高中物理竞赛：原子物理

1、高中物理竞赛：原子物理一、考点内容.氢原子的能级结构，氢原子的电子云，光子的发射和吸收。.天然放射现象，a射线、P射线、V射线,半衰期。.质子的发现，中子的发现，原子核的组成。 4 .核能，爱因斯坦的质能方程。.重核的裂变，链式反应；轻核的聚变。6 .核反应堆，放射性污染和防护二、复习思路原子、原子核的内容以人类认识微观世界的过程为线索，介绍有关原子、原子核著名实验和 实验结论的初步知识。联系实际、联系生活、联系高科技”已成为高考命题的趋势，所以同学 应特别注意。本单元的内容多而杂，学习要求是识记和理解，而许多同学又记不住。下面介绍一种行之有 效的方法：以科学家的姓名为线索，以其发现为主要内容

2、，通过读书或阅读科普读物归纳“十 大人物，九大发现，四大核变”形成知识体系，这样非常便于记忆和理解。由于本单元理论的 形成都是以事实发现为依据，故在每一理论复习时，应按如下知识链进行：事实、发现T发现 的意义T模型T成功之处、不足之处T新的发现事实T意义。（一）：十大人物，九大发现1、汤姆孙（又译作“汤姆生”）T电子的发现（第一大发现）T原子可分2、卢瑟福T 粒子散射实验（第二大发现） T原子的核式结构模型T与经典的电磁场 理论矛盾卢瑟福t a粒子轰击氮原子核T发现质子（第三大发现）3、玻尔T原子的能级（第四大发现）T成功解释氢光谱的规律，不能解释比较复杂的原 子。4、贝克勒耳T天然放射现象（

3、第五大发现）T原子核有复杂结构a射线t a粒子流t氮原子核 t高电离本领 三种射线38Sr+154Xe+10on t链式反应t核能的应用（发电、原子弹）4、轻核的聚变：；H十;HT2He+0nT热核反应（氢弹）三、重点难点解析.原子核式结构：通过对卢瑟福粒子散射实验现象的分析：粒子穿过金箔后，绝大多数没有发生偏转，仍沿原来方向前进，只有少数发生较大的偏转， 极少数偏转角度超过 90 ,甚至达到180,这是汤姆逊的枣糕模型所不能解释的，说明原子具有核式结构。.氢原子的能级结构：n越大，En越大，能量越高，原子越不稳定；处于激发态的氢原子会自发的向低能级跃迁，以光子的形式释放能量，释放的能量等于两

4、个能级的能量差，原子能量的释放和吸收均满足均满足这一关系，是不连续的。原子吸收能量的原则是吸收能量恰好等于两个能级差，或者吸收能量大于或等于其电离能，使电子成为自由电 子。当原子吸收光子时，由于光子不可分，故其必须选择能量满足上述原则的光子；当原 子吸收实物粒子（如电子）能量时，原子可以根据需要吸收其中的一部分能量，即对实物 粒子的能量没有条件限制。3、P衰变的实质：P衰变放出电子，并不表示原子核中有电子，而是原子核中的一个中子转化质子时伴随着放出一个电子，即0n- iH+_0e4、质量亏损及核能：并不是指质量的消失，只是在核反应的过程中以辐射能量的形式体现了相应部分的质量；E = mc2不能

5、理解为质量为 m的物质可以转化为 mc2的能量，这只是反应了质量与能量间的密切联系，在计算核能时应用EE =Amc2来计算。四.例题精讲例1、铀核裂变的产物之一 ；Kr是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的错90（400Zr）这些衰变是：A、1次0（衰变，6次P衰变B、4次P衰变C、2次u衰变D、2次a衰变，2次P衰变例2、欲使处于基态的氢原子激发，下列措施可行的是：A、用10.2ev的光子照射B、用11ev的光子照射C、用14ev的光子照射D、用11ev的电子碰撞例3、若原子的某内层电子被电离形成空位，其它层的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原

6、子的特征X射线。内层空位的产生有多种机制，其中一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释 放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位（被电离的电子成为内转换电子）。214 Po的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量Eo=1.416Mev交给内层电子（如K、L、M层电子，K、L、M标记原子中最靠近核的三个电子层） 使其电离，实验测得从214 Po 原子的K、L、M层电离出的电子白动能分别为 EK=1.323Mev、EL=1.399Mev、EM=1.412Mev。 则可能发射的特征X射线的能量为：A、0. 013MevB、0. 017MevC、0. 076Mev D

7、、0. 093Mev例4、如下一系列核反应是在恒星内部发生的：12c 13131313c 141415cp 6c 7N7 N 6C e v p 6c 7Np 7 N 8O8Ot ；N +e+ vp + 7NT 6C+a 其中p为质子，Ct为0（粒子，e为正电子，27. v为一种中微子。已知质子的质量为mp =1.672648父10 kg, 口粒子的质量为 TOC o 1-5 h z 2731m0t = 6.644929父10 kg ,正电子的质量为 me=9.11d0 kg ,中微子的质量可忽略不计，真空中的光速 c = 3.00m 108m/s,试计算该系列核反应完成后释放的能量。例5如图所

8、示，氢原子从n2的某一能级跃迁到n=2的能级,n/eV辐射出能量为2.55 eV的光子.问最少要给基态的氢原子提供*0 544-0：85多少电子伏的能量，才能使它辐射上述能量的光子？请在图中3-1.51画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图画出获得该能量后的氢原子可能的辐射跃迁图-13.61 ： 16()例6. 一个静止的放射性原子核处于垂直纸面向里的匀强磁场中，由于发生了衰变而形成 如图所示的两个圆形径迹，两圆半径之比为1 ： 16()A.该原子核发生了 “衰变B.反冲核沿小圆作逆时针方向运动C.原来静止的原子核的原子序数为15D.沿大圆和沿小圆运动的粒子运动周期相同例7.已知笊核质量为

9、2.013 6 u,中子质量为1.008 7 u,；He核的质量为3.015 0 u; 3.(1)与出两个笊核聚变成 2 He核反应万程；(2)计算上述核反应中释放的核能；(3)若两个笊核以相等的动能0.35 MeV作对心碰撞即可发生上述核反应，其释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的 2 He核和中子的动能各是多少 ？五、配套练习.下列说法中正确的是：A、原子由电子和带正电的物质组成是卢瑟福a粒子散射实验得出的B、玻尔理论认为原子只能处于能量不连续的一系列状态C、从目前观点看，媒介子、轻子和强子是没有内部结构的“点状”粒子D、强子是参与强相互作用的粒子，中子是最早发现的强子.下列衰变中，

10、属于 a衰变的是：A 234Tz 234 Pa+ 0eB24NaT 24M0eC238UT234Th+4HeD 30PT30Si + 0Qa、 90 i 119 91 r a 2的某一能级跃迁到 n=2的能级，满足hv =E-E2=2.55 eVEn=h y +2=-0.85 eV,所以n=4基态氢原子要跃迁到 n=4的能级，应提供:/eV%,54A E=E-E2=12.75 eV 跃迁图见右下图：/eV%,54例6、解析：因反冲核与放射粒子的轨道为内切圆，故放射性粒子应带负电荷，故 A错误；由r=mv,旦=1,因反冲核与 Bq r216放射性粒子的动量大小相等，方向相反，故内切圆为反冲核，因

11、反冲核带正电，故其圆做逆时针方向运动，故 B正确；由mv乜=1知反冲核的电荷数是放射性粒子的16倍，又因放射粒子为电子， 故原核的Bq216正电荷数为15,故C正确；由T=2Nm ,因m不同，则反冲核与放射粒子运动的周期不 Bq q同，故D错误。答案：BC。例7、解析：应用质量数守恒和核电荷数守恒不难写出核反应方程为21H+21H-32He+10n其质量亏损：A m=2mD-(mHe+mn)=2 x 2.013 6 u-(3.015 0+1.008 7)u=0.003 5 u因1 u相当于931.5 MeV ,所以核反应释放的核能为A E=0.003 5X 931.5 MeV=3.26 MeV

12、 。题设该核反应中释放的核能全部转化为机械能即转化为32He核和中子的动能。设32He核和中子的质量分别为mv m2,速度大小分别为 v1、5,则由动量守恒及能量的转化和守恒定律得：mv1-m2V2=0E1+E2=2E0+AE 上式中E1为32He的动能E2为中子的动能：E= 1 m1V21,E2=工m2V22 TOC o 1-5 h z 222E1/E2= mv2 = mN =由、联立解得： HYPERLINK l bookmark30 o Current Document m2V2mi3E1= 1(2E0+ A E)= 1 (2 X 0.35+3.26) MeV=0.99 MeV44E2=

13、 3 (2E0+ A E)= 3 X (2 X 0.35+3.26) MeV=2.97 MeV44练习答案12345678910BCDDBBDCBD.解析：(1)4, -2(2)由爱因斯坦质能方程可知：A E= A mc2=2mec2=2 X 0.9X 103010 7 N拉 A/Av c又据牛顿第三定律，光子束对黑体表面的作用力为F= F = 2.0 M0 又据牛顿第三定律，光子束对黑体表面的作用力为F= F = 2.0 M0 7 N.参考解答:设a粒子速度的大小为 Va,原子核B速度的大小为VB,在衰变过程中动量守恒，有m N a+mBVB=02121222衰变过程中能量守恒，有(2)mA

14、c = mv- 3mBvB m-.c mBc衰变过程中能量守恒，有(2)解（1）、（2）二式得二 mB解（1）、（2）二式得二 mBvB =一2 mm2(mA - mB -m.)c i：. mBmBTm:v:=2m：. mB2(mA - mB -m：)c评分标准：本题18评分标准：本题18分.（1）式4分，（2）式8分，（3）、（4）各3分.15.参考解答：解法15.参考解答：解法在图中纸面内取 Oxy坐标（如图），原点在狭缝1处，x轴过缝进人磁场，在洛仑兹力作用下作圆周运动，圆轨道在原点与 相切，故其圆心必在 y轴上.若以r表示此圆的半径，则圆方程x2+(y r)2=r21和缝3.粒子从缝1

15、和缝3.粒子从缝1与d的柱面相碰于缝 3、4间的圆弧中点处，碰撞处的坐标为 TOC o 1-5 h z x=2RRsin450（2）y=R R cos450（3）由（1）、（2）、（3）式得 r=3R（4）2由洛仑兹力和牛顿定律有q % B= m0- （5）r由（4）、（5）式得 B =mv0（6）3qR评分标准：本题18分. （1）、（2）、（3）式各4分，（4）、（5）、（6）式各2分.解法二：如图所示，A为a、b两圆圆心的连线与缝1的交点，F为c、d两圆圆心的连线与缝3的交点.从1缝中射人的粒子在磁场作用下与圆柱d的表面发生弹性碰撞后，反弹进人缝2,这个过程一定对连结 b、d两圆圆心的直线 OP对称，故直线 OP与d圆的 交点C必是碰度点.由于粒子在磁场中做圆运动过A点，因此这个轨道的圆心必在过A点并垂直于 AF的直线AE上；同时这个轨道经过 C点，所以轨道的圆心也一定在AC的垂直平分线 DE上.这样AE与DE的交点E就是轨道白圆心，AE就是轨道的