高考物理 二輪復(fù)習(xí)名師點(diǎn)津 專題十八 原子和原子核-新人教原創(chuàng)

07年二輪復(fù)習(xí)名師點(diǎn)津?qū)ｎ}十八原子和原子核考點(diǎn)解讀原子和原子核內(nèi)容要求102.α粒子散射實(shí)驗(yàn).原子的核式結(jié)構(gòu)103.氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu).光子的發(fā)射和吸收104.氫原子的電子云105.原子核的組成.天然放射現(xiàn)象.α射線、β射線、γ射線.衰變.半衰期106.原子核的人工轉(zhuǎn)變.核反應(yīng)方程.放射性同位素及其應(yīng)用107.放射性污染和防護(hù)108.核能.能量虧損.愛因斯坦的質(zhì)能方程109.重核的裂變.鏈?zhǔn)椒磻?yīng).核反應(yīng)堆110.輕核的聚變.可控?zé)岷朔磻?yīng)111.人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)ⅠⅡⅠⅠⅠⅠⅡⅠⅠⅠ考點(diǎn)清單1.α粒子散射實(shí)驗(yàn)1909～1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧琴福和他的助手們進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn).（1）實(shí)驗(yàn)裝置如圖18-5所示：圖18-5如圖所示，用α粒子轟擊金箔，由于金原子中的帶電微粒對(duì)α粒子有庫(kù)倉(cāng)力作用，一些α粒子穿過(guò)金箔后改變了運(yùn)動(dòng)方向，這種現(xiàn)象叫做α粒子散射.熒光屏可以沿著圖中虛線轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)統(tǒng)計(jì)向不同方向散射的粒子數(shù)目.全部設(shè)備裝在真空中.（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后基本上仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).（3）現(xiàn)象解釋：認(rèn)為原子中的全部正電荷和幾乎所有質(zhì)量都集中到一個(gè)很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿過(guò)金箔時(shí)都離核很遠(yuǎn)，受到的庫(kù)侖力很小，它們的運(yùn)動(dòng)幾乎不受影響.只有少數(shù)α粒子從原子核附近飛過(guò)，明顯受到原子核的庫(kù)侖力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).2.原子的核式結(jié)構(gòu)模型內(nèi)容：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng).[說(shuō)明]核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是α粒子散射實(shí)驗(yàn)，從α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，估計(jì)原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10-14m～10-15m，而原子半徑的數(shù)量級(jí)是10[例1]在用α粒子轟擊金箔時(shí)，測(cè)得α粒子能夠接近金箔的最小距離約為2×10-14m，原核的平均密度約為多少？（阿伏加德羅常數(shù)N=6×1023mol-1[剖析]把α粒子能夠接近金箔的最小距離近似看作金原子核子的半徑，計(jì)算出每一個(gè)核的體積，便可求密度.[解析]把α粒子能夠接近金箔的最小距離近似看作金原核的半徑R，金核的體積m3m3一個(gè)金原子的質(zhì)量是：kgkg金原子核的平均密度是kg/m3kg/m3[說(shuō)明]金核的密度約為1×1016kg/m3，而金子的密度是19.3×103kg/m3，兩個(gè)密度相差甚遠(yuǎn)，由此可以想象出原子的體積和原子核的體積相差多么懸殊，原子核是多么小，原子內(nèi)部是多么3.玻爾的原子模型內(nèi)容：玻爾認(rèn)為，圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子軌道半徑只能是某些分立的數(shù)值，這種現(xiàn)象叫軌道量子化；不同的軌道對(duì)應(yīng)著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運(yùn)動(dòng)，卻不輻射能量，因此這些狀態(tài)是穩(wěn)定的；原子在不同的狀態(tài)中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的.理解要點(diǎn)：玻爾的原子模型是以假說(shuō)的形式提出來(lái)的，包括以下三方面的內(nèi)容：eq\o\ac(○,1)軌道假設(shè)：即軌道是量子化的，只能是某些分立的值.eq\o\ac(○,2)定態(tài)假設(shè)：即不同的軌道對(duì)應(yīng)著不同的能量狀態(tài)，這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，不向外輻射能量.eq\o\ac(○,3)躍遷假設(shè)：原子在不同的狀態(tài)具有不同的能量，從一個(gè)定態(tài)向另一個(gè)定態(tài)躍遷時(shí)要輻射或吸收一定頻率的光子，該光子的能量，等于這兩個(gè)狀態(tài)的能級(jí)差.[說(shuō)明]氫原子各定態(tài)的能量值為電子繞核運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek和電勢(shì)能Ep的代數(shù)和；當(dāng)取無(wú)窮遠(yuǎn)處電勢(shì)能為零時(shí)，各定態(tài)的電勢(shì)能均為負(fù)值.玻爾理論的成功之處在于引入了量子化的概念，但因保留了經(jīng)典的原子軌道，故有關(guān)氫原子的計(jì)算仍應(yīng)用經(jīng)典物理的理論.對(duì)電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道半徑、速度、周期、動(dòng)能、電勢(shì)能等的計(jì)算，是牛頓運(yùn)動(dòng)定律、庫(kù)侖定律、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)的綜合應(yīng)用.原子的躍遷條件只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況，對(duì)下述兩種情況，則不受此條件限制：eq\o\ac(○,1)當(dāng)光子與原子作用而使氫原子電離，產(chǎn)生離子和自由電子時(shí)，原子結(jié)構(gòu)被破壞，因而不遵守有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的理論.如基態(tài)氫原子的電離能為13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都能被處于基態(tài)的氫原子吸收而發(fā)生電離.氫原子電離所產(chǎn)生的自由電子的動(dòng)能等于入射光子的能量減去電離能.eq\o\ac(○,2)實(shí)物粒子和原子作用而使原子激發(fā)或電離，是能過(guò)實(shí)物粒子和原子碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)的.在碰撞過(guò)程中，實(shí)物粒子的動(dòng)能可以全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的動(dòng)能大于或等于原子某兩個(gè)能級(jí)差值，就可以使原子受激發(fā)而躍遷到較高的能級(jí)；當(dāng)入射粒子的動(dòng)能大于原子在某能級(jí)的電離能時(shí)，也可以使原子電離.[例2]氫原子輻射出一個(gè)光子后，（）A.電子繞核旋轉(zhuǎn)半徑增大B.電子的動(dòng)能增大C.氫原子的電勢(shì)能增大D.原子的能級(jí)值增大[解析]據(jù)玻爾理論，氫原子輻射光子后，應(yīng)從離核較遠(yuǎn)的軌道躍遷到離核較近的軌道.躍遷過(guò)程中，電場(chǎng)力對(duì)電子做正功，故電勢(shì)能減小.據(jù)經(jīng)典物理理論，電子繞核做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為核對(duì)電子的庫(kù)侖力，即：，則；即電子的軌道半徑減小，其動(dòng)能增大.由能量轉(zhuǎn)化和守恒定律知，氫原子放出光子，輻射能量，所以原子總能量減少.故B正確.[答案]B4.三種射線的比較eq\o\ac(○,1)α射線：是氦核（He）流，速度約為光速的十分之一，在空氣中射程幾厘米，貫穿本領(lǐng)小，電離作用強(qiáng).eq\o\ac(○,2)β射線：是高速的電子流，穿透本領(lǐng)較大，能穿透幾毫米的鋁板，電離作用較弱.eq\o\ac(○,3)γ射線：是高能光子流，貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，能穿透幾厘米鉛板，電離作用小.[說(shuō)明]放射性元素有的原子核放出α射線，有的放出β射線，多余的能量以γ光子的形式射出.5.衰變定義：放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變.衰變規(guī)律：電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒.eq\o\ac(○,1)α衰變：X→Y+He，α衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的粒子（即氦核）.eq\o\ac(○,2)β衰變：X→Y+e，β衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核內(nèi)的一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子時(shí)放射出一個(gè)電子.eq\o\ac(○,3)γ衰變：γ衰變是伴隨α衰變或β衰變同時(shí)發(fā)生的.γ衰變不改變?cè)雍说碾姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù).其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)，產(chǎn)生的某些新核由于具有過(guò)多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子.[例3]U衰變后Rn共發(fā)生了次α衰變和次β衰變.[解析]根據(jù)衰變規(guī)律，Rn的質(zhì)量數(shù)比U的質(zhì)量數(shù)減少了238-222＝16，而天然放射只有α衰變才能使質(zhì)量數(shù)減少，且每次α衰變減少質(zhì)量數(shù)為4，故發(fā)生了16÷4＝4次α衰變.因每次α衰變核的電荷數(shù)減少2，故由于α衰變核的電荷數(shù)應(yīng)減少4×2＝8.而Rn核的電荷數(shù)僅比U核少了92-86＝6，故說(shuō)明發(fā)生了2次β衰變（即92-8+2＝86）.[答案]發(fā)生了4次α衰變，2次β衰變.[評(píng)價(jià)]在分析有關(guān)α、β衰變的問題時(shí)，應(yīng)抓住每次α衰變質(zhì)量數(shù)減4，電荷數(shù)減2和每次β衰變時(shí)質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)加1這一衰變規(guī)律進(jìn)行分析.6.半衰期定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間，叫這種元素的半衰期.[說(shuō)明]（1）半衰期由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)（如壓強(qiáng)、溫度等）或化學(xué)狀態(tài)（如單質(zhì)或化合物）無(wú)關(guān).（2）半衰期只對(duì)大量原子核衰變才有意義，因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)少數(shù)原子核衰變不再起作用.（3）確定衰變次數(shù)的方法：設(shè)放射性元素X經(jīng)過(guò)n次α衰變m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則表示核反應(yīng)的方程為：X→Y+nHe+me.根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程兩式聯(lián)立得：由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組.7.放射性同位素的應(yīng)用（1）利用它的射線如利用鈷60放出的很強(qiáng)的γ射線來(lái)檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼和裂紋，這叫γ射線探傷，利用放射線的貫穿本領(lǐng)了解物體的厚度和密度的關(guān)系，可以用放射性同位素來(lái)檢查各種產(chǎn)品的厚度、密封容器中的液面高度，從而自動(dòng)控制生產(chǎn)過(guò)程，再如利用α射線的電離作用，可以消除機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電，利用射線殺死體內(nèi)的癌細(xì)胞等.（2）做示蹤原子如在生物科學(xué)研究方面，同位素示蹤技術(shù)起著十分重要的作用，在人工方法合成牛胰島素的研制、驗(yàn)證方向、示蹤原子起著重要的作用.在輸油管線漏的檢查和對(duì)植物生長(zhǎng)的檢測(cè)方面，示蹤原子都起著重要作用.[例4]如圖18-6是工廠利用放射線自動(dòng)控制鋁板厚度的裝置示意圖.圖18-6（1）請(qǐng)你簡(jiǎn)述自動(dòng)控制的原理；

（2）如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1毫米的鋁板，在α、β和γ三種射線中，你認(rèn)為哪一種射線在鋁板的厚度控制中起主要作用，為什么？[解析]（1）放射線具有穿透本領(lǐng)，如果向前運(yùn)動(dòng)的鋁板的厚度有變化，則探測(cè)器接收到的放射線的強(qiáng)度就會(huì)隨之變化，這種變化被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸入到相應(yīng)的裝置，進(jìn)而自動(dòng)控制如上圖中右側(cè)的兩個(gè)輪間的距離，使鋁板的厚度恢復(fù)正常.

（2）β射線起主要作用，因?yàn)棣辽渚€的貫穿本領(lǐng)很小，一張薄紙就能把它擋住，更穿不過(guò)1毫米的鋁板；γ射線的貫穿本領(lǐng)非常強(qiáng)，能穿過(guò)幾厘米的鉛板，1毫米左右的鋁板厚度發(fā)生變化時(shí)，透過(guò)鋁板的射線強(qiáng)度變化不大；β射線的貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，能穿過(guò)幾毫米的鋁板，當(dāng)鋁板的厚度發(fā)生變化時(shí)，透過(guò)鋁板的射線強(qiáng)度變化較大，探測(cè)器可明顯地反應(yīng)出這種變化，使自動(dòng)化系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng).8.核能的計(jì)算（1）質(zhì)能方程：愛因斯擔(dān)的相對(duì)論指出，物體的質(zhì)量和能量存在著密切聯(lián)系，即E=mc2.這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程.[說(shuō)明]質(zhì)能方程告訴我們質(zhì)量和能量之間存在著簡(jiǎn)單的正比關(guān)系.物體的能量增大了，質(zhì)量也增大了；能量減小了，質(zhì)量也減小.且核反應(yīng)中釋放的能量與質(zhì)量虧損成正比：（2）核能：核反應(yīng)中放出的能量稱為核能.（3）核能的計(jì)算根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損（）的千克數(shù)乘以真空中光速的平方.即根據(jù)1原子質(zhì)量單位（u）相當(dāng)于931.5MeV能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV.即MeV[例5]已知氮核質(zhì)量mN=14.00753u，氧核質(zhì)量m0=17.00454u，氦核質(zhì)量mHe=4.00387u，質(zhì)子質(zhì)量u，試判斷核反應(yīng)：N+He→O+H是吸能反應(yīng)，還是放能反應(yīng)，能量變化多少？[解析]先計(jì)算出質(zhì)量虧損，然后由1u相當(dāng)于931.5MeV能量代入計(jì)算即可.反應(yīng)前總質(zhì)量u反應(yīng)后總質(zhì)量u因?yàn)榉磻?yīng)中質(zhì)量增加，所以此反應(yīng)為吸能反應(yīng)，所吸收能量為：=(18.01269-18.01140)×931.5MeV=1.2MeV[例6]一個(gè)靜止的U（原子質(zhì)量為232.0372u），放出一個(gè)α粒子（原子質(zhì)量為4.00260u）后，衰變成Th（原子質(zhì)量為228.0287u）.假設(shè)放出的結(jié)合能完全變成Th核和α粒子的動(dòng)能，試計(jì)算α粒子的動(dòng)能.[剖析]由質(zhì)能方程可計(jì)算釋放的核能，然后結(jié)合動(dòng)量守恒和能量關(guān)系可求解.[解析]反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)量虧損u反應(yīng)中釋放的核能：MeV=5.5MeV在U核衰變過(guò)程中的動(dòng)量守恒、能量守恒，則解以上兩式得：則α粒子的動(dòng)能MeV=5.41MeV9.原子核的人工轉(zhuǎn)變及其三大發(fā)現(xiàn)原子核的人工轉(zhuǎn)變：用人工方