13.3原子结构和原子核

1、1原子结构记一记1.原子的核式结构(1) 19091911 年，英国物理学家卢瑟福进行了a粒子散射实验，提出了核式结构模型。(2)a粒子散射实验：1实验装置：如图 13-3- 1 所示。2实验结果：a粒子穿过金 箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，极 少数偏转角度大于 90甚至被弹回。(3)核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎 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旋转。2. 氢原子光谱氢原子光谱线是最早发现、研究的光谱线，这些光谱线可用一个统一的公式表示：T R&-n=3,4,53. 玻尔的原子模型(1)玻尔理论：1轨道

2、假设：原子中的电子在库仑引力的作用下，绕原子核做圆周运动，电子绕核运动的可能轨道是不连续的。2定态假设：电子在不同的轨道上运动时，原子处于不同的状态，因而具有不同的能量，即原子的能量是不连续的。 这些具有确定能量的稳定状态称为定态，在各个定态中，原子是稳定的，不向外辐射能量。3跃迁假设：原子从一个能量状态向另一个能量状态跃迁时要放出或吸收一定频率的光子，光子的 能量等于两个状态的能量差，即hv=Em Eno原子结构和原子核必备9HR要*T牢DIBEI ZHISHI Y AO D AL AO固本漪得呈础分當握程度2(2)几个概念：1能级：在玻尔理论中，原子各个状态的能量值。2基态：原子能量最低的

3、状态。3激发态：在原子能量状态中除基态之外的其他较高的状态。4量子数：原子的状态是不连续的，用于表示原子状态的正整数_(3)氢原子的能级和轨道半径：1氢原子的半径公式：rn= n2ri(n= 1,2,3)，其中 ri为基态半径，r1= 0.53x1010m。12氢原子的能级公式： En= 2E1(n= 1,2,3)，其中 E1为基态能量，E1= 13.6 eV。试一试1 卢瑟福利用a粒子轰击金箔的实验研究原子结构，正确反映实验结果的示意图是( )图 13 3 2解析：选 Da粒子轰击金箔后偏转，越靠近金原子核，偏转的角度越大，所以A、B、C 错误，D 正确原子核想一想如图 13 3 3 甲是a

4、伙丫三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图。请思考：(1)图甲中到达铝板和到达混凝土的射线各是什么射线？图乙中用于金属内部探伤的是哪种射线？ABCD射射射GVQ-射纯源3提示(1)a射线的穿透能力很弱，一张纸就能挡住，B射线的穿透能力很强，能穿透几毫米厚的铝板，丫射线的穿透能力更强，可以穿透几厘米厚的铅板，故到达铝板的为3和 丫射线，到达混凝土的是 丫射线。只有丫射线才具有足够的穿透力，能进行金属内部的伤痕检查。记一记1. 四个概念放射性：物质放射出射线的性质。放射性元素：具有放射性的元素。(3) 同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核。(4)

5、放射性同位素：具有放射性的同位素。2. 原子核的组成(1) 原子核：由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。_(2)_核 电 荷数(Z)：等于核内质子数，也等于核外电子数，还等于元素周期表中的原子序 _数。核质量数(A)：等于核内的核子数，即质子数与中子数之和。3.原子核的衰变(1)三种射线的比较：种类a射线B射线丫射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)带电荷量2ee0质量4mp(mp=271.67X10 kg)mp1 840静止质量为零符号|He01eY速度0.1c0.99cc在电磁场中偏转与a射线反向偏转不偏转最弱，用纸能挡较强，穿透几毫最强，穿透几贯穿本领住米的铝板厘米的铅板对

6、空气的电离作用很强较弱很弱(2)半衰期：1定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。42衰变规律：N= Nog)；m= mog)*53影响因素：由原子核内部因素决定， 跟原子所处的物理化学状态无关。4.核力与核能核力：1含义：原子核里的核子间存在互相作用的核力,核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。2特点：a. 核力是强相互作用的一种表现。15b.核力是短程力，作用范围在1.5X10 m 之内。c. 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。(2) 核能：1结合能：把构成原子核的结合在一起的核子分开所需的能量。2质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即

7、E=me2。核子在结合成原子核时出现质量亏损Am,其能量也要相应减少，即AE=Amc2o3质能方程的意义：质量和能量是物质的两种属性，质能方程揭示了质量和能量是不可 分割的，它建立了两个属性在数值上的关系。(3) 获得核能的途径：1重核裂变：定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过 程。特点：a.裂变过程中能够放出巨大的能量；b.裂变的同时能够放出 23(或更多)个中子；e裂变的产物不是唯一的。 对于铀核裂变有二分裂、 三分裂和四分裂形式， 但三分裂和四分 裂概率比较小。典型的裂变方程：292U +1n一89心+156Ba + 30n2轻核聚变：定义：某些轻

8、核结合成质量数较大的原子核的反应过程。特点：a.聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大 3 至 4 倍。b.聚变反应比裂变反应更剧烈。变反应原料丰富。典型的聚变方程：2H +3H；He +Jn试一试c.对环境污染较小。d.自然界中聚2.块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m,铀发生一系列衰变，最终生成6物为铅，已知铀的半衰期为T,那么下列说法中正确的是()A .经过 2 个半衰期后，这块矿石中基本不再含有铀7B经过 2 个半衰期后，原来所含的铀元素的原子核有 m 发生了衰变c.经过 3 个半衰期后，其中铀元素的质量还剩mD经过 i 个半衰期后该矿石

9、的质量剩下 M2余的铀还有 m。因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变。8能级跃迁与光谱线1对氢原子的能级图的理解氢原子的能级图（如图 13-3 4）。n啟8- 二- -J ? |十川T亡书d:V i-0.E53 -r_-Tr _-k5i13.6图 13 3 4氢原子能级图的意义：1能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态 -定态。2横线左端的数字1,2,3”表示量子数，右端的数字一 13.6, 3.4”表示氢原子 的能级。3相邻横线间的距离不相等，表示相邻的能级差不等，量子数越大，相邻的能级差越小。4带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁条件为：hv=E

10、m- En。2.关于能级跃迁的三点说明当光子能量大于或等于 13.6 eV 时，也可以被处于基态的氢原子吸收，使氢原子电离；当处于基态的氢原子吸收的光子能量大于13.6 eV ,氢原子电离后，电子具有一定的初动能。(2) 当轨道半径减小时，库仑引力做正功，原子的电势能减小，电子动能增大，原子能 量减小。反之，轨道半径增大时，原子电势能增大、电子动能减小，原子能量增大。2nfn 1(3) 一群氢原子处于量子数为n 的激发态时，可能辐射出的光谱线条数：N = C2=2例 1 (2013 聊城模拟)如图 13 3 5 为氢原子能级的示意图， 现有大量的氢原子处于 n=4 的激发态，当向低能级跃迁时辐

11、射出若干不同频率的光。关于这些光下列说法正确的 是()血毋 eV解析：选 C 经m，经过 3 个半衰期后矿石中剩8oa- - - - -4 -一倔3-L512-3.401-n.e图 13 3 5A 最容易表现出衍射现象的光是由n = 4 能级跃迁到 n= 1 能级产生的B .频率最小的光是由 n = 2 能级跃迁到 n= 1 能级产生的C.这些氢原子总共可辐射出3 种不同频率的光D用 n = 2 能级跃迁到 n= 1 能级辐射出的光照射逸出功为6.34 eV 的金属铂能发生光电效应审题指导解答本题时应注意以下三点：(1) 明显衍射条件与波长的关系。(2) 发生光电效应的条件。能级差大小与光的频

12、率、波长的大小关系。尝试解题最容易发生衍射的应是波长最长而频率最小、能量最低的光波，hv=hc/X=En Em,对应跃迁中能级差最小的应为n = 4 到 n = 3，故 A、B 错。由 C2可知处于 n = 4 能级上的氢原子共可辐射出 C4= 6 种不同频率的光，故 C 错。根据 hv=E2 E1及发生光电效应的条件 hvW 可知D 正确。答案D规律总结】原子跃迁的两种类型(1)原子吸收光子的能量时，原子将由低能级态跃迁到高能级态。但只吸收能量为能级 差的光子，原子发光时是由高能级态向低能级态跃迁，发出的光子能量仍为能级差。(2)实物粒子和原子作用而使原子激发或电离，是通过实物粒子和原子碰撞

13、来实现的。在碰撞过程中，实物粒子的动能可以全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两个能级差值，就可以使原子受激发而跃迁到较高的能级；当入射粒子的动能大于原子在某能级的能量值时，也可以使原子电离。91衰变方程(1)a衰变:AX A-2Y +4HeAA0(2)B衰变：ZXz+iY Hie2. 三种衰变的实质(1)a衰变：a衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)的过程，每发生一次a衰变，新元素与原元素比较，核电荷数减少2，质量数减少4。(2)B衰变：B衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子的过程。每发生一次B衰变，新

14、元素与原元素比较，核电荷数增加1,质量数不变。(3) 丫衰变：丫衰变是伴随着a衰变或B衰变同时发生的，丫衰变不改变原子核的电荷数 和质量数。其实质是放射性原子核在发生a衰变或B衰变时，产生的某些新核由于具有过多 的能量(核处于激发态)而辐射出光子。3. 对衰变的说明(1) 原子核在发生衰变时，质量数守恒，电荷数守恒。(2) 外界条件，如压强、温度、化学反应等都不能改变放射性元素的半衰期。例 2 駕和以钍)经过一系列a衰变和B衰变，变成错误！Pb(铅)。以下说法中正确的 是()A.铅核比钍核少 8 个质子B .铅核比钍核少 16 个中子C.共经过 4 次a衰变和 6 次B衰变D .共经过 6 次

15、a衰变和 4 次B衰变(2)约里奥 居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935 年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素30P 衰变成10Si 的同时放出另一种粒子，这种粒子是 _。32P 是35P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg 随时间衰变的关系如图 13-3-6 所示，请估算 4 mg 的UP经多少天的衰变后还剩 0.25 mg?原子核的衰变规律10确定a、B衰变次数的两种方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素AX 经过审题指导解答本题时应注意以下三点：(1)原子核发生a B衰变次数的确定方法。(2)质子数、中子数与质量数的关系。能由图象确定1P的衰变半

16、衰期。尝试解题(1)设a衰变次数为 x,B衰变次数为 y,由质量数守恒和电荷数守恒得232= 208+ 4x90= 82 + 2x y解得 x= 6, y= 4, C 错 D 对。铅核、钍核的质子数分别为82、90,故 A 对。铅核、钍核的中子数分别为126、142,故 B 对。(2)写出衰变方程15PT300Si +?e，故这种粒子为+1e(正电子) 由m t 图知?sP 的半衰期为 14 天，0.25 mg=4 mgX（就,故 t= 56 天。答案(1)ABD (2)正电子 56 天I 规律总结】由11和 m 次B衰变后，变成稳定的新元素A;Y，则表示该核反应的方程为：AX一A：0m-ie

17、根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A= A+ 4n Z= Z+ 2n m由以上两式联立解得A An=由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。方法二：因为B衰变对质量数无影响， 可先由质量数的改变确定a衰变的次数，然后再 根据衰变规律确定B衰变的次数。txa|核反应方程的书写与核能的计算1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变a衰变自发238234492Uf90Th+2HeB衰变自发234十.234 f090Thf91Pa+1e人工转变人工控制174N+；Hef18ZO+1H（卢瑟福发现质子）2He +4Bef+：n（查德威克发现中子）27Al+2Hef15P+0n（约里奥居里

18、夫妇发 现放射性同位素，同 时发现正电子）3030015Pf14S1+1e重核裂变比较容易进行人工控制292 U +0nfBa+36Kr+30n235. .1136、，9c,c192U+0nf54Xe+38Sr+1Oon轻核聚变很难控制1H+1Hf；He+0n根据 AE =Amx931.5 MeV 计算。因 1 原子质量单位(u)相当于 931.5 MeV 的能量， 所以计算时Am 的单位是“u,AE 的单位是“MeV。(3)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能=核子比结合能x核子数。例 3若292U俘获一个中子裂变成98sr 及154xe 两种新核，且三种原子核的质量分别为27235.043 9 u、89.907 7 u 和 135.907 2 u，中子质量为 1.008 7 u(1 u = 1.660 6x10 kg, 1u 相 当于 931.50 MeV)(1) 写出铀核裂变的核反应方程；n 次a衰变Y + n；He +12(2) 求 9.2 kg 纯铀 235 完全裂变所释放的能量是多少？(取两位有效数字)审题指导(1)发生一次核反应释放的核能可用AE =Amc2计算。要确定 9.2 kg 纯铀 235 完全裂变释放的核能应确定其核反应发生的总次数。尝试解题“八235. .1901361(1)92U +on38Sr +54Xe + 10