高中物理原子與原子核知識點總結(jié)選修

高中物理原子與原子核知識點總結(jié)(選修3－5) 原子、原子核

這一章雖然不是重點,但是高考選擇題也會涉及到,其實只要記住模型和方程式,就不會在做題上出錯,下面的一些總結(jié)希望對同學(xué)們有所幫助.一波粒二象性1光電效應(yīng)的研究思路(1)兩條線索：h為普朗克常數(shù)h=×J·Sν為光子頻率2．三個關(guān)系(1)愛因斯坦光電效應(yīng)方程Ek＝hν－W0。(2)光電子的最大初動能Ek可以利用光電管實驗的方法測得，即Ek＝eUc，其中Uc是遏止電壓。(3)光電效應(yīng)方程中的W0為逸出功，它與極限頻率νc的關(guān)系是W0＝hνc。3波粒二象性波動性和粒子性的對立與統(tǒng)一(1)大量光子易顯示出波動性，而少量光子易顯示出粒子性。(2)波長長(頻率低)的光波動性強，而波長短(頻率高)的光粒子性強。(3)光子說并未否認(rèn)波動說，E＝hν＝eq\f(hc,λ)中，ν〔頻率〕和λ就是波的概念。光速C=λν(4)波和粒子在宏觀世界是不能統(tǒng)一的，而在微觀世界卻是統(tǒng)一的。3．物質(zhì)波(1)定義：任何運動著的物體都有一種波與之對應(yīng)，這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。(2)物質(zhì)波的波長：λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)，h是普朗克常量。二原子結(jié)構(gòu)與原子核〔1〕盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗提出了原子的核式結(jié)構(gòu)學(xué)說,玻爾把量子說引入到核式結(jié)構(gòu)模型之中,建立了以下三個假說為主要內(nèi)容的玻爾理論.認(rèn)識原子核的結(jié)構(gòu)是從發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象開始的,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反響是認(rèn)識原子核結(jié)構(gòu)的突破點.裂變和聚變是獲取核能的兩個重要途徑.裂變和聚變過程中釋放的能量符合愛因斯坦質(zhì)能方程。整個知識體系，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(核反響方程、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、動量守恒)貫串全章。1.(1)電子的發(fā)現(xiàn)：1897年，英國物理學(xué)家湯姆孫通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)證明了原子是可再分的。(2)湯姆孫原子模型：原子里面帶正電荷的物質(zhì)均勻分布在整個原子球體中，而帶負(fù)電的電子鑲嵌在球內(nèi)。2.盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型(行星式模型)盧瑟福α粒子散射實驗裝置,現(xiàn)象,從而總結(jié)出核式結(jié)構(gòu)學(xué)說α粒子散射實驗是用α粒子轟擊金箔，實驗現(xiàn)象：結(jié)果是絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后根本上仍沿原來的方向前進,但是有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).這說明原子的正電荷和質(zhì)量一定集中在一個很小的核上。盧瑟福由α粒子散射實驗提出：在原子的中心有一個很小的核，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動。由α粒子散射實驗的實驗數(shù)據(jù)還可以估算出原子核大小的數(shù)量級是10-15m。而核式結(jié)構(gòu)又與經(jīng)典的電磁理論發(fā)生矛盾：①原子是否穩(wěn)定,②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))玻爾補充三條假設(shè)⑴定態(tài)--原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)(稱為定態(tài)),電子雖然繞核運轉(zhuǎn),但不會向外輻射能量。(本假設(shè)是針對原子穩(wěn)定性提出的)⑵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)一定頻率的光子(其能量由兩定態(tài)的能量差決定)(本假設(shè)針對線狀譜提出)()輻射(吸收)光子的能量為hf＝E初-E末或〔hν＝Em－En〕氫原子躍遷的光譜線問題[一群氫原子可能輻射的光譜線條數(shù)為]。[(大量)處于n激發(fā)態(tài)原子躍遷到基態(tài)時的所有輻射方式]能級圖中相關(guān)量意義的說明：相關(guān)量意義能級圖中的橫線表示氫原子可能的能量狀態(tài)——定態(tài)橫線左端的數(shù)字“1,2,3…〞表示量子數(shù)橫線右端的數(shù)字“－，－…〞表示氫原子的能量相鄰橫線間的距離表示相鄰的能量差，量子數(shù)越大相鄰的能量差越小，距離越小帶箭頭的豎線表示原子由較高能級向較低能級躍遷，原子躍遷的條件為hν＝Em－En2．兩類能級躍遷(1)自發(fā)躍遷：高能級→低能級，釋放能量，發(fā)出光子。光子的頻率ν＝eq\f(ΔE,h)＝eq\f(E高－E低,h)。(2)受激躍遷：低能級→高能級，吸收能量。①光照(吸收光子)：光子的能量必須恰等于能級差hν＝ΔE。②碰撞、加熱等：只要入射粒子能量大于或等于能級差即可，E外≥ΔE。③大于電離能的光子被吸收，將原子電離。3．譜線條數(shù)確實定方法(1)一個氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)最多為(n－1)。(2)一群氫原子躍遷發(fā)出可能的光譜線條數(shù)的兩種求解方法。①用數(shù)學(xué)中的組合知識求解：N＝Ceq\o\al(2,n)＝eq\f(nn－1,2)。②利用能級圖求解：在氫原子能級圖中將氫原子躍遷的各種可能情況一一畫出，然后相加。1，2，3，…n為量子數(shù)1處能量最低，能量最低的狀態(tài)叫做基態(tài)，其他處〔如2，3，…n〕狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)。量子數(shù)：原子處在定態(tài)的能量用En表示，此時電子以的軌道半徑繞核運動，n稱為量子數(shù)。〔注〕

E1=－⑶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動相對應(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)(針對原子核式模型提出，是能級假設(shè)的補充)〔4〕躍遷要求從一個電子能級到另一個能級,電子仍然可以受原子核束縛.

電離指電子從某一能級到第無窮個能級〔該能級能量為0〕〔雖然能級數(shù)是無窮大,但是所需要能量是有限的〕,這時電子可以認(rèn)為不受原子核束縛,完全脫離原子.

電離可以看做是特殊的躍遷電離是電子完全脫離了原子核束縛，躍遷是電子從低能級遷移到高能級例：1995年科學(xué)家“制成〞了反氫原子，它是由一個反質(zhì)子和一個圍繞它運動的正電子組成，反質(zhì)子和質(zhì)子有相同的質(zhì)量，帶有等量異種電荷。反氫原子和氫原子有相同的能級分布，氫原子能級如下圖，則以下說法中正確的選項是()A．反氫原子光譜與氫原子光譜不相同B．基態(tài)反氫原子的電離能為eVC．基態(tài)反氫原子能吸收11eV的光子而發(fā)生躍遷D．大量處于n＝4能級的反氫原子向低能級躍遷時，從n＝2能級躍遷到基態(tài)輻射的光子的波長最短解析：選B反氫原子和氫原子有相同的能級分布，故反氫原子光譜與氫原子光譜相同，A錯；基態(tài)反氫原子的電離能為eV，只有大于等于eV的能量的光子才可以使反氫原子電離，B對；基態(tài)反氫原子發(fā)生躍遷時，只能吸收能量等于兩個能級的能量差的光子，C錯；在反氫原子譜線中，從n＝4能級躍遷到基態(tài)輻射的光子的能量最大，頻率最大，波長最短，D錯。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:【說明】氫原子躍遷①軌道量子化rn=n2r1(n＝1,…)

r1=×10-10m

能量量子化：

E1=－②

En，Ep，r，nEk，v吸收光子時增大減小放出光子時減小增大③氫原子躍遷時應(yīng)明確：一個氫原子

直接躍遷

向高能級躍遷，吸收光子

一般光子

某一頻率光子

一群氫原子

各種可能躍遷

向低能級躍遷

放出光子

可見光子

一系列頻率光子④氫原子吸收光子時——要么全部吸收光子能量，要么不吸收光子1光子能量大于電子躍遷到無窮遠(yuǎn)處(電離)需要的能量時，該光子可被吸收。(即：光子和原于作用而使原子電離)2光子能量小于電子躍遷到無窮遠(yuǎn)處(電離)需要的能量時,則只有能量等于兩個能級差的光子才能被吸收。(受躍遷條件限：只適用于光于和原于作用使原于在各定態(tài)之間躍遷的情況)。⑤氫原子吸收外來電子能量時——可以局部吸收外來碰撞電子的能量〔實物粒子作用而使原子激發(fā)〕。因此，能量大于某兩個能級差的電子均可被氫原子吸收，從而使氫原子躍遷。E51=

E41=

E31=

E21=；

(有規(guī)律可依)E52=

E42=

E32=；

E53=

E43=；

E54=⑶玻爾理論的局限性。由于引進了量子理論〔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。但由于它保存了過多的經(jīng)典物理理論〔牛頓第二定律、向心力、庫侖力等〕，所以在解釋其他原子的光譜上都遇到很大的困難。氫原子在n能級的動能、勢能，總能量的關(guān)系是：EP=－2EK，E=EK+EP=－EK。(類似于衛(wèi)星模型)由高能級到低能級時，動能增加，勢能降低，且勢能的降低量是動能增加量的2倍，故總能量(負(fù)值)降低。三原子的衰變1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，使人們認(rèn)識到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。核變化從貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象開始衰變(用電磁場研究)：2．三種射線的比擬種類α射線β射線γ射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)帶電荷量2e－e0質(zhì)量4mp，mp＝×10－27kgeq\f(mp,1836)靜止質(zhì)量為零速度c(光速)在電磁場中偏轉(zhuǎn)與α射線反向偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)貫穿本領(lǐng)最弱，用紙能擋住較強，能穿透幾毫米厚的鋁板最強，能穿透幾厘米厚的鉛板對空氣的電離作用很強較弱很弱3．α衰變、β衰變的比擬衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰變實質(zhì)2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合成一個整體射出1個中子轉(zhuǎn)化為1個質(zhì)子和1個電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰變規(guī)律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒方法一：確定衰變次數(shù)的方法是依據(jù)兩個守恒規(guī)律，設(shè)放射性元素eq\o\al(A,Z)X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，則表示該核反響的方程為eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)e。根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程A＝A′＋4nZ＝Z′＋2n－m由以上兩式聯(lián)立解得n＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋Z′－Z由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為求解一個二元一次方程組。方法二：因為β衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，可先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。5.對半衰期的理解放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫半衰期。是對大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律。(1)半衰期公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\f(t,τ)，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\f(t,τ)。(2)半衰期的物理意義：半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量，同一放射性元素的衰變速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差異很大。(3)半衰期的適用條件：半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個特定的原子核，無法確定何時發(fā)生衰變。三種射線在勻強磁場、勻強電場、正交電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況比擬：四種核反響類型(衰變,人工核轉(zhuǎn)變,重核裂變,輕核驟變)⑴衰變：α〔Ｈe核〕衰變：(實質(zhì)：核內(nèi))α衰變形成外切(同方向旋)，

β〔電子〕衰變：(實質(zhì)：核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子和中子)β衰變形成內(nèi)切(相反方向旋)，且大圓為α、β粒子徑跡。

+β衰變：〔核內(nèi)〕

Γ〔光子〕衰變：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級。⑵人工轉(zhuǎn)變：(發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反響)(盧瑟福)用α粒子轟擊氮核,并預(yù)言中子的存在

(發(fā)現(xiàn)中子的核反響)(查德威克)釙產(chǎn)生的α射線轟擊鈹

(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)α粒子轟擊鋁箔⑶重核的裂變：

在一定條件下(超過臨界體積)，裂變反響會連續(xù)不斷地進行下去，這就是鏈?zhǔn)椒错?。⑷輕核的聚變：〔需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反響〕所有核反響的反響前后都遵守：質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒?！沧⒁猓嘿|(zhì)量并不守恒?！?四)核反響方程與核能計算

1．核反響的四種類型類型可控性核反響方程典例衰變α衰變自發(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂芿q\o\al(14,)7N＋eq\o\al(4,2)He→1eq\o\al(7,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→1eq\o\al(2,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n(約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)人工放射性)eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e重核裂變比擬容易進行人工控制eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)eq\o\al(144,)56Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變很難控制eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2．核反響方程式的書寫(1)熟記常見根本粒子的符號，是正確書寫核反響方程的根底。如質(zhì)子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等。(2)掌握核反響方程遵守的規(guī)律，是正確書寫核反響方程或判斷某個核反響方程是否正確的依據(jù)，由于核反響不可逆，所以書寫核反響方程式時只能用“→〞表示反響方向。(3)核反響過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。3．對質(zhì)能方程的理解(1)一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即E＝mc2。方程的含義：物體具有的能量與它的質(zhì)量之間存在簡單的正比關(guān)系，物體的能量增大，質(zhì)量也增大；物體的能量減少，質(zhì)量也減少。(2)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損Δm，其能量也要相應(yīng)減少，即ΔE＝Δmc2。(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。4．核能的計算方法(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算時，Δm的單位是“kg〞，c的單位是“m/s〞，ΔE的單位是“J〞。(2)根據(jù)ΔE＝Δm×MeV計算時，Δm的單位是“u〞，ΔE的單位是“MeV〞。(3)根據(jù)核子比結(jié)合能來計算核能：原子核的結(jié)合能＝核子比結(jié)合能×核子數(shù)。[典例](2015·江蘇高考)(1)核電站利用原子核鏈?zhǔn)椒错懛懦龅木薮竽芰窟M行發(fā)電，eq\o\al(235,92)U是核電站常用的核燃料。eq\o\al(235,92)U受一個中子轟擊后裂變成eq\o\al(144,56)Ba和eq\o\al(89,36)Kr兩局部，并產(chǎn)生________個中子。要使鏈?zhǔn)椒错懓l(fā)生，裂變物質(zhì)的體積要________(選填“大于〞或“小于〞)它的臨界體積。(2)取質(zhì)子的質(zhì)量mp＝6×10－27kg，中子的質(zhì)量mn＝9×10－27kg，α粒子的質(zhì)量mα＝7×10－27kg，光速c＝×108m/s。請計算α粒子的結(jié)合能。(計算結(jié)果保存兩位有效數(shù)字)[解析](1)核反響方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，且該核反響方程為：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq