高中物理之原子模型與衰變躍遷

1、高中物理之原子模型與衰變躍遷整個(gè)知識(shí)體系，可歸結(jié)為：兩模型(原子的核式結(jié)構(gòu)模型、波爾原子模型)；六子(電子、質(zhì)子、中子、正電子、粒子、光子)；四變(衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變)；兩方程(核反應(yīng)方程、質(zhì)能方程)。4條守恒定律(電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒)貫串全部?jī)?nèi)容。一、原子模型1、湯姆生模型(棗糕模型) 湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，使人們認(rèn)識(shí)到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。從而打開(kāi)原子的大門(mén).2、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型（行星式模型）盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置,現(xiàn)象,從而總結(jié)出核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)粒子散射實(shí)驗(yàn)是用粒子轟擊金箔，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：結(jié)果是絕大多數(shù)粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn),但是有少數(shù)粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)

2、.這說(shuō)明原子的正電荷和質(zhì)量一定集中在一個(gè)很小的核上。盧瑟福由粒子散射實(shí)驗(yàn)提出：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間運(yùn)動(dòng)。由粒子散射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以估算出原子核大小的數(shù)量級(jí)是10-15m。而核式結(jié)構(gòu)又與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生矛盾原子是否穩(wěn)定,其發(fā)出的光譜是否連續(xù)3、玻爾模型(引入量子理論，量子化就是不連續(xù)性，整數(shù)n叫量子數(shù))玻爾補(bǔ)充三條假設(shè)定態(tài)-原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)(稱(chēng)為定態(tài)),電子雖然繞核運(yùn)轉(zhuǎn),但不會(huì)向外輻射能量. 。(本假設(shè)是針對(duì)原子穩(wěn)定性提出的)躍遷-原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(tài),要輻射(或吸收)一定頻

3、率的光子(其能量由兩定態(tài)的能量差決定)(本假設(shè)針對(duì)線(xiàn)狀譜提出)能量和軌道量子化-定態(tài)不連續(xù),能量和軌道也不連續(xù);(即原子的不同能量狀態(tài)跟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)氫原子的能級(jí)圖n E/eV 01 -13.62 -3.43 -1.514 -0.853E1E2E3 (針對(duì)原子核式模型提出，是能級(jí)假設(shè)的補(bǔ)充)（1）光子的發(fā)射與吸收(特別注意躍遷條件):原子發(fā)生定態(tài)躍遷時(shí),要輻射(吸收)一定頻率的光子:hfE初-E末 軌道量子化rn=n2r1 r1=0.53×10-10m 能量量子化： E1=-13.6eV原子在兩個(gè)能級(jí)間躍

4、遷時(shí)輻射或吸收光子的能量h=Em-En（2）從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)放出光子；從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加熱的方法，使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的相互碰撞可以傳遞能量）。原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)只能吸收一定頻率的光子；而從某一能級(jí)到被電離可以吸收能量大于或等于電離能的任何頻率的光子。（如在基態(tài)，可以吸收E 13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于電離外，都轉(zhuǎn)化為電離出去的電子的動(dòng)能）。（3）玻爾理論的局限性。由于引進(jìn)了量子理論（軌道量子化和能量量子化），玻爾理論成功地解釋了氫光譜的規(guī)律。但由于它保留了過(guò)多的經(jīng)典物理理論（牛頓第二定律、向心力、庫(kù)侖力等），所以在解釋

5、其他原子的光譜上都遇到很大的困難。氫原子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量(最小)與核外電子軌道半徑間的關(guān)系是:En=E1/n2，rn=n2r1，其中E1=13.6eV, r1=5.3×1010m,(大量)處于n激發(fā)態(tài)原子躍遷到基態(tài)時(shí)的所有輻射方式共有=n (n1)/2種；E51=13.06 E41=12.75 E31=12.09 E21=10.2； (有規(guī)律可依)E52=2.86 E42=2.55 E32=1.89； E53=0.97 E43=0.66； E54=0.31氫原子在n能級(jí)的動(dòng)能、勢(shì)能，總能量的關(guān)系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK。(類(lèi)似于衛(wèi)星模型)由高能級(jí)到低能級(jí)時(shí)，動(dòng)能增加

6、，勢(shì)能降低，且勢(shì)能的降低量是動(dòng)能增加量的2倍，故總能量(負(fù)值)降低。其直觀(guān)結(jié)構(gòu)：二、天然放射現(xiàn)象1、天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識(shí)到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。核變化從貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象開(kāi)始衰變(用電磁場(chǎng)研究)：2、各種放射線(xiàn)的性質(zhì)比較種 類(lèi)本 質(zhì)質(zhì)量（u）電荷（e）速度（c）電離性貫穿性射線(xiàn)氦核4+20.1最強(qiáng)最弱，紙能擋住射線(xiàn)電子1/1840-10.99較強(qiáng)較強(qiáng)，穿幾mm鋁板射線(xiàn)光子001最弱最強(qiáng)，穿幾cm鉛版三種射線(xiàn)在勻強(qiáng)磁場(chǎng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)、正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況比較：四種核反應(yīng)類(lèi)型(衰變,人工核轉(zhuǎn)變,重核裂變,輕核驟變)衰變： 衰變：(實(shí)質(zhì)：核內(nèi))衰變形成外切(同方向旋)， 衰變：(實(shí)質(zhì)

7、：核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子和中子)衰變形成內(nèi)切(相反方向旋)，且大圓為、粒子徑跡。 +衰變：（核內(nèi)） 衰變：原子核處于較高能級(jí)，輻射光子后躍遷到低能級(jí)。人工轉(zhuǎn)變：(發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))(盧瑟福)用粒子轟擊氮核,并預(yù)言中子的存在 (發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng))(查德威克)釙產(chǎn)生的射線(xiàn)轟擊鈹 (人工制造放射性同位素)正電子的發(fā)現(xiàn)(約里奧居里和伊麗芙居里夫婦)粒子轟擊鋁箔重核的裂變： 在一定條件下(超過(guò)臨界體積)，裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。輕核的聚變：（需要幾百萬(wàn)度高溫，所以又叫熱核反應(yīng)）所有核反應(yīng)的反應(yīng)前后都遵守：質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。（注意：質(zhì)量并不守恒。）三、半衰期放射性元素的原子核有

8、半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間叫半衰期。（對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律）計(jì)算式為：N表示核的個(gè)數(shù) ，此式也可以演變成 或，式中m表示放射性物質(zhì)的質(zhì)量，n 表示單位時(shí)間內(nèi)放出的射線(xiàn)粒子數(shù)。以上各式左邊的量都表示時(shí)間t后的剩余量。半衰期(由核內(nèi)部本身的因素決定,與物理和化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān))、 同位素等重要概念 放射性標(biāo)志四、放射性同位素的應(yīng)用利用其射線(xiàn)：射線(xiàn)電離性強(qiáng),用于使空氣電離,將靜電泄出,從而消除有害靜電。射線(xiàn)貫穿性強(qiáng),可用于金屬探傷,也可用于治療惡性腫瘤。各種射線(xiàn)均可使DNA發(fā)生突變,可用于生物工程，基因工程。作為示蹤原子。用于研究農(nóng)作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類(lèi)型，研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。進(jìn)行考古

9、研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（種類(lèi)齊全，各種元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，廢料容易處理?？芍瞥筛鞣N形狀，強(qiáng)度容易控制）。重要的物理現(xiàn)象或史實(shí)跟相應(yīng)的科學(xué)家單擺的等時(shí)性 伽利略單擺的周期公式 惠更斯電流的磁效應(yīng) 奧斯特電磁感應(yīng)定律 法拉第首先用電場(chǎng)線(xiàn)描述電場(chǎng) 法拉第電子電量的測(cè)定 密立根分子電流假說(shuō) 安培預(yù)言了電磁波的存在 麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論 麥克斯韋用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在 赫茲光的微粒說(shuō) 牛頓光的波動(dòng)說(shuō) 惠更斯光的電磁說(shuō) 麥克斯韋光的干涉現(xiàn)象 楊氏電子的發(fā)現(xiàn) 湯姆生中子的發(fā)現(xiàn) 查德威克質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 盧瑟福人工放射性同

10、位素發(fā)現(xiàn) 小居里夫婦a粒子散射實(shí)驗(yàn) 盧瑟福圓滿(mǎn)解釋氫光譜 玻爾原子的核式結(jié)構(gòu)模型 盧瑟福天然放射性的發(fā)現(xiàn) 貝克勒耳光電效應(yīng)規(guī)律光子說(shuō) 愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程 愛(ài)因斯坦相對(duì)論 愛(ài)因斯坦原子核結(jié)構(gòu)練習(xí)題考綱要求： 天然放射性、射線(xiàn)、射線(xiàn)、射線(xiàn)、半衰期I級(jí) 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)、中子的發(fā)現(xiàn)、原子核的組成I級(jí)知識(shí)達(dá)標(biāo)：1物質(zhì)發(fā)射射線(xiàn)的性質(zhì)稱(chēng)為 ,具有放射性的元素稱(chēng)為 放射性物質(zhì)放出的射線(xiàn)有三種： 、 和 2射線(xiàn)是高速粒子流，粒子的電荷數(shù)是 ，質(zhì)量數(shù)是 ，實(shí)際上就是 ；射線(xiàn)是高速 流；Y射線(xiàn)不帶電，它是能量很高的 ,波長(zhǎng)很 ，在lO-10m以下3如果一種元素具有放射性，那么不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是以某種 的形式存

11、在，放射性都不受影響也就是說(shuō)，放射性與 無(wú)關(guān)我們已經(jīng)知道,元素的化學(xué)性質(zhì)決定于原子核外的電子，因此可以斷定 _也就是說(shuō) _. 4放射性有許多重要的應(yīng)用Y射線(xiàn)的 很強(qiáng)，可以用來(lái)檢查金屬內(nèi)部是否有砂眼或裂紋射線(xiàn)對(duì)生物體有很強(qiáng)的作用，可以 ，也可以殺死食物中的細(xì)菌5某原子核放出一個(gè)粒子后，核的質(zhì)量數(shù) ，電荷數(shù) ，成為新核這種衰變叫做衰變；某原子核放出一個(gè)粒子后，核的質(zhì)量數(shù) ，電荷數(shù) ，成為新核這種衰變叫做衰變6.在放射性元素的原子核中，兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合在一起從核里發(fā)射出來(lái)，這就是 原子核里雖然沒(méi)有電子，但是核內(nèi)的 可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)子和電子，產(chǎn)生的電子從核內(nèi)發(fā)射出來(lái)，這就是 7放射性元素的 有半數(shù)發(fā)

12、生衰變所需的時(shí)間，叫做這種元素的半衰期放射性 元素衰變的快慢是由 本身的因素決定的，跟原子所處的物理或化學(xué)狀態(tài) 8盧瑟福用粒子轟擊 產(chǎn)生了氧17(氧16的一種 )和一個(gè)質(zhì)子，核反應(yīng)方程式是：_，查德威克用粒子轟擊鈹原子核，發(fā)現(xiàn)了中子，核反應(yīng)方成式是：_經(jīng)典題型1關(guān)于射線(xiàn)、射線(xiàn)、射線(xiàn)和x射線(xiàn)，以下列說(shuō)法正確的是： A它們都發(fā)自原子核內(nèi)部 B它們都是高頻電磁波 C貫穿本領(lǐng)最大的是射線(xiàn) D對(duì)空氣電離作用最大的是射線(xiàn)2放射性元素的原子核連續(xù)經(jīng)過(guò)三次衰變和兩次衰變?nèi)糇詈笞兂闪硪环N元素 的原子核Y，則新核Y的正確寫(xiě)法是：A. B. C. D. 3放射性元素發(fā)生衰變對(duì)，放出一個(gè)負(fù)電子，該電子是： A核外電子

13、從內(nèi)層軌道上躍遷出來(lái)的 B核內(nèi)電子受激發(fā)而射出來(lái)的 C核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子衰變成中子放出來(lái)的 D核內(nèi)的一個(gè)中子衰變成質(zhì)子放出來(lái)的4放射性元素放出的射線(xiàn)，在電場(chǎng)中分成A、B、C三束，如圖所示，其中： AC為氦核組成的粒子流，它在空氣中電離本領(lǐng)最強(qiáng) BC是原子核外電子電離而生成的 CB為比x射線(xiàn)波長(zhǎng)更短的光子流，它的電離能力最弱， DA為高速電子組成的電子流，貫穿能力最強(qiáng)5放射性元素的半衰期以下說(shuō)法中止確的是： A半衰期是指原子核中核子數(shù)減少一半所需的時(shí)間 B半衰期是指原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間 C半衰期是指原子核全部衰變所需時(shí)間的一半貫穿能力最強(qiáng) D半衰期是指具有放射性的物體總質(zhì)量減少一半所需的時(shí)

14、間6有人欲減緩放射性元素的衰變，下面的說(shuō)法正確的是： A把放射性元素放置在密封的鉛盒里 B把放射性元素放置在低溫處 C把放射性元素同其它穩(wěn)定性的元素結(jié)合成化合物 D上述各種辦法都無(wú)法減緩放射性元素的衰變7以下哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說(shuō)明原子核內(nèi)部有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)： Aa粒子散射實(shí)驗(yàn) B倫琴射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn) C元素發(fā)光時(shí)產(chǎn)生明線(xiàn)光譜的現(xiàn)象 D天然放射現(xiàn)象8放射性探傷是利用了： A射線(xiàn)的電離本領(lǐng) B射線(xiàn)的貫穿本領(lǐng) C射線(xiàn)的貫穿本領(lǐng) D放射性元素的示蹤本領(lǐng)9.要經(jīng)過(guò) 次衰變和經(jīng)過(guò) 次衰變才能變成10. 衰變成時(shí)釋放出 粒子，衰變成時(shí)釋放出 粒子 如果衰變時(shí)產(chǎn)生的新核處于激發(fā)態(tài)，將會(huì)輻射出 11.、三種粒子按其靜止質(zhì)量大小的順序是 ，按穿透能力大小的順序是 ，按其電離本領(lǐng)大小的順序是 12完成下列核反應(yīng)方程：(1) (2) (3) (4) (5) (6) 知識(shí)達(dá)標(biāo)：1放射性，放射性元素，射線(xiàn)