课题研究精品学案

第十六章 原子和原子核

结构

α粒子散射实验

卢瑟福

玻尔

教学过程：

一、原子模型

1．J．J汤姆生模型（枣糕模型）——1897年发现电子，认识到原子有复杂结构。

2．卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）

α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，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，但是有少数α粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。

卢瑟福由α粒子散射实验提出模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，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空间运动。

由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m。

3．玻尔模型（引入量子理论）

（1）玻尔的三条假设（量子化）

α粒子

①轨道量子化：原子只能处于不连续的可能轨道中，即原子的可能轨道是不连续的

②能量量子化：一个轨道对应一个能级，轨道不连续，所以能量值也是不连续的，这些不连续的能量值叫做能级。在这些能量状态是稳定的，并不向外界辐射能量，叫定态

③原子可以从一个能级跃迁到另一个能级。原子由高能级向低能级跃迁时，放出光子，在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时，则由低能级向高能级跃迁。原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量hE2E1（量子化就是不连续性，n叫量子数。）

（2）从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

（3）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、向心力、库仑力等），所以在10.2eV 12.8eV 12.1eV n

E/eV

∞

0 4

-0.853

3

-1.51 E2 2

-3.4 E1 E3 1

-13.6 氢原子的能级图

解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。

0eV

例1：

（1）

种可能的跃迁方式

（

C42

）

（2）

计算最高的光子频率

（3）

计算最大波长

例2：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？假定处在量子数为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

4．氢原子中的电子云

对于宏观质点，只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况，就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道，算出它在以后任意时刻的位置和速度。

对电子等微观粒子，牛顿定律已不再适用，因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。更加彻底的量子理论认为，我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下，电子在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来，就像一片云雾一样，可以形象地称之为电子云。

二、天然放射现象

1。（ D ）

n1A．2200 B．2000 C．1200 D．24 00

1．天然放射现象——天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。

1895年——汤姆生——电子

1896年——贝可勒尔——天然放射现象

1897年——伦琴——伦琴射线

大于等于83号元素的都具有天然放射性，小于83号的有的也具有天然放射性

2．各种放射线的性质比较

种 类

α射氦核

线

β射电子

线

γ射光子

线

0 0 1 最弱

版

1/1840 -1 0.99 较强

板

最强，穿几cm铅较强，穿几mm铝4 +2 0.1 最强

最弱，纸能挡住

本 质量（u）

电荷（e）

速度（c）

质

性

电离贯穿性

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：

如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则αα

γ

β

β

γ

α

O

⑶

⑴

⑵

必打在O点下方。

3、半衰期

1、

描述衰变的快慢

2、

由核内部本身决定，与所处的物理和化学状态无关

3、是统计规律，少数原子核不存在该规律

114、NN0()n

mm0()n

22【例3】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α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么放射源

探测接收器

M 是三种射线中的____射线对控制厚度起主要作用。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M、N两个轧辊间的距离调节得_____些。

解：α射线不能穿过3mm厚的铝板，γ射线又很容易穿过3mm厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响。而β射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的β射线的强度发生较明显变化。即是β射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。

三、核反应（核的变化，电荷数守恒，质量数守恒，质量并不守恒。

）

2344114（1）衰变：α衰变：23892U90Th2He（核内21H20n2He）

1102340 β衰变：234（核内nHThPae011e）

9091130110 +β衰变：30i015P14S1e（核内1H0n1e）

γ衰变：原子核的能量也是不连续的，原子核放出射线后，核处于激发态，当它向低能级跃迁时，辐射γ光子。因此γ衰变是伴随着α、β衰变

发生的。

4171（2）人工转变：147N2He8O1H（卢瑟福发现质子的核反应）

4121 94Be2He6C0n（查德威克发现中子的核反应）

43013030 27i013Al2He15P0n 15P14S1e（小居里人工制造放射性同位素）

放射性同位素的应用

①利用其射线：α射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程。

②作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。

③进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，半衰期短，可制成各种形状，强度容易控制）。

1141921（3）重核的裂变：

23592U0n56Ba36Kr30n 在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。

341（4）轻核的聚变：21H1H2He0n（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）

【例4】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电的目的

B．利用γ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DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀

的品种

D．用γ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

解：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性，使空气分子电离成为导体，将静电泄出。γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视。作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种。用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地严格控制剂量。本题选D。

四、核能

1．核能——核反应中放出的能叫核能。

2．质量亏损——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，这种现象叫做质量亏损。

3．爱因斯坦质能方程：物体的能量和质量间存在着正比关系。比例系数为光速的平方。

Emc2

Emc2

（在非国际单位里，可以用1Uc2=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。）

4．释放核能的途径

凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。

【例5】

一个氢原子的质量为1.6736×10-27kg，一个锂原子的质量为11.6505

×10-27kg，一个氦原子的质量为6.6467×10-27kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，⑴写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？⑵1mg锂原子发生反应共释放多少核能？

47解：⑴11H+3Li

→22He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程ΔE=Δmc2得释放核能ΔE=2.76×10-12J

⑵1mg锂原子含锂原子个数为10-6÷11.6505×10-27，每个锂原子对应的释放能量是

=2.76×10-12J，所以共释放2.37×108J核能。

218【例6】

静止的氡核22286Rn放出α粒子后变成钋核84Po，α粒子动能为Eα。若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为 A.

p21解：由于动量守恒，反冲核和α粒子的动量大小相等，由EK，它2mm4Ea218Ea222Ea2 B. 0 C.

2 D.218c222c2218c222E，由质能方程得质量们的动能之比为4∶218，因此衰变释放的总能量是218222Ea2。

亏损是218c【例7】静止在匀强磁场中的一个10=7.3×104m/s5B核俘获了一个速度为向v

的中子而发生核反应，生成α粒子与一个新核。测得α粒子的速度为2×104

m/s，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：⑴写出核反应方程。⑵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）。⑶求α粒子与新核轨道半径之比。⑷求α粒子与新核旋转周

期之比。

417解：（1）由质量数守恒和电荷数守恒得：105B+0n→2He+3Li （2）由于α粒子和反冲核都带正电，由左手定则知，它α

们旋转方向都是顺时针方向

（3）由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是103m/s方向和α粒子的速度方向相反，由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式rmv可求得它们的半径之比是120∶7 qB

（4）由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期公式T2m可求得它qB们的周期之比是6∶7

5．核反应堆

目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的。

核反应堆的主要组成是：

（1）核燃料。用浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%~4%）。

（2）减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速，以便被铀235吸收）。

（3）控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。

（4）冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。

（5）水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。

6．粒子物理学

到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。

20世纪30年代以来，人们认识了正电子、μ子、K介子、π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）。

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“点状”粒子。

用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。