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1、第十八章：原子物理与核物理复习要点1、了解玻尔原子理论及原子的核式结构。2、了解氢原子的能级，了解光的发射与吸收机理。3、了解天然放射现象，熟悉三种天然放射线的特性。4、了解核的组成，掌握核的衰变规律，理解半衰期概念，掌握核反应过程中的两个守恒定律。5、了解同位素及放射性同位素的性质和作用，了解典型的核的人工转变。6、了解爱因斯坦质能方程，会利用核反应中的质量亏损计算核能。7、了解核裂变与核聚变。第一模块：原子的核式结构、波尔的原子模型夯实基础知识1、关于粒子散射实验（英国物理学家卢瑟福完成，称做十大美丽实验之一）（1）粒子散射实验的目的、设计及设计思想。目的：通过粒子散射的情况获取关于原子结
2、构方面的信息。设计：在真空的环境中，使放射性元素钋放射出的粒子轰击金箔，然后透过显微镜观察用荧光屏接收到的粒子，通过轰击前后粒子运动情况的对比，来了解金原子的结构情况。放射源金箔荧光屏显微镜ABCD设计思想：与某一个金原子发生作用前后的a粒子运动情况的差异，必然带有该金原子结构特征的烙印。搞清这一设计思想，就不难理解卢瑟福为什么选择了金箔做靶子（利用金的良好的延展性，使每个粒子在穿过金箔过程中尽可能只与某一个金原子发生作用）和为什么实验要在真空环境中进行（避免气体分子对粒子的运动产生影响）。（2）粒子散射现象绝大多数粒子几乎不发生偏转；少数粒子则发生了较大的偏转；极少数粒子发生了大角度偏转（偏
3、转角度超过90有的甚至几乎达到180）。（3）a粒子散射的简单解释。由于电子质量远远小于粒子的质量（电子质量约为粒子质量的7300），即使粒子碰到电子，其运动方向也不会发生明显偏转，就象一颗飞行的子弹碰到尘埃一样，所以电子不可能使粒子发生大角度散射。而只能是因为原子中除电子外的带正电的物质的作用而引起的；使粒子发生大角度散射的只能是原子中带正电的部分，按照汤姆生的原子模型，正电荷在原子内是均均分布的，粒子穿过原子时，它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部分互相抵消，因而也不可能使粒子发生大角度偏转，更不可能把粒子反向弹回，这与粒子散射实验的结果相矛盾，从而否定了汤姆生的原子模型。实验现象中，粒子绝
4、大多数不发生偏转，少数发生较大偏转，极少数偏转超过，个别甚至被弹回，都说明了原子中绝大部分是空的，带正电的物质只能集中在一个很少的体积内（原子核）。其次，原子中除电子外的带正电的物质不应是均匀分布的（否则对所有的粒子来说散射情况应该是一样的），而“绝大多数”“少数”和“极少数”粒子的行为的差异，充分地说明这部分带正电的物质只能高度地集中在在一个很小的区域内；再次，从这三部分行为不同的粒子数量的差别的统计，不难理解卢瑟福为什么能估算出这个区域的直径约为10-14m。2、原子的核式结构（1）核式结构的具体内容：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所有的质量都集中在原子核上
5、，带负电的电子在核外空间绕核旋转。原子直径的数量级为，而原子核直径的数量级约为。在原子的中心有一个很小的原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里旋转。（2）核式结构的实验基础核式结构的提出，是建立在a粒子散射实验的基础之上的。或者说：卢瑟福为了解释a粒子散射实验的现象，不得不对原子的结构问题得出核式结构的理论。3、玻尔原子模型原子核式结构与经典电磁理论的矛盾：原子结构是否稳定和原子光谱是否为包含一切频率的连续光谱。玻尔的原子理论三条假设（1）“定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对
6、稳定的状态称为定态。定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。（2）“跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（吸收）电磁波（光子），其频率由两个定态的能量差值决定hv=E2-E1。跃迁假设对发光（吸光）从微观（原子等级）上给出了解释。（3）“轨道量子化假设”： 原子的不同能量状态跟电子沿不同半径绕核运动相对应。轨道半径也是不连续的。4、氢原子能级及氢光谱（1）氢原子能级氢原子的能级：原子各个定态的能量值叫做原子的能级。氢原子的能级公式为，对应的轨道半径关系式为：，其中n叫量子数，只能取正整
7、数。n =1的状态称为基态，氢原子基态的能量值。量子数n越大，动能越小，势能越大，总能量越大。能级公式：；该能量包括电子绕核运动的动能和电子与原子核组成的系统的电势能。半径公式：（2）氢光谱在氢光谱中，n=2，3，4，5，向n=1跃迁发光形成赖曼线系；n=3，4，5，6向n=2跃进迁发光形成马尔末线系；n=4，5，6，7向n=3跃迁发光形成帕邢线系；n=5，6，7，8向n=4跃迁发光形成布喇开线系，其中只有马尔末线的前4条谱线落在可见光区域内。5、光子的吸收与发射原子从一种定态（能量为），跃迁到另一种定态（能量为），它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能级差决定：即。若，则辐射
8、光子；若，则吸收光子。能级跃迁：使原子发生跃迁时，入射的若是光子，光子的能量必须恰好等于两定态能级差；若入射的是电子，电子的能量须大于或等于两个定态的能级差。电离：不论是光子还是电子使元子电离，只要光子或电子的能量大于两能级差就可以使其电离。题型解析类型题： 有关a粒子散射实验 【例题】对粒子散射实验装置的描述，你认为正确的有：（A ）A实验器材有放射源、金箔、荧光屏、显微镜B金箔的厚度对实验无影响C如果不用金箔改用铝箔，就不会发生散射现象；D实验装置放在空气中和真空中都可以解析：实验所用的金箔的厚度极小，可至1微米，虽然很薄，但厚的金箔仍包含3300多个原子层，如果金箔的厚度过大，粒子穿过金
9、箔时必然受到较大的阻碍作用而影响实验效果，B错。如果改用铝箔，由于铝核的质量仍远大粒子的质量，散射现象仍然发生，C错。 空气的流动及空气中有许多漂浮的分子，会对粒子的运动产生影响，实验装置是放在真空中进行的，D错。正确选项为A。评注：金的延展性好，可以做的很薄，金的原子核的质量远远大于粒子的质量，根据动量守恒定律可知，这样当粒子与金核相碰撞时才能发生大角度散射，甚至被反向弹回，所以粒子散射实验中选用的材料是金箔。【例题】（1997年全国）在卢瑟福的粒子散射实验中，有极少数粒子发生大角度偏转，其原因是（ ）A原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B正电荷在原子中是均匀分布的C原子中存在着
10、带负电的电子D原子只能处于一系列不连续的能量状态中解析：粒子散射实验中，粒子的大角度偏转是由于受到原子核内集中的正电荷的作用。答案A点评：某种实验现象产生的原因或反映的物理事实这类问题时，一定要注意其因果关系或逻辑关系，尤其注意某些结论虽然是正确的，但不与该实验现象有关。【例题】图为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象描述正确的是（ ）放射源金箔荧光屏显微镜ABCDA在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比在A位置时稍少些C在C、D位置时，屏上观察不到闪光D在D
11、位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少解析：因为绝大多数粒子穿过金箔后仍然沿原来方向前进，在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多，A对；因为少数粒子穿过金箔后发生了较大偏转，在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数比在A位置时要少得多，B错；粒子散射实验中有极少数粒子转角超过90，甚至接近180，所以C错D对。正确选项为A、D。评注：粒子散射是得出原子模型结构的实验基础，对实验现象的分析是建立卢瑟福核式结构模型的关键。通过对粒子散射实验这一宏观上探测，巧妙的、间接的构建出原子结构的微观图景【例题】在粒子散射实验中，如果两个具有相同能量的粒子，从不同大小的角度散射出来，则散射角度大
12、的这个粒子（ ）A更接近原子核B更远离原子核C受到一个以上的原子核作用D受到原子核较大的冲量作用解析：由库仑定律可知，粒子受的斥力与距离的平方成反比，粒子距原子核越近，受斥力越大，运动状态改变的越大，即散射角度越大，A对B错；由于原子的体积远远大于原子核的体积，当粒子穿越某一个原子的空间时，其它原子核距粒子相对较远，而且其它原子核对粒子的作用力也可以近似相互抵消，所以散射角度大的这个粒子并非是由于受到多个原子核作用造成的，C错；当粒子受到原子核较大的冲量作用时，动量的变化量就大，即速度的变化量就大，则散射角度大，D对。正确选项为A、D。评注：动量定理不仅适用于宏观世界里物体间的相互作用，也适用
13、于微观世界里粒子间的相互作用。【例题】卢瑟福通过对a粒子散射实验结果的分析，提出A原子的核式结构模型 B原子核内有中子存在 C电子是原子的组成部分 D原子核是由质子和中子组成的【解析】英国物理学家卢瑟福的粒子散射实验的结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原方向前进，但有少数粒子发生较大的偏转。粒子散射实验只发现原子可以再分，但并不涉及原子核内的结构。查德威克在用粒子轰击铍核的实验中发现了中子，卢瑟福用粒子轰击氮核时发现了质子。【答案】AC 【易错点】容易将原子结构与原子核结构混淆。【例题】图中的圆点代表粒子散射实验中的原子核，带箭头的曲线代表粒子的径迹，其中不可能发生的是：（ ）解析：根据粒
14、子散射实验可知，粒子不可能与原子核相吸引，因为它们是同种电荷答案：C【例题】根据粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型，图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个粒子的运动轨迹。在粒子从a运动到b、再运动到c的过程中，下列说法正确的是( )A动能先增大，后减小B电势能先减小，后增大C电场力先做负功，后做正功，总功等于零D加速度先变小，后变大解析：粒子带正电荷，所以原子核对 粒子的电场力先做负功后正功，电势能先增大后减小，电场力先变大后变小，所以加速度先变大后变小答案：C类型题： 有关波尔理论的问题 【例题】用光子能量为E的单色光照射容器中处于基态的一群氢原子。停止照射后，发现该
15、容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：h1；h3；h(1+2)；h(1+2+3) 以上表示式中 123v3v2v1A只有正确 B只有正确 C只有正确 D只有正确【解析】：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第三能级。根据玻尔理论应该有h3=E3- E1，h1=E3- E2，h2=E2- E1，可见h3= h1+ h2= h(1+2)，所以照射光子能量可以表示为或，答案：C【例题】（2004全国理综）现有1200个氢原子被激发到量子数为4的能级上，若这些受激氢原子最后都回到基态，则在此过程中发出的光子总数是多少？假设处在量子数为n的激发态的氢原子跃迁到各较低能级的原子数都是处在该激发态能级上的原子总数的。A2200 B2000 C1
