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1、第十四章 原子物理 一、原子模型 1.汤姆生模型（枣糕模型）汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。2.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）粒子散射实验是用粒子轰击金箔，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。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。）玻尔的三条假
2、设（量子化）轨道量子化rn=n2r1 r1=0.5310-10m 能量量子化：21nEEn 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 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）。玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能
3、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。例 1.用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：h1；h3；h(1+2)；h(1+2+3)以上表示式中 A.只有正确 B.只有正确 C.只有正确 D.只有正确 解：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有h3=E3-E1，h1=E3-
4、E2，h2=E2-E1，可见h3=h1+h2=h(1+2)，所以照射光子能量可以表示为或，答案选 C。4.光谱和光谱分析 氢原子的能级图 n E/eV 0 1 -13.6 2 -3.4 3 -1.51 4 -0.85 E1 E2 E3 3 2 1 3 2 1 炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）。根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。只要某种元
5、素在物质中的含量达到 10-10g，就可以从光谱中发现它的特征谱线。二、天然放射现象 1.天然放射现象 天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。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+2 0.1 最强 最弱，纸能挡住 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、正交电场和磁场中的偏转情况比较：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；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。图中肯
6、定打在O点；如果也打在O点，则必打在O点下方；如果也打在O点，则必打在O点下方。例 2.如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有 A.打在图中a、b、c三点的依次是射线、射线和射线 B.射线和射线的轨迹是抛物线 C.射线和射线的轨迹是圆弧 D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b 解：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中粒子受的洛伦兹力向上，粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于粒子速度约是光速的 1/10，而粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都
7、做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方。）本题选 AC。例 3.如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出、三种射线，而根据设计，该生产线压制的是 3mm 厚的铝板，那么是三种射线中的_射线对控制厚度起主要作用。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_一些。解：射线不能穿过 3mm 厚的铝板，射线又很容易穿过 3mm 厚的铝板，基本不受铝板厚度的A a b c 放射源 探测接收器 M N O 结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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
8、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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量从高能级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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为影响。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
9、是射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。三、核反应 1.核反应类型 衰变：衰变：e422349023892HThU（核内Hen2H2421011）衰变：ePaTh012349123490（核内eHn011110）+衰变：eSiP0130143015（核内enH011011）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：HOHeN1117842147（发现质子的核反应）nCHeBe101264294（发现中子的核反应）nPHeAl103015422713 eSiP0130143015（人工制造放射性同位素）重核的裂变：n3KrBa
10、nU109236141561023592 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：nHeHH10423121（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。）2.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：TttNN210N表示核的个数，此式也可以演变成 Tttmm210或Tttnn210，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，跟原子所处
11、的物理、化学状态无关。3.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）。例 4.近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。科学家们在观察某两个
12、重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核AZX经过 6 次衰变后成为253100Fm，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是 A.124，259 B.124，265 C.112，265 D.112，277 解：每次衰变质量数减少 4，电荷数减少 2，因此该超重元素的质量数应是 277，电荷数应是112，选 D。例 5.完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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
13、由粒子散射实验提出在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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量从高能级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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为反应方程。147N+10n 146C+_ 147N+42He 178O+_ 105B+10n _+42He 94Be+42He _+10n 5626Fe+21H 5727Co+
14、_ 解：根据质量数守恒和电荷数守恒，可以判定：11H，11H，发现质子的核反应方程 73Li，126C，发现中子的核反应方程 10n 例 6.一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m。铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有 A.经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了 B.经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4 发生了衰变 C.经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8 D.经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2 解：经过两个半衰期后矿石中剩余的铀应该还有m/4，经过三个半衰期后还剩m/8。因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量
15、没有太大的改变。本题选 C。例 7.关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的 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.用放射线照射作物种子能使其 DNA 发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种 D.用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害 解：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电泄出。射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视。作物种子发生的 DNA 突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种。用射线治疗肿瘤对人体肯定有副
16、作用，因此要科学地严格控制剂量。本题选 D。例 8.K-介子衰变的方程为0K，其中 K-介子和-介子带负的基元电荷，0介子不带电。一个 K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与R-之比为 21。0介子的轨迹未画出。由此可知-介子的动量大小与0介子的动量大小之比为 A.11 B.12 C.13 D.16 解：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式r=mv/qB，K-介子和-介子电荷量又相同，说明它们的动量大小之比是 21，方向相反。由动量守恒得0介子的动量大小是-介子的三倍，方向与-介子的速度方向相
17、反。选 C。四、核能 1.核能 核反应中放出的能叫核能。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.质能方程 K-A B P 结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量从高能级加剧
18、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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：E=mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：E=mc2。以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。在非国际单位里，可以用 1u=931.5MeV。它表示 1 原子质量单位的质量跟 931.5MeV的能量相对应。在有关核能的计算中，一定要根据已知和题解的要求明确所使用的单位制。4.释放核能的途径 凡是释放核
19、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，所以铁原子核最稳定。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 9.一个氢原子的质量为 1.6736 10-27kg，一个锂原子的质量为 11.6505 10-27kg，一个氦原子的质量为 6.6467 10-27kg。一个锂核受到一个质子轰击变为 2 个粒子，写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能？解：11H+73Li 242He 反应前
20、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=mc2得释放核能E=2.76 10-12J 1mg锂原子含锂原子个数为10-611.6505 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 108J 核能。例 10.静止的氡核22286Rn放出粒子后变成钋核21884Po，粒子动能为E。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.22184cEa B
21、.0 C.2218222cEa D.2222218cEa 解：由于动量守恒，反冲核和粒子的动量大小相等，由mmpEK122，它们的动能之比为 4218，因此衰变释放的总能量是E218222，由质能方程得质量亏损是2218222cEa。例 11.静止在匀强磁场中的一个105B核俘获了一个速度为向v=7.3104m/s 的中子而发生核反应，生成粒子与一个新核。测得粒子的速度为 2104 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向外）。求粒子与新核轨道半径之比。求粒子与新核旋转周期之比。
22、解：由质量数守恒和电荷数守恒得：105B+10n42He+73Li 由于粒子和反冲核都带正电，由左手定则知，它们旋转方向都是顺时针方向，示意图如右。由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是103m/s 方向和粒子的速度方向相反，结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时
23、辐射或吸收光子的能量从高能级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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式qBmvr 可求得它们的半径之比是1207 由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式qBmT2可求得它们的周期之比是6 7 5.核反应堆 目前的所有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：核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀 235 占 3%4%）。减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被
24、铀 235 吸收）。控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。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）。水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量从高能级加剧
25、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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为(以下新教材适用)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况，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。更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下，电子
26、在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云。5.激光的特性及其应用 普通光源（如白炽灯）发光时，灯丝中的每个原子在什么时候发光，原子在哪两个能级间跃迁，发出的光向哪个方向传播，都是不确定的。激光是同种原子在同样的两个能级间发生跃迁生成的，其特性是：是相干光。（由于是相干光，所以和无线电波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维结合的产物。）平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，因此可以用来精确测距。激光雷达不仅能测距，还能根据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能用于在
27、 VCD 或计算机光盘上读写数据。）亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）6.粒子物理学 到 19 世纪末，人们认识到物质由分子组成，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 年代以来，人们认识了正电子、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）。现在已经发现的粒子达 400 多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中
28、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解释宇宙的演化。结构模型行星式模型粒子散射实验是用粒子轰击金箔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玻尔模型引入量子理论量子化就是不连续性整数叫量子数玻尔的三条假设量子化轨道量子化能量量子化原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量从高能级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的任何光子所吸收的能量除用于电离外都转化为