第十七章原子物理学

1、第十七章原子物理学原子结构认识的历史过程一汤姆生原子模型一卢瑟福核式结构模型例：卢瑟福实验证明：当两个原子核之间的距离小到10-15m时，它们之间的排斥力仍遵守库仑定律.金的原子核中有 79个质子，氨原子核（“粒子）中有2个质子.已知每个 质子带电e=1.60 xi019c, “粒子质量为6.68 10-27kg,当a粒子与金核相距为 6.9 10-15m时 （设这时它们仍可当作点电荷）,求：（1） a粒子所受的力；（2） a粒子的加速度.例：电子的质量 m=9.1X10-28g,电子的电荷e=1.6 10-19C,已知原子的核外电子绕核运动的圆轨道半径r=5.3 M0-9cm .问：（1）电

2、子所受向心力等于多少 ？（2）电子绕核运动的周期等于多少？一波尔原子模型例：玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有（）.A、原子处于称为定态的能量状态时，虽然电子做加速运动，但并不向外辐射能量B、原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应，而电子的可能轨道的分布是不连续的C、电子从一个轨道跃迁到另一轨道时，辐射（或吸收）一定频率的光子D、电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率22例：玻尔理论中依据氢原子电子绕核转动是库仑力提供向心力，即ke2 = me,加rnrn之玻尔假设的电子轨道（半径）公式rn =n2rl （n为量子数），试推导出电子绕核运转的动能公式Ekn =

3、与及周期公式Tn =n31。 n例：氢原子处于基态时能量为Ei= -13.6eV ,电子的质量为 m,电量为-e,求：（1）从n = 3的能量状态跃迁到 n=2的能量状态时所辐射的能量；（2）氢原子处于 m= 5状态时核外电子的速度；（3）氢原子吸收波长为 0.6X10-7m的紫外线而电离（即电子不再受核的束缚）后所具有的动 能.一电子云 a粒子散射实验（现象、原因、解释）例：当豆粒子被重核散射时，图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的（）.原子和原子核原子的能级结构、氢原子模型的应用、光子的发射与接收例：氢原子能级图一部分如图所示，A、B、C分别表示原子在三种跃迁过程中辐射出的光子.它们的能量和

4、波长分别为 Ea、Eb、Ec和入a、入b、入c,则卜述关系中正诟的是A.B.入C=入A+入BC.Ec=Ea+EbD.例：电子绕原子核的运动可视为一环形电流。按玻尔模型氢原子处于基态时，电子轨道半径r=0.53 X0-10米，试求电子绕氢原子核运动时，等效电流的大小。e=1.6 10-19 库，电子质量 m=0.91xi0-30 千克,（109牛米2/库2。）（电子电量核反应类型，衰变例：一个原子核a x进行一次q衰变后成为原子核：丫,然后又进行一次p衰变，成为原 子核fZ： ：XUTdY；Z它们的质量数a、c、f及电荷数b、d、g之间应有的关 系是（）.A: a=f+4 B: c=f C: d

5、=g-1 D: b=g+1一人工转变例：如图所示，静止在匀强磁场中的一个ZB粒子，俘获一个速度为 v =7.3 X04米/秒的中子发生核反应，生成一个氨核与一个新核。若测得氨核的速度为2X104米/秒，方向与反应前中子运动方向相同，请(1)写出核反应方程；(2)画出核反应两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图;(3)求出氨核与新核轨道半径之比；(4)求出氨核与新核旋转周期之比。一重核的裂变一轻核的聚变三种射线(本质、特点)原子核的人工转变(质子的发现、中子的发现)例：如图5-2所示是卢瑟福发现质子的核反应实验装置示意图.A是“粒子源，F是铝箔，S为荧光屏，在容器中充入氮气后屏S上出现闪】匕 没闪

6、兄是日丁 Aa粒子射到米卜产生的a粒干上淳核不产牛T福粒工昂一到用1牛片C.a粒子从F上打T向某和粒丁射到麻上产牛的D.粒子源中放入的丫射线射到屏上产生的9例：如图所不，由天然放射性兀素针(Po)放出的射线 X1,轰击皱(4 Be)时会产生粒子流X2,用粒子流X2轰击石蜡时会打出粒子流X3,经研究知道：(A)x 1为口粒子；X2为中子；(B)x 1为 函子；X3为质子；(C)X2为质子，X3为中子；(D)X2为质子，X3为光子。2克市电重为-e, d夸克带电重3例：目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成。u夸1 _, .-re, e为基兀电荷。下列论断可能正确的是3A

7、质子由1个u夸克和 B质子由2个u夸克和 C质子由1个u夸克和 D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1 1个d夸克组成，中子由1 2个d夸克组成，中子由2 1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 个u夸克和2个d夸克组成 个u夸克和1个d夸克组成 个u夸克和1个d夸克组成核能的计算例：铀核(鬻U )裂变生成银(14；Ba)和氟臂Kr) .已知鬻U、Ba、黑Kr以及中子925636.925630的质量分别是 235.0439 u , 140.9139u , 91.8973u 和 1.0087u.(1)试写出铀核裂变反应方程，并计算一个235u核裂变时放出的核能.(2)我国秦山核电

8、站的功率为30万千瓦，假如235U能够完全发生裂变，其中有一半的核能转化为电能.以上述裂变反应来估算，电站一年要消耗多少235u?用a粒子轰击被核(:Be),产生中子并释放出5. 6X 106eV的能量。求：(1) 45 g被全部发生反应，可释放多少能量？(2)反应前后总质量亏损是多少？(3)参加反应的氨的质量是多少？例：能源危机是一个全球性的共同问题，科学家们正在积极探索核能的开发与和平利 用， 其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景。热核反应比相同数量的核子发生裂变 反应释放 的能量要大好几倍，同时所造成的污染也要轻得多，而且可用于热核反应的笊(2h)在海水中的总含量非常丰富，所以一旦可控

9、热核反应能够达到实用，便可解决人类 所面临的能源危机问题。(1)热核反应中的一种反应是1个笊核和1个瓶核(3H )聚变为一个氨核(2h ),请完成这个核反应方程式：2H +3 H-j4 H +能量。(2)若笊核的质量为 2.0141U,瓶核的质量为 3.0161U,中子的质量为1.0087U,氨核的 质量为4.0026U。其中u是原子质量单位，已知 1u相当于931MeV的能量，则上述核反应 过程中释放的能量为 MeV。(保留3位有效数字)例：4个质子在高温下能聚变成一个“粒子同时放出能量.已知质子质量为1.007276U, a粒子质量为4.001506 u, 1u=1.66 10哭7kg,阿

10、伏加德罗常数为 6.02 1023/mol. (1)写出核反 应方程;(2) 1g氢完全聚变成a粒子能释放出多少能量？例：每一个 普U核裂变时平均释放 200MeV的核能.发电能力为5M105kW的核电站若以U235为核燃料，一天至少需要多少个 U235核发生裂变？相当于多少克纯 U235?裂 变所释放的能量与多少千克煤燃烧释放的化学能等效？(煤的燃烧值取3.0父107j/kg)例：(1)精确的研究表明，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核 子数)与原子序数有如图所示的关系.试根据此图说出至少两条相关信息.(2)太阳的能量来自下面的反应：四个质子(氢核)聚变成一个a粒子，同时发射

11、两个正电子和两个没有静止质量的中微子，已知氢气燃烧与氧气化合生成水，每形成一个水分子释放的能量为6.2eV,若想产生相当于太阳上1 kg的氢核聚变成a粒子所释放的能量，须燃烧多少千克氢a粒子质量m “ =4.0026 u,质子质量mp=1.00783 u,电子质量me=5.48 X 10-4 u ( u为原 子质量单位)4核子婵均仪信g*心司界于序款例：如图所示，有界的匀强磁场磁感应强度为B=0.50T ,磁场方向垂直于纸面向里，MN是磁场的左边界.在磁场中A处放一个放射源，内装 226Ra (镭)，826 Ra放出某种射线后衰变成(氨).试写出286 Ra衰变的方程.若 A距磁场的左边界 M

12、N的距离OA=1.0m 时，放MN左侧的粒子接收器接收到垂直于边界 MN方向射出的质量较小的粒子， 此时接 收器位置距经过 OA的直线1.0m.由此可以推断出一个静止镭核 226 Ra衰变时放出的能量是多少？保留2位有效数字.(取lu =1.6 M10/7kg ,电子电量e=1.6M1019C)Ml TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document XXX! XXX01I X X H XI B町x X X例：在一原子反应堆中，用石墨(碳)作减速剂使快中子减速.已知碳核的质量是中子的 12倍.假设把中子与碳核的每次碰撞都看作是弹性正碰，

13、而且认为碰撞前碳核都是静止的.(1)设碰撞前中子的动能是 E0,问经过一次碰撞中子损失的能量是多少？-6 -(2)至少经过多少碰撞，中子的动能才能小于 10 E0?( lg13=1.114, lg11=1.041).例：太阳现正处于主序星演化阶段。它主要是由电子和；H、2He等原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2e+4；HT 4He +释放的核能，这些核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的；H核数目从现有数减少 10%,太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段。为了简化，假定目前太阳全部由电子和1H核组成。(1)为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量Mo已知地球半径 R=6.4X106 m ,地球质量 m= 6.0 x 1024 kg,日地中心的距离 r=1.5X1011 m,地球表面处的重力加速度g=10 m/s2 , 1年约为3.2X107秒，试估算目前太阳的质量M。(