17第十七章原子和原子核.doc

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1、第十七章原子和原子核原子的蜜式氟, 原啬汤姆生原子模型卢瑟福核式结构学说原子核组成电子发现（枣糕模型a粒子散射实验核式结构原子核大小原子核的人工转变原子核的组成 放射性同位素I的应用与防护天然放射现象，放射线的性质L原子核衰变、半衰期r爱因斯坦质能方程E = me2核能+核反应中释放的核能AE = AmcI获取核能的方式：裂变、聚变三大类：媒介子、轻子、强子 反粒子第一节原子的核式结构粒子物理、饼式结构二、散射实验和原子的核式结构根据实验结果进行推理判断，提出合理假设： 核式结构模型 电子质量很小 在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子几 乎所有的质量和所有正电荷都集中在原子核里。 电子绕

2、原子核作圆周运动。原子半径：10_10m原子核半径：10一 15m原子内部是十分“空旷”的！ ！三、原子核的组成1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，从中产生了一种粒子并测定了它的电荷与质量，把它叫做质子。一开始，人们以为原子核只是由质子组成的。但 人们发现质子的荷质比却与原子核的荷质比不相同， 多数核质子的荷质比原子核的荷质比大。卢瑟福猜想 原子核内还存在一种粒子，质量与质子相等，但不带 电，并把它称为中子。后来，查德威克用实验证实了 中子。于是，人们认为原子核由质子和中子组成原子核的表示：X代表兀素符号，A为原子核的质 量数，Z为原子核的电荷数。第二节 原子的能级 电子云一、经典物理与核式原子

3、结构的矛盾：二、玻尔的原子模型 1玻尔原子模型的内容：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。2玻尔原子模型的三条假设 定态原子只能处于一系列不连续的能量状态中， 在这些状态中原子是稳定的，电子虽然作加速运动， 但并不向外辐射能量。 跃迁一原子从一种定态（设能量为Ei）跃迁到另一 种定态（设能量为E2）时，它辐射（或者吸收）一定 频率的光子，光子的能量由这两种状态的能量差决 定，即：h

4、v= E| E2。 轨道量子化原子的不同能量状态与电子沿不同的 圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的， 因此电子的可能轨道分布也是不连续的。3原子的跃迁条件hv= E初一 E终只适用于光子和原子作用而使原子在 各定态之间跃迁的情况，对下列两种情况，则不受此 条件限制。 光子和原子作用而使氢原子电离，产生离子和自由 电子时，原子结构被破坏，因而不遵守有关原子结构 的理论。如基态氢原子的电离能为13. 6eV，只要大 于或等于13. 6eV的光子都被处于基态的氢原子吸收 而电离。氢原子电离所产生的自由电子的动能等于入 射光子的能量与电离能之差。只要光子的能量大于电子所处轨道的电离能， 都可

5、以 将电子电离。 电 子与氢原子碰撞也能使氢原子发生跃迁，但与光 子的情况有质的不同从力学的角度看。电子与氢原 子相碰撞，电子的动能可能全部或部分地转变成原子 的能量。当电子的动能等于氢原子某两个定态能级之 差时，电子的动能可以全部传给氢原子； 当电子的动 能大于氢原子某两定态能级差时，电子的动能只可部 分（等于两定态能级差） 传给氢原子，两种情况都能 使氢原子发生跃迁。但当电子的动能小于氢原子的某 两能级差时，就不能使氢原子发生跃迁。4玻尔模型的两个基本公式这两个公式仅适用于氢原子。式中的n表量子数，n=1,2 ,3 ,4 氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek 和电势能Ep的代数和

6、；当取无限远处电势能为零时， 各定态的电势能均为负值，且其大小总大于同一定态 的电子的动能，所以各定态的能量均为负值。 玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念，但 仍保留了经典的原子轨道，故有关氢原子的计算仍应 用经典物理理论。对电子绕核运动的轨道半径、速度、 周期、动能、电势能等的分析与计算，是牛顿运动定 律、库仑定律、匀速圆周运动等知识的综合运用。2如由kF的动能：EknVn可计算出电子在任一轨道上运动ke22T，电子运动的速率：nVnk emn，可见rn越小，Vn越大。电子的势能：可用卫星运动的势能来类似理解。二、能级1. 能级：原子在各个定态时的能量值称为原子的能级2. 基态：在正常

7、状态下，原子处于最低能级，电子在 离核最近的轨道上运动的定态称为基态。3. 激发态：原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级， 电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态。4. 一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出 的光谱线条数为：例1.氢原子放出一个光子后，根据玻耳理论，氢 原子的（）A. 核外电子的电势能增大B. 核外电子的动能增大C. 核外电子的转动周期变大D. 氢原子的能量增大例2.处于基态的氢原子在某单色光的照射下，只 能发出频率为V 1、V 2、v 3的三种光，且V 1< V 2< v 3, 则该单色光的光子能量为（）A. h v i B. h v 2C. h v 3

8、D. h（ v i+ v 2）例3.氢原子在基态时轨道半径r1 = 0.53：，能量 E1= 13.6eV。求氢原子处于基态时：（1）电子的动能;（2）电子运转形成的等效电流；（3）原子的电势能；（4） 用波长是多少的光照可使其电离？第三节天然放射现象衰变1. 原子序数大于或等于的所有元素，都能自发地放出射线。叫天然放射现象。2. 三种射线3. 原子核的衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化。AA41 i(1) 衰变规律：a衰变：zX_ z-2丫 2He3 衰变：z X ' z iY -ie(2) 衰变实质：a衰变实质是元素的原子核同时放出 由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦

9、核)。3衰变实质是元素的原子核内的一个中子变成质 子时放射出一个电子。(3) Y射线是伴随a衰变或3衰变同时产生的。Y射 线不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放 射性原子核在发生a衰变或3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。思考：丫射线是新核放出来的还是旧核放出来 的？ 放射性元素衰变时，通常会同时放出a、3和丫 三种射线，但某些放射性元素可能只放出a射线 或只放出3射线，但在任何情况下都不会只放出 丫射线。当a衰变或3衰变产生的新核处于激发 态时，便会辐射出丫光子，把过多的能量以丫射 线的形式释放出来，即Y射线只能伴随a射线或 3射线放出，因此，原子核的

10、衰变是释放能量的 反应。另外，原子核发生a衰变或3衰变时，其质量数或电荷数会相应改变，但伴随其间所产生 的，衰变，却不改变原子核的质量数和电荷数。例1.带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消 失，其原因是()A.射线的贯穿作用B.射线的电离作用C.射线的物理、化学作用D .以上都不对例2.工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示 意图。如果工厂生产的是厚度1mm的铝板，在a、3 和y三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用 的是身寸线。4. 半衰期(1) 定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需 要的时间。(2)公式:1No/mo(2)(3) 决定因素：由原子核本身决定，与外部的物理条 件

11、，化学变化等因素无关。(4) 半衰期是研究衰变过程的一个重要概念。放射性 元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量 原子的样品，半衰期是表示放射性元素的大量原 子核有50%发生衰变所需要的时间，表示大量原 子核衰变的快慢。因此对某一个原子核而言，半 衰期是无意义的，因为这个核何时发生衰变，会受到各种偶然因素的影响。同样地，当样品中原 子数目减少到统计规律不再起作用的时候，这时 也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少 发生衰变了，所以不能根据半衰期来推断放射性 元素的样品全部衰变完所需的时间，即放射性元 素样品的寿命是不能通过半衰期计算的。衰变次数的计算：A设放射性元素z X经过n次a衰变

12、和m次B衰变A后，变为稳定的新元素zY，则核反应方程为:由质量数和电荷数守恒得：A = A' + 4nZ = Z' + 2nm解得：n=（A A' 14 m=（A A' /2Z + Z'5. 原子核的人工转变用人工的方法使一种原子核变成另一种原子核的变 化叫原子核的人工转变。原子核人工转变有三大发现：（1919年，卢瑟福）汁；He（ 1932年，查德威克）:Be ；He核反应方程：中子的发现i1H核反应方程:1on 质子的发现放射性同位素的发现（佃34年,约里奥居里夫 妇）核反应方程:27Al ；He3°p151on应用：利用它的射线；作为示踪

13、原子。6. 原子核的组成：质子和中子组成原子核。质子和中 子统称为核子，原子核的质量数等于其核子数，原 子核的电荷数等于其质子数，原子核的中子数N等 于其质量数A与电荷数Z之差，即N = A Z。三、核能、核反应1. 质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫质量亏损。注意质量数与质量是两个不同的概念，组成原子核 的核子的质量数之和与原子核的质量数是相等的。2. 质能方程 质能方程2 2E=mc E= A me 爱因斯坦的质能联系方程E=me2,不仅指出了质量和 能量相当，扩展和深化了质量与能量的概念，还指出 了核子结合成原子核时和核反应时要释放出大量的 能量。因此，在分析和解决有关的

14、具体问题时，方程A E=A me更具实用价值。对于A E=A mW中的A m, 是指组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差， 即核的质量亏损，故在核反应过程中，只能说质量数 守恒，而不能说质量守恒，原因就在于亏损掉的质量 很小，对质量数没有影响。 方程 E=A mC是计算核能常用的方法。在具体应用 中要注意单位制的统一及不同单位间的换算。若Am的单位用“ kg”、c的单位用“ m/s",则厶E 的单位为“ J”；若Am的单位用原子质量单位“ u”， 可直接用质量与能量的相关式1u= 931.5MeV推算 E, 此时 E的单位为“兆电子伏（MeV）”，即卩1u= 1. 66 X 10

15、_27 千克=931. 5MeV,1MeV = 106MeV这个结论可在计算过程中直接应用。在核反应过程中，所释放出的核能如果全部转化成 生成的新核和新粒子的动能，那么就可应用力学原理一 动量守恒和能量守恒来进行有关的计算。另外，在有些 核反应中，如果辐射出Y光子，则光子带走的能量亦应 考虑。3. 获取核能的途径 重核裂变：2351>13690192U on54Xe 38Sr 100n E（条件：铀块的体积应大于它的临界体积）应用：原子 弹，原子反应堆 轻核聚变：（条件：极高温度）应用：氢弹，可控热核反应4. 核反应方程分类衰变： 裂变： 聚变： 人式转变：（2）核反应的两条规律：质量数

16、守恒；核电荷数守恒。（3）常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几 种类型。无论写哪种类型的核反应方程，都应注意以下 几点： 必须遵守电荷数守恒、质量数守恒定律。有些核反应 方程还要考虑到能量守恒规律。 核反应方程中的箭头（ ）表示核反应进行的方向， 不能把箭头改成等号。 写核反应方程必须有实验依据，决不能毫无根据地编 造。 在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的 符号填入核反应方程一般形式的适当位置上；然后根 据质量数守恒和电荷守恒规律计算出未知核（或未知 粒子）的电荷数和质量数；最后根据未知核（或未知 粒子）的电荷数确定它们是哪种元素（或哪种粒子）， 并在核反应方程一般形式中

17、的适当位置写上它们的 符号。四、粒子物理简介1组成物质的基本单元叫基本粒子。目前已发现 的基本粒子有 400余种，且实验已显示有些具有内部结 构，因此将“基本粒子”改称为粒子，基本粒子物理 学改称为粒子物理学。2粒子按照参与相互作用的性质可分为三大类： 传播子（又称为媒介子）、轻子、强子，传播子是传 递各种相互作用的粒子。轻子是不参与强相互作用的 粒子。强子是参与强相互作用的粒子。核力：质子间的相互作用力，短程力，很大。 这些粒子有的带电（带正电或带负电，所带电量 都等于基本电荷的电量，即1. 6X 10-19C），有的是中 性的，它们可以相互转化，有的同时还能放出巨大的 能量，大多数的基本粒

18、子都是不稳定的，平均寿命都 很短。3基本粒子都有它的反粒子。反粒子的质量跟原 来的粒子相同，带的电荷和磁性跟原来的粒子相反。 例如：电子和正电子就是一对正反粒子。正反粒子相 遇会发生“湮灭”，转化为其他粒子（光子或介子等） 。 正反粒子可以“湮灭”，也可以成对产生，自然界的 物理规律，对粒子和反粒子是对称的。例1原子核中两个质子和两个中子结合成一个 a 粒子放出，这就是a8次a衰变，6次月衰变，问减少质子多少？减少中子多少？ 例2原子核中能放出、射线，关于原子核的组 成，以下说法中正确的是（ ）A原子核中，有质子、中子，还有a粒子B.原子核中，有质子、中子，还有刀粒子C .原子核中，有质子、中子，还有Y粒子D .原子核中，只有质子和中子