高考物理 二轮复习名师点津 专题十八 原子和原子核-新人教原创

07年二轮复习名师点津专题十八原子和原子核考点解读原子和原子核内容要求102.α粒子散射实验.原子的核式结构103.氢原子的能级结构.光子的发射和吸收104.氢原子的电子云105.原子核的组成.天然放射现象.α射线、β射线、γ射线.衰变.半衰期106.原子核的人工转变.核反应方程.放射性同位素及其应用107.放射性污染和防护108.核能.能量亏损.爱因斯坦的质能方程109.重核的裂变.链式反应.核反应堆110.轻核的聚变.可控热核反应111.人类对物质结构的认识ⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅠ考点清单1.α粒子散射实验1909～1911年，英国物理学家卢琴福和他的助手们进行了α粒子散射实验.（1）实验装置如图18-5所示：图18-5如图所示，用α粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仓力作用，一些α粒子穿过金箔后改变了运动方向，这种现象叫做α粒子散射.荧光屏可以沿着图中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子数目.全部设备装在真空中.（2）实验结果：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转.（3）现象解释：认为原子中的全部正电荷和几乎所有质量都集中到一个很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑力很小，它们的运动几乎不受影响.只有少数α粒子从原子核附近飞过，明显受到原子核的库仑力而发生大角度偏转.2.原子的核式结构模型内容：在原子的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的空间运动.[说明]核式结构模型的实验基础是α粒子散射实验，从α粒子散射的实验数据，估计原子核半径的数量级为10-14m～10-15m，而原子半径的数量级是10[例1]在用α粒子轰击金箔时，测得α粒子能够接近金箔的最小距离约为2×10-14m，原核的平均密度约为多少？（阿伏加德罗常数N=6×1023mol-1[剖析]把α粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原子核子的半径，计算出每一个核的体积，便可求密度.[解析]把α粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原核的半径R，金核的体积m3m3一个金原子的质量是：kgkg金原子核的平均密度是kg/m3kg/m3[说明]金核的密度约为1×1016kg/m3，而金子的密度是19.3×103kg/m3，两个密度相差甚远，由此可以想象出原子的体积和原子核的体积相差多么悬殊，原子核是多么小，原子内部是多么3.玻尔的原子模型内容：玻尔认为，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫轨道量子化；不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的.理解要点：玻尔的原子模型是以假说的形式提出来的，包括以下三方面的内容：eq\o\ac(○,1)轨道假设：即轨道是量子化的，只能是某些分立的值.eq\o\ac(○,2)定态假设：即不同的轨道对应着不同的能量状态，这些状态中原子是稳定的，不向外辐射能量.eq\o\ac(○,3)跃迁假设：原子在不同的状态具有不同的能量，从一个定态向另一个定态跃迁时要辐射或吸收一定频率的光子，该光子的能量，等于这两个状态的能级差.[说明]氢原子各定态的能量值为电子绕核运动的动能Ek和电势能Ep的代数和；当取无穷远处电势能为零时，各定态的电势能均为负值.玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念，但因保留了经典的原子轨道，故有关氢原子的计算仍应用经典物理的理论.对电子绕核运动的轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的计算，是牛顿运动定律、库仑定律、匀速圆周运动等知识的综合应用.原子的跃迁条件只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对下述两种情况，则不受此条件限制：eq\o\ac(○,1)当光子与原子作用而使氢原子电离，产生离子和自由电子时，原子结构被破坏，因而不遵守有关原子结构的理论.如基态氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被处于基态的氢原子吸收而发生电离.氢原子电离所产生的自由电子的动能等于入射光子的能量减去电离能.eq\o\ac(○,2)实物粒子和原子作用而使原子激发或电离，是能过实物粒子和原子碰撞来实现的.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电离能时，也可以使原子电离.[例2]氢原子辐射出一个光子后，（）A.电子绕核旋转半径增大B.电子的动能增大C.氢原子的电势能增大D.原子的能级值增大[解析]据玻尔理论，氢原子辐射光子后，应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道.跃迁过程中，电场力对电子做正功，故电势能减小.据经典物理理论，电子绕核做匀速圆周运动的向心力为核对电子的库仑力，即：，则；即电子的轨道半径减小，其动能增大.由能量转化和守恒定律知，氢原子放出光子，辐射能量，所以原子总能量减少.故B正确.[答案]B4.三种射线的比较eq\o\ac(○,1)α射线：是氦核（He）流，速度约为光速的十分之一，在空气中射程几厘米，贯穿本领小，电离作用强.eq\o\ac(○,2)β射线：是高速的电子流，穿透本领较大，能穿透几毫米的铝板，电离作用较弱.eq\o\ac(○,3)γ射线：是高能光子流，贯穿本领强，能穿透几厘米铅板，电离作用小.[说明]放射性元素有的原子核放出α射线，有的放出β射线，多余的能量以γ光子的形式射出.5.衰变定义：放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变.衰变规律：电荷数和质量数都守恒.eq\o\ac(○,1)α衰变：X→Y+He，α衰变的实质是某元素的原子核放出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核）.eq\o\ac(○,2)β衰变：X→Y+e，β衰变的实质是某元素的原子核内的一个中子变为一个质子时放射出一个电子.eq\o\ac(○,3)γ衰变：γ衰变是伴随α衰变或β衰变同时发生的.γ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α衰变或β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.[例3]U衰变后Rn共发生了次α衰变和次β衰变.[解析]根据衰变规律，Rn的质量数比U的质量数减少了238-222＝16，而天然放射只有α衰变才能使质量数减少，且每次α衰变减少质量数为4，故发生了16÷4＝4次α衰变.因每次α衰变核的电荷数减少2，故由于α衰变核的电荷数应减少4×2＝8.而Rn核的电荷数仅比U核少了92-86＝6，故说明发生了2次β衰变（即92-8+2＝86）.[答案]发生了4次α衰变，2次β衰变.[评价]在分析有关α、β衰变的问题时，应抓住每次α衰变质量数减4，电荷数减2和每次β衰变时质量数不变，电荷数加1这一衰变规律进行分析.6.半衰期定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫这种元素的半衰期.[说明]（1）半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如压强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关.（2）半衰期只对大量原子核衰变才有意义，因为放射性元素的衰变规律是统计规律，对少数原子核衰变不再起作用.（3）确定衰变次数的方法：设放射性元素X经过n次α衰变m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示核反应的方程为：X→Y+nHe+me.根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程两式联立得：由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.7.放射性同位素的应用（1）利用它的射线如利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤，利用放射线的贯穿本领了解物体的厚度和密度的关系，可以用放射性同位素来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度，从而自动控制生产过程，再如利用α射线的电离作用，可以消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电，利用射线杀死体内的癌细胞等.（2）做示踪原子如在生物科学研究方面，同位素示踪技术起着十分重要的作用，在人工方法合成牛胰岛素的研制、验证方向、示踪原子起着重要的作用.在输油管线漏的检查和对植物生长的检测方面，示踪原子都起着重要作用.[例4]如图18-6是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图.图18-6（1）请你简述自动控制的原理；

（2）如果工厂生产的是厚度为1毫米的铝板，在α、β和γ三种射线中，你认为哪一种射线在铝板的厚度控制中起主要作用，为什么？[解析]（1）放射线具有穿透本领，如果向前运动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化，这种变化被转变为电信号输入到相应的装置，进而自动控制如上图中右侧的两个轮间的距离，使铝板的厚度恢复正常.

（2）β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1毫米的铝板；γ射线的贯穿本领非常强，能穿过几厘米的铅板，1毫米左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化不大；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米的铝板，当铝板的厚度发生变化时，透过铝板的射线强度变化较大，探测器可明显地反应出这种变化，使自动化系统做出相应的反应.8.核能的计算（1）质能方程：爱因斯担的相对论指出，物体的质量和能量存在着密切联系，即E=mc2.这就是爱因斯坦的质能方程.[说明]质能方程告诉我们质量和能量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大了，质量也增大了；能量减小了，质量也减小.且核反应中释放的能量与质量亏损成正比：（2）核能：核反应中放出的能量称为核能.（3）核能的计算根据爱因斯坦质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损（）的千克数乘以真空中光速的平方.即根据1原子质量单位（u）相当于931.5MeV能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV.即MeV[例5]已知氮核质量mN=14.00753u，氧核质量m0=17.00454u，氦核质量mHe=4.00387u，质子质量u，试判断核反应：N+He→O+H是吸能反应，还是放能反应，能量变化多少？[解析]先计算出质量亏损，然后由1u相当于931.5MeV能量代入计算即可.反应前总质量u反应后总质量u因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸收能量为：=(18.01269-18.01140)×931.5MeV=1.2MeV[例6]一个静止的U（原子质量为232.0372u），放出一个α粒子（原子质量为4.00260u）后，衰变成Th（原子质量为228.0287u）.假设放出的结合能完全变成Th核和α粒子的动能，试计算α粒子的动能.[剖析]由质能方程可计算释放的核能，然后结合动量守恒和能量关系可求解.[解析]反应中产生的质量亏损u反应中释放的核能：MeV=5.5MeV在U核衰变过程中的动量守恒、能量守恒，则解以上两式得：则α粒子的动能MeV=5.41MeV9.原子核的人工转变及其三大发现原子核的人工转变：用人工方