17第十七章 原子和原子核

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1、第十七章　原子和原子核 第一節(jié)　原子的核式結(jié)構(gòu) 一、餅式結(jié)構(gòu) 二、散射實(shí)驗(yàn)和原子的核式結(jié)構(gòu) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推理判斷，提出合理假設(shè)： 核式結(jié)構(gòu)模型 ① 電子質(zhì)量很小 ② 在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子幾乎所有的質(zhì)量和所有正電荷都集中在原子核里。 ③ 電子繞原子核作圓周運(yùn)動(dòng)。 原子半徑：10－10m 原子核半徑：10－15m 原子內(nèi)部是十分“空曠”的?。?！ 三、原子核的組成 1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮核，從中產(chǎn)生了一種粒子并測(cè)定了它的電荷與質(zhì)量，把它叫做質(zhì)子。 一開始，人們以為原子核只是由質(zhì)子組成的。但人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的荷質(zhì)比卻與原子核的荷質(zhì)比不相

2、同，多數(shù)核質(zhì)子的荷質(zhì)比原子核的荷質(zhì)比大。盧瑟福猜想原子核內(nèi)還存在一種粒子，質(zhì)量與質(zhì)子相等，但不帶電，并把它稱為中子。后來(lái)，查德威克用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中子。 于是，人們認(rèn)為原子核由質(zhì)子和中子組成。 原子核的表示：X代表元素符號(hào)，A為原子核的質(zhì)量數(shù)，Z為原子核的電荷數(shù)。 第二節(jié)　原子的能級(jí)　電子云 一、經(jīng)典物理與核式原子結(jié)構(gòu)的矛盾： 二、玻爾的原子模型 1．玻爾原子模型的內(nèi)容： 玻爾認(rèn)為，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，這種現(xiàn)象叫軌道量子化；不同的軌道對(duì)應(yīng)著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運(yùn)動(dòng)，卻不輻射能量，因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的；原子在不同的狀態(tài)中具有不同

3、的能量，所以原子的能量也是量子化的。 2．玻爾原子模型的三條假設(shè) ① 定態(tài)—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，電子雖然作加速運(yùn)動(dòng)，但并不向外輻射能量。 ② 躍遷—原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為E1）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E2）時(shí)，它輻射（或者吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種狀態(tài)的能量差決定，即：hv＝El一E2。 ③ 軌道量子化—原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道分布也是不連續(xù)的。 3．原子的躍遷條件 hv＝E初一E終只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況，對(duì)下列兩種

4、情況，則不受此條件限制。 ① 光子和原子作用而使氫原子電離，產(chǎn)生離子和自由電子時(shí)，原子結(jié)構(gòu)被破壞，因而不遵守有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的理論。如基態(tài)氫原子的電離能為13. 6eV，只要大于或等于13. 6eV的光子都被處于基態(tài)的氫原子吸收而電離。氫原子電離所產(chǎn)生的自由電子的動(dòng)能等于入射光子的能量與電離能之差。 只要光子的能量大于電子所處軌道的電離能，都可以將電子電離。 ② 電子與氫原子碰撞也能使氫原子發(fā)生躍遷，但與光子的情況有質(zhì)的不同．從力學(xué)的角度看。電子與氫原子相碰撞，電子的動(dòng)能可能全部或部分地轉(zhuǎn)變成原子的能量。當(dāng)電子的動(dòng)能等于氫原子某兩個(gè)定態(tài)能級(jí)之差時(shí)，電子的動(dòng)能可以全部傳給氫原子；當(dāng)電子的動(dòng)能大

5、于氫原子某兩定態(tài)能級(jí)差時(shí)，電子的動(dòng)能只可部分（等于兩定態(tài)能級(jí)差）傳給氫原子，兩種情況都能使氫原子發(fā)生躍遷。但當(dāng)電子的動(dòng)能小于氫原子的某兩能級(jí)差時(shí)，就不能使氫原子發(fā)生躍遷。 4．玻爾模型的兩個(gè)基本公式 這兩個(gè)公式僅適用于氫原子。式中的n表量子數(shù)，n＝1,2 ,3 ,4… ① 氫原子各定態(tài)的能量值，為電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek和電勢(shì)能EP的代數(shù)和；當(dāng)取無(wú)限遠(yuǎn)處電勢(shì)能為零時(shí)，各定態(tài)的電勢(shì)能均為負(fù)值，且其大小總大于同一定態(tài)的電子的動(dòng)能，所以各定態(tài)的能量均為負(fù)值。 ② 玻爾理論的成功之處在于引入了量子化的概念，但仍保留了經(jīng)典的原子軌道，故有關(guān)氫原子的計(jì)算仍應(yīng)用經(jīng)典物理理論。對(duì)電子繞核運(yùn)動(dòng)的

6、軌道半徑、速度、周期、動(dòng)能、電勢(shì)能等的分析與計(jì)算，是牛頓運(yùn)動(dòng)定律、庫(kù)侖定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)的綜合運(yùn)用。 如由可計(jì)算出電子在任一軌道上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能：，電子運(yùn)動(dòng)的速率：，可見越小，越大。 電子的勢(shì)能：可用衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的勢(shì)能來(lái)類似理解。 二、能級(jí) 1．能級(jí)：原子在各個(gè)定態(tài)時(shí)的能量值稱為原子的能級(jí)。 2．基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級(jí)，電子在離核最近的軌道上運(yùn)動(dòng)的定態(tài)稱為基態(tài)。 3．激發(fā)態(tài)：原子吸收能量后從基態(tài)躍遷到較高能級(jí)，電子在較遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。 4．一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時(shí)，可能輻射出的光譜線條數(shù)為： 例1．氫原子放出一個(gè)光子后，根據(jù)玻耳理論

7、，氫原子的（　　?。? A．核外電子的電勢(shì)能增大 B．核外電子的動(dòng)能增大 C．核外電子的轉(zhuǎn)動(dòng)周期變大 D．氫原子的能量增大 例2．處于基態(tài)的氫原子在某單色光的照射下，只能發(fā)出頻率為ν1、ν2、ν3的三種光，且ν1＜ν2＜ν3，則該單色光的光子能量為（　　?。? A．hν1 B．hν2 C．hν3 D．h(ν1+ν2) 例3．氫原子在基態(tài)時(shí)軌道半徑r1＝0.53，能量E1＝－13.6eV。求氫原子處于基態(tài)時(shí)：（1）電子的動(dòng)能；（2）電子運(yùn)轉(zhuǎn)形成的等效電流；（3）原子的電勢(shì)能；（4）用波長(zhǎng)是多少的光照可使其電離？ 第三節(jié)　天然放射現(xiàn)象　衰變 1． 原

8、子序數(shù)大于或等于＿＿＿＿＿的所有元素，都能自發(fā)地放出射線。叫天然放射現(xiàn)象。 2． 三種射線 　　 3． 原子核的衰變 原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓? (1) 衰變規(guī)律：α衰變： 　　　　　　　β衰變： (2) 衰變實(shí)質(zhì)：α衰變實(shí)質(zhì)是元素的原子核同時(shí)放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的粒子（即氦核）。β衰變實(shí)質(zhì)是元素的原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子時(shí)放射出一個(gè)電子。 (3) γ射線是伴隨α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生的。γ射線不改變?cè)雍说碾姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)。其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β時(shí)，產(chǎn)生的某些新核由于具有過(guò)多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子。 思考：γ射線是新核放

9、出來(lái)的還是舊核放出來(lái)的？ (4) 放射性元素衰變時(shí)，通常會(huì)同時(shí)放出α、β和γ三種射線，但某些放射性元素可能只放出α射線或只放出β射線，但在任何情況下都不會(huì)只放出γ射線。當(dāng)α衰變或β衰變產(chǎn)生的新核處于激發(fā)態(tài)時(shí)，便會(huì)輻射出γ光子，把過(guò)多的能量以γ射線的形式釋放出來(lái)，即γ射線只能伴隨α射線或β射線放出，因此，原子核的衰變是釋放能量的反應(yīng)。另外，原子核發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)，其質(zhì)量數(shù)或電荷數(shù)會(huì)相應(yīng)改變，但伴隨其間所產(chǎn)生的，衰變，卻不改變?cè)雍说馁|(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。 例1．帶電的驗(yàn)電器在放射線照射下電荷會(huì)很快消失，其原因是（　　?。? A．射線的貫穿作用　　B．射線的電離作用 C．射線的物理、化

10、學(xué)作用　　D．以上都不對(duì) 例2．工廠利用放射線自動(dòng)控制鋁板厚度的裝置示意圖。如果工廠生產(chǎn)的是厚度1mm的鋁板，在α、β和γ三種射線中，你認(rèn)為對(duì)鋁板的厚度控制起主要作用的是＿＿＿＿＿＿＿射線。 4． 半衰期 (1) 定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間。 (2) 公式：， (3) 決定因素：由原子核本身決定，與外部的物理?xiàng)l件，化學(xué)變化等因素?zé)o關(guān)。 (4) 半衰期是研究衰變過(guò)程的一個(gè)重要概念。放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，只適用于含有大量原子的樣品，半衰期是表示放射性元素的大量原子核有50%發(fā)生衰變所需要的時(shí)間，表示大量原子核衰變的快慢。因此對(duì)某一個(gè)原子核而

11、言，半衰期是無(wú)意義的，因?yàn)檫@個(gè)核何時(shí)發(fā)生衰變，會(huì)受到各種偶然因素的影響。同樣地，當(dāng)樣品中原子數(shù)目減少到統(tǒng)計(jì)規(guī)律不再起作用的時(shí)候，這時(shí)也就不能肯定在某一時(shí)間里這些原子核會(huì)有多少發(fā)生衰變了，所以不能根據(jù)半衰期來(lái)推斷放射性元素的樣品全部衰變完所需的時(shí)間，即放射性元素樣品的壽命是不能通過(guò)半衰期計(jì)算的。 衰變次數(shù)的計(jì)算： 設(shè)放射性元素經(jīng)過(guò)n次α衰變和m次β衰變后，變?yōu)榉€(wěn)定的新元素，則核反應(yīng)方程為： 由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得： A＝A’＋4n Z＝Z’＋2n－m 解得：n＝（A－A’）/4 m＝（A－A’）/2－Z＋Z’ 5． 原子核的人工轉(zhuǎn)變 用人工的方法使一種原子核變成另一種原

12、子核的變化叫原子核的人工轉(zhuǎn)變。原子核人工轉(zhuǎn)變有三大發(fā)現(xiàn)： ①質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)（1919年，盧瑟福） 核反應(yīng)方程： ②中子的發(fā)現(xiàn)（1932年，查德威克） 核反應(yīng)方程： ③放射性同位素的發(fā)現(xiàn)（1934年，約里奧·居里夫婦） 核反應(yīng)方程： 應(yīng)用：利用它的射線；作為示蹤原子。 6． 原子核的組成：質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核的質(zhì)量數(shù)等于其核子數(shù)，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)Z之差，即N＝A－Z。 三、核能、核反應(yīng) 1．質(zhì)量虧損 組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損。 注意質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是兩個(gè)不同的概念，組成原

13、子核的核子的質(zhì)量數(shù)之和與原子核的質(zhì)量數(shù)是相等的。 2．質(zhì)能方程 ① 質(zhì)能方程 　　E=mc2 ΔE=Δmc2 ② 愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系方程E=mc2，不僅指出了質(zhì)量和能量相當(dāng)，擴(kuò)展和深化了質(zhì)量與能量的概念，還指出了核子結(jié)合成原子核時(shí)和核反應(yīng)時(shí)要釋放出大量的能量。因此，在分析和解決有關(guān)的具體問(wèn)題時(shí)，方程ΔE=Δmc2更具實(shí)用價(jià)值。對(duì)于ΔE=Δmc2中的Δm,是指組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差，即核的質(zhì)量虧損，故在核反應(yīng)過(guò)程中，只能說(shuō)質(zhì)量數(shù)守恒，而不能說(shuō)質(zhì)量守恒，原因就在于虧損掉的質(zhì)量很小，對(duì)質(zhì)量數(shù)沒(méi)有影響。 ③ 方程ΔE=Δmc2是計(jì)算核能常用的方法。在具體應(yīng)用中要注意

14、單位制的統(tǒng)一及不同單位間的換算。 若Δm的單位用“kg”、c的單位用“m/s"，則ΔE的單位為“J”；若Δm的單位用原子質(zhì)量單位“u”，可直接用質(zhì)量與能量的相關(guān)式1u＝931.5MeV推算ΔE，此時(shí)ΔE的單位為“兆電子伏（MeV）”，即 1u＝1．66×10－27千克＝931．5MeV， 1MeV＝106MeV 這個(gè)結(jié)論可在計(jì)算過(guò)程中直接應(yīng)用。 在核反應(yīng)過(guò)程中，所釋放出的核能如果全部轉(zhuǎn)化成生成的新核和新粒子的動(dòng)能，那么就可應(yīng)用力學(xué)原理—?jiǎng)恿渴睾愫湍芰渴睾銇?lái)進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。另外，在有些核反應(yīng)中，如果輻射出γ光子，則光子帶走的能量亦應(yīng)考慮。 3．獲取核能的途徑 ① 重核裂變：

15、（條件：鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積）應(yīng)用：原子彈，原子反應(yīng)堆 ② 輕核聚變： (條件：極高溫度)應(yīng)用：氫彈，可控?zé)岷朔磻?yīng) 4．核反應(yīng)方程 (1)分類 衰變： 裂變： 聚變： 人式轉(zhuǎn)變： (2)核反應(yīng)的兩條規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒；核電荷數(shù)守恒。 (3)常見的核反應(yīng)分為衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變等幾種類型。無(wú)論寫哪種類型的核反應(yīng)方程，都應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ① 必須遵守電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒定律。有些核反應(yīng)方程還要考慮到能量守恒規(guī)律。 ② 核反應(yīng)方程中的箭頭（）表示核反應(yīng)進(jìn)行的方向，不能把箭頭改成等號(hào)。 ③ 寫核反應(yīng)方程必須有實(shí)驗(yàn)依據(jù)，決不能毫無(wú)根據(jù)地編造。 ④ 在寫核反

16、應(yīng)方程時(shí)，應(yīng)先將已知原子核和已知粒子的符號(hào)填入核反應(yīng)方程一般形式的適當(dāng)位置上；然后根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒規(guī)律計(jì)算出未知核（或未知粒子）的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)；最后根據(jù)未知核（或未知粒子）的電荷數(shù)確定它們是哪種元素（或哪種粒子），并在核反應(yīng)方程一般形式中的適當(dāng)位置寫上它們的符號(hào)。 四、粒子物理簡(jiǎn)介 1．組成物質(zhì)的基本單元叫基本粒子。目前已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有400余種，且實(shí)驗(yàn)已顯示有些具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此將“基本粒子”改稱為粒子，基本粒子物理學(xué)改稱為粒子物理學(xué)。 2．粒子按照參與相互作用的性質(zhì)可分為三大類：傳播子（又稱為媒介子）、輕子、強(qiáng)子，傳播子是傳遞各種相互作用的粒子。輕子是不參與強(qiáng)相互作用

17、的粒子。強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的粒子。 核力：質(zhì)子間的相互作用力，短程力，很大。 這些粒子有的帶電（帶正電或帶負(fù)電，所帶電量都等于基本電荷的電量，即1. 6×10-19C），有的是中性的，它們可以相互轉(zhuǎn)化，有的同時(shí)還能放出巨大的能量，大多數(shù)的基本粒子都是不穩(wěn)定的，平均壽命都很短。 3．基本粒子都有它的反粒子。反粒子的質(zhì)量跟原來(lái)的粒子相同，帶的電荷和磁性跟原來(lái)的粒子相反。例如：電子和正電子就是一對(duì)正反粒子。正反粒子相遇會(huì)發(fā)生“湮滅”，轉(zhuǎn)化為其他粒子（光子或介子等）。正反粒子可以“湮滅”，也可以成對(duì)產(chǎn)生，自然界的物理規(guī)律，對(duì)粒子和反粒子是對(duì)稱的。 例1．原子核中兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)a粒子放出，這就是a衰變．刀衰變是放出一個(gè)負(fù)電子．現(xiàn)某原子核共進(jìn)行了8次a衰變，6次月衰變，問(wèn)減少質(zhì)子多少？減少中子多少？ 例2．原子核中能放出、、射線，關(guān)于原子核的組成，以下說(shuō)法中正確的是（　　　） A．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有a粒子 B．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有刀粒子 C．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有Y粒子 D．原子核中，只有質(zhì)子和中子 7．