高考物理 二輪復習名師點津 專題十八 原子和原子核-新人教原創(chuàng)

07年二輪復習名師點津專題十八原子和原子核考點解讀原子和原子核內容要求102.α粒子散射實驗.原子的核式結構103.氫原子的能級結構.光子的發(fā)射和吸收104.氫原子的電子云105.原子核的組成.天然放射現(xiàn)象.α射線、β射線、γ射線.衰變.半衰期106.原子核的人工轉變.核反應方程.放射性同位素及其應用107.放射性污染和防護108.核能.能量虧損.愛因斯坦的質能方程109.重核的裂變.鏈式反應.核反應堆110.輕核的聚變.可控熱核反應111.人類對物質結構的認識ⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅠ考點清單1.α粒子散射實驗1909～1911年，英國物理學家盧琴福和他的助手們進行了α粒子散射實驗.（1）實驗裝置如圖18-5所示：圖18-5如圖所示，用α粒子轟擊金箔，由于金原子中的帶電微粒對α粒子有庫倉力作用，一些α粒子穿過金箔后改變了運動方向，這種現(xiàn)象叫做α粒子散射.熒光屏可以沿著圖中虛線轉動，用來統(tǒng)計向不同方向散射的粒子數(shù)目.全部設備裝在真空中.（2）實驗結果：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉.（3）現(xiàn)象解釋：認為原子中的全部正電荷和幾乎所有質量都集中到一個很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的庫侖力很小，它們的運動幾乎不受影響.只有少數(shù)α粒子從原子核附近飛過，明顯受到原子核的庫侖力而發(fā)生大角度偏轉.2.原子的核式結構模型內容：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外的空間運動.[說明]核式結構模型的實驗基礎是α粒子散射實驗，從α粒子散射的實驗數(shù)據，估計原子核半徑的數(shù)量級為10-14m～10-15m，而原子半徑的數(shù)量級是10[例1]在用α粒子轟擊金箔時，測得α粒子能夠接近金箔的最小距離約為2×10-14m，原核的平均密度約為多少？（阿伏加德羅常數(shù)N=6×1023mol-1[剖析]把α粒子能夠接近金箔的最小距離近似看作金原子核子的半徑，計算出每一個核的體積，便可求密度.[解析]把α粒子能夠接近金箔的最小距離近似看作金原核的半徑R，金核的體積m3m3一個金原子的質量是：kgkg金原子核的平均密度是kg/m3kg/m3[說明]金核的密度約為1×1016kg/m3，而金子的密度是19.3×103kg/m3，兩個密度相差甚遠，由此可以想象出原子的體積和原子核的體積相差多么懸殊，原子核是多么小，原子內部是多么3.玻爾的原子模型內容：玻爾認為，圍繞原子核運動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；不同的軌道對應著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運動，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)中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的.理解要點：玻爾的原子模型是以假說的形式提出來的，包括以下三方面的內容：eq\o\ac(○,1)軌道假設：即軌道是量子化的，只能是某些分立的值.eq\o\ac(○,2)定態(tài)假設：即不同的軌道對應著不同的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，不向外輻射能量.eq\o\ac(○,3)躍遷假設：原子在不同的狀態(tài)具有不同的能量，從一個定態(tài)向另一個定態(tài)躍遷時要輻射或吸收一定頻率的光子，該光子的能量，等于這兩個狀態(tài)的能級差.[說明]氫原子各定態(tài)的能量值為電子繞核運動的動能Ek和電勢能Ep的代數(shù)和；當取無窮遠處電勢能為零時，各定態(tài)的電勢能均為負值.玻爾理論的成功之處在于引入了量子化的概念，但因保留了經典的原子軌道，故有關氫原子的計算仍應用經典物理的理論.對電子繞核運動的軌道半徑、速度、周期、動能、電勢能等的計算，是牛頓運動定律、庫侖定律、勻速圓周運動等知識的綜合應用.原子的躍遷條件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，對下述兩種情況，則不受此條件限制：eq\o\ac(○,1)當光子與原子作用而使氫原子電離，產生離子和自由電子時，原子結構被破壞，因而不遵守有關原子結構的理論.如基態(tài)氫原子的電離能為13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被處于基態(tài)的氫原子吸收而發(fā)生電離.氫原子電離所產生的自由電子的動能等于入射光子的能量減去電離能.eq\o\ac(○,2)實物粒子和原子作用而使原子激發(fā)或電離，是能過實物粒子和原子碰撞來實現(xiàn)的.在碰撞過程中，實物粒子的動能可以全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的動能大于或等于原子某兩個能級差值，就可以使原子受激發(fā)而躍遷到較高的能級；當入射粒子的動能大于原子在某能級的電離能時，也可以使原子電離.[例2]氫原子輻射出一個光子后，（）A.電子繞核旋轉半徑增大B.電子的動能增大C.氫原子的電勢能增大D.原子的能級值增大[解析]據玻爾理論，氫原子輻射光子后，應從離核較遠的軌道躍遷到離核較近的軌道.躍遷過程中，電場力對電子做正功，故電勢能減小.據經典物理理論，電子繞核做勻速圓周運動的向心力為核對電子的庫侖力，即：，則；即電子的軌道半徑減小，其動能增大.由能量轉化和守恒定律知，氫原子放出光子，輻射能量，所以原子總能量減少.故B正確.[答案]B4.三種射線的比較eq\o\ac(○,1)α射線：是氦核（He）流，速度約為光速的十分之一，在空氣中射程幾厘米，貫穿本領小，電離作用強.eq\o\ac(○,2)β射線：是高速的電子流，穿透本領較大，能穿透幾毫米的鋁板，電離作用較弱.eq\o\ac(○,3)γ射線：是高能光子流，貫穿本領強，能穿透幾厘米鉛板，電離作用小.[說明]放射性元素有的原子核放出α射線，有的放出β射線，多余的能量以γ光子的形式射出.5.衰變定義：放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變.衰變規(guī)律：電荷數(shù)和質量數(shù)都守恒.eq\o\ac(○,1)α衰變：X→Y+He，α衰變的實質是某元素的原子核放出由兩個質子和兩個中子組成的粒子（即氦核）.eq\o\ac(○,2)β衰變：X→Y+e，β衰變的實質是某元素的原子核內的一個中子變?yōu)橐粋€質子時放射出一個電子.eq\o\ac(○,3)γ衰變：γ衰變是伴隨α衰變或β衰變同時發(fā)生的.γ衰變不改變原子核的電荷數(shù)和質量數(shù).其實質是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時，產生的某些新核由于具有過多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子.[例3]U衰變后Rn共發(fā)生了次α衰變和次β衰變.[解析]根據衰變規(guī)律，Rn的質量數(shù)比U的質量數(shù)減少了238-222＝16，而天然放射只有α衰變才能使質量數(shù)減少，且每次α衰變減少質量數(shù)為4，故發(fā)生了16÷4＝4次α衰變.因每次α衰變核的電荷數(shù)減少2，故由于α衰變核的電荷數(shù)應減少4×2＝8.而Rn核的電荷數(shù)僅比U核少了92-86＝6，故說明發(fā)生了2次β衰變（即92-8+2＝86）.[答案]發(fā)生了4次α衰變，2次β衰變.[評價]在分析有關α、β衰變的問題時，應抓住每次α衰變質量數(shù)減4，電荷數(shù)減2和每次β衰變時質量數(shù)不變，電荷數(shù)加1這一衰變規(guī)律進行分析.6.半衰期定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間，叫這種元素的半衰期.[說明]（1）半衰期由放射性元素的原子核內部本身的因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)（如壓強、溫度等）或化學狀態(tài)（如單質或化合物）無關.（2）半衰期只對大量原子核衰變才有意義，因為放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)原子核衰變不再起作用.（3）確定衰變次數(shù)的方法：設放射性元素X經過n次α衰變m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則表示核反應的方程為：X→Y+nHe+me.根據電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可列方程兩式聯(lián)立得：由此可見確定衰變次數(shù)可歸結為解一個二元一次方程組.7.放射性同位素的應用（1）利用它的射線如利用鈷60放出的很強的γ射線來檢查金屬內部有沒有砂眼和裂紋，這叫γ射線探傷，利用放射線的貫穿本領了解物體的厚度和密度的關系，可以用放射性同位素來檢查各種產品的厚度、密封容器中的液面高度，從而自動控制生產過程，再如利用α射線的電離作用，可以消除機器在運轉中因摩擦而產生的有害靜電，利用射線殺死體內的癌細胞等.（2）做示蹤原子如在生物科學研究方面，同位素示蹤技術起著十分重要的作用，在人工方法合成牛胰島素的研制、驗證方向、示蹤原子起著重要的作用.在輸油管線漏的檢查和對植物生長的檢測方面，示蹤原子都起著重要作用.[例4]如圖18-6是工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖.圖18-6（1）請你簡述自動控制的原理；

（2）如果工廠生產的是厚度為1毫米的鋁板，在α、β和γ三種射線中，你認為哪一種射線在鋁板的厚度控制中起主要作用，為什么？[解析]（1）放射線具有穿透本領，如果向前運動的鋁板的厚度有變化，則探測器接收到的放射線的強度就會隨之變化，這種變化被轉變?yōu)殡娦盘栞斎氲较鄳难b置，進而自動控制如上圖中右側的兩個輪間的距離，使鋁板的厚度恢復正常.

（2）β射線起主要作用，因為α射線的貫穿本領很小，一張薄紙就能把它擋住，更穿不過1毫米的鋁板；γ射線的貫穿本領非常強，能穿過幾厘米的鉛板，1毫米左右的鋁板厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的射線強度變化不大；β射線的貫穿本領較強，能穿過幾毫米的鋁板，當鋁板的厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的射線強度變化較大，探測器可明顯地反應出這種變化，使自動化系統(tǒng)做出相應的反應.8.核能的計算（1）質能方程：愛因斯擔的相對論指出，物體的質量和能量存在著密切聯(lián)系，即E=mc2.這就是愛因斯坦的質能方程.[說明]質能方程告訴我們質量和能量之間存在著簡單的正比關系.物體的能量增大了，質量也增大了；能量減小了，質量也減小.且核反應中釋放的能量與質量虧損成正比：（2）核能：核反應中放出的能量稱為核能.（3）核能的計算根據愛因斯坦質能方程，用核子結合成原子核時質量虧損（）的千克數(shù)乘以真空中光速的平方.即根據1原子質量單位（u）相當于931.5MeV能量，用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位數(shù)乘以931.5MeV.即MeV[例5]已知氮核質量mN=14.00753u，氧核質量m0=17.00454u，氦核質量mHe=4.00387u，質子質量u，試判斷核反應：N+He→O+H是吸能反應，還是放能反應，能量變化多少？[解析]先計算出質量虧損，然后由1u相當于931.5MeV能量代入計算即可.反應前總質量u反應后總質量u因為反應中質量增加，所以此反應為吸能反應，所吸收能量為：=(18.01269-18.01140)×931.5MeV=1.2MeV[例6]一個靜止的U（原子質量為232.0372u），放出一個α粒子（原子質量為4.00260u）后，衰變成Th（原子質量為228.0287u）.假設放出的結合能完全變成Th核和α粒子的動能，試計算α粒子的動能.[剖析]由質能方程可計算釋放的核能，然后結合動量守恒和能量關系可求解.[解析]反應中產生的質量虧損u反應中釋放的核能：MeV=5.5MeV在U核衰變過程中的動量守恒、能量守恒，則解以上兩式得：則α粒子的動能MeV=5.41MeV9.原子核的人工轉變及其三大發(fā)現(xiàn)原子核的人工轉變：用人工方