使照相底片感光.物质发射这种射线的性质叫放射性，具有这种
9、性质的物质称作放射性元素.通过研究发现，原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有这种性质，这种能自发的放射出射线的现象叫天然放射现象.2021/8/9 星期一182.三种射线的比较：射线：本质是氦核流，速度约为光速的十分之一，贯穿本领弱，电离作用极强；射线：电子流，速度接近光速，贯穿本领强，电离作用弱；射线：本质量波长极短的电磁波，就是光子，贯穿本领最强，电离作用最弱；2021/8/9 星期一193.原子核的衰变：原子核自发的放出某种粒子而转变成为新核的过程叫原子核的衰变.衰变：,同时放出射线；衰变：，同时放出射线；2021/8/9 星期一20 4半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需
10、的时间.剩余的原子核数和质量，N0、m0为最初原核子数和质量.半衰期由核内部的因素决定的，与原子的物理状态和化学状态无关，即与外部条件无关.2021/8/9 星期一21二、原子核的组成 1.原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子，质子数相同，中子数不同的元素称为同位素.使核子紧密结合在一起的力叫核力，核力是很强的短距离作用力；原子核内只有相邻的核子间才有核力作用.2021/8/9 星期一222.核子的发现.(1)发现质子的核反应方程（1919年，卢瑟福）：.(2)发现中子的核反应方程（1932年，查德威克）：.中子首先是卢瑟福预言了其存在，而小居里夫妇最先做出这一实验，发现了中子，但小居
11、里夫妇没有注意到卢瑟福的预言，当初认为它是一种波长极短的电磁波.2021/8/9 星期一23三、原子核的人工转变 1.用人工的方法使原子核发生变化叫做原子核的人工转变，它是人们研究原子核的结构及其变化规律的有力武器.2.用人工转变的方法得到放射性同位素，是一个重要的发现，放射性同位素主要有两方面的应用：利用它的射线；作为示踪原子.2021/8/9 星期一24 3.放射性同位素的发现（1934年，约里奥居里夫妇）：，而 也有放射性；，其中 是正电子.4.注意：在人工转变中，用某高速粒子去轰击某原子核后，原子核发射出粒子和射线并转变成新的原子核的过程中，不可认为是高速粒子从原子核中打出了粒子.20
12、21/8/9 星期一25练习1.下面哪些事实证明了原子核具有复杂结构()A.粒子的散射实验B.天然放射现象C.阴极射线的发现D.伦琴射线的发现2021/8/9 星期一262.射线的本质是()A.电子流 B.高速电子流C.光子流 D.高速氦核流2021/8/9 星期一273.放射性元素的半衰期是()A.质量减小一半需要的时间B.原子量减少一半需要的时间C.原子核全部衰变所需时间的一半D.原子核有半数发生衰变需要的时间2021/8/9 星期一28【例1】经过 次衰变和 次衰变，转变成 .【解析】对于衰变和衰变来说，衰变不改变质量数，所以应当先以质量数的变化来计算衰变次数.原子每发生一次衰变时质量就
13、减少4个单位，电荷数减少2个单位，而每发生一次衰变，则质量数不变，电荷数增加一个单位.2021/8/9 星期一29质量数由232减少到208共发生衰变的次数为：Na=(232-208)/4=6;再结合电荷数的变化确定衰变的次数：N=【解题回顾】解决核反应方程类问题时，一定要抓住核反应中质量数和电荷数守恒这个规律，本例还要注意衰变的特点质量数不变.2021/8/9 星期一30【例2】将天然放射性物质放入顶端开有小孔的铅盒S里，放射线便从小孔中射出，沿带电平行金属板A、B之间的中线垂直于电场方向进入电场，轨道如图1-2-1所示，则轨迹 是射线，轨迹 是射线，轨迹 是射线.板带正电，板带负电.图1-
14、2-12021/8/9 星期一31【解析】由于射线不带电，进入电场后不会改变方向，所以轨迹为射线.带电粒子垂直进入匀强电场，则在匀强电场中做类平抛运动，竖直方向的位移为s=v0t,设两板间的距离为d，则1/2D=1/2at2，a=8E/m=qU/dm,则 s=，2021/8/9 星期一32 由此式可知s与粒子进入电场的初速度v0成正比，与粒子的荷质比q/m的平方根成反比.射线速度约为射线的1/10，而粒子的荷质比比粒子的荷质比要小的多，所以粒子的竖直方向位移要大，所以是射线的轨迹，是射线的轨迹.粒子带正电，而向A板偏移，因此A板带负电，B板带正电.2021/8/9 星期一33【例3】静止在匀强
15、磁场中的某放射性元素的核，放出一个粒子，其速度方向与磁场方向垂直，测得粒子和反冲核轨道半径之比Rr=301，如图17-2-2所示，图17-2-22021/8/9 星期一34则（）A.粒子与反冲核的动量大小相等，方向相反B.反冲核的原子序数为62C.原来放射性元素的原子序数为62D.反冲核与粒子的速度之比为1622021/8/9 星期一35【解析】本题结合动量守恒、衰变方程、带电粒子在磁场中的圆周运动等几个知识点综合运用；由动量守恒得：MV+mv=0，其中MV为反冲核动量，mv为粒子的动量.Q为原来放射性元素的原子核电荷数，则反冲核的电荷数为Q-2，粒子电荷数为2.反冲核的轨迹半径R=MV/B（
16、Q-2）；粒子的轨道半径r=mv/(2B)；综合以上公式可得Q=62.2021/8/9 星期一36【解题回顾】把原子核知识与电磁场及力学知识结合起来，考查学生综合分析也是每年高考中的热点之一。本例中要注意反冲核与粒子的动量关系及电磁性质，体会外切圆的由来.返回返回2021/8/9 星期一37核能一、核能 1.核力：为核子间作用力.其特点为短程强引力，只在相邻的核子间发生作用，与核子的电性无关.2.核能：核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.获得核能的两个基本途径是重核裂变和轻核聚变.2021/8/9 星期一38 3.质量亏损：组成原子核的核子
17、与原子核的质量之差叫做质量亏损；需说明的是任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量和.4.爱因斯坦质能方程：凡具有质量的物体都具有能量，物体的质量和能量间的关系为：E=mc2；若原子核质量亏损为m，对应释放的能量为E=mc2.2021/8/9 星期一39 注意：核反应过程中需遵循三个守恒定律：电荷数守恒定律、质量数守恒定律和动量守恒定律；质量亏损，并不是质量损失也不是质量消失了，因此不能说与质量守恒定律相矛盾；不能理解为质量转化为能量，质量和能量分别是物质的属性之一，不能等同.2021/8/9 星期一40二、核反应 1.重核的裂变：重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程叫
18、重核的裂变.2.链式反应：重核裂变时放出几个中子，再引起其他重核裂变而使裂变反应不断进行下去（原子弹原理）.2021/8/9 星期一413.临界体积：能发生链式反应的最小体积.4.反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防 护层.5.轻核的聚变：某些轻核结合成质量较大的 核的反应过程，该过程能释放出更多的量.6.热核反应：在极高温度下轻核产生的聚变 反应，为氢弹的工作原理.2021/8/9 星期一42练习1.关于核能，下列说法中正确的是（）A.核子结合成原子核时，需吸收的能量B.核子结合成原子核时，放出的能量C.不同的核子结合成原子核时，所需吸收的能 量相同D.使一个氘核分解成一个中子和一个质子时，
19、吸收的能量是一个恒定值2021/8/9 星期一432.质子的质量为mp，中子的质量为mn，它们结 合成质量为m的氘核，放出的能量应为()A.（mp+mn-m）c2 B.(mp+mn)c2 C.mc2 D.(m-mp)c22021/8/9 星期一443.关于铀核裂变，下述说法正确的是（）A.铀核裂变的产物是多种多样的，但只能裂 变成两块B.铀核裂变时还能同时释放2到3个中子C.为了使裂变的链式反应容易产生，最好是 用纯铀235D.铀块的体积对产生链式反应无影响2021/8/9 星期一454.下列核反应属于裂变反应的是()A.B.C.D.2021/8/9 星期一46【例1】一个静止的铀238原子核
20、放射出一个速度为1.17106m/s的粒子，求：（1）写出核反应方程；（2）反冲核的速度是多大；（3）在此衰变过程中，由粒子的动能变化引起的质量亏损是多少.2021/8/9 星期一47【解析】写核反应方程要注意质量数和电荷数守恒、衰变时系统的动量守恒，同时，衰变过程当然也是能量转化的过程，即由于质量亏损放出核能，这些能量在一定条件下也可转化成其他形式的能量.（1）.2021/8/9 星期一48 (2)核衰变的系统受的合外力为0，所以动量守恒，即0=mv+MV；（m、M分别代表粒子和新核的质量，v、V分别表示粒子和新核衰变后的速度），则：V=-mv/M=-2104m/s，即新核的运动方向与粒子的
21、运动方向相反，所以叫做反冲核.2021/8/9 星期一49 (3)衰变前，铀238的动能为0，衰变后系统的总动能增大：E=1/2mv2+1/2MV2=1.2310-7J，这就是由核衰变放出的能量转化而来的，相应的质量亏损可由质能方程得：m=E/c2=1.3710-31kg.2021/8/9 星期一50【解题回顾】在讨论核反应前后粒子速度或动能时，注意利用动量原理，同时应注意反应中是否有核能释放，以及核能是否都以动能形式释放.2021/8/9 星期一51【例2】太阳不断地向外辐射能量.太阳内部存在有大量氢，在超高温作用下氢原子被电离，互相碰撞，能使4个氢核聚变为1个氦核，同时释放出大量能量.已知
22、质子质量mH=1.0078u，粒子的质量ma=4.0026u，电子质量me=0.00055u.（1）写出该反应方程式；（2）核反应中释放的能量为多少兆电子伏特？合多少焦耳？2021/8/9 星期一52【解析】根据核反应方程时质量守恒和电荷数守恒，可写出反应方程，由质能关系和质量亏损可求出释放的能量.（1）.(2)m=4mH-mHe-2me=0.0275u E=mc2=25.6MeV=4.110-12J.2021/8/9 星期一53【例3】云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为m1的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为m2，电量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内，现测得粒子运动
23、的轨道半径R，试求在衰变过程中的质量亏损，（涉及动量问题时，质量亏损可近乎忽略）.2021/8/9 星期一54【解析】该衰变放出的粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径R与运动速度v的关系，可由洛伦兹力和牛顿定律推导Bqv=m2v2/R.动量守恒定律是自然界中普遍规律，同样适用于微观世界，由衰变过程动量守恒：0=m2v-(m1-m2)v;又衰变过程的能量来源于质量亏损，则有：m2c2=1/2(m1+m2)v2+1/2m2v2联立解得：2021/8/9 星期一55【例4】受中子轰击时会发生裂变，产生 和 ，同时放出200兆电子伏特的能量.现要建设发电能力是50万千瓦的核电站，用铀235作为原子锅炉的燃料.假设核裂变释放的能量全部被用来发电，那么一天需要纯铀235的质量为多大？2021/8/9 星期一56【解析】铀235释放的能量等于一天发电的电能，计算出50万千瓦的电站一天发出的电能，也是一天所需的铀235释放的核能，进而求得铀235的质量.一天发出的电能为:E=5010786400=4.321013J;所需纯铀235的质量为m，有:E=(m/235)6.0210232001061.610-19J；可得:m=527g.2021/8/9 星期一572021/8/9 星期一582021/8/9 星期一59