原子和原子核物理总复习.ppt

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1、课题 核核 内内 H 1 1 n n 1 0 中子的发现中子的发现 基本情况基本情况 衰衰 变变 人工转变人工转变 裂裂 变变 聚聚 变变 核核 能能 卢瑟福发现质子卢瑟福发现质子 索线2 粒子散射实验粒子散射实验 核式结构模型核式结构模型 汤姆生发现电子汤姆生发现电子 建立无核结构模建立无核结构模 型型 主要内容主要内容 能级图能级图 计算计算 H H光谱的了解光谱的了解 玻尔玻尔 原子理论原子理论 薛薛定定鄂鄂 模型模型 电子云电子云 模型模型 核核 外外 无核结构模型 无核结构模型无核结构模型 卢瑟福的卢瑟福的 粒子散射实验粒子散射实验 放射源 卢瑟福的粒子散射 实验 + + + 粒子散

2、射情景粒子散射情景 绝大多数粒子穿过 金箔后基本上仍沿原 来的方向前进，少数 粒子发生了较大的 偏转,极少数 卢瑟福核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核在原子的中心有一个很小的核, , 叫做原子核，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原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核 ，带负电的电子在核外空间绕核做匀速圆周运动。，带负电的电子在核外空间绕核做匀速圆周运动。 卢瑟福的核式结构模型卢瑟福的核式结构模型 ( ( 可见光区可见光区) ) 的 一一. . 原子只能处于一系列不连续的能量状态中，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

3、加速运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，这些状态叫做动，但并不向外辐射能量，这些状态叫做定态。定态。 E E n n = = E E 1 1 /n/n 2 2 （ n n = = 1 1，2 2，3 3，） 二二. . 原子从一种定态（原子从一种定态（ 设能量为设能量为E E 2 2 ）跃迁跃迁到另一到另一 种定态（设能量为种定态（设能量为E E 1 1 ）时，时，它它辐射辐射或或吸收一定频率吸收一定频率 的光子，光子的能量（的光子，光子的能量（ h h ）由这两种定态的能量由这两种定态的能量 差决定。差决定。 E E E E 2 2 E E1 1 h h 三

4、三. . 原子的不同能量状态对应于电子的不同运行原子的不同能量状态对应于电子的不同运行 轨道，电子的轨道，电子的可能轨道可能轨道也是也是不连续不连续的，即电子的，即电子不能不能 在任意的轨道上运行。在任意的轨道上运行。 r r n n = = n n 2 2 r r1 1 波尔原子理论 1. 1. 电子运动的不连续性体现在轨道的跃迁上。电子运动的不连续性体现在轨道的跃迁上。 2. 2. 电子能量的不连续性体现在能量的改变是一份电子能量的不连续性体现在能量的改变是一份 一份的一份的 , , 每份是：每份是： E E E E 2 2 E E1 1 h h r r 1 1 r r 2 2 r r 3

5、 3 r r 4 4 r r n n 能级图1 E E1 1 1 n E E (量子数 ) (能级 ) 2 E E2 2 E E3 3 3 4 E E4 4 0 eV （-13.6） （-3.4） （-1.51） （-0.85） 放出放出 吸收吸收 10.2 1.89 0.66 (基态) (第一 激发态) (第二 激发态) 原子的状态与电子的轨道、能级都是原子的状态与电子的轨道、能级都是 一一对应的。一一对应的。 在某两个确定能级间辐射出来的光子（能在某两个确定能级间辐射出来的光子（能 量）与吸收的光子（能量）是相同的。量）与吸收的光子（能量）是相同的。 能能 级级 图图 基态能级：基态能级：

6、 E E1 1 13.6 13.6 eVeV 能级计算 一.一. 定态能级的计算：定态能级的计算： E E n n = = E E 1 1 /n/n 2 2 （ n n = = 1 1，2 2，3 3，） 记记 二二. . 能级差的计算：能级差的计算： E E E E 2 2 E E1 1 【 可求得跃迁时辐射或吸收的能量（或光子的频率）可求得跃迁时辐射或吸收的能量（或光子的频率） 】 h h 三三. . 可能轨道计算：可能轨道计算： r r n n = = n n 2 2 r r1 1 （ n n = = 1 1，2 2，3 3，） 可能辐射或吸收的光子数目计算：可能辐射或吸收的光子数目计算

7、： C C 2 2 k k 原子光谱 知识 高高 压压 电电 源源 光光 谱谱 管管 内充低压气体内充低压气体 分光镜分光镜 H H HH HH HH ( ( 可见光区可见光区) ) 每种原子都有自己特定的光谱线每种原子都有自己特定的光谱线 钠原子的光谱 汞原子的光谱 炽热的固体、液体和高压气体 的发射光谱是连续光谱 例如电灯丝发出的光、炽热的 钢水发出的光都形成连续光谱 玻尔理论的局限性： 玻尔理论能够十分圆满地解释氢光谱并且预言了 氢原子辐射电磁波谱的问题，其成功之处在于引进了 量子化的观点；但是，在解释其它原子光谱时遇到了 很大的困难，因为玻尔理论过多地保留了经典理论。 牛顿力学只适用于

8、低速运动（相对于光速）的宏 观物体，对于微观粒子的运动，牛顿力学不适用了。 + r r 电子 云 薛定鄂模型薛定鄂模型 氢原子中的电子云 对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置 和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该 质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和 速度。 对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因 此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻 尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。 更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原 子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状 态下，电子在各个位置出现的概率是不同的。如果 用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率

9、，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之 为电子云。 1、关于粒子散射实验，下列说法正确的是 （ ） A只有极少数粒子发生了大角度散射 B粒子散射实验的结果说明了带正电的物质只占 整个原子的很小空间 C粒子在靠近金原子核的过程中电势能减小 D粒子散射实验的结果否定了汤姆生给出的原子 “枣糕模型” A B D 2氢原子的核外电子由一个轨道跃迁到另一轨道时 ，可能发生的情况是 ( ) A放出光子，电子动能减少，原子的能量增加 B放出光子，电子动能增加，原子的能量减少 C吸收光子，电子动能减少，原子的能量增加 D吸收光子，电子动能增加，原子的能量减少 B C 3如图是类氢结构的氦离子能级图。已知

10、基态 的氦离子能量为E1= -54.4eV。在具有下列能量的光 子中，能被基态氦离子吸收而发生跃迁的是 ( ) A40.8 eV B41.0 eV C43.2 eV D54.4 eV E E4 E3 E2 E1 0 -3.4 eV -6.0 eV -13.6 eV -54.4 eV A D 4 右图为汞原子的能级图，一个总能量为9eV 的 自由电子，与处于基态的汞原子发生碰撞后（不计 汞原子动量的变化），电子剩下的能量可能为（碰 撞系统无能量损失） ( ) A. 0.2eV B. 1.3eV C. 2.3eV D. 5.5eV n= 2 n= 3 n= 4 n= 1 -5.5 eV -2.7

11、eV -1.6 eV -10.4 eV A B 5图1所示为氢原子的四个能级，其中E1为基态， 若一群氢原子A处于激发态E2，一群氢原子B处于激 发态E3，则下列说法正确的是 ( ) A原子A可能辐射出3种频率的光子 B原子B可能辐射出3种频率的光子 C原子A能够吸收原子B发出 的光子并跃迁到能级E4 D原子B能够吸收原子A发出 的光子并跃迁到能级E4 E4 E3 E2 E1 图1 B 6.氢原子在某三个相邻能级间跃迁时，可发出三种不 同波长的辐射光。已知其中的两个波长分别为1和2 ，且12，则另一个波长可能是（ ） A. 12 B. 12 C. D. C D 解见下页 解： 由玻尔原子模型的

12、跃迁假设E初E终h 及c /可得： E3 E2 E1 1 2 3 所以得： 故C选项正确 另一种情况: E3 E2 E1 1 3 2 所以得： D选项也正确。 7、子与氢原子核（质子）构成的原子称为氢原子 （hydrogen muon atom），它在原子核物理的研究中 有重要作用。图为氢原子的能级示意图。假定光子 能量为E的一束光照射容器中大量处于n=2能级的氢 原子，氢原子吸收光子后，发出频率为1、2、3、 4、5、和6的光，且频率依次增大，则E等于 ( ) A、h（3-1 ） B、 h（5+6） C、h3 D、h4 n 2 3 4 5 1 E（eV） -632.4 -281.1 -158

13、.1 -101.2 0 -2529.6 C 1、光电效应现象 光照使物体发射电子的现象叫光电效应现象;所发射的 电子叫光电子;光电子定向移动所形成的电流叫光电流. 光电效应现象的实验规律 （ 1）对于任何一种金属，入射光的频率必须大于某一 极限频率才能产生光电效应,低于这个极限频率,无论强 度如何，无论照射时间多长，也不能产生光电效应; （2）在单位时间里从金属极板中发射出的光电子数 跟入射光的强度成正比； （3）发射出的光电子的最大初动能与入射光强度无 关，只随入射光频率的增大而增大； （4）只要入射光的频率高于金属极板的极限频率， 无论其强度如何,光电子的产生都几乎是瞬时的,不超 过10-

14、9s. 2、爱因斯坦的光子说： （1）内容：光是不连续的，一份一份的，每一 份叫做一个光子，光子的能量跟光的频率成正比 。即： E=h （其中h=6.6310-34j .s） （2）爱因斯坦光电效应方程 （3）光电管： G I 【练习1】在光电效应现象中，要增大光电子射 出的初速度，最可行的办法是 A增大入射光的强度，选用极限频率大的材料 B增大入射光的强度，选用极限频率小的材料 C减小入射光的波长，选用极限频率大的材料 D减小入射光的波长，选用极限频率小的材料 D 【练习2】当光照射在一块金属表面时，金 属表面有电子逸出，如果该光的强度减弱到 某一较低值时，则 A没有电子逸出 B逸出的电子最

15、大初动能减少 C单位时间里逸出的电子数减少 D单位时间里逸出的电子数和逸出的电子最 大初动能都减少 C 【练习3】关于光电效应的下列说法中，正 确的是 A光电子的最大初动能与入射光的频率 成正比 B只要入射光的强度足够大，就一定能 产生光电效应 C任何一种金属都有一个极限频率，低 于这个极限频率的光不能产生光电效应 D在光电效应现象中，光电流的强度与 入射光强度无关 C 衰变 放射性元素放射性元素 天然放射现象天然放射现象 衰变衰变 新元素 贝克勒耳发现天然放射性现象 天然放射现象：某些元素能自发地放出射线的现象叫做 天然放射现象。这些元素称为放射性元素。 衰变规律 衰变时放出衰变时放出 粒子

16、的，叫 衰变衰变 衰变规律：衰变规律： 核的质量数减少核的质量数减少4 4，电荷数减少，电荷数减少2 2。 粒子即氦原子核粒子即氦原子核 He 4 2 M Z X X M-4 Z-2 Y 4 2 He 衰变规律 衰变时放出衰变时放出 粒子的，叫 衰变衰变 衰变规律：衰变规律： 核的质量数不变，电荷数增加核的质量数不变，电荷数增加11。 粒子即电子粒子即电子 e 0 1 0 1 或或正电子：正电子： e M Z X X M M Z+1 Z+1 Y 0 -1 e 衰变的实质衰变的实质 衰变实质 2 2 H H 2 2 n n HeHe + + 1 1 1 1 4 4 2 2 1 1 0 0 粒子粒

17、子 光子光子 新核新核 射线高速的粒子流，粒子是氦原子核，速度 约为光速1/10，贯穿能力最弱，电离能力最强。 衰变实质 H H n n + + e e + + 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 n n HH + + e e + + 1 1 0 0 1 1 1 1 0 -1 光子光子 正电子正电子 光子光子 负电子负电子 衰变的实质衰变的实质 新新核核 新新核核 射线高速的电子流，粒子是速度接近光速的负 电子，贯穿能力稍强，电离能力稍弱。 射线能量很高的电磁波，粒子是波长极短的 光子, 贯穿能力最强,电离能力最弱。 三种射线的性质和实质 带带 电电 量 质质 量 数 符号 电电离 性 穿

18、透性 实实 质质 来 源 射 线线 +2e4很强 很小（一 张张普通纸纸 ） 高速的 氦核流 (v 0.1c) 两个中子和两 个质质子结结合成 团团从原子核中 放出 射 线线 -e0弱 很强（几 毫米铝铝板 ） 高速的 电电子流 (vc) 原子核中的中 子转换转换 成质质子 时时从原子核中 放出 射 线线 00很小 更强（几 厘米铅铅板 ） 波长长极 短的电电 磁波 原子核受激 发产发产 生的 三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中 的偏转情况比较： O 如、图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是比 的偏转大，不偏转； 区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧， 在电场中偏转轨迹是抛物线。 图中肯定

19、打在O点； 如果也打在O点，则必打在O点下方； 如果也打在O点，则必打在O点下方。 2、关于半衰期的几个问题 （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）意义：反映了核衰变过程的统计快慢程度。半衰期 短的元素衰变得快，放射性较强 （3）特征：半衰期只与元素本身有关,与所处的物理、 化学状态及周围环境、温度等都无关。 （4）两种错误认识： a. N0（大量）个放射性元素的核，经过一个半衰期T， 衰变了一半，再经过一个半衰期T，全部衰变完。 b. 若有4个放射性元素的核,经一个半衰期, 将衰变2个。 事实上，N0（大量）个某种放射性元素的核，经过时 间t后剩下的这种核的个数

20、为 而对于少量的核（如4个），是无法确定其衰变所需要 的时间的。这实质上就是“半衰期反映了核衰变过程的 统计快慢程度”的含义。 N N2 2 粒子粒子 卢瑟福的卢瑟福的 粒子轰击氮核实验粒子轰击氮核实验 质子的发现 粒子轰击氮核产生了可以穿透铝箔的质子粒子轰击氮核产生了可以穿透铝箔的质子 14 7 N N 17 8 O 4 2 HeH 1 1 卢瑟福的粒子轰击氮核实验 ( (中子中子) ) 9 4 Be Be 12 6 C 4 2 Hen 1 0 原子核的人工转变原子核的人工转变 核衰变核衰变 核反应中，质量数和电荷数均守恒核反应中，质量数和电荷数均守恒 中子的发现 19321932年查德威克

21、 原子核的组成 中子中子 质子质子 统称统称核子核子 原子核的组成 电荷数电荷数 = = 电子数电子数 = = 原子序数原子序数 U U He He H H 1 1 4 2 235 92 X X A Z （核）电荷数（核）电荷数 质量数质量数 = = 电荷数中子数电荷数中子数 质量数质量数 原原 子子 核核 的的 基基 本本 情情 况况 原子核直径原子核直径 1010 1414m m 9 4 Be Be 12 6 C 4 2 Hen 1 0 原子核的人工转变原子核的人工转变 人工转变 14 7 N N 17 8 O 4 2 HeH 1 1 27 13 Al Al 30 15 P 4 2 Hen

22、 1 0 裂变 重核重核 裂变裂变 n n 1 1 0 0 U U n n BaBa + + KrKr + 3 + 3 n n 235235 9292 9292 3636 141 56 1 1 0 0 1 1 0 0 链式反应链式反应 情情 景景 HH H H HeHe + + n n 2 2 1 1 4 2 3 3 1 1 1 1 0 0 轻核轻核 聚变 热核反应热核反应 强大的核力才能组成原子核强大的核力才能组成原子核 核力与核能 核力在核力在1015 m 才起作用才起作用 无论使核分解或组成核无论使核分解或组成核, , 都需要很大的能量都需要很大的能量! ! 与与 核核 能能 的的 应应

23、 用用 核核 电电 站站 爱恩斯坦的爱恩斯坦的质能方程：质能方程： E E = = mm c c 2 2 核反应的核反应的能量变化能量变化与与质量亏损：质量亏损：E E = = mm c c 2 2 m m mm核子核子 mm核核 原子质量单位原子质量单位 ： 1 1 u = u = 931.5931.5 MM e e V V 反应堆 水管 铀棒 镉棒 石墨 水 泥 防 护 层 减速剂减速剂 核原料核原料 冷却剂冷却剂 热交换热交换 控制反应速度控制反应速度 防防 辐辐 射射 快中子快中子 慢中子慢中子 吸收慢中子吸收慢中子 1天然放射现象的发现揭示了 ( ) A原子是不可分割的 B原子具有核

24、式结构 C原子核具有复杂的结构 D原子核由质子和中子组成 C 2以下哪些现象与原子核的变化有关 （ ） A 粒子散射 B光电效应 C热核反应 D天然放射现象 C D 3一置于铅盒中的放射源发射的、和射线 ，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，铝箔 后的空间有一匀强电场。进入电场后，射线变为a 、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏 转，如图所示，则图中的射线a为_射线， 射线b为_射线。 放射源 带电极板 射线a照 相 底 片 铅 盒 铝 箔 带电极板 射线b 4 衰变为 要经过m次衰变和n 次衰变，则m，n分别为 ( ) （A）2， 4 （B）4， 2 （C）4， 6 （D）16，

25、 6 B 5.（1）放射性物质 和 的核衰变方程为： 方程中的X1代表的是_， X2代表的是_。 解: X1代表的是 （或）， X2代表的是 （或） 6关于天然放射现象，下列说法正确的是 ( ) A放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化 所需的时间就是半衰期 B放射性物质放出的射线中，粒子动能很大 因此贯穿物质的本领很强 C当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量 时，将发生哀变 D放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能 级向低能级跃迁时，辐射出 射线 D 7. 目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等 装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，下 列有关放射性知识的说法中正确的是

26、（ ） A. 衰变成 要经过6次衰变和8次衰变. B. 氡的半衰期为3.8天，若有4个氡原子核，经过7.6 天后就一定只剩下1个氡原子核。 C. 放射性元素发生衰变时所释放的电子是原子核内 的中子转化为质子时产生的。 D. 射线与 射线一样是电磁波，但穿透本领远比射 线弱。 点拨：半衰期是统计规律,只对大量原子核适用,B错。 A C 8. 在匀强磁场中有一个静止的氡原子核（ ）, 由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核 的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之 比为421，如图所示。那么氡核的衰变方程应是下 列方程的哪一个（ ） B B 解： 放出粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的 圆，可见两者均带正电荷，A错。 由动量守恒定律 大圆与小圆的直径之比为42:1，即半径之比为42:1 ，