学案17 原子核.ppt

知识回顾1 原子的核式结构 原子核 1 1897年 汤姆生发现了 提出了原子的 枣糕模型 2 英国物理学家卢瑟福和他的助手进行了实验 实验的结果是绝大多数 粒子穿过金 学案原子和原子核 电子 粒 子散射 箔后基本上仍沿原来方向前进 但有少数 粒子发生了较大角度的偏转 3 原子的核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核 叫原子核 原子的全部电荷量和几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间绕核运动 4 具有相同的而不同的原子 在元素周期表中处于同一位置 互称同位素 质子数 中子数 2 能级和能级跃迁 1 量子化核外电子只能在一些分立的轨道上运动rn n2r1 n 1 2 3 2 量子化原子只能处于一系列不连续的能量状态En n 1 2 3 3 吸收或辐射能量量子化原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或发射的光子 光子的能量h Em En 轨道 能量 一定 频率 3 天然放射现象 衰变 放射性的应用和防护 1 元素自发地放出射线的现象叫做 放射性物质放出的射线通常有三种 2 原子核放出粒子或粒子后 就变成新的原子核 我们把这种变化称为原子核的衰变 在衰变过程中 和都守恒 3 放射性元素的原子核有发生衰变所需的时间 叫做这种元素的半衰期 放射性元素衰变的快慢是由本身的因素决定的 跟原子所处的状态无关 天然放射 现象 射线 射线 射线 电荷数 质量数 半数 核内部 物理或化学 4 放射性同位素的应用 一是利用它的 二是作为 射线 示踪原子 5 射线 射线 射线之间的区别 氦核流 电磁波 4 核反应核能裂变轻核的聚变 1 在物理学中 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程 称为 在此过程中 质量数和电荷数都守恒 爱因斯坦的质能方程是 2 核物理中 把重核分裂成质量较小的核 释放出核能的反应 称为裂变 把轻核结合成质量较大的核 释放出核能的反应 称为 3 铀核裂变的核反应方程是 氢核聚变的核反应方程是 核反应 E mc2 聚变 4 在核反应堆中 石墨的作用是作为 镉棒的作用是控制反应速度 水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线 减速剂 5 核反应规律和原子核的人工转变 1 核反应的规律为 反应前后质量数守恒和守恒 2 原子核的人工转变卢瑟福发现质子的核反应方程为 查德威克发现中子的核反应方程为 电荷数 约里奥 居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为 方法点拨1 在配平核反应方程式时 一般先满足守恒 后 2 在处理粒子的碰撞和衰变问题时 通常应用动量守恒定律 质能方程和能的转化与守恒定律综合分析 质量数 电荷数守恒 3 核能的计算方法若 m以kg为单位 则 E mc2 E的单位为 若 m以原子的质量单位u为单位 则 E m 931 5MeV 焦耳 类型一原子物理的基础知识理解例1 2009 徐州打靶卷 1 根据有关放射性的知识可知 下列说法正确的是 A 氡的半衰期为3 8天 则若取4个氡原子核 经7 6天后就一定剩下一个氡原子核了B 衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的C 射线一般伴随着 或 射线产生 在这三种射线中 射线的穿透能力最强 电离能力也最强D 发生 衰变时 新核与原来的原子核相比 中子数减小了2 BD 2 氡核 Rn 发生衰变后变为钋 Po 其衰变方程为 若氡 Rn 经过一系列衰变后的最终产物为铅 Pb 则共经过次 衰变次 衰变 3 静止的氡核 Rn 放出一个速度为v0的 粒子 若衰变过程中释放的核能全部转化为 粒子及反冲核的动能 已知原子质量单位为u 真空中的光速为c 试求在衰变过程中的质量亏损 不计相对论修正 在涉及动量问题时 亏损的质量可忽略不计 答案 4 4 解析设 粒子的质量为m1 氡核的质量为m2 反冲核的速度大小为v 则根据动量守恒定律可得m1v0 m2 m1 v 由题意得释放的核能E m1v02 m2 m1 v2 由质能方程得E mc2 联立以上三式解得 m 解题归纳由于原子物理部分内容比较琐碎 复习时要根据考点要求 理出知识脉络 识记重要知识点 这是学好原子物理部分的关键 预测1 2009 南通二调 下列说法中正确的是 A 黑体热辐射强度的极大值随温度的升高向波长较大的方向移动B 物质波和光波都是概率波C 原子核越大 它的结合能越高 原子核中核子结合得越牢固D 衰变的实质是放射性原子核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子 BD 类型二玻尔理论和能级跃迁例2如图1所示为氢原子能级示意图 现有动能是E eV 的某个粒子与处在基态的一个氢原子在同一直线上相向运动 并发生碰撞 已知碰撞前粒子的动量和氢原子的动量大小相等 碰撞后氢原子受激发跃迁到n 4的能级 粒子的质量m与氢原子的质量mH之比为k 求 1 碰前氢原子的动能 2 若有一群氢原子处在n 4的能级 会辐射出几种频率的光 其中频率最高的光的光子能量多大 图1 解析 1 设v和vH分别表示粒子和氢原子的速率 由题意可知mv mHvH 0m kmHEH mHvH2 ke 2 会辐射出6种不同频率的光 E E4 E1 0 85eV 13 60 eV 12 75eV 答案 1 kE 2 612 75eV 解题指导 1 在涉及能级跃迁和微观粒子的弹性碰撞问题时 一般应用h Em En和能级公式En E1 并结合动量和能量的观点分析解决问题 2 针对本题型的题目 要注意明确能级公式或者能级图中的能量是电子的动能和势能之和 还要注意区别电离和跃迁 特别是电离过程中吸收的能量不受量子化的限制 预测2 1 氢原子第n能级的能量为En 其中E1是基态能量 而n 1 2 若一氢原子发射能量为E1的光子后处于比基态能量高出 E1的激发态 则氢原子发射光子前后分别处于第几能级 2 一速度为v的高速 粒子 与同方向运动的氖核 发生弹性正碰 碰后 粒子恰好静止 求碰撞前后氖核的速度 不计相对论修正 解析 1 设氢原子发射光子前后分别处于第l与第m能级 则依题意有 由 式解得m 2 由 式得l 4 因此氢原子发射光子前后分别处于第4与第2能级 2 设 粒子与氖核的质量分别为m 与mNe 氖核在碰撞前后的速度分别为vNe与vNe 由动量守恒与机械能守恒定律 有 m v mNevNe mNevNe m v2 mNevNe2 mNevNe 2 解得vNe vNe 已知 由 式代入 式得vNe vvNe v 答案 1 第4和第2能级 2 vv 类型三核反应与核能例3 1 有关热辐射和光的本性 请完成下列填空题 黑体辐射的规律不能用经典电磁学理论来解释 1900年德国物理学家普朗克认为能量是由一份一份不可分割的最小能量值组成 每一份称为 1905年爱因斯坦从此得到启发 提出了光子的观点 认为光子是组成光的最小能量单位 光子的能量表达式为 并成功解释了现象中有关极限频率 最大初动能等规律 写出了著名的方程 因此获得诺贝尔物理学奖 能量 子 h 光电效应 光电效应 或Ek h W 2 已知氘核质量2 0136u 中子质量为1 0087u 核质量为3 0150u 写出两个氘核聚变成的核反应方程 计算上述核反应中释放的核能 结果保留2位有效数字 1u 931 5MeV 若两氘核以相等的动能0 35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应 且释放的核能全部转化为机械能 则反应中生成的核和中子的动能各是多少 结果保留2位有效数字 解析 1 能量子h光电效应光电效应 或Ek h W 2 在核反应中质量亏损为 m 2 2 0136u 1 0087u 3 0150u 0 0035u所以释放的核能为E 0 0035 931 5MeV 3 26MeV 反应前总动量为0 反应后总动量仍为0 所以反应后氦核与中子的动量相等 由Ek 得EHe En 1 3所以En 2 97MeVEHe 0 99MeV 答案 3 26MeV 2 97MeV0 99MeV 解题指导 1 书写核反应方程 在遵循事实的前提下 一定满足两个守恒 质量数守恒和电荷数守恒 2 核反应过程中 虽然是微观世界 但一定满足两个守恒 动量守恒和能量守恒 3 计算核能时 m的单位不同计算方法可以不同 未必一定采用国际单位 1u相当于931 5MeV 4 核反应过程中 如果涉及到能量问题 经常用动量和能量的关系式Ek 进行计算 预测3一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核 同时辐射出一个 光子 已知质子 中子 氘核的质量分别为m1 m2 m3 普朗克常量为h 真空中的光速为c 下列说法正确的是 A 核反应方程是B 聚变反应中的质量亏损 m m1 m2 m3C 辐射出的 光子的能量E m3 m1 m2 cD 光子的波长 B 1 放射性同位素钍232经 衰变后生成氡 其衰变方程为 x y 其中 A x 1 y 3B x 2 y 3C x 3 y 1D x 3 y 2解析根据衰变方程左右两边的质量数和电荷数守恒可列方程解得x 3 y 2 故答案为D D 2 下列说法正确的是 A 射线在电场和磁场中都不会发生偏转B 射线比 射线更容易使气体电离C 太阳辐射的能量主要来源于重核裂变D 核反应堆产生的能量来自轻核聚变解析 射线不带电 因此在电场 磁场中都不偏转 射线比 射线更容易使气体电离 太阳辐射的能量主要来源于轻核聚变 核反应堆产生的能量来自重核裂变 A 3 2009北京西城区我国广东大亚湾核电站是我国首座大型商用核电站 年发电量近150亿千瓦时 核电站是利用核裂变产生的核能来发电的 下列四个核反应方程属于核裂变反应的是 A B C D B 4 2009 北京宣武区 如果原子X是原子P的同位素 而且它们分别发生了如下的衰变 XYZPQR则下列说法正确的是 A X的质量数和P的相同B Y的质子数比Q的质子数多C X的中子数和P的相同D Z和R互称同位素 B D 5 中子和质子结合成氘核时 质量亏损为 m 相应的能量 E mc2 2 2MeV是氘核的结合能 下列说法正确的是 A 用能量小于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核不能分解为一个质子和一个中子B 用能量等于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零C 用能量大于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零 D 用能量大于2 2MeV的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和不为零解析根据核的结合能概念 核子结合成核所释放的核能与逆过程所需要的能量相等 A D正确 根据动量守恒定律 用光子照射静止氘核时总动量不为零 Ek 故照射后总动能则不为零 B错 答案AD 6 2009 重庆 16 某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论 其中的两个核反应方程为方程中Q1 Q2表示释放的能量 相关的原子核质量见下表 以下推断正确的是 A X是 Q2 Q1B X是 Q2 Q1C X是 Q2Q1 故选B B 7 2009 全国 16 氦氖激光器能产生三种波长的激光 其中两种波长分别为 1 0 6328 m 2 3 39 m 已知波长为 1的激光是氖原子在能级间隔为 E1 1 96eV的两个能级之间跃迁产生的 用 E2表示产生波长为 2的激光所对应的跃迁的能级间隔 则 E2的近似值为 A 10 50eVB 0 98eVC 0 53eVD 0 36eV解析因为 E1 E2 所以 E2 eV 0 36eV D 8 2009 四川 18 氢原子能级的示意图如图2所示 大量氢原子从n 4的能级向n 2的能级跃迁时辐射出可见光a 从n 3的能级向n 2的能级跃迁时辐射出可见光b 则 A 氢原子从高能级向低能级跃迁时可能会辐射出 射线B 氢原子从n 4的能级向n 3的能级跃迁时会辐射出紫外线C 在水中传播时 a光较b光的速度小 图2 D 氢原子在n 2的能级时可吸收任意频率的光而发生电离解析 射线是原子核跃迁时辐射的各种高频电磁波 不能来自原子的跃迁 A错误 氢原子从n 4的能级向n 3的能级跃迁时能量差对应的光子处于红外线波段 B错误 因为a光的能量高 频率大 所以在介质中的速度小 b光的能量低 频率小 所以在介质中的速度大 C正确 氢原子在n 2的能级时能量为 3 4eV 所以只有吸收光子能量大于3 4eV时才能电离 D错误 答案C 9 子与氢原子核 质子 构成的原子称为 氢原子 hydrogenmuonatom 它在原子核物理的研究中有重要作用 图3为 氢原子的能级示意图 假定光子能量为E的一束光照射容器中大量处于n 2能级的 氢原子 氢原子吸收光子后 发出频率为 和的光 且频率依次增大 则E等于 A h B h C hD h 图3 解析 氢原子吸收光子后 能发出六种频率的光 说明 氢原子是从n 4能级向低能级跃迁 则吸收的光子的能量为 E E4 E2 E4 E2恰好对应着频率为的光子 故光子的能量为h 答案C 11 2009 济南二调 1 下列说法中正确的是 A 紫外线照射到金属锌板表面时能够产生光电效应 则当增大紫外线的照射强度时 从锌板表面逸出的光电子的最大初动能也随之增大B 中等核的比结合能大 因此这些核是最稳定的C 卢瑟福在研究原子结构中引入了量子化的观点D 光电效应实验揭示了光的粒子性 康普顿效应揭示了光的波动性E 在光的单缝衍射实验中 狭缝变窄 光子动量的不确定量变大 BE 2 现有一群处于n 4能级上的氢原子 已知氢原子的基态能量E1 13 6eV 这群氢原子发出的光谱共有6条谱线 发出的光子照射金属能产生光电效应现象 则该金属的逸出功最大是eV 3 一静止的核衰变为核时 只放出一个 粒子 已知的质量为MT 粒子质量为M 衰变过程中质量亏损为 m 光在真空中的速度为c 若释放的核能全部转化为系统的动能 求放出的 粒子的初动能 12 75 解析据动量守恒定律得0 MTvT M v 据能量守恒得 mc2 MTvT2 M v 2解以上方程可得EK M v 2 mc2答案 mc2 11 2009 扬州三调 1 下列说法正确的是 A 黑体辐射的强度与频率的关系是 随着温度的升高 各种频率的辐射都增加 辐射强度极大值的光向频率较低的方向移动B 粒子散射实验中少数 粒子发生了较大偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据C 天然放射现象的发现说明了原子核有复杂的结构D 用质子流工作的显微镜比用相同速度的电子流工作的显微镜分辩率低 BC 2