第十七章原子和原子核第一節(jié)原子的核式結(jié)構(gòu)一、餅式結(jié)構(gòu)二、散射實驗和原子的核式結(jié)構(gòu)根據(jù)實驗結(jié)果進行推理判斷，提出合理假設(shè)：核式結(jié)構(gòu)模型 電子質(zhì)量很小 在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子幾乎所有的質(zhì)量和所有正電荷都集中在原子核里。 電子繞原子核作圓周運動。原子半徑：1010m原子核半徑：1015m原子內(nèi)部是十分“空曠”的！三、原子核的組成1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮核，從中產(chǎn)生了一種粒子并測定了它的電荷與質(zhì)量，把它叫做質(zhì)子。一開始，人們以為原子核只是由質(zhì)子組成的。但人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的荷質(zhì)比卻與原子核的荷質(zhì)比不相同，多數(shù)核質(zhì)子的荷質(zhì)比原子核的荷質(zhì)比大。盧瑟福猜想原子核內(nèi)還存在一種粒子，質(zhì)量與質(zhì)子相等，但不帶電，并把它稱為中子。后來，查德威克用實驗證實了中子。于是，人們認(rèn)為原子核由質(zhì)子和中子組成。原子核的表示：X代表元素符號，A為原子核的質(zhì)量數(shù)，Z為原子核的電荷數(shù)。第二節(jié)原子的能級電子云一、經(jīng)典物理與核式原子結(jié)構(gòu)的矛盾：二、玻爾的原子模型1玻爾原子模型的內(nèi)容：玻爾認(rèn)為，圍繞原子核運動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；不同的軌道對應(yīng)著不同的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，盡管電子做變速運動，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。2玻爾原子模型的三條假設(shè) 定態(tài)原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然作加速運動，但并不向外輻射能量。 躍遷原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為E1）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E2）時，它輻射（或者吸收）一定頻率的光子，光子的能量由這兩種狀態(tài)的能量差決定，即：hvEl一E2。 軌道量子化原子的不同能量狀態(tài)與電子沿不同的圓形軌道繞核運動相對應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道分布也是不連續(xù)的。3原子的躍遷條件hvE初一E終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，對下列兩種情況，則不受此條件限制。 光子和原子作用而使氫原子電離，產(chǎn)生離子和自由電子時，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的光子都被處于基態(tài)的氫原子吸收而電離。氫原子電離所產(chǎn)生的自由電子的動能等于入射光子的能量與電離能之差。只要光子的能量大于電子所處軌道的電離能，都可以將電子電離。 電子與氫原子碰撞也能使氫原子發(fā)生躍遷，但與光子的情況有質(zhì)的不同從力學(xué)的角度看。電子與氫原子相碰撞，電子的動能可能全部或部分地轉(zhuǎn)變成原子的能量。當(dāng)電子的動能等于氫原子某兩個定態(tài)能級之差時，電子的動能可以全部傳給氫原子；當(dāng)電子的動能大于氫原子某兩定態(tài)能級差時，電子的動能只可部分（等于兩定態(tài)能級差）傳給氫原子，兩種情況都能使氫原子發(fā)生躍遷。但當(dāng)電子的動能小于氫原子的某兩能級差時，就不能使氫原子發(fā)生躍遷。4玻爾模型的兩個基本公式 這兩個公式僅適用于氫原子。式中的n表量子數(shù)，n1,2 ,3 ,4 氫原子各定態(tài)的能量值，為電子繞核運動的動能Ek和電勢能EP的代數(shù)和；當(dāng)取無限遠處電勢能為零時，各定態(tài)的電勢能均為負值，且其大小總大于同一定態(tài)的電子的動能，所以各定態(tài)的能量均為負值。 玻爾理論的成功之處在于引入了量子化的概念，但仍保留了經(jīng)典的原子軌道，故有關(guān)氫原子的計算仍應(yīng)用經(jīng)典物理理論。對電子繞核運動的軌道半徑、速度、周期、動能、電勢能等的分析與計算，是牛頓運動定律、庫侖定律、勻速圓周運動等知識的綜合運用。如由可計算出電子在任一軌道上運動的動能：，電子運動的速率：，可見越小，越大。電子的勢能：可用衛(wèi)星運動的勢能來類似理解。二、能級1能級：原子在各個定態(tài)時的能量值稱為原子的能級。2基態(tài)：在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，電子在離核最近的軌道上運動的定態(tài)稱為基態(tài)。3激發(fā)態(tài)：原子吸收能量后從基態(tài)躍遷到較高能級，電子在較遠的軌道上運動的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。4一群氫原子處于量子數(shù)為n的激發(fā)態(tài)時，可能輻射出的光譜線條數(shù)為：例1氫原子放出一個光子后，根據(jù)玻耳理論，氫原子的（）A核外電子的電勢能增大B核外電子的動能增大C核外電子的轉(zhuǎn)動周期變大D氫原子的能量增大例2處于基態(tài)的氫原子在某單色光的照射下，只能發(fā)出頻率為1、2、3的三種光，且123，則該單色光的光子能量為（）Ah1 Bh2 Ch3 Dh(1+2)例3氫原子在基態(tài)時軌道半徑r10.53，能量E113.6eV。求氫原子處于基態(tài)時：（1）電子的動能；（2）電子運轉(zhuǎn)形成的等效電流；（3）原子的電勢能；（4）用波長是多少的光照可使其電離？第三節(jié)天然放射現(xiàn)象衰變1 原子序數(shù)大于或等于的所有元素，都能自發(fā)地放出射線。叫天然放射現(xiàn)象。2 三種射線3 原子核的衰變原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓?1) 衰變規(guī)律：衰變：衰變：(2) 衰變實質(zhì)：衰變實質(zhì)是元素的原子核同時放出由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的粒子（即氦核）。衰變實質(zhì)是元素的原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子時放射出一個電子。(3) 射線是伴隨衰變或衰變同時產(chǎn)生的。射線不改變原子核的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)。其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生衰變或時，產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子。思考：射線是新核放出來的還是舊核放出來的？(4) 放射性元素衰變時，通常會同時放出、和三種射線，但某些放射性元素可能只放出射線或只放出射線，但在任何情況下都不會只放出射線。當(dāng)衰變或衰變產(chǎn)生的新核處于激發(fā)態(tài)時，便會輻射出光子，把過多的能量以射線的形式釋放出來，即射線只能伴隨射線或射線放出，因此，原子核的衰變是釋放能量的反應(yīng)。另外，原子核發(fā)生衰變或衰變時，其質(zhì)量數(shù)或電荷數(shù)會相應(yīng)改變，但伴隨其間所產(chǎn)生的，衰變，卻不改變原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)。例1帶電的驗電器在放射線照射下電荷會很快消失，其原因是（）A射線的貫穿作用B射線的電離作用C射線的物理、化學(xué)作用D以上都不對例2工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖。如果工廠生產(chǎn)的是厚度1mm的鋁板，在、和三種射線中，你認(rèn)為對鋁板的厚度控制起主要作用的是射線。4 半衰期(1) 定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間。(2) 公式：，(3) 決定因素：由原子核本身決定，與外部的物理條件，化學(xué)變化等因素?zé)o關(guān)。(4) 半衰期是研究衰變過程的一個重要概念。放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，只適用于含有大量原子的樣品，半衰期是表示放射性元素的大量原子核有50%發(fā)生衰變所需要的時間，表示大量原子核衰變的快慢。因此對某一個原子核而言，半衰期是無意義的，因為這個核何時發(fā)生衰變，會受到各種偶然因素的影響。同樣地，當(dāng)樣品中原子數(shù)目減少到統(tǒng)計規(guī)律不再起作用的時候，這時也就不能肯定在某一時間里這些原子核會有多少發(fā)生衰變了，所以不能根據(jù)半衰期來推斷放射性元素的樣品全部衰變完所需的時間，即放射性元素樣品的壽命是不能通過半衰期計算的。衰變次數(shù)的計算：設(shè)放射性元素經(jīng)過n次衰變和m次衰變后，變?yōu)榉€(wěn)定的新元素，則核反應(yīng)方程為：由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得：AA4nZZ2nm解得：n（AA）/4 m（AA）/2ZZ5 原子核的人工轉(zhuǎn)變用人工的方法使一種原子核變成另一種原子核的變化叫原子核的人工轉(zhuǎn)變。原子核人工轉(zhuǎn)變有三大發(fā)現(xiàn)：質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)（1919年，盧瑟福）核反應(yīng)方程：中子的發(fā)現(xiàn)（1932年，查德威克）核反應(yīng)方程：放射性同位素的發(fā)現(xiàn)（1934年，約里奧·居里夫婦）核反應(yīng)方程：應(yīng)用：利用它的射線；作為示蹤原子。6 原子核的組成：質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核的質(zhì)量數(shù)等于其核子數(shù)，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)Z之差，即NAZ。三、核能、核反應(yīng)1質(zhì)量虧損組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損。注意質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是兩個不同的概念，組成原子核的核子的質(zhì)量數(shù)之和與原子核的質(zhì)量數(shù)是相等的。2質(zhì)能方程 質(zhì)能方程E=mc2 E=mc2 愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系方程E=mc2，不僅指出了質(zhì)量和能量相當(dāng)，擴展和深化了質(zhì)量與能量的概念，還指出了核子結(jié)合成原子核時和核反應(yīng)時要釋放出大量的能量。因此，在分析和解決有關(guān)的具體問題時，方程E=mc2更具實用價值。對于E=mc2中的m,是指組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差，即核的質(zhì)量虧損，故在核反應(yīng)過程中，只能說質(zhì)量數(shù)守恒，而不能說質(zhì)量守恒，原因就在于虧損掉的質(zhì)量很小，對質(zhì)量數(shù)沒有影響。 方程E=mc2是計算核能常用的方法。在具體應(yīng)用中要注意單位制的統(tǒng)一及不同單位間的換算。若m的單位用“kg”、c的單位用“m/s"，則E的單位為“J”；若m的單位用原子質(zhì)量單位“u”，可直接用質(zhì)量與能量的相關(guān)式1u931.5MeV推算E，此時E的單位為“兆電子伏（MeV）”，即1u166×1027千克9315MeV，1MeV106MeV這個結(jié)論可在計算過程中直接應(yīng)用。在核反應(yīng)過程中，所釋放出的核能如果全部轉(zhuǎn)化成生成的新核和新粒子的動能，那么就可應(yīng)用力學(xué)原理動量守恒和能量守恒來進行有關(guān)的計算。另外，在有些核反應(yīng)中，如果輻射出光子，則光子帶走的能量亦應(yīng)考慮。3獲取核能的途徑 重核裂變：（條件：鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積）應(yīng)用：原子彈，原子反應(yīng)堆 輕核聚變： (條件：極高溫度)應(yīng)用：氫彈，可控?zé)岷朔磻?yīng)4核反應(yīng)方程(1)分類衰變：裂變：聚變：人式轉(zhuǎn)變：(2)核反應(yīng)的兩條規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒；核電荷數(shù)守恒。(3)常見的核反應(yīng)分為衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變等幾種類型。無論寫哪種類型的核反應(yīng)方程，都應(yīng)注意以下幾點： 必須遵守電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒定律。有些核反應(yīng)方程還要考慮到能量守恒規(guī)律。 核反應(yīng)方程中的箭頭（）表示核反應(yīng)進行的方向，不能把箭頭改成等號。 寫核反應(yīng)方程必須有實驗依據(jù)，決不能毫無根據(jù)地編造。 在寫核反應(yīng)方程時，應(yīng)先將已知原子核和已知粒子的符號填入核反應(yīng)方程一般形式的適當(dāng)位置上；然后根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷守恒規(guī)律計算出未知核（或未知粒子）的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)；最后根據(jù)未知核（或未知粒子）的電荷數(shù)確定它們是哪種元素（或哪種粒子），并在核反應(yīng)方程一般形式中的適當(dāng)位置寫上它們的符號。四、粒子物理簡介1組成物質(zhì)的基本單元叫基本粒子。目前已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有400余種，且實驗已顯示有些具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此將“基本粒子”改稱為粒子，基本粒子物理學(xué)改稱為粒子物理學(xué)。2粒子按照參與相互作用的性質(zhì)可分為三大類：傳播子（又稱為媒介子）、輕子、強子，傳播子是傳遞各種相互作用的粒子。輕子是不參與強相互作用的粒子。強子是參與強相互作用的粒子。核力：質(zhì)子間的相互作用力，短程力，很大。這些粒子有的帶電（帶正電或帶負電，所帶電量都等于基本電荷的電量，即1. 6×10-19C），有的是中性的，它們可以相互轉(zhuǎn)化，有的同時還能放出巨大的能量，大多數(shù)的基本粒子都是不穩(wěn)定的，平均壽命都很短。3基本粒子都有它的反粒子。反粒子的質(zhì)量跟原來的粒子相同，帶的電荷和磁性跟原來的粒子相反。例如：電子和正電子就是一對正反粒子。正反粒子相遇會發(fā)生“湮滅”，轉(zhuǎn)化為其他粒子（光子或介子等）。正反粒子可以“湮滅”，也可以成對產(chǎn)生，自然界的物理規(guī)律，對粒子和反粒子是對稱的。例1原子核中兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個a粒子放出，這就是a衰變刀衰變是放出一個負電子現(xiàn)某原子核共進行了8次a衰變，6次月衰變，問減少質(zhì)子多少？減少中子多少？例2原子核中能放出、射線，關(guān)于原子核的組成，以下說法中正確的是（）A原子核中，有質(zhì)子、中子，還有a粒子B原子核中，有質(zhì)子、中子，還有刀粒子C原子核中，有質(zhì)子、中子，還有Y粒子D原子核中，只有質(zhì)子和中子7