17第十七章原子和原子核

第十七章原子和原子核第一节原子的核式结构一、饼式结构二、散射实验和原子的核式结构根据实验结果进行推理判断，提出合理假设：核式结构模型①电子质量很小②在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子几乎所有的质量和所有正电荷都集中在原子核里。③电子绕原子核作圆周运动。原子半径：10－10m原子核半径：10－15m原子内部是十分“空旷”的！！！三、原子核的组成1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，从中产生了一种粒子并测定了它的电荷与质量，把它叫做质子。一开始，人们以为原子核只是由质子组成的。但人们发现质子的荷质比却与原子核的荷质比不相同，多数核质子的荷质比原子核的荷质比大。卢瑟福猜想原子核内还存在一种粒子，质量与质子相等，但不带电，并把它称为中子。后来，查德威克用实验证实了中子。于是，人们认为原子核由质子和中子组成。原子核的表示：X代表元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数。XAZ第二节原子的能级电子云一、经典物理与核式原子结构的矛盾：二、玻尔的原子模型1．玻尔原子模型的内容：玻尔认为，围绕原子核运动的电子轨道半径只能是某些分立的数值，这种现象叫轨道量子化；不同的轨道对应着不同的状态，在这些状态中，尽管电子做变速运动，却不辐射能量，因此这些状态是稳定的；原子在不同的状态中具有不同的能量，所以原子的能量也是量子化的。2．玻尔原子模型的三条假设①定态—原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然作加速运动，但并不向外辐射能量。②跃迁—原子从一种定态（设能量为E1）跃迁到另一种定态（设能量为E2）时，它辐射（或者吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种状态的能量差决定，即：hv＝El一E2。③轨道量子化—原子的不同能量状态与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。3．原子的跃迁条件hv＝E初一E终只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对下列两种情况，则不受此条件限制。①光子和原子作用而使氢原子电离，产生离子和自由电子时，原子结构被破坏，因而不遵守有关原子结构的理论。如基态氢原子的电离能为13.6eV，只要大于或等于13.6eV的光子都被处于基态的氢原子吸收而电离。氢原子电离所产生的自由电子的动能等于入射光子的能量与电离能之差。只要光子的能量大于电子所处轨道的电离能，都可以将电子电离。②电子与氢原子碰撞也能使氢原子发生跃迁，但与光子的情况有质的不同．从力学的角度看。电子与氢原子相碰撞，电子的动能可能全部或部分地转变成原子的能量。当电子的动能等于氢原子某两个定态能级之差时，电子的动能可以全部传给氢原子；当电子的动能大于氢原子某两定态能级差时，电子的动能只可部分（等于两定态能级差）传给氢原子，两种情况都能使氢原子发生跃迁。但当电子的动能小于氢原子的某两能级差时，就不能使氢原子发生跃迁。4．玻尔模型的两个基本公式2112nEErnrnn，这两个公式仅适用于氢原子。式中的n表量子数，n＝1,2,3,4…①氢原子各定态的能量值，为电子绕核运动的动能Ek和电势能EP的代数和；当取无限远处电势能为零时，各定态的电势能均为负值，且其大小总大于同一定态的电子的动能，所以各定态的能量均为负值。②玻尔理论的成功之处在于引入了量子化的概念，但仍保留了经典的原子轨道，故有关氢原子的计算仍应用经典物理理论。对电子绕核运动的轨道半径、速度、周期、动能、电势能等的分析与计算，是牛顿运动定律、库仑定律、匀速圆周运动等知识的综合运用。如由rvmrekn222可计算出电子在任一轨道上运动的动能：nnknrkemvE22122，电子运动的速率：emrkvnn，可见nr越小，nv越大。电子的势能：可用卫星运动的势能来类似理解。二、能级1．能级：原子在各个定态时的能量值称为原子的能级。2．基态：在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态。3．激发态：原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态。4．一群氢原子处于量子数为n的激发态时，可能辐射出的光谱线条数为：2)1(2nnCNn例1．氢原子放出一个光子后，根据玻耳理论，氢原子的（）A．核外电子的电势能增大B．核外电子的动能增大C．核外电子的转动周期变大D．氢原子的能量增大例2．处于基态的氢原子在某单色光的照射下，只能发出频率为ν1、ν2、ν3的三种光，且ν1＜ν2＜ν3，则该单色光的光子能量为（）A．hν1B．hν2C．hν3D．h(ν1+ν2)例3．氢原子在基态时轨道半径r1＝0.53，能量E1＝－13.6eV。求氢原子处于基态时：（1）电子的动能；（2）电子运转形成的等效电流；（3）原子的电势能；（4）用波长是多少的光照可使其电离？第三节天然放射现象衰变1．原子序数大于或等于＿＿＿＿＿的所有元素，都能自发地放出射线。叫天然放射现象。2．三种射线3．原子核的衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化。(1)衰变规律：α衰变：HeYXAZAZ4242β衰变：eYXAZAZ011(2)衰变实质：α衰变实质是元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核）。β衰变实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子。(3)γ射线是伴随α衰变或β衰变同时产生的。γ射线不改变原子核的电荷数和质量数。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β时，产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子。思考：γ射线是新核放出来的还是旧核放出来的？(4)放射性元素衰变时，通常会同时放出α、β和γ三种射线，但某些放射性元素可能只放出α射线或只放出β射线，但在任何情况下都不会只放出γ射线。当α衰变或β衰变产生的新核处于激发态时，便会辐射出γ光子，把过多的能量以γ射线的形式释放出来，即γ射线只能伴随α射线或β射线放出，因此，原子核的衰变是释放能量的反应。另外，原子核发生α衰变或β衰变时，其质量数或电荷数会相应改变，但伴随其间所产生的，衰变，却不改变原子核的质量数和电荷数。例1．带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失，其原因是（）A．射线的贯穿作用B．射线的电离作用C．射线的物理、化学作用D．以上都不对例2．工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。如果工厂生产的是厚度1mm的铝板，在α、β和γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是＿＿＿＿＿＿＿射线。4．半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。(2)公式：TtNN)21(0，Ttmm)21(0(3)决定因素：由原子核本身决定，与外部的物理条件，化学变化等因素无关。(4)半衰期是研究衰变过程的一个重要概念。放射性元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量原子的样品，半衰期是表示放射性元素的大量原子核有50%发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢。因此对某一个原子核而言，半衰期是无意义的，因为这个核何时发生衰变，会受到各种偶然因素的影响。同样地，当样品中原子数目减少到统计规律不再起作用的时候，这时也就不能肯定在某一时间里这些原子核会有多少发生衰变了，所以不能根据半衰期来推断放射性元素的样品全部衰变完所需的时间，即放射性元素样品的寿命是不能通过半衰期计算的。衰变次数的计算：设放射性元素XAZ经过n次α衰变和m次β衰变后，变为稳定的新元素YAZ''，则核反应方程为：emHenYXAZAZ0142''由质量数和电荷数守恒得：A＝A’＋4nZ＝Z’＋2n－m解得：n＝（A－A’）/4m＝（A－A’）/2－Z＋Z’5．原子核的人工转变用人工的方法使一种原子核变成另一种原子核的变化叫原子核的人工转变。原子核人工转变有三大发现：①质子的发现（1919年，卢瑟福）核反应方程：HOHeN1117842147②中子的发现（1932年，查德威克）核反应方程：nCHeBe101264294③放射性同位素的发现（1934年，约里奥·居里夫妇）核反应方程：nPHeAl103015422713eSiP0130143015应用：利用它的射线；作为示踪原子。6．原子核的组成：质子和中子组成原子核。质子和中子统称为核子，原子核的质量数等于其核子数，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的中子数N等于其质量数A与电荷数Z之差，即N＝A－Z。三、核能、核反应1．质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫质量亏损。注意质量数与质量是两个不同的概念，组成原子核的核子的质量数之和与原子核的质量数是相等的。2．质能方程①质能方程E=mc2ΔE=Δmc2②爱因斯坦的质能联系方程E=mc2，不仅指出了质量和能量相当，扩展和深化了质量与能量的概念，还指出了核子结合成原子核时和核反应时要释放出大量的能量。因此，在分析和解决有关的具体问题时，方程ΔE=Δmc2更具实用价值。对于ΔE=Δmc2中的Δm,是指组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差，即核的质量亏损，故在核反应过程中，只能说质量数守恒，而不能说质量守恒，原因就在于亏损掉的质量很小，对质量数没有影响。③方程ΔE=Δmc2是计算核能常用的方法。在具体应用中要注意单位制的统一及不同单位间的换算。若Δm的单位用“kg”、c的单位用“m/s，则ΔE的单位为“J”；若Δm的单位用原子质量单位“u”，可直接用质量与能量的相关式1u＝931.5MeV推算ΔE，此时ΔE的单位为“兆电子伏（MeV）”，即1u＝1．66×10－27千克＝931．5MeV，1MeV＝106MeV这个结论可在计算过程中直接应用。在核反应过程中，所释放出的核能如果全部转化成生成的新核和新粒子的动能，那么就可应用力学原理—动量守恒和能量守恒来进行有关的计算。另外，在有些核反应中，如果辐射出γ光子，则光子带走的能量亦应考虑。3．获取核能的途径①重核裂变：EnSrXenU10903813654102359210（条件：铀块的体积应大于它的临界体积）应用：原子弹，原子反应堆②轻核聚变：EnHeHH10423121(条件：极高温度)应用：氢弹，可控热核反应4．核反应方程(1)分类衰变：裂变：聚变：人式转变：(2)核反应的两条规律：质量数守恒；核电荷数守恒。(3)常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型。无论写哪种类型的核反应方程，都应注意以下几点：①必须遵守电荷数守恒、质量数守恒定律。有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律。②核反应方程中的箭头（）表示核反应进行的方向，不能把箭头改成等号。③写核反应方程必须有实验依据，决不能毫无根据地编造。④在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上；然后根据质量数守恒和电荷守恒规律计算出未知核（或未知粒子）的电荷数和质量数；最后根据未知核（或未知粒子）的电荷数确定它们是哪种元素（或哪种粒子），并在核反应方程一般形式中的适当位置写上它们的符号。四、粒子物理简介1．组成物质的基本单元叫基本粒子。目前已发现的基本粒子有400余种，且实验已显示有些具有内部结构，因此将“基本粒子”改称为粒子，基本粒子物理学改称为粒子物理学。2．粒子按照参与相互作用的性质可分为三大类：传播子（又称为媒介子）、轻子、强子，传播子是传递各种相互作用的粒子。轻子是不参与强相互作用的粒子。强子是参与强相互作用的粒子。核力：质子间的相互作用力，短程力，很大。这些粒子有的带电（带正电或带负电，所带电量都等于基本电荷的电量，即1.6×10-19C），有的是中性的，它们可以相互转化，有的同时还能放出巨大的能量，大多数的基本粒子都是不稳定的，平均寿命都很短。3．基本粒子都有它的反粒子。反粒子的质量跟原来的粒子相同，带的电荷和磁性跟原来的粒子相反。例如：电子和正电子就是一对正反粒子。正反粒子相遇会发生“湮灭”，转化为其他粒子（光子或介子等）。正反粒子可以“湮灭”，也可以成对产生，自然界的物理规律，对粒子和反粒子是对称的。例1．原子核中两个质子和两个中子结合成一个a粒子放出，这就是