1、优质文档优质文档原子和原子核1. 粒子散射实验19091911 年，英国物理学家卢琴福和他的助手们进行了 粒子散射实验.（1）实验装置如图所示：如图所示，用 粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对 粒子有库仓力作用，一些 粒子穿过金箔后改变了运动方向，这种现象叫做 粒子散射.荧光屏可以沿着图中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子数目.全部设备装汤姆生发现电子 汤姆生枣糕模型卢瑟福粒子散射实验卢瑟福原子核式结构模型经典电磁场理论量子化 理论 玻尔原子理论天然放射现象的发现原子可分原子核可分衰变（、衰变）原子核人工转变裂变聚变爱因斯坦质能方程E=mC能量氢原子能级半衰期2优质文档优质文档在真空中
2、.（2）实验结果：绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数 粒子发生了较大的偏转.（3）现象解释：认为原子中的全部正电荷和几乎所有质量都集中到一个很小的核上，由于核很小，大部分 粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑力很小，它们的运动几乎不受影响.只有少数 粒子从原子核附近飞过，明显受到原子核的库仑力而发生大角度偏转.2.原子的核式结构模型内容：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的空间运动.说明 核式结构模型的实验基础是 粒子散射实验，从 粒子散射的实验数据，估计原子核半径的数量级为 10-14m10 -1
3、5m，而原子半径的数量级是 10-10m.3.玻尔的原子模型内容：玻尔认为，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫轨道量子化；不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的.理解要点：玻尔的原子模型是以假说的形式提出来的，包括以下三方面的内容：轨道假设：即轨道是量子化的，只能是某些分立的值. 1定态假设：即不同的轨道对应着不同的能量状态，这 2些状态中原子是稳定的，不向外辐射能量.跃迁假设：原子在不同的状态具有不同的能量，从一 3个定态向另一个定态跃迁时要辐射或
4、吸收一定频率的光子，该光子的能量，等于这两个状态的能级差. nmEhv4.三种射线的比较 射线：是氦核（ He）流，速度约为光速的十分之一，在空气中射程几厘米， 1 42贯穿本领小，电离作用强. 射线：是高速的电子流，穿透本领较大，能穿透几毫米的铝板，电离作用 2较弱. 射线：是高能光子流，贯穿本领强，能穿透几厘米铅板，电离作用小. 3说明 放射性元素有的原子核放出 射线，有的放出 射线，多余的能量以 光子的形式射出.5.衰变定义：放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变.n E/eV1 -13.63 -1.512 -3.45 -0.584 -0.85优质文档优质文档衰变规
5、律：电荷数和质量数都守恒. 衰变： X Y+ He， 衰变的实质是某元素的原子核放出由两个质子 1 MZ42和两个中子组成的粒子（即氦核）. 衰变： X Y+ e， 衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变为 2 Z10一个质子时放射出一个电子. 衰变： 衰变是伴随 衰变或 衰变同时发生的. 衰变不改变原子核 3的电荷数和质量数.其实质是放射性原子核在发生 衰变或 衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子.例 3 U 衰变后 Rn 共发生了 次 衰变和 次 衰变.2389286解析 根据衰变规律，Rn 的质量数比 U 的质量数减少了 238-22216，而天然放射只
6、有 衰变才能使质量数减少，且每次 衰变减少质量数为 4，故发生了1644 次 衰变.因每次 衰变核的电荷数减少 2，故由于 衰变核 的电荷数应减少 428.而 Rn 核的电荷数仅比 U 核少了 92-866，故说明发生了 2 次 衰变（即 92-8+286）.答案 发生了 4 次 衰变，2 次 衰变.评价 在分析有关 、 衰变的问题时，应抓住每次 衰变质量数减 4，电荷数减 2 和每次 衰变时质量数不变，电荷数加 1 这一衰变规律进行分析.6.半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫这种元素的半衰期.说明 （1）半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理
7、状态（如压强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关.（2）半衰期只对大量原子核衰变才有意义，因为放射性元素的衰变规律是统计规律，对少数原子核衰变不再起作用.（3）确定衰变次数的方法：设放射性元素 X 经过 n 次 衰变 m 次 衰变后，AZ变成稳定的新元素 Y，则表示核反应的方程为： X Y+n He +m e.AZ 4201根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程mn24，两式联立得：ZA24由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.7.放射性同位素的应用（1）利用它的射线如利用钴 60 放出的很强的 射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫 射优质文档优质文档线探伤，利用放射线的贯穿
8、本领了解物体的厚度和密度的关系，可以用放射性同位素来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度，从而自动控制生产过程，再如利用 射线的电离作用，可以消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电，利用射线杀死体内的癌细胞等.（2）做示踪原子如在生物科学研究方面，同位素示踪技术起着十分重要的作用，在人工方法合成牛胰岛素的研制、验证方向、示踪原子起着重要的作用.在输油管线漏的检查和对植物生长的检测方面，示踪原子都起着重要作用.例 4 如图 18-6 是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图.图 18-6（1）请你简述自动控制的原理；（2）如果工厂生产的是厚度为 1 毫米的铝板，在 、 和 三种射线中，你
9、认为哪一种射线在铝板的厚度控制中起主要作用，为什么？解析 （1）放射线具有穿透本领，如果向前运动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化，这种变化被转变为电信号输入到相应的装置，进而自动控制如上图中右侧的两个轮间的距离，使铝板的厚度恢复正常.（2） 射线起主要作用，因为 射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过 1 毫米的铝板； 射线的贯穿本领非常强，能穿过几厘米的铅板，1 毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化不大； 射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米的铝板，当铝板的厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化较大，探测器可明显地反应出这种变化，使自动化系
10、统做出相应的反应.8.核能的计算（1）质能方程：爱因斯担的相对论指出，物体的质量和能量存在着密切联系，即E=mc2.这就是爱因斯坦的质能方程 .说明 质能方程告诉我们质量和能量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大了，质量也增大了；能量减小了，质量也减小.且核反应中释放的能量与质量亏损成正比： 2mc（2）核能：核反应中放出的能量称为核能.（3）核能的计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（ ）的千克数乘以m真空中光速的平方.即2mcE根据 1 原子质量单位（u）相当于 931.5MeV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5MeV.即优质文档优质
11、文档MeV5.931mE例 5 已知氮核质量 mN=14.00753u，氧核质量 m0=17.00454u，氦核质量mHe=4.00387u，质子质量 u，试判断核反应：08.HN+ He O+ H142178是吸能反应，还是放能反应，能量变化多少？解析 先计算出质量亏损 ，然后由 1u 相当于 931.5MeV 能量代入计算即可.m反应前总质量u014.8HeN反应后总质量u269.0因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收能量为： 2mcE=(18.01269-18.01140)931.5 MeV=1.2 MeV例 6 一个静止的 U（原子质量为 232.0372u），放出一个 粒
12、子（原子质239量为 4.00260u）后，衰变成 Th（原子质量为 228.0287u）.假设放出的结合能完全80变成 Th 核和 粒子的动能，试计算 粒子的动能.剖析 由质能方程可计算释放的核能，然后结合动量守恒和能量关系可求解.解析 反应中产生的质量亏损u059.)(mThU反应中释放的核能：MeV=5.5MeV.931E在 U 核衰变过程中的动量守恒、能量守恒，则 220Thhvmv解以上两式得： ThE2)()(Thmv)(优质文档优质文档则 粒子的动能 21vmEThMeV5.428=5.41MeV9.原子核的人工转变及其三大发现原子核的人工转变：用人工方法使一种原子核变成另一种原
13、子核的变化.原子核人工转变的三大发现：1919 年卢瑟夫发现质子的核反应： 1N+ He O+ H1421781932 年查德威克发现中子的核反应： 2Be+ He C+ n9421601934 年约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应： 3Al+ He P+ n271343015P Si+ e054练习题一、 粒子散射实验 原子的核式结构 原子核的组成1、（1997 全国）卢瑟福的 粒子散射实验中，有少数 粒子发生大角度偏转，其原因是 AA、原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B.正电荷在原子中是均匀分布的C、原子中存在带负电的电子 D.原子只能处在一系列不连续的能量状态
14、中、(2005 年上海物理)卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，核反应方程为下列说法正确的是（ ）A CHONe178124（原子核的组成，写出发现中子的核反应方程）、通过此实验发现了质子 B实验中利用了放射源放出的 射线、实验中利用了放射源放出的 射线 D原子核在人工转变过程中，电荷数可能不守恒n E/eV1 -13.63 -1.512 -3.45 -0.584 -0.85优质文档优质文档二、玻尔的原子模型 能级如图所示为氢原子能级图，A 、B、C 分别表示电子三种不同能级跃迁时放出的光子，以下叙述正确的是 ( )、频率最大的是 、波长最长的是、频率最大的是 、波长最长的是、(2005
15、 年理综)图中画出了氢原子的 4 个能级，并注明了相应的能量 E. 处在 n=4 的能级的一群氢原子向低能级跃迁时，能够发出不同频率的光波已知金属钾的逸出功为 2.22eV. 在这些光波中，能够从金属钾的表面打出光电子的总共有 CA二种 B三种 C四种 D五种三、天然放射现象 衰变、原子核人工转变、裂变和聚变、（2001 年高考试题）在下列四个方程中，x 1、x 2、x 3 和 x4 各代表某种粒子，以下判断中正确的是 AC 1138549102359xXeSrnUnHe0322 3482Th471342xAlMgAx 1 是中子 Bx 2 是质子 Cx 3 是 粒子 Dx 4 是氘核(200
16、5 年广东物理)下列说法不正确的是 D （原子核的几种核反应）A 是聚变 B 是裂变nHe10421 n2SrXenU1094381052359C 是 衰变 D 是裂变Ra862368 MgNa1241、如图，在匀强磁场中的 A 点，有一个静止的原子核，当它发生哪一种衰变时，射出的粒子以及新核的轨道才作如图的圆周运动，并确定它们环绕的方向，若两圆的半径之比是 451，这个放射性元素原子核的原子序数是多少？解：由动量守恒定律 MV+mv = 0 两者速度方向相反 必须是同种电荷才能外切，所以是 衰变。由左手定则，两者的环绕的方向均为逆时针方向 r=mv/qB1/q qa/qb=rb/ra=2/9
17、0 大圆为 粒子这个原子核的原子序数是 92 、(2005 年辽宁大综)放射源放在铅块上的细孔中,铅块上方有匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外.已知放射源放出的射线有 、 、三种,下列判断正确的是 （几种粒子的区别）BA、甲是 射线,乙是 射线 ,丙是 射线B、甲是 射线,乙是 射线 ,丙是 射线C、甲是 射线,乙是 射线 ,丙是 射线D、甲是 射线,乙是 射线 ,丙是 射线四、原子核物理中的能量、(2005 年北京理综)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 Dn E/eV1 -13.63 -1.
18、512 -3.45 -0.584 -0.85甲乙丙abA优质文档优质文档A.E=mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B 根据E =mc 2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,表明此过程出现了质量亏损D. E=mc2中的 E 是发生核反应中释放的核能10、（1994 年 全国）一个铀核衰变为钍核时释放出一个 粒子，已知铀核的质量为3.85313110-25 kg，钍核质量为 3.78656710-25 kg， 粒子的质量为 6.6467210-27 kg，在这个衰变过程中释放出来的能量等于 J（保留两位二位数字）8.710 1311、一个质子和一个中子结
19、合氘核时,产生 光子, 由此可见 ( ) B CA.氘核的质量等于质子和中子的质量之和 B.氘核的质量小于质子和中子的质量之和C.核子结合成原子核时会释放核能 D.原子核分解成核子时会释放核能1、（1992 年全国）卢瑟福 粒子散射实验的结果 C （ 粒子散射实验，核式结构）A.证明了质子的存在 B.证明了原子核是由质子和中子组成的C.证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里D 说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 2、（04 年海南综合 31 若用 x 代表一个中性原子中核外的电子数,y 代表此原子的原子核内的质子数,z 代表此原子的原子核内的中子数,则对 的原子来说 （
20、 ）BTh23490Ax=90 y=90 z=234 Bx=90 y=90 z=144Cx=144 y=144 z=90 Dx=234 y=234 z=3243、(2005 年理综)氢原子的能级图如图所示欲使一处于基态的氢原子释放出一个电子而变成氢离子，该氢原子需要吸收的能量至少是 （电离能）AA13.60eV B10.20eV C0.54eV D27.20eV4、（1998 年全国）天然放射性元素 Th（钍）经过一系形 衰变和 衰变之后，变成Pb（铅）下列论断中正确的是 B D （衰变中的守恒）A 铅核比钍核少 24 个中子 B 铅核比钍核少 8 个质子C 衰变过程中共有 4 次 衰变和 8
21、 次 衰变 D 衰变过程中共有 6 次 衰变和 4 次 衰变2002 年全国高考 15 目前普遍认为, 质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成。u 夸克带电量为 ,d 夸克带电量为 ,e 为基元电荷。下列论断可能正确的是 ( ) B（守e32e31恒问题）A.质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成,中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成B.质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成,中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成C.质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成,中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成D.质子由 2 个
22、 u 夸克和 1 个 d 夸克组成,中子由 1 个 u 夸克和 1 个d 夸克组成5、（1994 年 上海）在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图中 a，b 所示，由图可以判定 BD（结合带电粒子在磁场中的运动）ab优质文档优质文档A.该核发生的是 衰变 B.该核发生的是 衰变C.磁场方向一定是垂直纸面向里 D.磁场方向向里还是向外不能判定6（03 年江苏高考 4）铀裂变的产物之一氦 90（ ）是Kr9036不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆 90（ ），这些衰变是（ ）BZ40A1 次 衰变，6 次 衰变 B4 次 衰变
23、C2 次 衰变 D2 次 衰变，2 次 衰变7、（04 年浙江 14）本题中用大写字母代表原子核。E 经 衰变成为 F，再经 衰变成为G，再经 衰变成为 H。上述系列衰变可记为下式：另一系列衰变如下： SRQPHGE已知 P 是 F 的同位素，则 （ ）BAQ 是 G 的同位素，R 是 H 的同位素 BR 是 E 的同位素，S 是 F 的同位素CR 是 G 的同位素，S 是 H 的同位素 DQ 是 E 的同位素，R 是 F 的同位素8、(2005 年春季理综)16一个氘核（ ）与一个氚核（ ）发生聚变，产生一个中子21H31和一个新核，并出现质量亏损聚变过程中 BA吸收能量，生成的新核是 B放
24、出能量，生成的新核是e42 e42C吸收能量，生成的新核是 D放出能量，生成的新核是3 39、静止在匀强磁场中的锂原子核，俘获一个速度为 7.7104 m/s 的中子而发生核反应放出 粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得 粒子速度为：2104m/s，方向与中子速度方向相同，求： （核反应和磁场的综合应用题）（1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。（2）生成的新核的速度大小和方向。（3）若 粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？(1)（2）由动量守恒定律 mn vn=m v +mH vH V H =( mn vn- m v )/ m
25、H=- 1.0103 m/s 方向与中子方向相反3）由 r=mv/qB mv/qr : rH = m v /q ： mHvH/qH =（42 2 ）：（30.1）= 40: 3 T=2m/qB m/q T : TH=4/2 : 3/1=2: 310、1930 年发现，在真空条件下用 射线轰击铍 9 时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强的不知名射线和另一种粒子，经过研究发现，这种不知名射线具有如下特点：在任意方向的磁场中均不发生偏转；这种射线的速度不到光速的十分之一，用它轰击含有氢核的物质，可以把氢核打出来，用它轰击含有氮核的物质，可以把氮核打出来。并且被打出的氢核和氮核的最大速度之比 vH:v
26、N 近似等于 15 ：2, 若该射线中的粒子均具有相同的能量，与氢核和氮核碰前氢核和氮核可认为静止，碰撞过程没有机械能损失，已知氢核和氮核的质量之比等于 1 :14，写出 射线轰击铍核的反应方程。试根据上面所述enLi423106优质文档优质文档的各种情况，通过具体分析说明该射线是不带电的，但它不是 射线，而是由中子组成。（用动量守恒和能量守恒的观点解决原子物理问题） 在任意方向的磁场中均不发生偏转,则它不带电; 射线是电磁波,速度为光速 c,这种射线的速度不到光速的 1/10,所以它不是 射线. 对打出氢核的实验,由弹性碰撞关系 (mH vH 是氢核的质量和速度 ) 由动量守恒定律 mv=mv1+mH vH 由动能守恒 1/2mv2 = 1/2mv12 + 1/2mHvH2 对于打出氮核的实验，同理,(mN vN 是氮核的质量和速度)m = m H（ 不带电，和质子质量相等的是中子）m 为中子nCeB102649mN2 54HHNmvmH解 得
