物理选修35原子结构原子核复习要点
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第十八章:原子物理与核物理
复习要点
1、了解玻尔原子理论及原子的核式结构。
2、了解氢原子的能级,了解光的发射与吸收机理。
3、了解天然放射现象,熟悉三种天然放射线的特性。
4、了解核的组成,掌握核的衰变规律,理解半衰期概念,掌握核反应过程中的两个守恒定律。
5、了解同位素及放射性同位素的性质和作用,了解典型的核的人工转变。
6、了解爱因斯坦质能方程,会利用核反应中的质量亏损计算核能。
7、了解核裂变与核聚变。
第一模块:原子的核式结构、波尔的原子模型
『夯实基础知识』
1、关于α粒子散射实验(英国物理学家卢瑟福完成,称做十大美丽实验之一)
(1)α粒子散射实验的目的、设计及设计思想。
①目的:通过α粒子散射的情况获取关于原子结构方面的信息。
②设计:在真空的环境中,使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔,然后透过显微镜观察用荧光屏接收到的α粒子,通过轰击前后α粒子运动情况的对比,来了解金原子的结构情况。
③设计思想:与某一个金原子发生作用前后的a 粒子运动情况的差异,必然带有该金原子结构特征的烙印。搞清这一设计思想,就不难理解卢瑟福为什么选择了金箔做靶子(利用金的良好的延展性,使每个α粒子在穿过金箔过程中尽可能只与某一个金原子发生作用)和为什么实验要在真空环境中进行(避免气体分子对α粒子的运动产生影响)。
(2)α粒子散射现象
①绝大多数α粒子几乎不发生偏转;
②少数α粒子则发生了较大的偏转;
③极少数α粒子发生了大角度偏转(偏转角度超过90°有的甚至几乎达到180°)。
(3)a粒子散射的简单解释。
①由于电子质量远远小于α粒子的质量(电子质量约为α粒子质量的1/7300),即使α粒子碰到电子,其运动方向也不会发生明显偏转,就象一颗飞行的子弹碰到尘埃一样,所以电子不可能使α粒子发生大角度散射。而只能是因为原子中除电子外的带正电的物质的作用而引起的;
②使α粒子发生大角度散射的只能是原子中带正电的部分,按照汤姆生的原子模型,正电荷在原子内是均均分布的,α粒子穿过原子时,它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消,因而也不可能使α粒子发生大角度偏转,更不可能把α粒子反向弹回,这与α粒子散射实验的结果相矛盾,从而否定了汤姆生的原子模型。
③实验现象中,α粒子绝大多数不发生偏转,少数发生较大偏转,极少数偏转超过︒
90,个别甚至被弹回,都说明了原子中绝大部分是空的,带正电的物质只能集中在一个很少的体积内(原子核)。
其次,原子中除电子外的带正电的物质不应是均匀分布的(否则对所有的α粒子来说散射情况应该是一样的),而“绝大多数”“少数”和“极少数”α粒子的行为的差异,充分地说明这部分带正电的物质只能高度地集中在在一个很小的区域内;再次,从这三部分行为不同的α粒子数量的差别的统计,不难理解卢瑟福为什么能估算出这个区域的直径约为10-14m。
2、原子的核式结构
(1)核式结构的具体内容:
在原子的中心有一个很小的核,叫做原子核,原子的全部正电荷和几乎所有的质量都集中在原子核上,带负电的电子在核外空间绕核旋转。原子直径的数量级为m
1010-,而原子核直径的数量级约为m
1015-。
①在原子的中心有一个很小的原子核,
②原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核里,
③带负电的电子在核外空间里旋转。 (2)核式结构的实验基础
核式结构的提出,是建立在a 粒子散射实验的基础之上的。或者说:卢瑟福为了解释a 粒子散射实验的现象,不得不对原子的结构问题得出核式结构的理论。
3、玻尔原子模型
原子核式结构与经典电磁理论的矛盾:原子结构是否稳定和原子光谱是否为包含一切频率的连续光谱。玻尔的原子理论——三条假设
(1)“定态假设”:原子只能处于一系列不连续的能量状态中,在这些状态中,电子虽做变速运动,
但并不向外辐射电磁波,这样的相对稳定的状态称为定态。 定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围:原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。
(2)“跃迁假设”:电子绕核转动处于定态时不辐
射电磁波,但电子在两个不同定态间发生跃迁时,
却要辐射(吸收)电磁波(光子),其频率由两个定
态的能量差值决定hv=E 2-E 1。
跃迁假设对发光(吸光)从微观(原子等级)上
给出了解释。
(3)“轨道量子化假设”: 原子的不同能量状态
跟电子沿不同半径绕核运动相对应。轨道半径也是
不连续的。 4、氢原子能级及氢光谱 (1)氢原子能级
氢原子的能级:原子各个定态的能量值叫做原子的能级。氢原子的能级公式为21
n E n E =,对应的轨道
半径关系式为:12
r n r n =,其中n 叫量子数,只能取正整数。n =1的状态称为基态,氢原子基态的能量值m 10
53.0,eV 6.1310
11-⨯=-=r E 。量子数n
越大,动能越小,势能越大,总能量越大。 ①能级公式:)6.13(1
112
eV E E n E n -==
;该能量包括电子绕核运动的动能和电子与原子核组成的系统的电势能。
②半径公式:)53.0(112
ο
A r r n r n ==
(2)氢光谱
在氢光谱中,n=2,3,4,5,……向n=1跃迁发
光形成赖曼线系;n=3,4,5,6向n=2跃进迁发光形成马尔末线系;n=4,5,6,7……向n=3跃迁发光形成帕邢线系;n=5,6,7,8……向n=4跃迁发
光形成布喇开线系,其中只有马尔末线的前4条谱线落在可见光区域内。
5、光子的吸收与发射
原子从一种定态(能量为初E ),跃迁到另一种定态(能量为终E ),它辐射或吸收一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能级差决定:即
终初E E h -=ν。若终初>E E ,则辐射光子;若终初<E E ,则吸收光子。
能级跃迁:
使原子发生跃迁时,入射的若是光子,光子的能
量必须恰好等于两定态能级差;若入射的是电子,
电子的能量须大于或等于两个定态的能级差。
电离:
不论是光子还是电子使元子电离,只要光子或电子的能量大于两能级差就可以使其电离。
『题型解析』
【例题】对α粒子散射实验装置的描述,你认为
正确的有:
( A ) A .实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜 B .金箔的厚度对实验无影响 C .如果不用金箔改用铝箔,就不会发生散射现象;
D .实验装置放在空气中和真空中都可以 ★解析:实验所用的金箔的厚度极小,可至1微米,虽然很薄,但m μ1厚的金箔仍包含3300多个原
子层,如果金箔的厚度过大,α粒子穿过金箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果,B 错。如果改用铝箔,由于铝核的质量仍远大α粒子的质量,散射现象仍然发生,C 错。 空气的流动及空气中有许多漂浮的分子,会对α粒子的运动产生影响,实验装置是放在真空中进行的,D 错。正确选项为A 。