原子結(jié)構(gòu)--原子核

1、2012.1 高三物理組高三物理組十九世紀(jì)末，十九世紀(jì)末，湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，并知道電，并知道電子是原子的組成部分由于電子是帶負(fù)電的，子是原子的組成部分由于電子是帶負(fù)電的，而原子又是中性的，因此推斷出原子中還有帶而原子又是中性的，因此推斷出原子中還有帶正電的物質(zhì)那么這兩種物質(zhì)是怎樣構(gòu)成原子正電的物質(zhì)那么這兩種物質(zhì)是怎樣構(gòu)成原子的呢？的呢？湯姆生提出了棗糕模型湯姆生一一原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)構(gòu) 在湯姆生的原子模型中，原子是一個球體；正電核均勻分布在整個球內(nèi)，而電子都象棗核那樣鑲嵌在原子里面電子正電荷 粒子散射實驗粒子散射實驗裝置裝置:必須在真空中進行必須在真空中進行. .鋁箔也可以鋁箔

2、也可以, ,但是不能太厚但是不能太厚 絕大多數(shù)絕大多數(shù)粒子仍然沿原方向前進粒子仍然沿原方向前進 少數(shù)少數(shù)粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。粒子散射實驗粒子散射實驗原子內(nèi)部是非?？盏?，絕大多數(shù)原子內(nèi)部是非常空的，絕大多數(shù)粒子沒有碰上帶正電的質(zhì)量大粒子沒有碰上帶正電的質(zhì)量大的物質(zhì)的物質(zhì)只有少數(shù)只有少數(shù)粒子離帶正電物質(zhì)較粒子離帶正電物質(zhì)較近，命中率很小，原子內(nèi)正電荷近，命中率很小，原子內(nèi)正電荷和原子的質(zhì)量集中在很小的體積和原子的質(zhì)量集中在很小的體積內(nèi)內(nèi) 絕大多數(shù)絕大多數(shù)粒子仍然粒子仍然沿原方向前進沿原方向前進 少數(shù)少數(shù)粒子發(fā)生較大粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)。的偏轉(zhuǎn)。實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果分析粒子散射實驗

3、粒子散射實驗在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的原子的全部正電荷全部正電荷和和幾乎全部質(zhì)量幾乎全部質(zhì)量都集中在原子都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運動。核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運動。 原子的核式結(jié)構(gòu)模型原子的核式結(jié)構(gòu)模型近年來的研究表明近年來的研究表明:原子直徑數(shù)量級原子直徑數(shù)量級 1010 m原子核直徑數(shù)量級原子核直徑數(shù)量級 1015 m 二、玻爾原子模型二、玻爾原子模型 能級能級玻 爾玻 爾模 型模 型定態(tài)假說定態(tài)假說原子只能處于原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，中，這些狀態(tài)稱為定態(tài)。這些狀態(tài)稱為定

4、態(tài)。（本假設(shè)是針對原子穩(wěn)（本假設(shè)是針對原子穩(wěn)定性提出的）定性提出的）軌道假說軌道假說原子不同能量狀態(tài)跟電子沿不同軌道繞核運原子不同能量狀態(tài)跟電子沿不同軌道繞核運動相對應(yīng)。因定態(tài)不連續(xù)，所以動相對應(yīng)。因定態(tài)不連續(xù)，所以電子可能軌電子可能軌道分布也是不連續(xù)道分布也是不連續(xù)的。的。 （本假設(shè)針對線狀（本假設(shè)針對線狀譜提出譜提出躍遷假說躍遷假說原子從一種定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時原子從一種定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時, ,要輻要輻射（或吸收）一定頻率的光子射（或吸收）一定頻率的光子, ,光子能量光子能量等于兩定態(tài)的能量差。等于兩定態(tài)的能量差。（針對原子核式模（針對原子核式模型提出，是能級假設(shè)的補充）型提出，是能級假

5、設(shè)的補充）nmEEh 高能級高能級低能級低能級放 出 光 子放 出 光 子吸 收 能 量吸 收 能 量、玻爾原子模型、玻爾原子模型-0.851234n5-3.4-1.51-0.540E/eV-13.6二、玻爾原子模型二、玻爾原子模型 能級能級. 能級能級1. 原子各個定態(tài)對原子各個定態(tài)對應(yīng)的能量是應(yīng)的能量是不連續(xù)不連續(xù)的，這些能量值叫的，這些能量值叫做做能級能級。2. 基態(tài)和激發(fā)態(tài)：基態(tài)和激發(fā)態(tài)：能量最低的狀能量最低的狀態(tài)（對應(yīng)態(tài)（對應(yīng)n=1）叫）叫做基態(tài)，做基態(tài)，其它狀態(tài)（對其它狀態(tài)（對應(yīng)應(yīng)n=2、3、4）叫做激發(fā)態(tài)。叫做激發(fā)態(tài)。3. 氫原子的能級圖氫原子的能級圖 電電 離離)( eV.En

6、EEn613121rn= n2 r1 r1 0.531010 m 原子也可以從激發(fā)態(tài)向原子也可以從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷，電子所受庫侖基態(tài)躍遷，電子所受庫侖力做正功減小電勢能，原力做正功減小電勢能，原子的能量減少要輻射出能子的能量減少要輻射出能量，這一能量以光子的形量，這一能量以光子的形式放出式放出 原子最低能級所對應(yīng)的狀態(tài)叫做基態(tài)，比基原子最低能級所對應(yīng)的狀態(tài)叫做基態(tài)，比基態(tài)能量高的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài)態(tài)能量高的狀態(tài)叫激發(fā)態(tài) 原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，電子克服庫侖引原子從基態(tài)向激發(fā)態(tài)躍遷，電子克服庫侖引力做功增大電勢能，原子的能量增加要吸收能力做功增大電勢能，原子的能量增加要吸收能量量光子的發(fā)射和吸收光子的

7、發(fā)射和吸收nmEEh 躍遷的條件躍遷的條件原子原子吸收光子吸收光子從低能級向高能級躍遷所吸收的光子能量必須為：從低能級向高能級躍遷所吸收的光子能量必須為： h=E Em mE En n注意：注意：電離不受上述條件限制，只要光子能量大于等于原子的初始電離不受上述條件限制，只要光子能量大于等于原子的初始能級值就會發(fā)生電離。能級值就會發(fā)生電離。電離后的電子動能：電離后的電子動能：EK= hE En n當(dāng)當(dāng)實物粒子與原子作用實物粒子與原子作用使原子激發(fā)或電離時，原子使原子激發(fā)或電離時，原子所吸收的能量為實物粒子的全部或部分動能。當(dāng)實物所吸收的能量為實物粒子的全部或部分動能。當(dāng)實物粒子的動能大于或等于兩

8、能級差就可能使原子受激發(fā)粒子的動能大于或等于兩能級差就可能使原子受激發(fā)躍遷；大于或等于某能級值就可能使原子電離。躍遷；大于或等于某能級值就可能使原子電離。4. 4. 玻爾理論的局限性玻爾理論的局限性 玻爾理論雖然把量子理論引入原子領(lǐng)域，提玻爾理論雖然把量子理論引入原子領(lǐng)域，提出定態(tài)和躍遷概念，成功解釋了氫原子光譜，出定態(tài)和躍遷概念，成功解釋了氫原子光譜，但對多電子原子光譜無法解釋，因為玻爾理論但對多電子原子光譜無法解釋，因為玻爾理論仍然以經(jīng)典理論和牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)仍然以經(jīng)典理論和牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)( (牛頓力學(xué)在牛頓力學(xué)在微觀領(lǐng)域不適用微觀領(lǐng)域不適用）。如粒子的觀念和軌道。）。如粒子的觀念和軌道。量

9、子化條件的引進沒有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉?。量子化條件的引進沒有適當(dāng)?shù)睦碚摻忉尅?.電子在某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率電子云三、氫原子的光譜三、氫原子的光譜 由色散形成的，按頻率的順序排列而成由色散形成的，按頻率的順序排列而成的彩色光帶叫做光譜。的彩色光帶叫做光譜。 光譜分類：光譜分類：光譜發(fā)射光譜連續(xù)光譜明線光譜吸收光譜 連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)連續(xù)分布的包含有從紅光到紫光各種色光的光譜叫做連續(xù)譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。譜。熾熱的固體、液體和高壓氣體的發(fā)射光譜是連續(xù)光譜。例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出的光都形成連續(xù)光例如電燈絲發(fā)出的光、熾熱的鋼水發(fā)出

10、的光都形成連續(xù)光譜。譜。 （1）連續(xù)譜）連續(xù)譜（2）線狀譜）線狀譜只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做線狀譜。線狀譜中的亮線只含有一些不連續(xù)的亮線的光譜叫做線狀譜。線狀譜中的亮線叫譜線，各條譜線對應(yīng)不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣叫譜線，各條譜線對應(yīng)不同波長的光。稀薄氣體或金屬的蒸氣的發(fā)射光譜是線狀譜。線狀譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所的發(fā)射光譜是線狀譜。線狀譜是由游離狀態(tài)的原子發(fā)射的，所以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發(fā)射的線狀譜也不以也叫原子的光譜。實踐證明，原子不同，發(fā)射的線狀譜也不同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，同，每種原子只能發(fā)出具有本身特征的某些波長的光，因此明

11、因此明線光譜的譜線叫原子的特征譜線。線光譜的譜線叫原子的特征譜線。（3）吸收光譜）吸收光譜 高溫物體發(fā)出的白光高溫物體發(fā)出的白光（其中包含連續(xù)分布的一切（其中包含連續(xù)分布的一切波長的光）通過物質(zhì)時，某波長的光）通過物質(zhì)時，某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜，叫做吸收光譜生的光譜，叫做吸收光譜。各種原子的吸收光譜中的每各種原子的吸收光譜中的每一條暗線都跟該種原子的原一條暗線都跟該種原子的原子的發(fā)射光譜中的一條明線子的發(fā)射光譜中的一條明線相對應(yīng)。這表明，低溫氣體相對應(yīng)。這表明，低溫氣體原子吸收的光，恰好就是這原子吸收的光，恰好就是這種原子在高溫時發(fā)出的光。種原子在高溫時發(fā)出

12、的光。因此吸收光譜中的暗譜線，因此吸收光譜中的暗譜線，也是原子的特征譜線。太陽也是原子的特征譜線。太陽的光譜是吸收光譜。的光譜是吸收光譜。（4）光譜分析）光譜分析 由于每種原子都有自己的特征譜線，由于每種原子都有自己的特征譜線，因此因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定的可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析?；瘜W(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。 原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)原子光譜的不連續(xù)性反映出原子結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用構(gòu)的不連續(xù)性，所以光譜分析也可以用于探索原子的結(jié)構(gòu)。于探索原子的結(jié)構(gòu)。 氫原子光譜的實驗規(guī)律氫原子光譜的實驗規(guī)律 巴耳末線系是氫原子光譜在可見光

13、區(qū)的譜線，其巴耳末線系是氫原子光譜在可見光區(qū)的譜線，其波長公式波長公式 ， (n3,4,5，)，R是里德伯常量，是里德伯常量， R1.10107 m1，n為量子數(shù)為量子數(shù)HHHHH3646A 紫外光區(qū) 18961896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾和年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線，這種射線可含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線，這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光，物質(zhì)發(fā)射射線的性以穿透黑紙使照相底片感光，物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為質(zhì)稱為放射性放射性具有發(fā)射性的元素稱為具有發(fā)射性的元素稱為放射性元放射性元素素元素這種元素這種自發(fā)自發(fā)的放出射線的現(xiàn)象叫做的放出射線的現(xiàn)象叫

14、做天然放天然放射現(xiàn)象射現(xiàn)象三、原子核的組成三、原子核的組成放大了放大了1000倍的鈾礦石倍的鈾礦石 天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)說說明了原子核還可以再分，明了原子核還可以再分，還還具有較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)。具有較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)。種種 類類本本 質(zhì)質(zhì)質(zhì)量（質(zhì)量（u） 電荷（電荷（e） 速度（速度（c）電離性電離性貫穿性貫穿性射射線線氦氦核核4+20.1最強最強最弱，紙能最弱，紙能擋住擋住射射線線電電子子1/1840-10.99較強較強較強，穿幾較強，穿幾mm鋁板鋁板射射線線光光子子001最弱最弱最強，穿幾最強，穿幾cm鉛版鉛版三種射線三種射線盧瑟福及其同事對天然放射性元素作了詳細(xì)研究，盧瑟福及其同事

15、對天然放射性元素作了詳細(xì)研究，他們將放射線引入他們將放射線引入電場（或磁場）電場（或磁場）根據(jù)偏轉(zhuǎn)情況，根據(jù)偏轉(zhuǎn)情況，確定射線的組成。實驗裝置如圖。確定射線的組成。實驗裝置如圖。在電場的作用下射線分成三束：帶正電的為在電場的作用下射線分成三束：帶正電的為 射線，射線，帶負(fù)電的為帶負(fù)電的為 射線，不帶電的為射線，不帶電的為 射線射線。 利用利用磁場磁場鑒定鑒定利用利用電場電場鑒定鑒定如何區(qū)別三種射線：如何區(qū)別三種射線：3-5 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 原子核原子核 四、原子核的衰變四、原子核的衰變 1原子核衰變規(guī)律原子核衰變規(guī)律衰變類衰變類型型衰變衰變衰變衰變衰變方衰變方程程 衰變實衰變實質(zhì)質(zhì)2個質(zhì)子和

16、個質(zhì)子和2個中子個中子結(jié)合成一個整體射出結(jié)合成一個整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子和電子 衰變規(guī)衰變規(guī)律律電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒4422AAzzeXYH011AAzzXYe11410222eHnH110011nHeU23892Th23490He42U238在在 衰變時產(chǎn)生的釷衰變時產(chǎn)生的釷234也具有放射性，也具有放射性，放出放出 離子后變?yōu)椋ㄧh）離子后變?yōu)椋ㄧh）Th234，上述的過程，上述的過程可以用下面的衰變方程表示：可以用下面的衰變方程表示：射線：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低射線：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級。伴隨能級。伴隨衰變或衰

17、變或衰變產(chǎn)生衰變產(chǎn)生Hen2H2421011核內(nèi)核內(nèi)Pa23491e01 -Th23490eHn011110核內(nèi)核內(nèi)2、 半衰期半衰期T 放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。所需的時間。1 1、半衰期短的元素衰變得快，放射性較強、半衰期短的元素衰變得快，放射性較強2 2、半衰期只與元素本身有關(guān)、半衰期只與元素本身有關(guān), ,與所處的物理、與所處的物理、 化學(xué)狀態(tài)及周圍環(huán)境、溫度等都無關(guān)。化學(xué)狀態(tài)及周圍環(huán)境、溫度等都無關(guān)。3、計算公式：、計算公式：TtNN)21(0Ttmm)21(03-5 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 原子核原子核 五、放射性同位素及其應(yīng)用和防護五、放

18、射性同位素及其應(yīng)用和防護 1.人造放射性同位素的優(yōu)點人造放射性同位素的優(yōu)點 (1)放射強度容易控制；放射強度容易控制； (2)可以制成各種所需的形狀；可以制成各種所需的形狀； (3)半衰期很短，廢料容易處理半衰期很短，廢料容易處理3-5 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 原子核原子核 2應(yīng)用應(yīng)用 (1)工業(yè)部門使用射線測厚度工業(yè)部門使用射線測厚度利用利用射線的穿透射線的穿透性；性； (2)煙霧報警器的使用煙霧報警器的使用利用射線的電離作用，利用射線的電離作用，增加煙霧導(dǎo)電離子濃度；增加煙霧導(dǎo)電離子濃度； (3)農(nóng)業(yè)應(yīng)用農(nóng)業(yè)應(yīng)用射線使種子的遺傳基因發(fā)生變射線使種子的遺傳基因發(fā)生變異，殺死腐敗細(xì)菌、抑制發(fā)芽等；異

19、，殺死腐敗細(xì)菌、抑制發(fā)芽等； (4)做示蹤原子做示蹤原子利用放射性同位素與非放射利用放射性同位素與非放射性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)性同位素有相同的化學(xué)性質(zhì)原子彈爆炸、核電站泄露會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，在原子彈爆炸、核電站泄露會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，在利用放射性同位素給病人做利用放射性同位素給病人做“放療放療”時，如果放時，如果放射性的劑量過大，皮膚和肉就會潰爛不愈，導(dǎo)致射性的劑量過大，皮膚和肉就會潰爛不愈，導(dǎo)致病人因放射性損害而死去。有些礦石中含有過量病人因放射性損害而死去。有些礦石中含有過量的放射性物質(zhì)，如果不注意也會對人體造成巨大的放射性物質(zhì)，如果不注意也會對人體造成巨大的危害。的危害。 輻射與危害輻射

20、與危害放射性的防護放射性的防護（1 1）在核電站的核反應(yīng)堆外層用厚厚的水泥來）在核電站的核反應(yīng)堆外層用厚厚的水泥來防止放射線的外泄防止放射線的外泄（2 2）用過的核廢料要放在很厚很厚的重金屬箱）用過的核廢料要放在很厚很厚的重金屬箱內(nèi)，并埋在深海里內(nèi)，并埋在深海里（3 3）在生活中要有防范意識，盡可能遠(yuǎn)離放射）在生活中要有防范意識，盡可能遠(yuǎn)離放射源源 六、核反應(yīng)、核力和核能六、核反應(yīng)、核力和核能核反應(yīng)的四種類型核反應(yīng)的四種類型類型類型可控性可控性核反應(yīng)方程典例核反應(yīng)方程典例衰衰變變衰變衰變自發(fā)自發(fā) 衰變衰變自發(fā)自發(fā) 人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯まD(zhuǎn)變?nèi)斯た刂迫斯た刂?(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子) (查德威克發(fā)

21、現(xiàn)中子查德威克發(fā)現(xiàn)中子) (約里奧約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子現(xiàn)正電子) 重核裂變重核裂變比較容易比較容易進行人工進行人工控制控制 輕核聚變輕核聚變除氫彈外除氫彈外無法控制無法控制 HeThU422349023892ePaTh012349123490HOHeN1117842147941214260eeBHCn274301132150eAIHPneSiP0130143015nSrXenU109038136541023592102351144891920563603arUnBKn23411120eHHHn3-5 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 原子核原子核 2.核力與核能核力與核能 (1)核力核力 含義：原子核里的核子間存在互相作用的核力，核力含義：原子核里的核子間存在互相作用的核力，核力把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核 特點特點 a核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；核力是強相互作用的一種表現(xiàn)； b核力是短程力，作用范圍在核力是短程力，作用范圍在1.51015 m之內(nèi)之內(nèi) (2)結(jié)合能結(jié)合能原子核是憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，原子核是憑借核力結(jié)合在