第十五章原子和原子核.docx
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第十五章原子和原子核
第十五章原子和原子核
知识网络
第1课时原子结构能级
复习准备
感受高考
考什么?
1.α粒子散射实验、原子的核式结构(Ⅰ)
2.氢原子的能级结构、光子的发射和吸收(Ⅱ)、氢原子的电子云(Ⅰ)
怎么考?
(2006广东物理,3)下列说法正确的是()
A.康普顿发现了电子
B.卢瑟福提出了原子的核式结构模型
C.贝史勒尔发现了铀和含铀矿物的天然放射现象
D.伦琴发现了X射线
解析:
康普顿发现了康普顿效应,汤姆生发现了电子,卢瑟福提出了原子的核式结构模型,贝史勒尔发现了铀和含铀矿物的天然放射现象,伦琴发现了X射线,所以答案为BCD,有的考生不熟悉物理学史,导致错选或漏选。
答案:
BCD
知识清单
一、原子的核式结构
1.α粒子散射实验的结果是:
绝大多数α粒子穿过金箔后仍能沿原来的方向前进,少数α粒子发生了较大角度的偏转,极少数α粒子偏转角超过了90°,有的甚至被反弹,偏转角几乎达到180°.
2.原子的核式结构:
卢瑟福原子核式结构理论的主要内容是:
原子的中心有个核,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核旋转.从α粒子散射实验的数据可以估计出原子核的大小约为10-15~10-14m,原子半径大约是10-10m.
二、玻尔原子模型
1.玻尔理论的主要内容:
①定态假设:
原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些能量状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量,这些状态叫定态.在这些状态中,原子是稳定的,不向外辐射能量.②跃迁假设:
原子从一个能级向另一个能级跃迁时,吸收(或辐射)一定频率的光子,光子的能量
hν=|Em-En|.
③轨道量子化假设:
原子核外的电子的可能轨道是某些分立的数值.
2.氢原子能级
氢原子的各个定态的能量值叫做它的能级.最低的能量状态,即电子离核最近的轨道上运动的状态叫基态,基态时比较稳定.其他能级原子状态不稳定,处于激发态.
En=
rn=n2r1n=1,2,3,…其中
r1=0.53×10-10mE1=-13.6eV
3.原子光谱及其应用
原子光谱:
元素在稀薄气体状态下的光谱是分立的线状谱,由一些特定的频率的光组成,又叫原子光谱.
原子光谱的应用:
每种元素的原子光谱都有自己的一组特定谱线,应用光谱分析可以确定物质成分.
4.电子云:
玻尔原子模型引入量子化观点,但不完善.在量子力学中,核外电子并没有确定的轨道,玻尔电子轨道只不过是电子出现几率最大的地方.
复习进行
三点剖析
1.原子的核式结构
根据卢瑟福的α粒子散射实验得到的结论,可以认为原子的全部正电荷和几乎全部的质量集中在一个很小的核上,由于核很小,大部分α粒子穿过金箔时都离核很远,受到的库仑力小,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,发生大角度偏转.从α粒子散射实验的数据,估计原子核直径数量级为10-15—10-14m,而原子的直径数量级为10-10m.
【例1】根据卢瑟福的原子核式结构模型,下列说法正确的是()
A.原子中的正电荷均匀分布在整个原子范围内
B.原子中的质量均匀分布在整个原子范围内
C.原子中的正电荷和质量都均匀分布在整个原子范围内
D.原子中的正电荷和几乎全部质量都集中在很小的区域范围内
解析:
根据卢瑟福的原子核式结构模型:
原子的中心有个核,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核旋转.
答案:
D
2.玻尔氢原子模型中的能级结构
卢瑟福的核式结构模型能很好地解释实验现象,但是不能解释原子的稳定性和原子光谱的不连续性.玻尔提出原子结构假说:
认为电子轨道半径只能是某些分立的数值,是量子化的,不同轨道对应不同状态,在这些状态中是稳定的不辐射能量,不同的状态有不同的能量,所以说原子的能量也是量子化的.氢原子不同能级的能量关系:
En=
(n=1,2,3,…E1=-13.6eV).能量最低态叫基态,其他态叫激发态.玻尔理论能很好地解释原子光谱问题,但除了氢原子光谱外的其他问题上遇到了很大的困难,这是由于他引入了量子化的观念,但同时又应用了牛顿力学的规律,所以也是不完善的.
【例2】原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子,例如在某种条件下,铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给n=4能级上的电子,使之能脱离原子,这一现象叫做俄歇效应,以这种方式脱离了原子的电子叫做俄歇电子.已知铬原子的能级公式可简化表示为En=-A/n2,式中n=1,2,3,…表示不同能级,A是正的已知常数,上述俄歇电子的动能是()
A.3A/16B.7A/16C.11A/16D.13A/16
解析:
n=2跃迁到n=1能级时放出能量为3A/4,处于n=4能级的电子吸收能量为A/16可以电离,所以上述俄歇电子的动能是3A/4-A/16=11A/16.
答案:
C
3.电子的跃迁,光子的辐射和吸收
原子处于基态时最稳定,所以处于较高能级的电子会向基态跃迁,跃迁时以光子的形式对外辐射能量,辐射光子的频率满足关系hν=|Em-En|.如果原子吸收光子后则从低能级向高能级跃迁.这个关系只适用于光子和原子的作用而使原子在各个能级之间跃迁,也就是说吸收或放出的光子的能量必须是两个能级的能量差,但是对下述两种情况就不受此条件的限制.①当光子与原子作用而发生电离,比如处于基态的氢原子,只要光子的能量大于或等于13.6eV都能使氢原子电离,多余的能量就是电离的自由电子的动能.②实物粒子与原子作用而使原子激发或电离,这时实物粒子的动能可以全部或部分被原子吸收,所以入射粒子的动能大于或等于某两个能级差,都能使原子发生跃迁.
【例3】用能量为12.3eV的光子去照射一群处于基态的氢原子,受光子照射后,下列关于氢原子跃迁的说法中正确的是()
A.原子能跃迁到n=2的轨道上去B.原子能跃迁到n=3的轨道上去
C.原子能跃迁到n=4的轨道上去D.原子不能跃迁到其他轨道上去
解析:
氢原子基态的能量E1=-13.6eV
由En=
可知,E2=-3.4eV,E3=-1.5eV,E4=-0.85eV
因为E2-E1=10.2eV<12.3eV,E3-E1=12.09eV<12.3eV,E4-E1=12.75eV>
12.3eV,故正确选项为D.
但如果用动能为12.3eV的电子射向一群处于基态的氢原子,射入电子与氢原子相碰,电子部分或全部动能转移,则就应选选项AB.
答案:
D
各个击破
类题演练1
在卢瑟福的α粒子散射实验中,有少数α粒子发生大角度偏转,其原因是()
A.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.原子只能处于一系列不连续的能量状态中
解析:
α粒子散射实验说明了原子的核式结构.
答案:
A
变式提升1
(2006上海物理,7)卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析,提出()
A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在
C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的
解析:
本题涉及了α粒子的散射实验,考查了物理学家对科学的贡献和实事求是、积极探索的精神.英国物理学家卢瑟福的α粒子散射实验的结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原方向前进,但有少数α粒子发生较大的偏转.α粒子散射实验只发现原子可以再分,但并不涉及原子核内的结构.查德威克在用α粒子轰去铍核的实验中发现了中子,卢瑟福用α粒子轰击氮核时发现了质子.
答案:
A
类题演练2
氢原子的能级公式可简化为En=
eV,其中n=1,2,3,…有一群处于基态的氢原子,其中跃迁到n=2、3、4激发态的氢原子吸收能量分别为___________,__________,___________.处于这些n=4激发态的氢原子在跃迁过程中可能发出__________种不同频率的光,最短波长等于__________.
解析:
由En=
可知,E1=-3.4eV,E3=-1.51eV,E4=-0.85eV,不同波长的光的种类N=
=6.波长最短,频率最大,能量最大.所以λmin=
=9.8×10-8m.
答案:
-3.4eV-1.51eV-0.85eV69.8×10-8m
变式提升2
图15-1-1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,能够发出若干种不同频率的光波.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()
图15-1-1
A.二种B.三种C.四种D.五种
解析:
本题考查光电效应和玻尔理论.
能够从金属钾表面打出光电子,光电子的能量必须大于金属钾的逸出功W=2.22eV.氢原子从n=4的能级向低能级跃迁,可发出6种不同频率的光子,它们的能量分别如下:
①ΔE1=E4-E1=12.75eV②ΔE2=E4-E2=2.55eV
③ΔE3=E4-E3=0.66eV④ΔE4=E3-E1=12.09eV
⑤ΔE5=E3-E2=1.89eV⑥ΔE6=E2-E1=10.2eV
可见,有四种光子的能量大于金属钾的逸出功W.
答案:
C
类题演练3
一个具有动能Ek0=13.6eV、处于基态的氢原子与一个静止的、同样处于基态的氢原子发生对心碰撞(正碰),试确定碰撞的性质(是弹性还是非弹性的).
解析:
两个处于基态的氢原子发生正碰,若是有动能损失,则由能量守恒可知,损失的动能转化为原子的结合能就是原子的能量,原子的能级跃迁可能吸收光子,也可能是在原子碰撞中获得能量,从而发生跃迁.在碰撞中,动能损失最大的碰撞是完全非弹性碰撞,也就是两个氢原子获得共同速度.由动量守恒定律可得,p0=
=pt=
此过程损失的动能为ΔEk=Ek0-Ek1=6.8eV
这两个氢原子在碰撞过程中损失的最大动能为6.8eV,这个能量不足以使处于基态的氢原子向激发态跃迁,因为基态的氢原子跃迁到激发态所需的最小能量为10.2eV,所以这两个氢原子碰撞不会失去动能,只能是弹性碰撞.
答案:
弹性的
变式提升3
(2006江苏物理,4)氢原子的能级如图15-1-2所示,已知可见的光的光子能量范围约为1.62eV—3.11eV,下列说法错误的是()
图15-1-2
A.处于n=3能级的氢原子可以吸收任意频率的紫外线,并发生电离
B.大量氢原子从高能级向n=3能级跃迁时,发出的光具有显著的热效应
C.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出6种不同频率的光
D.大量处于n=4能级的氢原子向低能级跃迁时,可能发出3种不同频率的可见光
解析:
本题涉及氢原子及氢原子能级跃迁的知识,对多个知识点的综合考查,考查了考生分析和推理问题的能力.要使处于n=3能级的氢原子电离,其光子的能量必须大于或等于1.51eV,而紫外线光子的能量大于3.11eV,故能使n=3能级的氢原子电离;大量氢原子从高能级向低能级跃迁时,放出的光子在红外线区,故具有显著的热效应;大量氢原子由n=4能级向低能级跃迁时,可能放出6种不同频率的光,由以上分析可知D选项错误.
答案:
D
高考热身
基础达标
1.根据玻尔理论,在氢原子中,量子数n越大,则()
A.电子轨道半径越小B.核外电子运动速度越小
C.原子能级的能量越小D.电子的电势能越大
解析:
根据可能的轨道半径公式rn=n2r1可知,量子数n越大,电子轨道半径越大,A项错误.由
得v=e
,可见,随着量子数n的增大,电子的运动速度减小,B项对.根据En=
E1,原子的能量随量子数n的增大即轨道半径的增大而增大(因E1为负值),故C项错误.因轨道半径增大时,需要克服原子核的引力做功,所以电子的电势能增加,D项对.
答案:
BD
2.一个氢原子处于第3能级时,外面射来了一个波长为6.63×10-7m的光子,下列说法中正确的是()
A.氢原子不吸收这个光子,光子穿过氢原子
B.氢原子被电离,电离后的电子的动能约为0.36eV
C.氢原子被电离,电离后电子的动能为零
D.氢原子吸收光子,但不电离
解析:
因为E3=-1.51eV,因此要使电子电离必须至少吸收1.51eV的能量.入射光子的能量为:
E=
=1.87eVE+E3>0
所以氢原子电子被电离,电离后电子的动能约为0.36eV,即B选项正确.
答案:
B
3.氢原子能级图的一部分如图15-1-3所示,a、b、c分别表示氢原子在不同能级之间的3种跃迁途径,设在a(3→2)、b(3→1)、c(2→1)3种跃迁过程中,放出光子的能量和波长分别是:
Ea、Eb、Ec和λa、λb、λc.则()
图15-1-3
A.λb=λa+λcB.
C.λb=λa·λcD.Eb=Ea+Ec
解析:
由能量观点Eb=Ea+Ec得hνb=hνa+hνc,h
=
+h
故选BD.
答案:
BD
4.如图15-1-3所示为氢原子的能级图,用光子能量为13.07eV的光照射一群处于基态的氢原子,可能观测到氢原子发射的不同波长有多少种()
A.5B.10C.4D.1
解析:
hνb=E终-E初
13.07eV=E终-(-13.61eV)
E终=-0.54eV,n=5,
=10.
故选B.
答案:
B
5.氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值,它包括氢原子系统的电势能和电子在轨道上运动的动能.氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时()
A.氢原子的能量减少,电子的动能增加B.氢原子的能量增加,电子的动能增加
C.氢原子的能量减少,电子的动能减少D.氢原子的能量增加,电子的动能减少
解析:
氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时,
由k
动能增加,又发出光子,所以原子能量减少.
答案:
A
综合运用
6.氢原子的核外电子由基态跃迁到量子数n=2激发态时,吸收光子的能量是E,若氢原子从量子数n=3的能级跃迁到量子数n=2的能级时,则释放光子的能量是_______.
解析:
E=E2-E1=
-(-E1)=
E1
ΔE=E3-E2=
-(
)=
.
答案:
7.图15-1-4中给出氢原子最低的4个能级.氢原子在这些能级之间跃迁所辐射光子的频率最多________有种,其中最小的频率等于________Hz.(保留两位有效数字)
图15-1-4
解析:
氢原子处于较高能级时,可能因释放光子能量不同,跃迁至不同的较低能级,因而在题给的4个较低能级间跃迁时,存在多种可能性.可从最高能级逐级向下考虑:
当n=4时,有4→3、4→2、4→1三种可能性;当n=3时,有3→2、3→1两种可能性;当n=2时,只有2→1一种可能性,所以光子频率有6种可能性(C24).从n=4跃迁至n=3时能级差最小,光子的频率也最小,由公式E4-E3=hν得ν=1.6×1014Hz.
答案:
61.6×1014
拓展探究
8.“秒”是国际单位制中的时间单位,它等于133Cs原子基态的两个超精细能级之间跃迁时所辐射的电磁波周期的9192631770倍.据此可知,该两能级之间的能量差为________eV.(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)
解析:
E=hν=
J=6.1×10-24J=3.8×10-5eV.
答案:
3.8×10-5
教师锦囊
该课时中涉及的下列物理学史应该让学生记住:
1.汤姆生发现电子,说明了原子是可分的.
2.卢瑟福α粒子散射实验的结果否定了关于原子结构的汤姆生模型,卢瑟福提出了关于原子的核式结构学说,并估算出原子核直径的数量级10-15m—10-14m.
3.玻尔提出关于原子结构模型(玻尔理论),成功地解释了氢光谱.
第2课时核反应核能
复习准备
感受高考
考什么?
原子核的组成,天然放射现象.α射线、β射线、γ射线(Ⅰ)
衰变、半衰期,原子核的人工转变,核反应方程,放射性同位素及其应用(Ⅰ)
放射性污染和防护(Ⅰ)
核能、质量亏损、爱因斯坦质能方程(Ⅱ)
核电站(Ⅰ)
重核的裂变,链式反应,核反应堆(Ⅰ)
轻核的聚变,可控热核反应(Ⅰ)
人类对物质结构的认识(Ⅰ)
怎么考?
(2006全国卷Ⅱ,14)现有三个核反应:
①
②
③
下列说法正确的是()
A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变
B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变
C.①β衰变,②裂变,③聚变
D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变
解析:
本题涉及到原子核的裂变、衰变和聚变,考查了考生对这些核反应的理解和区别.原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变,衰变是指原子核自发放出α粒子和β粒子等变成新的原子核的变化,如本题中的核反应①;原子核的人工转变是指用高速粒子轰击原子核使之变成新的原子核的变化;裂变是重核分裂成质量较小的核的核反应,如核反应②;聚变是轻核结合成质量较大的核的核反应,如③;综上所述,选项C正确.
答案:
C
知识清单
一、衰变
1.两种衰变
原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变.
(1)
(α衰变)
(2)
(β衰变)
2.三种射线:
α射线、β射线、γ射线
二、人工转变
用人工方法使某原子核在其他粒子作用下转变成另一种原子核的变化过程称为人工转变.利用原子核人工转变人们发现了质子、中子,并认清了原子核的结构,并且制造出上千种放射性同位素.在工业、农业、医疗、科研等许多方面得到广泛应用.
(1)(卢瑟福)发现质子的核反应方程:
(2)(查德威克)发现中子的核反应方程:
(3)原子核的组成
(4)(正电子)的发现
同位素:
具有相同质子数,不同中子数的原子互称为同位素.放射性同位素的作用:
利用它的射线;作为示踪原子.
三、重核裂变与轻核聚变
1.重核裂变
(1)重核裂变:
质量很大的重原子核分裂成中等质量的核的反应过程.
(2)裂变方程式:
如:
2.轻核聚变
(1)轻核聚变:
轻核结合成质量较大原子核的反应过程.
(2)聚变方程:
.
四、核能
1.核子
原子核是由质子和中子组成的,质子和中子统称为核子.
2.核力
核子间相互作用力
(1)核力是很强的吸引力.
(2)核力作用范围小,只在
2.0×10-15m短距离内起作用.
(3)每个核子只跟它相邻的核子间才有核力的作用.
3.核能
(1)核能:
核子结合成原子核时放出一定的能量,原子核分解成核子时吸收一定的能量,这种能量叫结合能,也称核能.
(2)质量亏损:
组成原子核的核子质量与所组成的原子核质量之差.Δm=m-m′
(3)爱因斯坦质能方程:
E=mc2
说明物体的质量和能量之间存在着一定的关系,核子在结合成原子核时,放出核能,因此原子核的质量必定比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损.
复习进行
三点剖析
1.几个重要的物理史实和研究方法及核能的计算
1897年汤姆生发现了电子,认为电子是原子的组成部分,提出了原子的枣糕模型.1909—1911年,卢瑟福做了α粒子散射实验否定了原子的枣糕模型,提出了原子的核式结构模型.但是不能解释原子的稳定性和原子光谱,1913年玻尔提出了玻尔氢原子模型.1919年卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子.查德威克用α粒子轰击铍核发现了中子.
核能可以根据ΔE=Δmc2计算,也可根据1原子质量单位相当于931.5MeV能量来计算.
【例1】下列说法中正确的是()
A.玛丽·居里首先提出原子的核式结构
B.卢瑟福在α粒子散射实验中发现了电子
C.查德威克在原子核人工转变的实验中发现了中子
D.爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说
解析:
这是考查物理学史.卢瑟福首先提出原子核式结构模型,卢瑟福在α粒子散射实验中发现了原子的中心有个核,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;查德威克在原子核人工转变的实验中发现了中子是对的,爱因斯坦为解释光电效应的实验规律提出了光子说.
答案:
CD
2.核反应后的粒子运动规律的判断与计算
我们首先要知道各种粒子的带电情况,α粒子是氦原子核,所以带正电,β粒子是电子带负电,γ粒子是光子不带电,质子带正电,中子不带电.原子核衰变产生的新原子核带正电.如果在电场中就能根据带电性判断受力方向,在磁场中,也就能判断洛伦兹力的方向了.一般这些粒子都不考虑重力.这样就把这类问题转化为带电粒子在电场中运动或在匀强磁场中的运动了,前面的有关规律在这里都可以用了.核反应或原子核的衰变前后要注意到动量守恒,质能守恒.例如放射性元素的原子核原来静止在匀强磁场中,
发生α、β衰变时,由于动量守恒,带电粒子在磁场中的运动轨道半径与电荷量成反比,所以α或β粒子的半径大、新核的半径小,根据带电性可判断两圆内切的是β衰变,外切的是α衰变.还可以根据半径的比值确定新核的电荷数.
【例2】静止的
衰变成
,静止原子核
衰变为
,在同一匀强磁场中的轨迹如图15-2-1所示.由此可知()
图15-2-1
A.甲图为
的衰变轨迹,乙图为
的衰变轨迹
B.甲图为
的衰变轨迹,乙图为
的衰变轨迹
C.图中2、4为新核轨迹,1、3为粒子轨迹
D.图中2、4为粒子轨迹,1、3为新核轨迹
解析:
原子核P衰变成Si时,放出正电子,两者均带正电,运动方向相反,根据左手定则,轨道应是外切圆,如图乙.根据动量守恒,
0=m3v3-m4v4,R=
所以
所以3为粒子轨迹.
同理:
所以1为粒子轨迹.
因此,原子核
变成原子核
时,放出带负电的电子,轨迹应是内切圆,如图甲.
答案:
BC
3.衰变规律和有关半衰期的计算
原子核产生α衰变核的质量数减少4,电荷数减少2;发生β衰变核的质量数不变,电荷数增加1.γ射线是伴随着α、β射线产生的.放射性元素的原子核有半数衰变所需的时间相等,这个时间叫半衰期.半衰期短放射性强.衰变发生在原子核内部,所以与外界环境状况,还是与其他元素形成化合物等都无关.
【例3】两个放射性元素样品A、B,当A有15/16的原子核发生衰变时,B恰好有63/64的原子核发生衰变,求A和B的半衰期之比TA∶TB为多少?
解析:
设这段时间为t,由题知,A有1/16未发生衰变,B有1/64未发生衰变,由衰变规律得
m1=m1(
)t/TA
m2=m2(
)t/TB,可得TA∶TB=3∶2.
答案:
3∶2
各个击破
类题演练1
1905年,爱因斯坦创立了“相对论”,提出了著名的质能方程E=mc2.下面涉及到对质能方程理解的几种说法中,正确的是()
A.若物体的能量增加,则它的质量增大
B.若物体的能量增加,则它的质量减小
C.若核反应过程质量减小,则需吸收能量
D.若核反应过程质量增大,则需放出能量
答案:
A
变式提升1
(2006四川,16)某核反应方程为
2.已知
的质量为2.0136u,
的质量为3.0180u,
质量为4.0026u,x的质量为1.0087u.则下列说法中正确的是()
A.x是质子,该反应释放能量B.x是中子,该反应释放能量
C.x是质子,该反应吸收能量D.x是中子,该反应吸收能量
解析:
核反应方程的书写,应注意对两个守恒方程的理解和应用.对能量的判断,是看核反应前、后的质量变化,应注意的是质量数守恒并非质量不变.设x的质量数为a,核电荷数为b,则由质量数守恒和电
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- 第十五章 原子和原子核 第十五 原子 原子核