高中物理原子与原子核知识点总结选修3-5Word格式文档下载.doc
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4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。
1.
(1)电子的发现:
1897年,英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。
电子的发现证明了原子是可再分的。
(2)汤姆孙原子模型:
原子里面带正电荷的物质均匀分布在整个原子球体中,而带负电的电子镶嵌在球内。
2.卢瑟福的核式结构模型(行星式模型)卢瑟福α粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说
α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔,实验现象:
结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转.这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。
卢瑟福由α粒子散射实验提出:
在原子的中心有一个很小的核,叫原子核,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运动。
由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。
而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾:
①原子是否稳定,②其发出的光谱是否连续
3.玻尔模型(引入量子理论,量子化就是不连续性,整数n叫量子数)玻尔补充三条假设
⑴定态--原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态),电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量。
(本假设是针对原子稳定性提出的)
⑵跃迁--原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定)(本假设针对线状谱提出)()辐射(吸收)光子的能量为hf=E初-E末或(hν=Em-En)
氢原子跃迁的光谱线问题[一群氢原子可能辐射的光谱线条数为]。
[(大量)处于n激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式]
能级图中相关量意义的说明:
相 关 量
意 义
能级图中的横线
表示氢原子可能的能量状态——定态
横线左端的数字“1,2,3…”
表示量子数
横线右端的数字“-13.6,-3.4…”
表示氢原子的能量
相邻横线间的距离
表示相邻的能量差,量子数越大相邻的能量差越小,距离越小
带箭头的竖线
表示原子由较高能级向较低能级跃迁,原子跃迁的条件为hν=Em-En
2.两类能级跃迁
(1)自发跃迁:
高能级→低能级,释放能量,发出光子。
光子的频率ν==。
(2)受激跃迁:
低能级→高能级,吸收能量。
①光照(吸收光子):
光子的能量必须恰等于能级差hν=ΔE。
②碰撞、加热等:
只要入射粒子能量大于或等于能级差即可,E外≥ΔE。
③大于电离能的光子被吸收,将原子电离。
3.谱线条数的确定方法
(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n-1)。
(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。
①用数学中的组合知识求解:
N=C=。
②利用能级图求解:
在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出,然后相加。
1,2,3,…n为量子数 1处能量最低,能量最低的状态叫做基态,其他处(如2,3,…n)状态叫做激发态。
量子数:
原子处在定态的能量用En表示,此时电子以的轨道半径绕核运动,n称为量子数。
(注)
E1=-13.6eV这个负号是我们人为规定的.设无限远处电子的电势能为零,在有限远的位置电子的电势能都是负值.在最近轨道运转的电子的势能就是负13.6eV
⑶能量和轨道量子化----定态不连续,能量和轨道也不连续;
(即原子的不同能量状态跟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)(针对原子核式模型提出,是能级假设的补充)
(4)跃迁要求从一个电子能级到另一个能级,电子仍然可以受原子核束缚.
电离指电子从某一能级到第无穷个能级(该能级能量为0)(虽然能级数是无穷大,但是所需要能量是有限的),这时电子可以认为不受原子核束缚,完全脱离原子.
电离可以看做是特殊的跃迁
电离是电子完全脱离了原子核束缚,跃迁是电子从低能级迁移到高能级
例:
1995年科学家“制成”了反氢原子,它是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成,反质子和质子有相同的质量,带有等量异种电荷。
反氢原子和氢原子有相同的能级分布,氢原子能级如图所示,则下列说法中正确的是( )
A.反氢原子光谱与氢原子光谱不相同
B.基态反氢原子的电离能为13.6eV
C.基态反氢原子能吸收11eV的光子而发生跃迁
D.大量处于n=4能级的反氢原子向低能级跃迁时,从n=2能级跃迁到基态辐射的光子的波长最短
解析:
选B 反氢原子和氢原子有相同的能级分布,故反氢原子光谱与氢原子光谱相同,A错;
基态反氢原子的电离能为13.6eV,只有大于等于13.6eV的能量的光子才可以使反氢原子电离,B对;
基态反氢原子发生跃迁时,只能吸收能量等于两个能级的能量差的光子,C错;
在反氢原子谱线中,
从n=4能级跃迁到基态辐射的光子的能量最大,频率最大,波长最短,D错。
氢原子的激发态和基态的能量(最小)与核外电子轨道半径间的关系是:
【说明】氢原子跃迁
①轨道量子化rn=n2r1(n=1,2.3…)
r1=0.53×
10-10m
能量量子化:
E1=-13.6eV
②
En,Ep,r,n
Ek,v
吸收光子时
增大
减小
放出光子时
③氢原子跃迁时应明确:
一个氢原子
直接跃迁
向高能级跃迁,吸收光子
一般光子
某一频率光子
一群氢原子
各种可能跃迁
向低能级跃迁
放出光子
可见光子
一系列频率光子
④氢原子吸收光子时——要么全部吸收光子能量,要么不吸收光子
1光子能量大于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时,该光子可被吸收。
(即:
光子和原于作用而使原子电离)
2光子能量小于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时,则只有能量等于两个能级差的光子才能被吸收。
(受跃迁条件限:
只适用于光于和原于作用使原于在各定态之间跃迁的情况)。
⑤氢原子吸收外来电子能量时——可以部分吸收外来碰撞电子的能量(实物粒子作用而使原子激发)。
因此,能量大于某两个能级差的电子均可被氢原子吸收,从而使氢原子跃迁。
E51=13.06
E41=12.75
E31=12.09
E21=10.2;
(有规律可依)
E52=2.86
E42=2.55
E32=1.89;
E53=0.97
E43=0.66;
E54=0.31
⑶玻尔理论的局限性。
由于引进了量子理论(轨道量子化和能量量子化),玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。
但由于它保留了过多的经典物理理论(牛顿第二定律、向心力、库仑力等),所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。
氢原子在n能级的动能、势能,总能量的关系是:
EP=-2EK,E=EK+EP=-EK。
(类似于卫星模型)
由高能级到低能级时,动能增加,势能降低,且势能的降低量是动能增加量的2倍,故总能量(负值)降低。
三 原子的衰变
1.天然放射现象的发现,使人们认识到原子核也有复杂结构。
核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始衰变(用电磁场研究):
2.三种射线的比较
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流(高频电磁波)
带电荷量
2e
-e
质量
4mp,mp=1.67×
10-27kg
静止质量为零
速度
0.1c
0.99c
c(光速)
在电磁场中
偏转
与α射线反向偏转
不偏转
贯穿本领
最弱,用纸能挡住
较强,能穿透几毫米厚的铝板
最强,能穿透几厘米厚的铅板
对空气的电离作用
很强
较弱
很弱
3.α衰变、β衰变的比较
衰变类型
α衰变
β衰变
衰变方程
X→Y+He
X→Y+e
衰变实质
2个质子和2个中子结合成一个整体射出
1个中子转化为1个质子和1个电子
2H+2n→He
n→H+e
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
4.衰变次数的确定方法
方法一:
确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素Y,则表示该核反应的方程为X→Y+nHe+me。
根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程
A=A′+4n Z=Z′+2n-m
由以上两式联立解得n=,m=+Z′-Z
由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。
方法二:
因为β衰变对质量数无影响,可先由质量数的改变确定α衰变的次数,然后根据衰变规律确定β衰变的次数。
5.对半衰期的理解
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。
是对大量原子核的统计规律。
(1)半衰期公式:
N余=N原,m余=m原。
(2)半衰期的物理意义:
半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素的衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。
(3)半衰期的适用条件:
半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。
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:
四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)
⑴衰变:
α(He核)衰变:
(实质:
核内)α衰变形成外切(同方向旋),
β(电子)衰变:
核内的中子转变成了质子和中子)β衰变形成内切(相反方向旋),且大圆为α、β粒子径迹。
+β衰变:
(核内)
Γ(光子)衰变:
原子核处于较高能级,辐射光子后跃迁到低能级。
⑵人工转变:
(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在
(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍
(人工制造放射性同位素)
正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔
⑶重核的裂变:
在一定条件下(超过临界体积),裂变反应会连续不断地进行下去,这就是链式反应。
⑷轻核的聚变:
(需要几百万度高温,所以又叫热核反应)
所有核反应的反应前后都遵守:
质量数守恒、电荷数守恒。
(注意:
质量并不守恒。
)
(四) 核反应方程与核能计算
1.核反应的四种类型
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
自发
U→Th+He
Th→Pa+e
人工转变
人工控制
7N+He→1O+H
(卢瑟福发现质子)
He+Be→1C+n
(查德威克发现中子)
Al+He→P+n
(约里奥·
居里夫妇发现人工放射性)
P→Si+e
重核裂变
比较容易进行人工控制
U+n→56Ba+Kr+3n
U+n→Xe+Sr+10n
轻核聚变
很难控制
H+H→He+n
2.核反应方程式的书写
(1)熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。
如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等。
(2)掌握核反应方程遵守的规律,是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据,由于核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。
(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。
3.对质能方程的理解
(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。
方程的含义:
物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;
物体的能量减少,质量也减少。
(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。
(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。
4.核能的计算方法
(1)根据ΔE=Δmc2计算时,Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。
(2)根据ΔE=Δm×
931.5MeV计算时,Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。
(3)根据核子比结合能来计算核能:
原子核的结合能=核子比结合能×
核子数。
[典例] (2015·
江苏高考)
(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电,U是核电站常用的核燃料。
U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分,并产生________个中子。
要使链式反应发生,裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积。
(2)取质子的质量mp=1.6726×
10-27kg,中子的质量mn=1.6749×
10-27kg,α粒子的质量mα=6.6467×
10-27kg,光速c=3.0×
108m/s。
请计算α粒子的结合能。
(计算结果保留两位有效数字)
[解析]
(1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒,且该核反应方程为:
U+n→Ba+Kr+3n,即产生3个中子。
临界体积是发生链式反应的最小体积,要使链式反应发生,裂变物质的体积要大于它的临界体积。
(2)组成α粒子的核子与α粒子的质量差
Δm=(2mp+2mn)-mα
结合能ΔE=Δmc2
代入数据得ΔE=4.3×
10-12J。
[答案]
(1)3 大于
(2)4.3×
10-12J
(2017四川宜宾模拟)已知氘核的平均结合能为1.1MeV,氦核的平均结合能为7.1MeV,则两个氘核结合成一个氦核时( )
A.释放出4.9MeV的能量 B.释放出6.0MeV的能量
C.释放出24.0MeV的能量 D.吸收4.9MeV的能量
答案C
解析根据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为He,由于氘核的平均结合能为1.1MeV,氦核的平均结合能为7.1MeV,故结合前氘核的结合能为E1=2×
1.1MeV,结合后氦核的结合能为E2=4×
7.1MeV,故ΔE=2E1-E2=-24.0MeV,负号表示释放能量,选项C正确。
2.放射性同位素的应用
⑴利用其射线:
α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。
γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。
各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程,基因工程。
⑵作为示踪原子。
用于研究农作物化肥需求情况,诊断甲状腺疾病的类型,研究生物大分子结构及其功能。
⑶进行考古研究。
利用放射性同位素碳14,判定出土木质文物的产生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素(种类齐全,各种元素都有人工制造的放射性同位。
半衰期短,废料容易处理。
可制成各种形状,强度容易控制)。
高考对本章的考查:
以α粒子散射实验、原子光谱为实验基础的卢瑟福原子核式结构学说和玻尔原子理论,各种核变化和与之相关的核反应方程、核能计算等。
在核反应中遵循电荷数守恒和质量数守恒,在微观世界中动量守恒定律同样适用。
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