高中物理之原子模型与衰变跃迁

n E /eV

∞ 0

-13.6

-3.4

4 -0.85

高中物理之原子模型与衰变跃迁

整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子(电子、质子、中子、正电子、α粒子、γ光子)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程(核反应方程、质能方程)。4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全部内容。 一、原子模型

1、汤姆生模型(枣糕模型) 汤姆生发现电子，使人们认识到原子有复杂结构。从而打开原子的大门.

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10-15

m 。

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 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)

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)

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)

（1）光子的发射与吸收(特别注意跃迁条件):原子

发生定态跃迁时,要辐射(吸收)一定频率的光子:hf ＝E 初

-E 末 ① 轨道量子化r n =n 2r 1 r 1=0.53×10-10

m ② 能量量子化：2

1n

E E n = E 1=-13.6eV

③原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h ν

=E m -E n

（2）从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用

加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

（3）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:E n =E 1/n 2

，r n =n 2r 1，其中E 1=－13.6eV, r 1=5.3×10－10

m,(大量)处于n 激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式共有C 2

n =n (n －1)/2种；

E 51=13.06 E 41=12.75 E 31=12.09 E 21=10.2； (有规律可依)

E 52=2.86 E 42=2.55 E 32=1.89； E 53=0.97 E 43=0.66； E 54=0.31

氢原子在n 能级的动能、势能，总能量的关系是：E P =－2E K ，E=E K +E P =－E K 。(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。其直观结构：

{

{

()u,u,d 质子带单位正电荷：夸克中子（不带电）：u,d,d 夸克

核外电子（带单位负电荷）原子核

原子

二、天然放射现象

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、各种放射线的性质比较

种 类 本 质 质量（u ） 电荷（e ） 速度（c ） 电离性 贯穿性 α射线 氦核 4 +2 0.1 最强 最弱，纸能挡住 β射线 电子 1/184

0 -1 0.99 较强 较强，穿几mm 铝板 γ射线

光子

1

最弱

最强，穿几cm 铅版

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衰变：e 422349023892H Th U +→(实质：核内He

n 2H 2421011→+)α衰变形成外切(同方向旋)，

β衰变：

e Pa Th 0

123491234

90-+→(实质：核内的中子转变成了质子和中子

e H n 011110

-+→)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：e Si P 0

130

1430

15+→（核内e n H 0

11

01

1+→）

γ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：

H O He N 1

11784214

7

+→+(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

↑↓↓↑↑↑T V E E E n k p

n C He Be 1

01264294+→+(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍 n P He Al 1

03015422713+→+ (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：

n 3Kr Ba n U 109236141561023592++→+

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：n He H H 1

042312

1+→+（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。）

三、半衰期

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。（对大量原子核的统计规律）计算式为：T t t N N ??? ??=210N 表示核的个数 ，此式也可以演变成 T

t t m m ??? ??=210或

T

t t n n ??

?

??=210，式中m 表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数。以上

各式左边的量都表示时间t 后的剩余量。

半衰期(由核内部本身的因素决定,与物理和化学状态无关)、 同位素等重要概念 放射性标志

四、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）。 重要的物理现象或史实跟相应的科学家

e

Si P 0

130143015+→

原子核结构练习题

考纲要求：

● 天然放射性、α射线、β射线、γ射线、半衰期…I 级． ● 质子的发现、中子的发现、原子核的组成…I 级． 知识达标：

1．物质发射射线的性质称为 ,具有放射性的元素称为 放射性物质放出的射线有三种： 、 和

2．α射线是高速α粒子流，α粒子的电荷数是 ，质量数是 ，实际上就是 ；β射线是高速 流；Y 射线不带电，它是能量很高的 ,

波长很 ，在lO -10

m 以下．

3．如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种 的 形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与 无关．我们已经知道,元素

的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以断定 _____________也就是说 ___________________________________.

4．放射性有许多重要的应用．Y 射线的 很强，可以用来检查金属内部是否有砂眼或裂纹．γ射线对生物体有很强的作用，可以 ，也可以杀死食物中的细菌． 5．某原子核放出一个α粒子后，核的质量数 ，电荷数 ，成为新核．这种衰变叫做α衰变；某原子核放出一个β粒子后，核的质量数 ，电荷数 ， 成为新核．这种衰变叫做β衰变．

6.在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合在一起从核里发射出来，这就是 ．原子核里虽然没有电子，但是核内的 可以转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是 ．

7．放射性元素的 有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期．放射性 元素衰变的快慢是由 本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态 8．卢瑟福用α粒子轰击 产生了氧17(氧16的一种 )和一个质子，核反应方程式是：___________________________，查德威克用α粒子轰击铍原子核，发现了中子，核反应方成式是：_______________________________ 经典题型

1．关于α射线、β射线、γ射线和x 射线，以下列说法正确的是： A ．它们都发自原子核内部 B ．它们都是高频电磁波

C ．贯穿本领最大的是α射线

D ．对空气电离作用最大的是α射线 2．放射性元素的原子核

X M Z

连续经过三次α衰变和两次β衰变．若最后变成另一种元素

的原子核Y ，则新核Y 的正确写法是：

A.Y M Z )14()2(--

B. Y M Z )12()6(--

C. Y M Z )12()4(--

D. Y M Z )

12()1(--

3．放射性元素发生β衰变对，放出一个负电子，该电子是： A ．核外电子从内层轨道上跃迁出来的 B ．核内电子受激发而射出来的

C ．核内的一个质子衰变成中子放出来的

D ．核内的一个中子衰变成质子放出来的

4．放射性元素放出的射线，在电场中分成A 、B 、C 三束，如图所示，其中： A ．C 为氦核组成的粒子流，它在空气中电离本领最强 B ．C 是原子核外电子电离而生成的

C ．B 为比x 射线波长更短的光子流，它的电离能力最弱，

D ．A 为高速电子组成的电子流，贯穿能力最强 5．放射性元素的半衰期以下说法中止确的是：

A ．半衰期是指原子核中核子数减少一半所需的时间

B ．半衰期是指原子核有半数发生衰变所需的时间

C ．半衰期是指原子核全部衰变所需时间的一半贯穿能力最强

D ．半衰期是指具有放射性的物体总质量减少一半所需的时间 6．有人欲减缓放射性元素的衰变，下面的说法正确的是： A ．把放射性元素放置在密封的铅盒里 B ．把放射性元素放置在低温处

C ．把放射性元素同其它稳定性的元素结合成化合物

D ．上述各种办法都无法减缓放射性元素的衰变

7．以下哪些实验现象可以说明原子核内部有复杂的结构： A ．a 粒子散射实验 B ．伦琴射线的发现 C ．元素发光时产生明线光谱的现象 D ．天然放射现象 8．放射性探伤是利用了：

A ．α射线的电离本领

B ．β射线的贯穿本领

C ．γ射线的贯穿本领

D ．放射性元素的示踪本领 9.

U 23892

要经过 次α衰变和经过 次β衰变才能变成Rn 22286

10.

U 23892

衰变成Th 23490时释放出 粒子，Th 234

90衰变成Pa 23491时释放出 粒子．

如果衰变时产生的新核处于激发态，将会辐射出 ．

11.α、β、γ三种粒子按其静止质量大小的顺序是 ，按穿透能力大小的顺序是 ，按其电离本领大小的顺序是 ． 12．完成下列核反应方程：

(1)__________17842147+→+O He N (2) __________12

64294+→+C He Be

(3) __________30

143015+→Si P (4) __________2349023892+→Th U

(5)

__________2349123490

+→Pa Th (6) He Li B 4

273105_____+→+

知识达标：

1．放射性，放射性元素，α射线，β射线，γ射线 2．2，4，氦原子核，电子，电磁波，短 3．化合物，元素的化学状态，射线来源于原子核；原子核是有内部结构的4．贯穿本领，诱发基因突变 5．减少4，减少2，不变，增加l 6．α衰变，中子，β衰变。 7．原子核，原子核，无关 8．氮原子核，同位素，H O He N 1

117

84

214

7+→+ n C He Be 1

012

64

29

4+→+ 经典题型：

1．D 2．C 3．D 4．C 5．B 6．D 7．D 8．C 9．4、2 10．α、β、γ射线 11．α、β、γ； γ、β、α； α、β、γ； 12．(1)H 1

1 (2)：n 1

0 (3) e 0

1 (4) He 4

2 (5) e 01- (6)：n 1

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）