第二十一章 近代原子物理文档格式.docx

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钋放在带小孔的铅盒中，放射出高能粒子（α粒子）带正电，mα＞＞me

金箔：

厚度极小，可至1微米（金原子的质量大，且易延成很薄的箔）．

显微镜：

能绕金箔在水平面内转动．

荧光屏：

荧光屏装在显微镜上．

2.实验步骤

（1）钋放出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察（偏离正对位置，无闪光）．

（2）放上金箔F，正对位置可观察到大量的闪光点．

（3）转动显微镜，在不同偏转角θ处，可看到α粒子散射现象．

3．实验结果

⑴绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进．

（2）少数α粒子发生了较大角度的偏转

4．对实验结果引起的思考：

⑴卢瑟福感到震惊．卢瑟福回忆当时接到实验结果的报告感到震惊：

“就好像炮弹碰到卫生纸被反弹一样震惊”．他认真思考，细心研究，推翻他的导师汤姆生的原子模型，建立了新的原子模型．

⑵．汤姆生的模型被否定的原因．（学生讨论）

说明：

重铁球碰轻木球．铁球运动不会受到大的影响．

①α粒子穿汤姆生的原子模型，α粒子可能与电子相碰，但α粒子运动方向不会改变，因为电子的质量很小，就像子弹碰到了灰尘．

②α粒子与带正电物质的作用，只可能发生小角度的偏转，解释不了大角度偏转，汤姆生的枣糕模型被否定了．

⑶.原子模型是什么样的?

现在我们随同卢瑟福一道分析实验结果，建立新的模型．为了便于我们分析研究，我们先观察．

观察轻木球去碰重铁球，轻木球被反弹．

分析一束高速运动的正电荷．

a．离Q远的+q，不改变方向继续前进．

b．离Q较近的，发生大角度偏转．

c．正对着的被反弹回．

下面我们逐条分析α粒子散射实验结果．（学生讨论）

第1条说明什么?

（原子内是十分空的，绝大多数α粒子没有碰上带正电的质量大的物质）

第2条说明什么?

（只有少数α粒子离带正电物质较近，命中率很小，原子内正电荷和原子的质量集中在很小的体积内）

卢瑟福认为带正电物质集中在很小的核内，它的质量几乎是原子的全部质量．

电子在原子内是怎样的，它不会静止在带正电物质的外围，受天体行星运动的启发，电子只有绕核旋转才不至被吸到核上来．

二、原子的核式结构模型

1．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全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动。

原子核的发现有重大意义，因为它开辟了原子核物理的新领域，卢瑟福被人们尊称为原子核物理之父．

2．原子核式结构的模型，是建立在α粒子散射实验的基础上的．

3．原子、原子核的大小

原子直径数量级10—10m

原子核直径数量级10—15m

原子核直径是原子直径的十万分之一．

如果原子是直径100m的操场，原子核只有一个直径为几毫米的玻璃球那么大．

三、原子核的组成

前面我们认识了原子的核式结构，知道原子核比原子更小．人们进一步研究发现小小的原子核还有其内部结构．

[阅读]教材原子核的组成．

1．质子是原子核的组成部分．

（1）质子是1919年卢瑟福用α粒子轰击氮核发现的．它带正电，电荷量为一个元电荷，．质量约为电子质量的1840倍。

（2）后来人们又从氟、钠、铝等原子核中打出了质子．

（3）说明质子是原子核的组成部分．

2．中子是原子核的组成部分．

（1）绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核的电荷与质子电荷之比．

（2）卢瑟福预言了原子核内有中子的存在，它的质量跟质子很相近，不带电．

（3）查德威克用α粒子轰击铍核发现了中子，说明中子是原子核的组成部分．

3．原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。

4．原子核的符号

质子数——Z等于原子的核电荷数，就是元素的原子序数．

质量数——A原子核的质量等于质子质量和中子质量之和，质量数就是原子核内的核子数．

中子数A—Z等于质量数（核子数）减质子数．

例：

氦核

（4个核子，2个质子，2个中子）

铀235核

（235个核子，92个质子，235—92个中子）

用同样的方法可表示氢核子，质子

中子

5．同位素

（1）化学中学过同一种元素，核内的质子数相同，决定了核外的电子数及其分布，进而决定了元素的化学性质。

（2）核内质子数相同，核内中子数可不同，互称为同位素。

例：

氢的同位素

氕——氘——氚

三．小结

一、学习本节知识，应把握住下面这条线索，并在自己的头脑中建立起原子结构的量子模型．

人类探索原子的结构经历了如下进程：

1．电子的发现，诞生了汤姆生的原子结构模型；

2．α粒子散射实验，建立了卢瑟福的核式结构模型；

3．为了解释氢光谱的规律，玻尔提出了三条假设，建立起原子结构的量子模型．

二、运用核式结构学说研究核外电子运动一类问题，应与前面库仑定律、圆周运动等知识结合起来．

四．巩固练习

1．卢瑟福的α粒子散射实验表明（A）

A．原子带正电

B．原子是一个球体

C．电子在任意一个圆形轨道上运动

D．原子内部的正电荷并不是均匀分布的，而是集中在很小的体积内

2．锶原子核的符号是

，那么它的原子（B）

A．核外有38个电子、核内有95个质子

B．核外有38个电子、核内有57个中子

C.核外有57个电子、核内有57个质子

D．核外有57个电子、核内有38个质子

3．写出核电荷数是7、中子数是7的原子核的符号．

4．α粒子散射实验中，卢瑟福用α粒子轰击金箔，下列四个选项中哪一项属于实验得到的正确结果（B）

A．α粒子穿过金箔时都不改变运动方向

B．极少数α粒子穿过金箔时有较大的偏转

C．绝大多数α粒子穿过金箔时有较大的偏转

D．α粒子穿过金箔时都有较小的偏转

5．见教材练习一

课后回顾

115

二　原子的能级　电子云

1．理解玻尔关于轨道量子化的概念,充分认识玻尔关于轨道半径不可能取任意值的论断．

2．理解能级的概念和原子发射与吸收光子的频率与能级差的关系．

3．知道用电子云表示电子在原子各处的概率颁布

玻尔理论

对原子发光现象解释

前面我们学过的原子结构是由英国物理学家卢瑟福依据他的实验结果提出来的，我们称之为核式结构．

你对该结构产生过怀疑吗?

按卢瑟福的原子模型，电子在绕核高速旋转，其运动情况类似振荡电荷．按经典电磁理论，振荡电荷要以电磁波的形式不断向外辐射能量．损失能量后的电子轨道半径将逐渐减小，最终将落在原子核中．这一过程中，由于轨道半径是连续变化的，振荡频率也是连续变化的，向外辐射的能量也应是连续的（发出的光谱是连续的）．

然而，事实并非如此．我们知道大多数原子是稳定的，在通常情况下是不发射电磁波的．即使在某些状态下发射电磁波，其频率也不是连续的，而是具有某些分立的确定的数值．

问题出在何处?

是电磁理论错了?

还是原子模型建立的不对?

或是其他什么原因?

面对上述困难，丹麦物理学家玻尔经过认真研究于1913年提出了他自己的原子结构模型.

（一）玻尔模型

玻尔原子理论

玻尔把量子观念引入原子理论中，这是一个创举．根据玻尔的假设，电子只能在某些可能的轨道上运动，电子在这些轨道上运动时不辐射能量，处于定态，只有电子从一条轨道跃迁到另一条轨道上时才辐射能量．辐射的能量是一份一份的，等于这两个定态的能量差．这些就是玻尔理论的主要内容．

1、模型中保留了卢瑟福的核式结构．但他认为核外电子的轨道是不连续的，它们只能在某些可能的、分立的轨道上运动，而不是像行星或卫星那样，能量大小可以是任意的量值．例如，氢原子的电子最小轨道半径为r1＝0.53nm，其余可能的轨道半径还有2.120nm、4.770nm、…不可能出现介于这些轨道之间的其他值．这样的轨道形式称为轨道量子化．

2、电子在可能轨道上运动时，尽管是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态．这些定态下的能量值叫能级，原子每一个可能的状态都对应着一个能级．

（二）能级

1、能级：

原子在定态下的能量值．

2、基态与激发态

若要使原子电离，需靠外界对原子做功，以使电子摆脱它与原子核之间的库仑力，所以原子电离后的能量比它处在各状态时的能量要高．若此时的能量规定为0，则其他状态的能量均为负值．能量最低的状态叫做基态，其他状态都叫激发态．

由于原子的可能状态（定态）是不连续的，具有的能量也是不连续的，这样的能量形式称为能量量子化．

能量最低的状态叫基态（E1），其他状态叫激发态（E2、E3、E4……）

（三）光子的发射和吸收

原子处在能量最低的基态时，最为稳定．

原子处在较高能级的激发态时会自发地向较低能级跃迁．它可能经过一次或几次跃迁，最后到达基态．在跃迁进程中，能量的减少以光子的形式放出．光子的能量遵从：

hν＝E2－E1

反之，原子吸收相应光子的能量后，会从低能级向高能级跃迁．

（四）玻尔理论的局限性――电子云

玻尔理论成功地解释并预言了氢原子的电磁波谱的问题，但是它也有其局限性．它在解释多电子原子的光谱问题上遇到了很大的困难．究其原因是它还未能完全摆脱经典理论的束缚，过多地保留了轨道模型、圆周运动、牛顿运动定律等经典电磁理论．

玻尔的原子模型是量子理论和经典理论的“混血儿”，实际上，经典理论中的某些概念规律在微观领域是不适用的，这正是玻尔理论在某些问题中失败的原因.

1．玻尔假设：

1.定态假设

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫做定态．

（2）轨迹假设

原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E1）时，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量差决定，即hν＝E2－E1

四．练习

见教材练习二

116

三　天然放射现象衰变

1．知道天然放射现象及其规律，知道天然放射现象的原因是原子核的衰变．同时它也说明了原子有复杂结构．

2．知道三种射线的本质和特点．

3．知道原子核的衰变规律，知道。

衰变、卢衰变的本质，会写两种衰变方程．

了解天然放射现象和它的本质

区分三种射线的特点

法国科学家贝克勒尔自1895年起一直研究由硫化物和含铀的化合物产生的磷光现象，1896年2月，26日、27日两天，因阴雨无法进行实验，他把用黑纸包住的照相底片连同它上面的磷光物质一起放进抽屉里．3月1日细心的贝克勒尔想抽查一下照相底片是否会因黑纸漏光而曝光．照相底片冲洗出来后，他大吃一惊，底片受到很强的辐射而变得很黑了，这显然不是漏光和磷光形成的．第二天他向法国科学院报告了他所发现的新的“不可见的辐射”．这种辐射可以穿透黑纸而使底片感光，这就是后来提出的物质的放射性．贝克勒尔因发现了物质的放射性而获得1903年诺贝尔物理学奖。

人们认识原子核的复杂结构和它的变化规律就是从发现天然放射现象开始的，天然放射就是原子核的一种变化．

（一）天然放射现象

1．天然放射现象

⑴放射性与放射性元素

①物质发射射线的性质称为放射性．

②具有放射性的元素称为放射性元素．

⑵天然放射现象

（1）原子序数大于82的元素都有放射性．天然放射性元素的种类很多，但它们在地球上的含量很少．

（2）原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．

元素这种自发地放出射线的现象称为天然放射现象。

2．三种射线

⑴放射性物质放出的射线有三种：

①α射线、②β射线、③γ射线．

引入磁场，如何判断是何种射线?

⑵三种射线的成分和性质

3．放射性与元素存在的状态无关．

研究表明，元素的放射性与它以单质或化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响，这种性质说明了什么?

元素的放射是稳定的，是由元素的原子核决定的，射线是从元素的原子核中放出的，放射现象说明了原子核是具有结构的．

问题1不同的元素放射的射线相同吗?

问题2：

元素放出射线后，原子核发生了什么变化?

不同的放射性元素放射的射线是不同的．研究表明，碳14只放出α射线，钴60只放出β、γ射线，镭226只放出α、γ射线．元素自发地放出射线后，原子核发生了变化，称为原子核的衰变．放出α粒子的称为α衰变，放出β粒子的称为β衰变．

（二）衰变

1．原子核的衰变：

放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新的原子核的变化．

2．两种衰变：

α衰变、β衰变．

铀238（

）的α衰变

钍234（

）的β衰变

3．衰变规律：

原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．

γ射线是伴随着α射线和β射线产生的．

放射性物质发生衰变时，有的发生α衰，有的发生β衰变，同时伴随γ射线．这时三种射线都有．

写出镭226（Ra88）、钋210（Po84）、氡222（Rn86）的一次α衰变方程。

写出铜66（Cu29）、磷32（P15）、铋210（Bi83）的一次β衰变方程。

1．许多物质都有放出α、β、γ射线的性质，称为放射性．具有放射性的元素叫做放射性元素．天然放射现象的发现为我们打开了认识原子核内部世界的大门．

2．三种放射线中，α粒子为氦核;

β粒子为高速电子；

γ粒子为波长很短的光子，各自的特点．

3．了解衰变．α衰变、β衰变的物理意义，会写相应的核反应方程式．

1．

变成

，要经过几次α衰变和几次β衰变?

2．见教材练习三

117－118

四　核反应　核能及其应用

1．知道原子核的人工转变，知道质子和中子是如何被发现的

2．知道核能的概念

3．了解爱因斯坦的质量方程,知道质量亏损的概念.

4．会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能.

5．知道重核的裂变及其产生条件和应用（核反应堆－原子弹）

6．知道轻核的聚变及其产生条件和应用（轻弹）

1．原子核的人工转变和质能方程.

2．核能的应用

核反应过程和核能的计算

衰变是原子核的自发变化，那么，能不能用人工的方法使原子核发生变化呢？

如果可以，发生什么现象？

遵循怎样的规律？

（一）核反应

1．原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。

2．原子核的人工转变

（1）1919年，卢瑟福发现质子：

核反应方程

（2）查德威克发现中子：

3．核反应规律：

在核反应中，质量数和电荷数都守恒

小居里夫妇发现正电子　

（二）质能方程

1．核反应伴随着能量变化：

核反应中放出的能量称为核能。

一个质子和一个中子结合成氘核，放出2.2Mev能量

2．质量亏损：

组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差（或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差）叫质量亏损.

3．质能方程：

爱因斯坦质能方程E＝mc2

质量亏损放出能量ΔE＝Δmc2

和

结合成

核放出能量2.22Mev

4．原子质量单位u：

1u＝1.6606×

10－27kg　　相当于931.5Mev的能量

（三）小结

1．运用质能方程△E=△mc2计算释放的核能时，应抓住质量亏损的计算．

2．原子核的变化，无论天然放射性元素的衰变，还是原子核的人工转变，都遵循电荷数守恒、质量数守恒，动量守恒及能量守恒的有关规律，除去会写核反应方程以外，还需结合以前学过的力学知识、电磁学知识进行有关计算．

3．写核反应方程时应注意：

（1）核反应方程中的箭头一表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号．

（2）写核反应方程要有实验依据，决不能无根据地编造．

（四）巩固练习

已知氘核质量为2.0136u，中子质量为1.0087u，

核的质量为3.0150u，

（1）写出两个氘核结合成He的核反应方程．

（2）计算上述核反应中释放的核能；

（3）若两个氘核以相等的动能0.35MeV作对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He核和中子的动能各是多少?

（五）应用

（A）裂变反应及其特点

让学生通过自学讨论后，回答下列问题．

（1）核反应过程有些是要吸收能量的，有些是释放能量的，那么到底什么，样的核反应才能释放能量?

释放能量的过程有：

①核子结合成原子核

②重核分裂成中等质量的核．

③轻核结合成中等质量的核．

（2）什么叫核子的平均质量，不同的原子核核子的平均质量一定都相同吗?

原子核的质量除以核子数叫核子的平均质量，并不是所有原子核的核子的平均质量均相同（有部分原子核的核子的平均质量相同）．

（3）为什么核子平均质量大的原子核变成核子平均质量小的核会放出能量?

核反应过程中核子数是守恒的，因反应前核的总质量大于反应后原子核的总质量，即反应过程中发生质量亏损，据爱因斯坦的质能方程可知会放出能量．

1、由核子平均质量大的原子核变成核子平均质量小的原子核要放出能量。

（4）根据教材图23—13说明质量数较大的A核分裂成质量数较小的B核和C核会放出能量吗?

这种物理过程叫什么?

A核的核子平均质量大，B、C核的核子平均质量小，故A核分裂成B核和C核会放出能量．物理学中把这样的过程叫做裂变．

裂变:

重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应,称为裂变

2．铀核的裂变

（1）铀核裂变的一种典型反应

1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，铀核裂变的产物是多种多样的，其中一种典型的反应是

（3）裂变反应中的能量的计算

让学生根据书上提供的数据进行计算，

以上述典型反应为例：

裂变前的质量：

mu＝390.3139×

10－27kg，mn＝1.6479×

10－27kg

裂变后的质量：

mBa＝234.0016×

10－27kg，mKr＝152.6047×

3mn＝5.0247×

质量亏损：

Δm＝（mu＋mn）－（mBa＋mK＋3mn）＝0.5378×

释放的能量：

ΔE＝Δmc2＝201MeV

1kg铀235含有的铀原子核数为

1kg铀235完全反应释放的总能量为E＝NΔE＝8.23×

1013J

某优质煤燃烧值为2.9×

107J/kg．1kg铀235完全反应相当于要完全燃烧此种煤2.84×

103t．

1954年美国在日本投放的两颗原子弹相当于２万吨ＴＮＴ炸药的当量．

3．核电站

（1）核反应堆

引导学生阅读教材，讨论核反应堆组成，各部分作用。

基本结构

作用

⑴铀棒

核反应的燃料

⑵中子减速剂（石墨、重水、普通水等）

使中子减速以便让U235俘获

⑶控制棒（镉、硼做成）

吸收中子以控制反应速度

⑷冷却系统（水、液态钠等）

a、传输能量；

b、确保反应堆的安全

⑸水泥防护层

防止核辐射

（2）核能发电的优缺点

引导学生阅读、讨论、总结：

优点：

⑴污染小；

⑵可采储量大；

⑶比较经济。

缺点：

⑴一旦泄漏会造成严重核污染；

⑵核废料处理困难。

（B）聚变

人类的生产和生活都离不开能源．目前可供开采的，作为主要能源的煤、石油和天然气等越来越少，所以人们开始致力于寻找新能源．爱因斯坦提出的质能方程，为我们指明了获取巨大能量的途径，而重核裂变、轻核聚变则是获取这些巨大能量的最可行的方式

引导学生阅读课本，分组讨论、归纳总结，回答下列问题：

1．明确什么是聚变反应。

2．聚变反应有哪些特点?

3．是否任意核聚在一起都能释放出能量?

为什么?

4．如何实现聚变反应?

5．对聚变能的利用．

让学生依次回答上述问题，教师可根据需要进行补充

l、聚变反应：

由轻原子核聚合成较重原子核的反应称聚变.

2．聚变反应的特点：

聚变反应的特点主要有3个

⑴和裂变相比，聚变反应释放的能量更多。

例如，一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是

根据已知的数据氘核的质量：

mD=2.014102u　　氚核的质量：

mT=3.016.050u

氦核的质量：

mα=4.002603u　　中子的质量：

mn=1008665u

该反应释放能量为ΔE＝Δmc2＝17.6MeV　（平均每个核子放出的能量为3.3MeV）

⑵聚变材料丰富

1L海水中大约有0．03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油．

常见的聚变反应：

在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物．所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成成分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的．

⑶安全、无污染。

聚变产物基本上是稳定氦核，没有放射性，不污染周围环境．而裂变产物一般都有放射性，容易引起环境污染．

可见，轻核的聚变是一种理想的解决能源问题的途径．那么，是不是任意的核聚在一起就释放能量呢?

不是．由爱因斯坦质能方程可知，只有在反应中出现质量亏损，即生成物的总质量小于反应物的总质量时，才能放出能量．

3．热核反应及其应用

（1）热核反应

使轻核发生聚变的方法之一就是将物质加热．温度越高，分子的热运动越剧烈，分子热运动的平均动能越大．要使轻核发生聚变需要达到很高的温度——几百万摄氏度，这时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能来克服原子核间巨大的库仑斥力，达到10—15m的近距离，在碰撞时发生聚变．因此，聚变反应又叫热核反应．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．

（2）热核反应的应用

①太阳能

热核反应在宇宙中是很普遍的．太阳和许多恒星内部，温度高达