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1、2024/9/161原原子子物物理理2024/9/162一、认识原子结构一、认识原子结构1、汤姆生、汤姆生英国剑桥大学卡文迪许实验室主任，英国剑桥大学卡文迪许实验室主任，19061906年年因在电子和气体导电两方面的卓越成就获诺因在电子和气体导电两方面的卓越成就获诺贝尔物理奖。贝尔物理奖。1897年汤姆生发现电子年汤姆生发现电子原子具有复杂结构原子具有复杂结构葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型正电荷正电荷电子电子2024/9/163原子的原子的全部全部正电荷和正电荷和几乎全部几乎全部质量都集中在原子核里质量都集中在原子核里 2、卢瑟福、卢瑟福汤姆生的学生，英国剑桥大学卡文迪许实验室汤姆生的学生，英国
2、剑桥大学卡文迪许实验室主任，新西兰最伟大的物理学家，主任，新西兰最伟大的物理学家，19081908年获诺年获诺贝尔化学奖，共培养了贝尔化学奖，共培养了1010名诺贝尔奖获得者。名诺贝尔奖获得者。粒子散射实验粒子散射实验现象：现象：有少数有少数粒子发生了较大的偏转粒子发生了较大的偏转 绝大多数绝大多数粒子穿过金箔后基粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进本上仍沿原来的方向前进 汤姆生模型对汤姆生模型对粒子散射实验的解释：粒子散射实验的解释：与实验现象不一致与实验现象不一致核式结构模型（卢瑟福）核式结构模型（卢瑟福）在原子的中心有一个很小的核，叫原子核在原子的中心有一个很小的核，叫原子核 内容：内
3、容：带负电的电子在核外空间运动带负电的电子在核外空间运动 对对粒子散射实验的解释：粒子散射实验的解释：与实验现象一致与实验现象一致2024/9/164原子、原子核直径：原子、原子核直径：原子直径数量级：原子直径数量级：1010m原子核直径数量级：原子核直径数量级：10151014m与经典物理学观点的矛盾：与经典物理学观点的矛盾：原子稳定原子稳定？原子光谱连续原子光谱连续？3、玻尔、玻尔卢瑟福的学生，丹麦物理学家，卢瑟福的学生，丹麦物理学家，19221922年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 玻尔原子理论玻尔原子理论定态：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状定态：原子只能处于一系列不
4、连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不辐射能量。态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不辐射能量。跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它吸收或放出跃迁：原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它吸收或放出一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能级差决定，一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能级差决定， h=E Em mE En n2024/9/165能级：原子核外电子轨道的不连能级：原子核外电子轨道的不连续对应原子的能量也不连续，这些续对应原子的能量也不连续，这些能量值叫做能级。能量值叫做能级。基态：能量的最低值基态：能量的最低值激发态：除基态以外的其它状态
5、激发态：除基态以外的其它状态轨道：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动轨道：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应，原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连相对应，原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。续的。氢原子能级和轨道半径氢原子能级和轨道半径E1=13.6ev能级：能级：En=E1/n2轨道半径：轨道半径： r1=0.531010mrn=n2r1n=1、2、3称为量子数称为量子数2024/9/166跃迁的条件跃迁的条件原子吸收光子从低能级向高能级跃迁所吸收的光子能量必须为：原子吸收光子从低能级向高能级跃迁所吸收的光子能量必须为： h=E
6、 Em mE En n注意：注意：电离不受上述条件限制，只要光子能量大于等于原子的初始电离不受上述条件限制，只要光子能量大于等于原子的初始能级值就会发生电离。能级值就会发生电离。电离后的电子动能：电离后的电子动能：EK= hE En n当实物粒子与原子作用使原子激发或电离时，原子所吸收的当实物粒子与原子作用使原子激发或电离时，原子所吸收的能量为实物粒子的全部或部分动能。当实物粒子的动能大于或能量为实物粒子的全部或部分动能。当实物粒子的动能大于或等于两能级差就可能使原子受激发跃迁；大于或等于某能级值等于两能级差就可能使原子受激发跃迁；大于或等于某能级值就可能使原子电离。就可能使原子电离。原子光谱
7、原子光谱原子由高能级向低能级跃迁要放出光子，光子能量原子由高能级向低能级跃迁要放出光子，光子能量h=E=Em mE En n原子能级的不连续可得原子光谱不连续原子能级的不连续可得原子光谱不连续原子从高能级向低能级跃迁可产生的光子种数原子从高能级向低能级跃迁可产生的光子种数2024/9/167玻尔理论的局限性玻尔理论的局限性 由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等）
8、，所以在解释其他原子的光谱向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。上都遇到很大的困难。 【例【例1】关于粒子散射实验关于粒子散射实验（ ）A绝大多数粒子经过重金属箔后，发生了角度不太大的偏转绝大多数粒子经过重金属箔后，发生了角度不太大的偏转B粒子在接近原子核的过程中，动能减小，电势能减小粒子在接近原子核的过程中，动能减小，电势能减小C粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能增大粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能增大D对粒子散射实验的数据进行分析，可以估算原子核的大小对粒子散射实验的数据进行分析，可以估算原子核的大小 2024/9/168【例【例2】用光子能量】用光
9、子能量为E的的单色光照射容器中色光照射容器中处于基于基态的的氢原子。停止照射后，原子。停止照射后，发现该容器内的容器内的氢能能够释放出三种不同放出三种不同频率的光子，它率的光子，它们的的频率由低率由低到高依次到高依次为1、2、3，由此可知，开始用来照射，由此可知，开始用来照射容器的容器的单色光的光子能量可以表示色光的光子能量可以表示为：h1； h3；h (1+2）；）；h (1+2+3)以上表示式中以上表示式中A只有只有正确正确B只有只有正确正确C只有只有正确正确 D只有只有正确正确 【例【例3 】氢原子原子辐射出一个光子后，射出一个光子后，则( )A、电子子绕核旋核旋转半径增大半径增大B、电
10、子的子的动能增大能增大C、氢原子原子电势能增大能增大D、原子的能、原子的能级值增大增大2024/9/169激光：激光：同种原子在同样的两个能级间发生跃迁产生的同种原子在同样的两个能级间发生跃迁产生的 特性：特性：是相干光。（由于是相干光，所以和无线电是相干光。（由于是相干光，所以和无线电波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信波一样可以调制，因此可以用来传递信息。光纤通信就是激光和光导纤维结合的产物。）就是激光和光导纤维结合的产物。）平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，平行度好。（传播很远距离之后仍能保持一定强度，因此可以用来精确测距。激光雷达不仅能测距，还能根因此可以用来精确
11、测距。激光雷达不仅能测距，还能根据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能据多普勒效应测出目标的速度，对目标进行跟踪。还能用于在用于在VCD或计算机光盘上读写数据。）或计算机光盘上读写数据。）亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的亮度高。能在极小的空间和极短的时间内集中很大的能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料能量。（可以用来切割各种物质，焊接金属，在硬材料上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视上打孔，利用激光作为手术刀切开皮肤做手术，焊接视网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）网膜。利用激光产生的高温高压引起核聚变。）2024/9/1610二、认识原子
12、核的复杂结构二、认识原子核的复杂结构1、天然放射现象天然放射现象 发现者：发现者：贝克勒尔贝克勒尔法国物理学家，法国物理学家，19031903年荣获诺贝尔物理奖年荣获诺贝尔物理奖意义：意义：1896年贝克勒尔发现天然放射现象使人年贝克勒尔发现天然放射现象使人们认识到原子核具有复杂结构们认识到原子核具有复杂结构天然放射现象：天然放射现象：元素自发地放出射线的现象元素自发地放出射线的现象 放射性：放射性：物质发射射线的性质物质发射射线的性质放射性元素：放射性元素：有放射性的元素。原子序数有放射性的元素。原子序数83的所有元素均具放的所有元素均具放射性，射性，83的有的元素也具放射性。的有的元素也具
13、放射性。各种放射线的性质比较各种放射线的性质比较 2024/9/1611三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：况比较： 【例例4】如图所示，铅盒如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有 A打在图中打在图中a、b、c三点的依次是三点的依次是射线、射线、射线和射线和射线射线B射线和射线和射线的轨迹是抛物线
14、射线的轨迹是抛物线C射线和射线和射线的轨迹是圆弧射线的轨迹是圆弧D如果在铅盒和荧光屏间再加一个如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场，可竖直向下的场强适当的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下能使屏上的亮斑只剩下b 2024/9/1612【例【例5】如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如】如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出放射源能放射出、三种射线，而根据设计，该生产线压三种射线，而根据设计，该生产线压制的是制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的厚的铝板，那么是三种射线中的_射线对控制厚度射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接
15、收到的放射性粒子的个起主要作用。当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调两个轧辊间的距离调节得节得_些。些。 2、衰变、衰变、概念：原子核放出、概念：原子核放出粒子或粒子或粒粒子变成新的原子核的变化子变成新的原子核的变化衰变：衰变：放出放出粒子的衰变粒子的衰变衰变：衰变：放出放出粒子的衰变粒子的衰变注：在注：在 、衰变过程中均以衰变过程中均以射线的形式释放能量射线的形式释放能量、衰变规律、衰变规律衰变：衰变：如：如：衰变：衰变：如：如：2024/9/1613在衰变方程中遵守在衰变方程中遵守质量数守恒
16、质量数守恒和和核电荷数守恒核电荷数守恒，在衰变过程中，在衰变过程中动量守恒动量守恒。计算衰变次数的方法计算衰变次数的方法衰变的实质衰变的实质衰变：衰变：是某元素的原子核同时放出两个质子和两个中子组成的是某元素的原子核同时放出两个质子和两个中子组成的粒子。粒子。衰变：衰变：元素的原子核的一个中子变成质子时同时放出一电子元素的原子核的一个中子变成质子时同时放出一电子半衰期半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间 注：半衰期由注：半衰期由原子核内部本身原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理、的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。化学状态无
17、关。2024/9/1614放射性的防护与应用（详见课本放射性的防护与应用（详见课本P69）【例例6】近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核所生成的超重元素的核X经过经过6次次衰变后成为衰变后成为 ，由此可以，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是判定该超重元素的原子序数和质量数依次是 A124，259 B124，265 C112，265 D112，281 放射性同位素的发现：约里奥放射性同位素的发现：约
18、里奥居里（居里（1935年获诺贝尔化学奖）年获诺贝尔化学奖）应用：应用：利用射线利用射线作为示踪原子作为示踪原子考古研究考古研究2024/9/1615【例例7】完成下列核反应方程，完成下列核反应方程， N+ n C+_ N+ He O+_ B+ n _+ He Be+ He _+ n Fe+ H Co+_【例【例8】 一块含铀的矿石质量为一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为，其中铀元素的质量为m。铀发生一系列衰。铀发生一系列衰变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为变，最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有，那么下列说法中正确的有A经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀
19、了经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了B经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变发生了衰变 C经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8D经过一个半衰期后该矿石的质量剩下经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2 【例【例9】关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有】关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 A放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的电的目的 B利用利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进
20、行人体的透视射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视 C用放射线照射作物种子能使其用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种的品种 D用用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害大的危害 2024/9/1616三、核反应、核能三、核反应、核能1、核反应：原子核发生变化变成新原子核的过程、核反应：原子核发生变化变成新原子核的过程人工转变：用人工的方法使原子核发生变化人工转变：用人工的方法使原子核发生变化（发现质子的核反应）（发现质子的核反应）（发现
21、中子的核反应）（发现中子的核反应）衰变衰变裂变裂变聚变聚变2、核能：核反应中释放的能量、核能：核反应中释放的能量质量亏损：质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些比生成它的核子的总质量要小些 质能方程质能方程 ：爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系存在着密切的联系 。 E = mc2 或或E=mc2 2024/9/1617、释放核能的途径、释放核能的途径如：原子质量单位如：原子质量单位1u=1.6605661027Kg，相当于多少，相当于多少eV的能量？
22、的能量？再如：再如：1个质子和个质子和1个中子结合成氘核时释放出多少能量？（已知质个中子结合成氘核时释放出多少能量？（已知质子质量为子质量为1.007825u，中子质量为，中子质量为1.008665u）931.5MeV2.2MeV（每个碳原子燃烧释放的能量大约为（每个碳原子燃烧释放的能量大约为4eV）裂变：裂变：核物理中把重核分裂成质量较小的核释核物理中把重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应。放出核能的反应。如：如：质量亏损质量亏损m=0.35781027Kg释放核能：释放核能：201MeV链式反应链式反应（纯铀（纯铀235超过临界体积）超过临界体积）核反应堆核反应堆2024/9/1618聚
23、变：聚变：把轻核结合成质量较大的核释放出核能的反应把轻核结合成质量较大的核释放出核能的反应条件：几百万摄氏度的高温。亦称热核反应条件：几百万摄氏度的高温。亦称热核反应释放核能释放核能17.6MeV，平均每个核子释放，平均每个核子释放3MeV以上，比裂变大以上，比裂变大34倍。倍。优势：优势：地球上燃料丰富，地球上燃料丰富，1L海水中含氘海水中含氘0.03g，释放的能量相，释放的能量相当于当于300L汽油；产物清洁无污染。汽油；产物清洁无污染。试验：试验：“中国环流器一号中国环流器一号”（1984年年9月启动）月启动）“HT7超导托卡马克超导托卡马克”（1994年调试成功）年调试成功）【例【例1
24、0】中子和质子结合成氘核，同时释放出光子，以下说中子和质子结合成氘核，同时释放出光子，以下说发正确的是：发正确的是： A、反应后氘核质量一定小于反应前质子和中子的质量之和。、反应后氘核质量一定小于反应前质子和中子的质量之和。 B、反应前后的质量数不变，因而质量不变。、反应前后的质量数不变，因而质量不变。 C、由核子组成原子核一定向外释放能量。、由核子组成原子核一定向外释放能量。 D、光子所具有的能量为、光子所具有的能量为mc2，其中，其中m为反应中的为反应中的质量亏损，质量亏损，c为光子的能量。为光子的能量。2024/9/1619【例例12】用中子轰击锂核（用中子轰击锂核（ ）发生核反应，生成
25、氘核和）发生核反应，生成氘核和粒子，并放出粒子，并放出4.8Mev的能量。的能量。（1）写出核反应方程；）写出核反应方程；（2）求出质量亏损；）求出质量亏损；（3）若中子与锂核是以等值的动量相碰，氘核和）若中子与锂核是以等值的动量相碰，氘核和粒子的动粒子的动能之比是多少？能之比是多少？（4）粒子的动能是多少？粒子的动能是多少？【例例11】 静止的氡核静止的氡核 Rn放出放出粒子后变成钋核粒子后变成钋核 Po，粒子动粒子动能为能为E。若衰变放出的能量全部变为反冲核和。若衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能，真粒子的动能，真空中的光速为空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为，则该反应中的质量亏
26、损为 A B 0 C D2024/9/1620【例【例13】静止在匀强磁场中的一个】静止在匀强磁场中的一个 B核俘获了一个速度为向核俘获了一个速度为向v =7.3104m/s的中子而发生核反应，生成的中子而发生核反应，生成粒子与一个新核。测粒子与一个新核。测得得粒子的速度为粒子的速度为2104 m/s，方向与反应前中子运动的方向相，方向与反应前中子运动的方向相同，且与磁感线方向垂直。求：同，且与磁感线方向垂直。求：写出核反应方程。写出核反应方程。画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图（磁感线方向垂直于纸面向外）。（磁感线方向垂直
27、于纸面向外）。求求粒子与新核轨道半径之比。粒子与新核轨道半径之比。求求粒子与新核旋转周期之比。粒子与新核旋转周期之比。 四、粒子物理学四、粒子物理学到到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。电子组成，原子核由质子和中子组成。 20世纪世纪30年代以来，人们认识了正电子、年代以来，人们认识了正电子、子、子、K介子、介子、介子等粒子。后来介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。 现在已经发现的粒子达现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状点状”粒子。粒子。 用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。
