1、第2课时 原子物理,基 础 回 扣1.原子的核式结构 原子核 (1)1898年,汤姆孙发现了 ,提出了原子的枣 糕模型. (2)英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了 实验,实验的结果是绝大多数粒子穿过金 箔后基本上仍沿原来方向前进,但有少数粒子发 生较大的偏转.,电子,粒子,散射,(3)原子的核式结构模型:在原子的中心有一个很 小的核,叫原子核.原子的全部正电荷量和几乎全 部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空 间运动. (4)具有相同的 而 不同的原子,在 元素周期表中处于同一位置,互称同位素. 2.能级和能级跃迁 (1) 量子化 核外电子只能在一些分立的轨道上运动 rn=n2r1(n=
2、1,2,3) (2) 量子化 原子只能处于一系列不连续的能量状态 En= (n=1,2,3),质子数,中子数,轨道,能量,(3)吸收或辐射能量量子化 原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或发射 的光子,光子的能量h=Em-En. 3.天然放射现象、衰变、放射性的应用和防护 (1)元素自发地放出射线的现象叫做 . 放射性物质放出的射线通常有三种: 、 、 . (2)原子核放出 粒子或 粒子后,就变成新的 原子核,我们把这种变化称为原子核的衰变.在衰 变过程中, 和 都守恒. (3)放射性元素的原子核有 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,一定,频率,天然放射现象,射线,射,
3、射线,电荷数,质量数,半数,线,是由 本身的因素决定的,跟原子所处的 状态无关.(4)放射性同位素的应用:一是利用它的 ;二是作为 . (5)射线、射线、射线之间的区别,核内部,物理,或化学,射线,示踪原子,氦核流,电子流,电磁波,4.核反应、核能、裂变、聚变 (1)在物理学中,原子核在其他粒子的轰击下产生 新原子核的过程,称为 .在此过程中,质量 数和电荷数都守恒.爱因斯坦的质能方程是 . (2)核物理中,把重核分裂成质量较小的核,释放出 核能的反应,称为裂变;把轻核结合成质量较大的 核,释放出核能的反应,称为 . (3)铀核裂变的核反应方程是 . 氢核聚变的核反应方程是 . (4)在核反应
4、堆中,石墨的作用是作为 ;镉棒 的作用是控制反应速度;水泥防护层的作用是屏蔽裂 变产物放出的各种射线.,核反应,E=mc2,聚变,减速剂,5.核反应规律和原子核的人工转变 (1)核反应的规律为:反应前后质量数守恒和 守恒. (2)原子核的人工转变 卢瑟福发现质子的核反应方程为: 查德威克发现中子的核反应方程为: 约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的 核反应方程为:,电荷,数,思 路 方 法1.在配平核反应方程式时,一般先满足 守恒, 后满足 守恒. 2.在处理粒子的碰撞和衰变问题时,通常应用动量守 恒定律、质能方程和能的转化与守恒定律综合分 析. 3.核能的计算方法 若m以kg为单位,则E
5、=mc2,E的单位为 . 若m以原子的质量单位u为单位,则E=m931.5 MeV.,质量数,电荷数,焦耳,题型1 原子物理基础知识的理解 例1 (2009山东调研)以下说法正确的是 （ ）A.普朗克在研究黑体辐射问题中提出了能量子假说B.康普顿效应说明光子有动量,即光具有粒子性C.玻尔建立了量子理论,成功解释了各种原子的发光 现象D.天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构,解析 普朗克在研究黑体辐射问题时提出了能量子假说,A正确;康普顿效应说明光子有动量,即光具有粒子性,B正确;玻尔建立了量子理论,解释了氢原子的发光现象,C错;天然放射现象的发现揭示了原子核具有复杂的结构,D错;答案 AB,
6、例2 (2009高考标准测试卷押题卷)在全球能源危机的背景下,核能的开发已成为全球的焦点问题.核电站的核能来源于 的裂变,现有4种说法: 原子核中有92个质子、143个中子; 裂变的产物多种多样,一种典型的反应是裂变为钡和氪, 核反应方程为 ; 是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度其半衰期会缩短;如果一个 裂变时的质量亏损为m=0.357 810-27 kg,则释放的能量约为201 MeV.以上的四种说法正确的是 （ ） A.B. C.D.,解析 根据原子核表示方法的意义可知正确;由核反应中电荷数守恒和质量数守恒可知正确;半衰期只与元素的种类有关错;由爱因斯坦质能方程知正确
7、.答案 D,由于原子和原子核这一部分的内容比较琐碎,复习时要根据考点要求,理出知识脉络,识记重要知识点.,预测演练1 (2009珠海市第二次调研) 放射性元素能自发地放出射线,变成别的元素,同时伴随核能的释放,下列表述中正确的是 （ ）A. 、三种射线都是电磁波B.在、三种射线中电离能力最弱的是 射线C.太阳辐射的能量是由轻核聚变产生的D.将放射性元素掺杂到其他稳定元素中并大幅度降 低其温度,它的半衰期不发生改变,CD,预测演练2 (2009辽宁省部分重点中学协作体高考模拟)以下是有关近代物理内容的若干叙述,其中正确的是 （ ）A.太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应B.光电效应揭示了光
8、的粒子性,而康普顿效应则反映 了光的波动性C.按照玻尔理论,氢原子核外电子从半径较小的轨道 跃迁到半径较大的轨道时,电子的动能减小,原子 总能量增大D.发生一次衰变,该原子外层就失去一个电子,C,题型2 玻尔理论和能级跃迁 例3 (2009济宁市5月模拟)1885年,巴耳末发现了氢原子可见光光谱的谱线波长公式: (n=3,4,5,),其中R=1.10107 m-1,称为里德伯常量.1913年,玻尔提出了原子结构假说,可以很好地推导出巴耳末公式. (1)用巴耳末公式计算n=5时氢原子光谱的谱线波长,并说明这条谱线是氢原子在哪两个能级之间跃迁得到的.(2)用玻尔理论得到的氢原子能级图(图9-3-1
9、)中的数据计算氢原子从n=5能级向n=2能级跃迁得到谱线的波长.(真空中光速c=3.0108 m/s, 普朗克常量,h=6.6310-34 Js,电子的电荷量e=1.610-19 C,计算结果均保留三位有效数字),图8-2-1,解析 (1)根据巴耳末公式 ,得= =4.3310-7 m巴耳末公式n=5时计算出的氢原子光谱的谱线是氢原子从量子数为5的能级跃迁到量子数为2的能级形成的.(2)n=2时,E2=-3.4 eV;n=5时,E5=-0.54 eV,及h=E5-E2,=得= =4.3510-7 m,答案 (1)4.3310-7 m 氢原子在能级5和能级2之间跃迁得到的(2)4.3510-7
10、m,在涉及能级跃迁和微观粒子的弹性碰撞问题时,一般应用h=Em-En和能级公式En= ,并结合动量和能量的观点分析解决问题.,预测演练3 (2009淄博市第二次检测)在真空中, 氢原子从能级A跃迁到能级B时,辐射出波长为1的光子;从能级A跃迁到能级C时,辐射出波长为2的光子.若12 ,真空中的光速为c,则氢原子从能级B跃迁到能级C时 （ ）A.将吸收光子,光子的波长为,B.将辐射光子,光子的波长为C.将吸收光子,光子的频率为D.将辐射光子,光子的频率为,解析 12,12,能级图如右图所示.从B到C要辐射光子,EBC= .,答案 B,题型3 核反应与核能 例4 设太阳内部持续不断地发生着4个质子
11、聚变为1个氦核放出2个正电子的热核反应,这个核反应释放的大量能量就是太阳的能源,已知mP=1.007 276 u,mHe=4.002 603 u,me=0.000 548 u.(1)写出这个核反应方程.(2)这一核反应释放出的能量有多少焦?(3)若太阳向空间辐射的总功率为3.81026 W,则太阳的质量每秒将减少多少千克?,解析 (1)核反应方程式为: (2)设核反应中放出的结合能为E=(4mP-mHe-2me)c2,解得E=23.6 MeV=3.7810-12 J(3)太阳每秒减少的质量为m=解得m=4.2109 kg,答案 (1) (2)3.7810-12 J(3)4.2109 kg,1.
12、书写核反应方程,在遵循事实的前提下,一定满足两个守恒:质量数守恒和电荷数守恒. 2.核反应过程中,虽然是微观世界,但一定满足两个守恒:动量守恒和能量守恒.,3.计算核能时,m的单位不同,计算方法可不同,未必一定采用国际单位,1 u相当于931.5 MeV. 4.核反应过程中,如果涉及到能量问题,经常用到动量和能量的关系式Ek= 进行计算.,预测演练4 (2009聊城市高考模拟二)两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素).已知氘核的质量mD=2.013 6 u,氦核的质量mHe=3.015 0 u,中子的质量mn=1.008 7u(1 u相当于931 MeV).(1)写出聚变方程并计算释放的
13、核能.(2)若反应前两个氘核的动能均为0.35 MeV.它们对心正碰发生聚变,且反应后释放的核能全部转化为动能,则产生的氦核和中子的动能各为多大?,解析 (1)聚变的核反应方程核反应过程中的质量亏损为m=2mD-(mHe+mn)=0.003 5 u释放的核能为E=mc2=0.003 5931 MeV=3.26 MeV(2)对撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反应前后系统的动量为0,即0=mHevHe+mnvn反应前后总能量守恒,即 =E+2Ek0解得EkHe=0.99 MeV,Ekn=2.97 MeV,答案 (1) 3.26 MeV (2)0.99 MeV2.97
14、MeV,题型4 衰变与圆周运动知识的结合 例5 (2009辽宁省普通高校招生统一考试测试) 云室处于一个垂直纸面向外的匀强磁场中,一个静止的原子核 在云室中发生了一次衰变,其衰变产物在磁场中运动的圆轨迹如图8-2-2所示.已知新核Y的质量为M,粒子的质量为m,衰变后粒子的速度大小为v.,图8-2-2,(1)该过程发生了衰变还是衰变?写出核反应方程.(2)若原子核衰变时的能量都以粒子和新核的动能形式释放.求衰变时释放出的总能量(亏损的质量与粒子质量相比可忽略不计).,解析 (1)该过程是衰变核反应方程为:(2)原子核在衰变前后动量守恒,设衰变后新核的速度为v1,则有Mv1=mv根据题意可知,衰变
15、释放的总能量E=联立得E=,答案 (1)衰变,1.衰变前后动量守恒. 2.衰变后新生成的带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.,预测演练5 (2009邯郸市5月第二次模拟) 介子的衰变方程为 ,其中 介子和 介子为带负电的元电荷, 介子不带电, 一个 介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧(图中虚线所示),则 介子和 介子的运动轨迹可能是图中的 （ ）,解析 用左手定则并结合动量守恒定律求解.答案 AB,1.(2009重庆市第二次质量调研抽测)氢原子从n=4 的能级跃迁到n=2的能级时,辐射出光子a;从n=3能 级跃迁到n=1能级时,辐射出光子b.则下列说法中 正确的是 （ ）A.氢
16、原子从n=4跃迁到n=2,电子动能的增加量等 于氢原子电势能的减少量B.在真空中a光子的传播速度大于b光子的传播 速度C.光子a的能量大于光子b的能量D.光子a的波长大于光子b的波长,解析 由于从n=4跃迁到n=2要向外辐射能量,A错;ab,EaQ1B.X是 ,Q2Q1C.X是 ，Q2Q1D.X是 ,Q2Q1,故选B.答案 B,7.(2009济宁市5月模拟)一个静止的原子核 经 衰变放出一个粒子并生成一个新核,粒子的 动能为E0.设衰变时产生的能量全部变成粒子和 新核的动能,则在此衰变过程中的质量亏损为( ),解析 ,由于粒子与新核动量大小相等,Ek= ,Ek=E0,Ek新= ,E=E0+ =
17、 .答案 D,8.(2009贵州省普通高校招生适应性考试)下列说 法中正确的是 （ ）A.衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成 质子时发生并释放出来的B.射线是原子核发出的一种粒子流,它的电离能 力在、三种射线中是最强的,C.氢原子从较高的激发态跃迁到较低的激发态时,核 外电子的动能增加,原子的总能量不变D.已知氡的半衰期为3.8天,如果取1 g氡放在天平的 左盘上,砝码放于天平右盘,左右两边恰好平衡,则 经7.6天后,需取走0.75 g砝码后天平才能再次平 衡,解析 C中由于向外辐射能量,原子的总能量减小,C错;D中衰变后应考虑衰后剩余物的质量,D错.答案 AB,9.(2009杭州市模拟三
18、)在足够大的匀强磁场中,静 止的钠的同位素 发生衰变,沿与磁场垂直的方 向释放出一个粒子后,变为一个新核,新核与放出 粒子在磁场中运动的径迹均为圆,如图8-2-4所示. 以下观点正确的是 （ ）,图8-2-4,A.新核为B.发生的是衰变C.轨迹1是新核的径迹D.新核沿逆时针方向旋转,解析 由于运动轨迹为内切圆,放出的粒子为粒子,是衰变. , A对,B错;由r= 知2为新核的径迹,C错;由左手定则可知D正确.,答案 AD,10.(2009山东38)历史上第一次利用加速器实现 的核反应,是用加速后动能为0.5 MeV的质子 轰 击静止的 ,生成两个动能均为8.9 MeV的 . (1 MeV=1.6
19、10-13 J) (1)上述核反应方程为 .(2)质量亏损为 kg.,解析 (1) (2)设反应前质子的动能为Ek0,反应后 的动能为Ek,由于质量亏损而释放的能量为E=2Ek-Ek0=(28.9-0.5)MeV=17.3 MeV根据爱因斯坦质能方程，有m= =3.110-29 kg,答案 (1) (2)3.110-29,11.镭(Ra)是历史上第一个被分离出来的放射性元素, 已知 能自发地放出粒子而变成新核Rn.已知 的质量为M1=3.753 310-25 kg,新核Rn的质 量为M2=3.686 710-25 kg,粒子的质量为m= 6.646 610-27 kg.现有一个静止的 核发生 衰变,衰变后粒子的速度为3.68105 m/s. 则:(计算结果保留两位有效数字) (1)写出该核反应的方程式. (2)此反应过程中放出的能量是多少? (3)反应后新核Rn的速度是多大?,解析 (1)核反应的方程为(2)反应过程中放出的能量E=mc2=(M1-M2-m)c2=1.210-12 J(3)由动量守恒定律可得M2v2-mv=0解得v2= =6.6103 m/s,答案 (1)(2)1.210-12 J (3)6.6103 m/s,返回,
