高中物理原子与原子核知识点总结选修3-5.pdf

1高中物理原子与原子核知识点总结高中物理原子与原子核知识点总结(选修选修 35)原子、原子核 这一章虽然不是重点,但是高考选择题也会涉及到,其实只要记住模型和方程式,就不会在做题上出错,下面的一些总结希望对同学们有所帮助.一一波粒二象性波粒二象性1 光电效应的研究思路(1)两条线索：h 为普朗克常数 h=6.633410JS 为光子频率2三个关系(1)爱因斯坦光电效应方程 EkhW0。(2)光电子的最大初动能 Ek可以利用光电管实验的方法测得，即 EkeUc，其中 Uc是遏止电压。(3)光电效应方程中的 W0为逸出功，它与极限频率 c的关系是 W0hc。3 波粒二象性波动性和粒子性的对立与统一(1)大量光子易显示出波动性，而少量光子易显示出粒子性。(2)波长长(频率低)的光波动性强，而波长短(频率高)的光粒子性强。(3)光子说并未否定波动说，Eh中，（频率）和就是波的概hc念。光速 C=(4)波和粒子在宏观世界是不能统一的，而在微观世界却是统一的。3物质波2(1)定义：任何运动着的物体都有一种波与之对应，这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。(2)物质波的波长：，h 是普朗克常量。hphmv二二原子结构与原子核原子结构与原子核（1）卢瑟福的核式结构模型卢瑟福根据 粒子散射实验提出了原子的核式结构学说,玻尔把量子说引入到核式结构模型之中,建立了以下三个假说为主要内容的玻尔理论.认识原子核的结构是从发现天然放射现象开始的,发现质子的核反应是认识原子核结构的突破点.裂变和聚变是获取核能的两个重要途径.裂变和聚变过程中释放的能量符合爱因斯坦质能方程。整个知识体系，可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；六子(电子、质子、中子、正电子、粒子、光子)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；两方程(核反应方程、质能方程)。4 条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。1.(1)电子的发现：1897 年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子。电子的发现证明了原子是可再分的。(2)汤姆孙原子模型：原子里面带正电荷的物质均匀分布在整个原子球体中，而带负电的电子镶嵌在球内。2.卢瑟福的核式结构模型(行星式模型)卢瑟福 粒子散射实验装置,现象,从而总结出核式结构学说3 粒子散射实验是用 粒子轰击金箔，实验现象：结果是绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数 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 粒子散射实验提出：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 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。而核式结构又与经典的电磁理论发生矛盾：原子是否稳定,其发出的光谱是否连续3.玻尔模型(引入量子理论，量子化就是不连续性，整数 n 叫量子数)玻尔补充三条假设定态-原子只能处于一系列不连续的能量状态(称为定态),电子虽然绕核运转,但不会向外辐射能量。(本假设是针对原子稳定性提出的)跃迁-原子从一种定态跃迁到另一种定态,要辐射(或吸收)一定频率的光子(其能量由两定态的能量差决定)(本假设针对线状谱提出)()辐射(吸收)光子的能量为 hfE 初-E 末或（hEmEn）氢原子跃迁的光谱线问题一群氢原子可能辐射的光谱线条数为。4(大量)处于 n 激发态原子跃迁到基态时的所有辐射方式能级图中相关量意义的说明：能级图中相关量意义的说明：相相关关量量意意义义能级图中的横线能级图中的横线表示氢原子可能的能量状态表示氢原子可能的能量状态定态定态横线左端的数字横线左端的数字“1,2,3”表示量子数表示量子数横线右端的数字横线右端的数字“13.6，3.4”表示氢原子的能量表示氢原子的能量相邻横线间的距离相邻横线间的距离表示相邻的能量差，量子数越大相邻的表示相邻的能量差，量子数越大相邻的能量差越小，距离越小能量差越小，距离越小带箭头的竖线带箭头的竖线表示原子由较高能级向较低能级跃迁，表示原子由较高能级向较低能级跃迁，原子跃迁的条件为原子跃迁的条件为 hEmEn2两类能级跃迁两类能级跃迁(1)自发跃迁：高能级自发跃迁：高能级低能级，释放能量，发出光子。低能级，释放能量，发出光子。光子的频率光子的频率。EhE高高E低低h(2)受激跃迁：低能级受激跃迁：低能级高能级，吸收能量。高能级，吸收能量。光照光照(吸收光子吸收光子)：光子的能量必须恰等于能级差：光子的能量必须恰等于能级差 hE。碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，碰撞、加热等：只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，E外外E。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。大于电离能的光子被吸收，将原子电离。3谱线条数的确定方法谱线条数的确定方法(1)一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为一个氢原子跃迁发出可能的光谱线条数最多为(n1)。(2)一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。一群氢原子跃迁发出可能的光谱线条数的两种求解方法。5用数学中的组合知识求解：用数学中的组合知识求解：NC。2 nn n1 2利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一利用能级图求解：在氢原子能级图中将氢原子跃迁的各种可能情况一一画出，然后相加。画出，然后相加。1，2，3，n 为量子数1 处能量最低，能量最低的状态叫做基态，其他处（如 2，3，n）状态叫做激发态。量子数量子数：原子处在定态的能量用En表示，此时电子以的轨道半径绕nr核运动，n 称为量子数。（注）E1=13.6eV 这个负号是我们人为规定的.设无限远处电子的电势能为零,在有限远的位置电子的电势能都是负值.在最近轨道运转的电子的势能就是负 13.6eV能量和轨道量子化-定态不连续,能量和轨道也不连续;(即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分布也是不连续的)(针对原子核式模型提出，是能级假设的补充)（4）跃迁要求从一个电子能级到另一个能级,电子仍然可以受原子核束缚.电离电离指电子从某一能级到第无穷个能级（该能级能量为 0）（虽然能级数是无穷大,但是所需要能量是有限的）,这时电子可以认为不受原子核束缚,完全脱离原子.电离可以看做是特殊的跃迁6电离是电子完全脱离了原子核束缚，跃迁是电子从低能级迁移到高能级例：例：1995 年科学家年科学家“制成制成”了反氢原子，它是由一个反质子和一了反氢原子，它是由一个反质子和一个围绕它运动的正电子组成，反质子和质子有相同的质量，带有等量个围绕它运动的正电子组成，反质子和质子有相同的质量，带有等量异种电荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布，氢原子能级如图所异种电荷。反氢原子和氢原子有相同的能级分布，氢原子能级如图所示，则下列说法中正确的是示，则下列说法中正确的是()A反氢原子光谱与氢原子光谱不相同反氢原子光谱与氢原子光谱不相同B基态反氢原子的电离能为基态反氢原子的电离能为 13.6 eVC基态反氢原子能吸收基态反氢原子能吸收 11 eV 的光子而发生跃迁的光子而发生跃迁D大量处于大量处于 n4 能级的反氢原子向低能级跃迁时，从能级的反氢原子向低能级跃迁时，从 n2 能级跃迁到基态辐射的能级跃迁到基态辐射的光子的波长最短光子的波长最短解析：解析：选选 B反氢原子和氢原子有相同的能级分布，故反氢原子光谱与氢原子光谱相反氢原子和氢原子有相同的能级分布，故反氢原子光谱与氢原子光谱相同，同，A 错；基态反氢原子的电离能为错；基态反氢原子的电离能为 13.6 eV，只有大于等于，只有大于等于 13.6 eV 的能量的光子才可的能量的光子才可以使反氢原子电离，以使反氢原子电离，B 对；基态反氢原子发生跃迁时，只能吸收能量等于两个能级的能量对；基态反氢原子发生跃迁时，只能吸收能量等于两个能级的能量差的光子，差的光子，C 错；在反氢原子谱线中，错；在反氢原子谱线中，从从 n4 能级跃迁到基态辐射的光子的能量最大，频率最大，波长最短，能级跃迁到基态辐射的光子的能量最大，频率最大，波长最短，D 错。错。氢原子的激发态和基态的能量(最小)与核外电子轨道半径间的关系是:【说明】氢原子跃迁 轨道量子化rn=n2r1(n1,2.3)r1=0.5310-10m 能量量子化：E1=13.6eV En，Ep，r，nEk，v吸收光子时增大减小放出光子时减小增大氢原子跃迁时应明确：一个氢原子 直接跃迁 向高能级跃迁，吸收光子 一般光子 某一频率光子 7一群氢原子 各种可能跃迁 向低能级跃迁 放出光子 可见光子 一系列频率光子氢原子吸收光子时要么全部吸收光子能量，要么不吸收光子1 光子能量大于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时，该光子可被吸收。(即：光子和原于作用而使原子电离)2 光子能量小于电子跃迁到无穷远处(电离)需要的能量时,则只有能量等于两个能级差的光子才能被吸收。(受跃迁条件限：只适用于光于和原于作用使原于在各定态之间跃迁的情况)。氢原子吸收外来电子能量时可以部分吸收外来碰撞电子的能量（实物粒子作用而使原子激发）。因此，能量大于某两个能级差的电子均可被氢原子吸收，从而使氢原子跃迁。E51=13.06 E41=12.75 E31=12.09 E21=10.2；(有规律可依)E52=2.86 E42=2.55 E32=1.89；E53=0.97 E43=0.66；E54=0.31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），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。氢原子在 n 能级的动能、势能，总能量的关系是：EP=2EK，E=EK+EP=EK。(类似于卫星模型)8由高能级到低能级时，动能增加，势能降低，且势能的降低量是动能增加量的 2 倍，故总能量(负值)降低。三三原子的衰变原子的衰变1.天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。核变化从贝克勒耳发现天然放射现象开始衰变(用电磁场研究)：2三种射线的比较三种射线的比较种类种类 射线射线 射线射线 射线射线组成组成高速氦核流高速氦核流高速电子流高速电子流光子流光子流(高频电磁波高频电磁波)带电荷量带电荷量2ee0质量质量4mp，mp1.671027 kgmp1 836静止质量为零静止质量为零速度速度0.1c0.99cc(光速光速)在电磁场在电磁场中中偏转偏转与与 射线反向偏射线反向偏转转不偏转不偏转贯穿本领贯穿本领最弱，用纸能挡住最弱，用纸能挡住较强，能穿透几较强，能穿透几毫米厚的铝板毫米厚的铝板最强，能穿透几厘米最强，能穿透几厘米厚的铅板厚的铅板对空气的对空气的电离作用电离作用很强很强较弱较弱很弱很弱3 衰变、衰变、衰变的比较衰变的比较衰变类型衰变类型 衰变衰变 衰变衰变衰变方程衰变方程XY HeA ZA4Z24 2XYeA ZAZ101衰变实质衰变实质2 个质子和个质子和 2 个中子结合成一个整体个中子结合成一个整体1 个中子转化为个中子转化为 1 个质子和个质子和 1 个个9射出射出电子电子2 H2 n He1 11 04 2n He1 01 101衰变规律衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒4.衰变次数的确定方法衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素X 经经A Z过过 n 次次 衰变和衰变和 m 次次 衰变后，变成稳定的新元素衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的，则表示该核反应的AZ方程为方程为XYn Heme。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程。根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A ZAZ4 201AA4nZZ2nm由以上两式联立解得由以上两式联立解得 n，mZZAA4AA2由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。方法二：因为方法二：因为 衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定 衰变的衰变的次数，然后根据衰变规律确定次数，然后根据衰变规律确定 衰变的次数。衰变的次数。5.对半衰期的理解对半衰期的理解放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。是对大量原子核的放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。是对大量原子核的统计规律。统计规律。(1)半衰期公式：半衰期公式：N余余N原原，m余余m原原。(12)t(12)t(2)半衰期的物理意义：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一半衰期的物理意义：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差别很大。放射性元素的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有的差别很大。(3)半衰期的适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规半衰期的适用条件：半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变。律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变。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：四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)衰变：（e 核）衰变：(实质：核内)衰变形成外切(同方向旋)，10 （电子）衰变：(实质：核内的中子转变成了质子和中子)衰变形成内切(相反方向旋)，且大圆为、粒子径迹。+衰变：（核内）（光子）衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。人工转变：(发现质子的核反应)(卢瑟福)用 粒子轰击氮核,并预言中子的存在 (发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的 射线轰击铍 (人工制造放射性同位素)正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)粒子轰击铝箔重核的裂变：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。轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）(四四)核反应方程与核能计算核反应方程与核能计算 1核反应的四种类型核反应的四种类型类型类型可控性可控性核反应方程典例核反应方程典例 衰变衰变自发自发UTh He2 23 38 89 92 22 23 34 49 90 04 2衰衰变变 衰变衰变自发自发ThPae2 23 34 49 90 02 23 34 49 91 101 7N He1O H 144 27 7 8 81 1(卢瑟福发现质子卢瑟福发现质子)人工转变人工转变人工控人工控制制He Be1C n4 29 42 2 6 61 011(查德威克发现中子查德威克发现中子)Al He P n27134 230151 0PSi e301530140 1(约里奥约里奥居里夫妇发居里夫妇发现人工放射性现人工放射性)U n56BaKr3 n2 23 35 59 92 21 01 14 44 45 56 6 14489361 0重核裂变重核裂变比较容比较容易进行易进行人工控人工控制制U nXeSr10 n2 23 35 59 92 21 01 13 36 65 54 490381 0轻核聚变轻核聚变很难控很难控制制H H He n2 13 14 21 02核反应方程式的书写核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。如质子熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础。如质子(H)、1 1中子中子(n)、粒子粒子(He)、粒子粒子(e)、正电子、正电子(e)、氘核、氘核(H)、氚核、氚核(H)等。等。1 04 2010 12 13 1(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”“”表示反应方向。表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。3对质能方程的理解对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即Emc2。方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损核子在结合成原子核时出现质量亏损 m，其能量也要相应减少，即，其能量也要相应减少，即Emc2。(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加 m，吸收的，吸收的能量为能量为 Emc2。4核能的计算方法核能的计算方法(1)根据根据 Emc2计算时，计算时，m 的单位是的单位是“kg”，c 的单位是的单位是“m/s”，E 的单的单位是位是“J”。(2)根据根据 Em931.5 MeV 计算时，计算时，m 的单位是的单位是“u”，E 的单位是的单位是12“MeV”。(3)根据核子比结合能来计算核能：根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能原子核的结合能核子比结合能核子数。核子数。典例典例(2015江苏高考江苏高考)(1)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U 是核电站常用的核燃料。是核电站常用的核燃料。U 受一个中子轰击后裂变成受一个中子轰击后裂变成Ba 和和Kr 两部分，并两部分，并2359223592144568936产生产生_个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要个中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要_(选填选填“大于大于”或或“小于小于”)它的临界体积。它的临界体积。(2)取质子的质量取质子的质量 mp1.672 61027 kg，中子的质量，中子的质量 mn1.674 91027 kg，粒子粒子的质量的质量 m6.646 71027 kg，光速，光速 c3.0108 m/s。请计算。请计算 粒子的结合能。粒子的结合能。(计算结果计算结果保留两位有效数字保留两位有效数字)解析解析(1)核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒，且该核反应方程为：U n 235921 0BaKr3 n，即产生，即产生 3 个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式个中子。临界体积是发生链式反应的最小体积，要使链式1 14 44 45 56 689361 0反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。反应发生，裂变物质的体积要大于它的临界体积。(2)组成组成 粒子的核子与粒子的核子与 粒子的质量差粒子的质量差m(2mp2mn)m结合能结合能 Emc2代入数据得代入数据得 E4.31012 J。答案答案(1)3大于大于(2)4.31012 J例：(2017 四川宜宾模拟)已知氘核的平均结合能为 1.1 MeV,氦核的平均结合能为 7.1 MeV,则两个氘核结合成一个氦核时()A.释放出 4.9 MeV 的能量B.释放出 6.0 MeV 的能量C.释放出 24.0 MeV 的能量D.吸收 4.9 MeV 的能量答案 C解析 根据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为He,由于氘核的21+2142平均结合能为 1.1 MeV,氦核的平均结合能为 7.1 MeV,故结合前氘核的结合能为E1=21.1 MeV,结合后氦核的结合能为E2=47.1 MeV,故 E=2E1-E2=-24.0 MeV,负号表示释放能量,选项 C 正确。2.放射性同位素的应用利用其射线：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。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。13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。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，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。高考对本章的考查：以 粒子散射实验、原子光谱为实验基础的卢瑟福原子核式结构学说和玻尔原子理论，各种核变化和与之相关的核反应方程、核能计算等。在核反应中遵循电荷数守恒和质量数守恒，在微观世界中动量守恒定律同样适用。