高三物理原子物理復(fù)習(xí).ppt

1、原子物理,原子結(jié)構(gòu) 原子核組成 核能,原子的核式結(jié)構(gòu)與玻爾理論,一、原子的核式結(jié)構(gòu) 1.實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：用粒子轟擊金箔，結(jié)果大多 數(shù)粒子穿過(guò)金箔后沿原方向前進(jìn)，少數(shù)粒子 發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角度超過(guò) 90，有的甚至被彈回.該實(shí)驗(yàn)就是粒子散射實(shí) 驗(yàn).,更多資源,2.結(jié)論：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn). 原子核所帶的正電荷數(shù)等于核外電子數(shù)，所以整個(gè)原子是中性的，電子繞核運(yùn)動(dòng)的向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖力. 3.原子和原子核的大小：原子的大小數(shù)量級(jí)大約是10-10m，原子核的大小數(shù)量級(jí)在10-1510-14

2、m之間.,二、玻爾的量子化模型,（1）經(jīng)典電磁理論對(duì)原子核式結(jié)構(gòu)的解釋中認(rèn)為，原子是不穩(wěn)定的，電子繞核旋轉(zhuǎn)，并不斷向外輻射電磁波，因此電子的能量不斷衰減，最終電子隕落到原子核上；事實(shí)上原子是穩(wěn)定的.,（2）經(jīng)典電磁理論認(rèn)為原子發(fā)射的光譜，由于原子能量逐漸衰減，因此其輻射的電磁波的頻率應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的；事實(shí)上原子發(fā)生產(chǎn)生的光譜是不連續(xù)的.,1.盧瑟福核式結(jié)構(gòu)與經(jīng)典電磁理論的矛盾：,2.玻爾理論. (1)三個(gè)假設(shè)： 定態(tài)假設(shè)原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然做加速運(yùn)動(dòng)，但不向外輻射能量. 躍遷假設(shè)原子從一種定態(tài)（設(shè)能量 為E初）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E終）時(shí)，

3、 它輻射（或吸收）一定頻率的光子，光子的能 量由這兩種定態(tài)的能量差決定，即h=E初-E終。 軌道量子化假設(shè)原子的不同能量狀 態(tài)跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)， 原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道 的分布也是不連續(xù)的.,(2)兩個(gè)公式：（了解） 能級(jí)公式：原子各定態(tài)的能量叫做原子的能級(jí)，對(duì)于氫原子，其能級(jí)公式為： En=E1/n2(n=1、2、3) 軌道公式：rn=n2r1(n=1、2、3) n為量子數(shù)，只能取正整數(shù)，En是半徑為rn的軌道的能量值，它等于核外電子在該軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)能和原子的電勢(shì)能總和，若規(guī)定無(wú)限遠(yuǎn)處為零電勢(shì)點(diǎn)，則E1=-13.6eV. 注意：量子數(shù)n=1定態(tài)，又叫基

4、態(tài)，能 量值最小，電子動(dòng)能最大，電勢(shì)最??；量子 數(shù)越大，能量值越大，電子動(dòng)能越小，電勢(shì) 能越大.,例題:,練習(xí),1.原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)是根據(jù)以下哪個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象提出來(lái)的（ ） A.光電效應(yīng) B.氫原子光譜實(shí)驗(yàn) C.粒子散射實(shí)驗(yàn) D.天然放射現(xiàn)象,2.盧瑟福提出的原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)的根據(jù) 是在粒子散射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)粒子（ ） A.全部穿過(guò)或發(fā)生很小的偏轉(zhuǎn) B.全部發(fā)生很大的偏轉(zhuǎn) C.絕大多數(shù)穿過(guò)金箔后前進(jìn)方向幾乎不變， 只有少數(shù)發(fā)生很大偏轉(zhuǎn) D.絕大多數(shù)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至被彈回,3.玻爾在他的原子模型中所做的假設(shè)有( ) A.原子處于稱為定態(tài)的能量狀態(tài)時(shí)，雖然電子做加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量 B.原子的

5、不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)，而電子的可能軌道的分布是不連續(xù)的 C.電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，輻射（或吸收）一定頻率的光子 D.電子躍遷時(shí)輻射的光子的頻率等于電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率,【例1】在粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)粒子發(fā)生了較大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是（A） A.原子的全部正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在原子中心一個(gè)很小的核上 B.正電荷在原子中是均勻分布的 C.原子中存在著帶負(fù)電的電子 D.原子只處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,【解析】粒子散射實(shí)驗(yàn)的意義，在于它是 原子的核式結(jié)構(gòu)理論建立的基礎(chǔ). 答案為A.,【例2】處于基態(tài)的氫原子在某單色光的照射 下，只能發(fā)出頻率為1、2、3的三種

6、光， 且1 2 3，則該照射光的光子能量（C） A.h1 ； B.h2 ； C.h3； D.h(1 +2 +3)；,【解析】根據(jù)玻爾理論，當(dāng)處于基態(tài)的氫原子受到某單色光照射時(shí)，氫原子應(yīng)吸收一個(gè)光子的能量h，從基態(tài)跳遷到某一定態(tài)，如果處于該定態(tài)的氫原子向較低定態(tài)躍遷只能發(fā)出頻率為1、2、3的三種光，則該定態(tài)一定為第三能級(jí)，再由三種光的頻率的大小和氫原子能級(jí)關(guān)系，當(dāng)有h1h2h3 ，而且有（h1+h2）=h3，而h3為照射光的光子能量，也為基態(tài)與第三能級(jí)間的能量差，故本題答案為C.,【例3】估算運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)， 說(shuō)明為什么我們觀察不到運(yùn)動(dòng)員的波動(dòng)性 【解析】設(shè)運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量為60kg

7、，該運(yùn)動(dòng)員跑步 時(shí)速度為10m/s，則其德布羅意波的波長(zhǎng)： =h/mv=6.6310-34/(6010)=1.110-36m；由計(jì) 算結(jié)果可知，其波長(zhǎng)太小，幾乎觀察不到.所以觀 察不到宏觀的物體的波動(dòng)性.,【解題回顧】觀察下列宏觀物體的波動(dòng)性， 是因?yàn)?，波長(zhǎng)大小，而微觀粒子的德布羅意 波長(zhǎng)較大，就較容量觀察到其波動(dòng)性.,【例4】粒子散射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)粒子最接近 原子核時(shí)，粒子符合下列的情況是（AD） A.動(dòng)能最小 B.勢(shì)能最小 C.粒子與金原子核組成的系統(tǒng)的能量最小 D.所受原子核的斥力最大,【解析】該題所考查的是原子的核式結(jié)構(gòu)、 動(dòng)能、電勢(shì)能、庫(kù)侖定律及能量守恒等知識(shí) 點(diǎn).粒子在接近金原子核的過(guò)

8、程中，要克服 庫(kù)侖斥力做功，動(dòng)能減少電勢(shì)能增大，兩者 相距最近時(shí)，動(dòng)能最小，電勢(shì)能最大，總能 量守恒.根據(jù)庫(kù)侖定律，距離最近時(shí)，斥力最 大.綜上所述，本題答案為AD.,返回:,原子核的組成,一、天然放射性 1.貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)了某些礦物中能發(fā)出某種看不見(jiàn)的射線，此射線可以穿透黑紙使照相底片感光.物質(zhì)發(fā)射這種射線的性質(zhì)叫放射性，具有這種性質(zhì)的物質(zhì)稱作放射性元素.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都具有這種性質(zhì)，這種能自發(fā)的放射出射線的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象.,2.三種射線的比較： 射線：本質(zhì)是氦核流，速度約為光速的十分之一，貫穿本領(lǐng)弱，電離作用極強(qiáng)； 射線：電子流，速度接近光速，貫穿

9、本領(lǐng)強(qiáng)，電離作用弱； 射線：本質(zhì)量波長(zhǎng)極短的電磁波，就是光子，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，電離作用最弱；,3.原子核的衰變：原子核自發(fā)的放出某種粒子而轉(zhuǎn)變成為新核的過(guò)程叫原子核的衰變. 衰變： ,同時(shí)放出射線； 衰變： ，同時(shí)放出射線；,4半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間. 剩余的原子核數(shù)和質(zhì)量，N0、m0為最 初原核子數(shù)和質(zhì)量. 半衰期由核內(nèi)部的因素決定的，與原 子的物理狀態(tài)和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即與外部 條件無(wú)關(guān).,二、原子核的組成 1.原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中 子統(tǒng)稱為核子，質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的 元素稱為同位素.使核子緊密結(jié)合在一起的力 叫核力，核力是很強(qiáng)的短距離作用力；原子

10、核內(nèi)只有相鄰的核子間才有核力作用.,2.核子的發(fā)現(xiàn). (1)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程（1919年，盧瑟福）： . (2)發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程（1932年，查德威克）： . 中子首先是盧瑟福預(yù)言了其存在，而小居里夫婦最先做出這一實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了中子，但小居里夫婦沒(méi)有注意到盧瑟福的預(yù)言，當(dāng)初認(rèn)為它是一種波長(zhǎng)極短的電磁波.,三、原子核的人工轉(zhuǎn)變 1.用人工的方法使原子核發(fā)生變化叫做原子核的人工轉(zhuǎn)變，它是人們研究原子核的結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的有力武器. 2.用人工轉(zhuǎn)變的方法得到放射性同位素，是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，放射性同位素主要有兩方面的應(yīng)用：利用它的射線；作為示蹤原子.,3.放射性同位素的發(fā)現(xiàn)（1934年，約里奧居

11、里夫 婦）： ，而 也有放射 性； ，其中 是正電子. 4.注意：在人工轉(zhuǎn)變中，用某高速粒子去轟擊某原子核后，原子核發(fā)射出粒子和射線并轉(zhuǎn)變成新的原子核的過(guò)程中，不可認(rèn)為是高速粒子從原子核中打出了粒子.,練習(xí),1.下面哪些事實(shí)證明了原子核具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)( ) A.粒子的散射實(shí)驗(yàn) B.天然放射現(xiàn)象 C.陰極射線的發(fā)現(xiàn) D.倫琴射線的發(fā)現(xiàn),2.射線的本質(zhì)是( ) A.電子流 B.高速電子流 C.光子流 D.高速氦核流,3.放射性元素的半衰期是( ) A.質(zhì)量減小一半需要的時(shí)間 B.原子量減少一半需要的時(shí)間 C.原子核全部衰變所需時(shí)間的一半 D.原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間,【例1】 經(jīng)過(guò) 次衰變和

12、次衰變，轉(zhuǎn)變成 . 【解析】對(duì)于衰變和衰變來(lái)說(shuō)， 衰變不改 變質(zhì)量數(shù)，所以應(yīng)當(dāng)先以質(zhì)量數(shù)的變化來(lái)計(jì)算 衰變次數(shù).原子每發(fā)生一次衰變時(shí)質(zhì)量就減少4 個(gè)單位，電荷數(shù)減少2個(gè)單位，而每發(fā)生一次衰 變，則質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)增加一個(gè)單位.,質(zhì)量數(shù)由232減少到208共發(fā)生衰變的次數(shù)為： Na=(232-208)/4=6; 再結(jié)合電荷數(shù)的變化確定衰變的次數(shù)： N= 【解題回顧】解決核反應(yīng)方程類問(wèn)題時(shí)，一定要抓住核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒這個(gè)規(guī)律，本例還要注意衰變的特點(diǎn)質(zhì)量數(shù)不變.,【例2】將天然放射性物質(zhì)放入頂端開(kāi)有小孔的鉛盒S里，放射線便從小孔中射出，沿帶電平行金屬板A、B之間的中線垂直于電場(chǎng)方向進(jìn)入電

13、場(chǎng)，軌道如圖1-2-1所示，則軌跡 是射線，軌跡 是射線，軌跡 是射線. 板帶正電， 板帶負(fù)電.,圖1-2-1,【解析】由于射線不帶電，進(jìn)入電場(chǎng)后不會(huì)改變方向，所以軌跡為射線. 帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)，則在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，豎直方向的位移為s=v0t,設(shè)兩板間的距離為d，則1/2D=1/2at2，a=8E/m=qU/dm,則 s= ，,由此式可知s與粒子進(jìn)入電場(chǎng)的初速度v0成 正比，與粒子的荷質(zhì)比q/m的平方根成反比.射線 速度約為射線的1/10，而粒子的荷質(zhì)比比粒 子的荷質(zhì)比要小的多，所以粒子的豎直方向位 移要大，所以是射線的軌跡，是射線的 軌跡. 粒子帶正電，而向A板偏移，因此A板

14、帶負(fù) 電，B板帶正電.,【例3】靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的某放射性元素的核，放出一個(gè)粒子，其速度方向與磁場(chǎng)方向垂直，測(cè)得粒子和反沖核軌道半徑之比Rr=301，如圖17-2-2所示，,圖17-2-2,則（ ） A.粒子與反沖核的動(dòng)量大小相等，方向相反 B.反沖核的原子序數(shù)為62 C.原來(lái)放射性元素的原子序數(shù)為62 D.反沖核與粒子的速度之比為162,【解析】本題結(jié)合動(dòng)量守恒、衰變方程、帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)等幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合運(yùn)用；由動(dòng)量守恒得：MV+mv=0，其中MV為反沖核動(dòng)量，mv為粒子的動(dòng)量. Q為原來(lái)放射性元素的原子核電荷數(shù)，則反沖核的電荷數(shù)為Q-2，粒子電荷數(shù)為2. 反沖核的軌跡半徑R=MV

15、/B（Q-2）； 粒子的軌道半徑r=mv/(2B)；綜合以上公式可得Q=62.,【解題回顧】把原子核知識(shí)與電磁場(chǎng)及力 學(xué)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，考查學(xué)生綜合分析也是 每年高考中的熱點(diǎn)之一。本例中要注意反 沖核與粒子的動(dòng)量關(guān)系及電磁性質(zhì)，體 會(huì)外切圓的由來(lái).,返回,核能,一、核能 1.核力：為核子間作用力.其特點(diǎn)為短程強(qiáng) 引力，只在相鄰的核子間發(fā)生作用，與核子的 電性無(wú)關(guān). 2.核能：核子結(jié)合為原子核時(shí)釋放的能量或 原子核分解為核子時(shí)吸收的能量，叫做原子核 的結(jié)合能，亦稱核能. 獲得核能的兩個(gè)基本途徑是重核裂變和輕核聚變.,3.質(zhì)量虧損：組成原子核的核子與原子核 的質(zhì)量之差叫做質(zhì)量虧損；需說(shuō)明的是任何 一

16、個(gè)原子核的質(zhì)量總是小于組成它的所有核 子的質(zhì)量和. 4.愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：凡具有質(zhì)量的物體 都具有能量，物體的質(zhì)量和能量間的關(guān)系為： E=mc2；若原子核質(zhì)量虧損為m，對(duì)應(yīng)釋放 的能量為E=mc2.,注意： 核反應(yīng)過(guò)程中需遵循三個(gè)守恒定律：電荷數(shù)守恒定律、質(zhì)量數(shù)守恒定律和動(dòng)量守恒定律； 質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量損失也不是質(zhì)量消失了，因此不能說(shuō)與質(zhì)量守恒定律相矛盾； 不能理解為質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，質(zhì)量和能量分別是物質(zhì)的屬性之一，不能等同.,二、核反應(yīng) 1.重核的裂變：重核俘獲一個(gè)中子后分裂 為幾個(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng)過(guò)程叫重核的裂 變. 2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：重核裂變時(shí)放出幾個(gè)中子， 再引起其他重核裂變而使裂變反

17、應(yīng)不斷進(jìn)行 下去（原子彈原理）.,3.臨界體積：能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積. 4.反應(yīng)堆構(gòu)造：核燃料、減速劑、鎘棒、防 護(hù)層. 5.輕核的聚變：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的 核的反應(yīng)過(guò)程，該過(guò)程能釋放出更多的量. 6.熱核反應(yīng)：在極高溫度下輕核產(chǎn)生的聚變 反應(yīng)，為氫彈的工作原理.,練習(xí),1.關(guān)于核能，下列說(shuō)法中正確的是（ ） A.核子結(jié)合成原子核時(shí)，需吸收的能量 B.核子結(jié)合成原子核時(shí)，放出的能量 C.不同的核子結(jié)合成原子核時(shí)，所需吸收的能 量相同 D.使一個(gè)氘核分解成一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子時(shí)， 吸收的能量是一個(gè)恒定值,2.質(zhì)子的質(zhì)量為mp，中子的質(zhì)量為mn，它們結(jié) 合成質(zhì)量為m的氘核，放出的能量應(yīng)為(

18、 ) A.（mp+mn-m）c2 B.(mp+mn)c2 C.mc2 D.(m-mp)c2,3.關(guān)于鈾核裂變，下述說(shuō)法正確的是（ ） A.鈾核裂變的產(chǎn)物是多種多樣的，但只能裂 變成兩塊 B.鈾核裂變時(shí)還能同時(shí)釋放2到3個(gè)中子 C.為了使裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)容易產(chǎn)生，最好是 用純鈾235 D.鈾塊的體積對(duì)產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)無(wú)影響,4.下列核反應(yīng)屬于裂變反應(yīng)的是( ) A. B. C. D.,【例1】一個(gè)靜止的鈾238原子核放射出一個(gè) 速度為1.17106m/s的粒子，求：（1）寫(xiě) 出核反應(yīng)方程；（2）反沖核的速度是多大； （3）在此衰變過(guò)程中，由粒子的動(dòng)能變化 引起的質(zhì)量虧損是多少.,【解析】寫(xiě)核反應(yīng)方程要

19、注意質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒、衰變時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，同時(shí)，衰變過(guò)程當(dāng)然也是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，即由于質(zhì)量虧損放出核能，這些能量在一定條件下也可轉(zhuǎn)化成其他形式的能量. （1） .,(2)核衰變的系統(tǒng)受的合外力為0，所以動(dòng) 量守恒，即0=mv+MV；（m、M分別代表粒子 和新核的質(zhì)量，v、V分別表示粒子和新核衰 變后的速度），則：V=-mv/M=-2104m/s， 即新核的運(yùn)動(dòng)方向與粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反， 所以叫做反沖核.,(3)衰變前，鈾238的動(dòng)能為0，衰變后系統(tǒng)的 總動(dòng)能增大： E=1/2mv2+1/2MV2=1. 2310-7J，這就 是由核衰變放出的能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，相應(yīng)的質(zhì) 量虧損可由質(zhì)能方程得： m=E/c2=1.3710-31kg.,【解題回顧】在討論核反應(yīng)前后粒子速度 或動(dòng)能時(shí)，注意利用動(dòng)量原理，同時(shí)應(yīng)注 意反應(yīng)中是否有核能釋放，以及核能是否 都以動(dòng)能形式釋放.,【例2】太陽(yáng)不斷地向外輻射能量.太陽(yáng)內(nèi)部 存在有大量氫，在超高溫作用下氫原子被電離， 互相碰撞，能使4個(gè)氫核聚變?yōu)?個(gè)氦核，同時(shí) 釋放出大量能量.已知質(zhì)子質(zhì)量mH=1.0078u， 粒子的質(zhì)量ma=4.0026u，電子質(zhì)量me=0.00055u. （1）寫(xiě)出該反應(yīng)方程式；（2）核反應(yīng)中釋放 的能量為多少兆電子伏特？合多少焦耳？,【解析】根據(jù)核反應(yīng)方程時(shí)質(zhì)量守恒和電荷數(shù)守恒，可寫(xiě)出反應(yīng)方程