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1、原子和原子核
一、原子結(jié)構(gòu):
1、電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆生的原子模型:
(1)電子的發(fā)現(xiàn):
1897年英國物理學(xué)家湯姆生,對陰極射線進(jìn)行了一系列的研究,從而發(fā)現(xiàn)了電子。
電子的發(fā)現(xiàn)表明:原子存在精細(xì)結(jié)構(gòu),從而打破了原子不可再分的觀念。
(2)湯姆生的原子模型:
1903年湯姆生設(shè)想原子是一個(gè)帶電小球,它的正電荷均勻分布在整個(gè)球體內(nèi),而帶負(fù)電的電子鑲嵌在正電荷中。
2、粒子散射實(shí)驗(yàn)和原子核結(jié)構(gòu)模型
(1)粒子散射實(shí)驗(yàn):1909年,盧瑟福及助手蓋革手嗎斯頓完成
①裝置:
② 現(xiàn)象:
a. 絕大多數(shù)粒子穿過金箔后,仍沿原來方向運(yùn)動(dòng),不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
b. 有少數(shù)粒子發(fā)生較大
2、角度的偏轉(zhuǎn)
c. 有極少數(shù)粒子的偏轉(zhuǎn)角超過了90度,有的幾乎達(dá)到180度,即被反向彈回。
(2)原子的核式結(jié)構(gòu)模型:
由于粒子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的七千多倍,所以電子不會(huì)使粒子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生明顯的改變,只有原子中的正電荷才有可能對粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生明顯的影響。如果正電荷在原子中的分布,像湯姆生模型那模均勻分布,穿過金箔的粒了所受正電荷的作用力在各方向平衡,粒了運(yùn)動(dòng)將不發(fā)生明顯改變。散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明,原子中正電荷不是均勻分布在原子中的。
1911年,盧瑟福通過對粒子散射實(shí)驗(yàn)的分析計(jì)算提出原子核式結(jié)構(gòu)模型:在原子中心存在一個(gè)很小的核,稱為原子核,原子核集中了原子所有正電荷和幾乎全部的質(zhì)量,帶負(fù)電荷
3、的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。
原子核半徑小于10-14m,原子軌道半徑約10-10m。
3、玻爾的原子模型
(1)原子核式結(jié)構(gòu)模型與經(jīng)典電磁理論的矛盾(兩方面)
a. 電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng),按照經(jīng)典理論,加速運(yùn)動(dòng)的電荷,要不斷地向周圍發(fā)射電磁波,電子的能量就要不斷減少,最后電子要落到原子核上,這與原子通常是穩(wěn)定的事實(shí)相矛盾。
b. 電子繞核旋轉(zhuǎn)時(shí)輻射電磁波的頻率應(yīng)等于電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率,隨著旋轉(zhuǎn)軌道的連續(xù)變小,電子輻射的電磁波的頻率也應(yīng)是連續(xù)變化,因此按照這種推理原子光譜應(yīng)是連續(xù)光譜,這種原子光譜是線狀光譜事實(shí)相矛盾。
(2)玻爾理論
上述兩個(gè)矛盾說明,經(jīng)典電磁理論已不適用
4、原子系統(tǒng),玻爾從光譜學(xué)成就得到啟發(fā),利用普朗克的能量量了化的概念,提了三個(gè)假設(shè):
①定態(tài)假設(shè):原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中,在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,電子雖然做加速運(yùn)動(dòng),但并不向外在輻射能量,這些狀態(tài)叫定態(tài)。
②躍遷假設(shè):原子從一個(gè)定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí),它輻射成吸收一定頻率的光子,光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定,即 hv=E2-E1
③軌道量子化假設(shè),原子的不同能量狀態(tài),跟電子不同的運(yùn)行軌道相對應(yīng)。原子的能量不連續(xù)因而電子可能軌道的分布也是不連續(xù)的。即軌道半徑跟電子動(dòng)量mv的乘積等于h/2的整數(shù)倍,即:軌道半徑跟電了動(dòng)量mv的乘積等于h/的整數(shù)
5、倍,即
n為正整數(shù),稱量數(shù)數(shù)
(3)玻爾的氫子模型:
①氫原子的能級公式和軌道半徑公式:玻爾在三條假設(shè)基礎(chǔ)上,利用經(jīng)典電磁理論和牛頓力學(xué),計(jì)算出氫原子核外電子的各條可能軌道的半徑,以及電子在各條軌道上運(yùn)行時(shí)原子的能量,(包括電子的動(dòng)能和原子的熱能。)
氫原子中電子在第幾條可能軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),氫原子的能量En,和電子軌道半徑rn分別為:
其中E1、r1為離核最近的第一條軌道(即n=1)的氫原子能量和軌道半徑。即:E1=-13.6ev, r1=0.53×10-10m(以電子距原子核無窮遠(yuǎn)時(shí)電勢能為零計(jì)算)
②氫原子的能級圖:氫原子的各個(gè)定態(tài)的能量值,叫氫原子的能級。按能量的大小用圖開像的
6、表示出來即能級圖。
其中n=1的定態(tài)稱為基態(tài)。n=2以上的定態(tài),稱為激發(fā)態(tài)。
二、原子核
1、天然放射現(xiàn)象
(1)天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn):1896年法國物理學(xué),貝克勒耳發(fā)現(xiàn)鈾或鈾礦石能放射出某種人眼看不見的射線。這種射線可穿透黑紙而使照相底片感光。
放射性:物質(zhì)能發(fā)射出上述射線的性質(zhì)稱放射性
放射性元素:具有放射性的元素稱放射性元素
天然放射現(xiàn)象:某種元素白發(fā)地放射射線的現(xiàn)象,叫天然放射現(xiàn)象
天然放射現(xiàn)象:表明原子核存在精細(xì)結(jié)構(gòu),是可以再分的
(2)放射線的成份和性質(zhì):用電場和磁場來研究放射性元素射出的射線,在電場中軌跡,如圖(1):
性
7、 質(zhì)
成 份
組 成
電離作用
貫穿能力
射 線
氦核組成的粒子流
很 強(qiáng)
很 弱
射 線
高速電子流
較 強(qiáng)
較 強(qiáng)
射 線
高頻光子
很 弱
很 強(qiáng)
2、原子核的衰變:
(1)衰變:原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變成新核的變化稱為衰變在原子核的衰變過程中,電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)守恒
類 型
衰變方程
規(guī) 律
衰 變
新核
衰 變
新核
射線是伴隨衰變放射出來的高頻光子流
在衰變中新核質(zhì)子數(shù)
8、多一個(gè),而質(zhì)量數(shù)不變是由于反映中有一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子,即:
(2)半衰期:放射性元素的原子核的半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間,稱該元素的半衰期。
一放射性元素,測得質(zhì)量為m,半衰期為T,經(jīng)時(shí)間t后,剩余未衰變的放射性元素的質(zhì)量為m
3、原子核的人工轉(zhuǎn)變:原子核的人工轉(zhuǎn)變是指用人工的方法(例如用高速粒子轟擊原子核)使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變。
(1)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn):1919年,盧瑟福用粒子轟擊氦原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。
(2)中子的發(fā)現(xiàn):1932年,查德威克用粒子轟擊鈹核,發(fā)現(xiàn)中子。
4、原子核的組成和放射性同位素
(1)原子核的組成:原子核是由質(zhì)子和中子組成,質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子
9、在原子核中:
質(zhì)子數(shù)等于電荷數(shù)
核子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)
中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)減電荷數(shù)
(2)放射性同位素:具有相同的質(zhì)子和不同中子數(shù)的原子互稱同位素,放射性同位素:具有放射性的同位素叫放射性同位素。
正電子的發(fā)現(xiàn):用粒子轟擊鋁時(shí),發(fā)生核反應(yīng)。
發(fā)生+衰變,放出正電子
三、核能:
1、核能:核子結(jié)合成的子核或?qū)⒃雍朔纸鉃楹俗訒r(shí),都要放出或吸收能量,稱為核能。
例如:
2、質(zhì)能方程:愛因斯坦提出物體的質(zhì)量和能量的關(guān)系:
——質(zhì)能方程
3、核能的計(jì)算:在核反應(yīng)中,及應(yīng)后的總質(zhì)量,少于反應(yīng)前的總質(zhì)量即出現(xiàn)質(zhì)量虧損,這樣的反就是放能反應(yīng),若反應(yīng)后的總質(zhì)量大于反應(yīng)前的總質(zhì)量
10、,這樣的反應(yīng)是吸能反應(yīng)。
吸收或放出的能量,與質(zhì)量變化的關(guān)系為:
例:計(jì)算
為了計(jì)算方便以后在計(jì)算核能時(shí)我們用以下兩種方法
方法一:若已知條件中以千克作單位給出,用以下公式計(jì)算
公式中單位:
方法二:若已知條件中以作單位給出,用以下公式計(jì)算
公式中單位:;
4、釋放核能的途徑——裂變和聚變
(1)裂變反應(yīng):
①裂變:重核在一定條件下轉(zhuǎn)變成兩個(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng),叫做原子核的裂變反應(yīng)。
例如:
②鏈?zhǔn)椒磻?yīng):在裂變反應(yīng)用產(chǎn)生的中子,再被其他鈾核浮獲使反應(yīng)繼續(xù)下去。
鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件:
③裂變時(shí)平均每個(gè)核子放能約1Mev能量
1kg全部裂變放出的能量相當(dāng)于2
11、500噸優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒放出能量
(2)聚變反應(yīng):
①聚變反應(yīng):輕的原子核聚合成較重的原子核的反應(yīng),稱為聚變反應(yīng)。
例如:
②平均每個(gè)核子放出3Mev的能量
③聚變反應(yīng)的條件;幾百萬攝氏度的高溫
例1 [2020·全國卷T18] 已知?dú)湓拥幕鶓B(tài)能量為E1,激發(fā)態(tài)能量En=,其中n=2,3,….用h表示普朗克常量,c表示真空中的光速.能使氫原子從第一激發(fā)態(tài)電離的光子的最大波長為( )
A.- B.- C.- D.-
【解析】 C 從第一激發(fā)態(tài)到電離狀態(tài)吸收的能量ΔE=0-=-,根據(jù)ΔE=hν=h,所以λ=-,因此答案為C.
例2 [2020·重慶卷T16] 核電站核
12、泄漏的污染物中含有碘131和銫137.碘131的半衰期約為8天,會(huì)釋放β射線;銫137是銫133的同位素,半衰期約為30年,發(fā)生衰變時(shí)會(huì)輻射γ射線.下列說法正確的是( )
A.碘131釋放的β射線由氦核組成
B.銫137衰變時(shí)輻射出的γ光子能量小于可見光光子能量
C.與銫137相比,碘131衰變更慢
D.銫133和銫137含有相同的質(zhì)子數(shù)
D 【解析】 β射線實(shí)際是電子流,A錯(cuò)誤;γ射線是高頻電磁波,其光子能量大于可見光的能量,B錯(cuò)誤;半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間,碘131的半衰期為8天,銫137半衰期為30年,碘131衰變更快,C錯(cuò)誤;同位素是具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的元素,故銫133和銫137含有相同的質(zhì)子數(shù),D正確.