高考物理总复习资料18

- 1 -十八-原子物理与核物理复习要点1、了解玻尔原子理论及原子的核式结构。2、了解氢原子的能级，了解光的发射与吸收机理。3、了解天然放射现象，熟悉三种天然放射线的特性。4、了解核的组成，掌握核的衰变规律，理解半衰期概念，掌握核反应过程中的两个守恒定律。5、了解同位素及放射性同位素的性质和作用，了解典型的核的人工转变。6、了解爱因斯坦质能方程，会利用核反应中的质量亏损计算核能。7、了解核裂变与核聚变。二、难点剖析1、关于 a 粒子散射实验（1）a 粒子散射实验的目的、设计及设计思想。目的：通过 a 粒子散射的情况获取关于原子结构方面的信息。设计：在真空的环境中，使放射性元素钋放射出的 a 粒子轰击金箔，然后透过显微镜观察用荧光屏接收到的 a 粒子，通过轰击前后 a 粒子运动情况的对比，来了解金原子的结构情况。设计思想：与某一个金原子发生作用前后的 a 粒子运动情况的差异，必然带有该金原子结构特征的烙印。搞清这一设计思想，就不难理解卢瑟福为什么选择了金箔做靶子（利用金的良好的延展性，使每个 a 粒子在穿过金箔过程中尽可能只与某一个金原子发生作用）和为什么实验要在真空环境中进行（避免气体分子对 a 粒子的运动产生影响） 。（2）a 粒子散射现象绝大多数 a 粒子几乎不发生偏转；少数 a 粒子则发生了较大的偏转；极少数 a 粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过 90°有的甚至几乎达到 180°） 。（3）a 粒子散射的简单解释。首先，由于质量的悬殊便可判定，a 粒子的偏转不会是因为电子的影响，而只能是因为原子中除电子外的带正电的物质的作用而引起的；其次，原子中除电子外的带正电的物质不应是均匀分布的（否则对所有的 a 粒子来说散射情况应该是一样的） ，而“绝大多数” “少数”和“极少数”a 粒子的行为的差异，充分地说明这部分带正电的物质只能高度地集中在在一个很小的区域内；再次，从这三部分行为不同的a 粒子数量的差别的统计，不难理解卢瑟福为什么能估算出这个区域的直径约为 10-14m。2、原子的核式结构（1）核式结构的具体内容原子的中心有一个很小的核；原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在核内；带负电的电子在核外空间绕核旋转。（2）核式结构的实验基础核式结构的提出，是建立在 a 粒子散射实验的基础之上的。或者说：卢瑟福为了解释 a 粒子散射实验的现象，不得不对原子的结构问题得出核式结构的理论。3、玻尔的原子理论三条假设（1） “定态假设”：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样的相对稳定的状态称为定态。定态假设实际上只是给经典的电磁理论限制了适用范围：原子中电子绕核转动处于定态时不受该理论的制约。（2） “跃迁假设”：电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（吸收）电磁波（光子） ，其频率由两个定态的能量差值决定 hv=E2-E1。跃迁假设对发光（吸光）从微观（原子等级）上给出了解释。（3） “轨道量子化假设”：由于能量状态的不连续，因此电子绕核转动的轨道半径也不能任意取值，必须满足- 2 -。 。)3,21(nhmvr轨道量子化假设把量子观念引入原子理论，这是玻尔的原子理论之所以成功的根本原因。4、氢原子能级及氢光谱（1）氢原子能级能级公式： ；)6.13(12eVEn半径公式： 。50Ar（2）氢光谱在氢光谱中，n=2,3,4,5, 向 n=1 跃迁发光形成赖曼线系； n=3,4,5,6 向 n=2 跃进迁发光形成马尔末线系；n=4,5,6,7 向 n=3 跃迁发光形成帕邢线系；n=5,6,7,8 向 n=4 跃迁发光形成布喇开线系，其中只有马尔末线生活费的前 4 条谱线落在可见光区域内。5、天然放射现象（10 天然放射现象中三种身线及其物质微粒的有关特性的比较。射线 a 射线 射线射线物质微粒 氦核 He42电子 e01光子带电情况 带正电（2e） 带负电（-e） 不带电速度 约为 c10接近 c c贯穿本领 小（空气中飞行几厘米）中（穿透几毫米铝板） 大（穿透几厘米铅板）电离作用 强 次 弱（2）天然衰变中核的变化规律在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是质量数守恒和电荷数守恒。a 衰变：随着 a 衰变，新核在元素周期表中位置向后移 2 位，即HeYXMZ42 衰变：随着 衰变，新核在元素周期表中位置向前移 1 位，即。eMZ01 衰变：随着 衰充数，变化的不是核的种类，而是核的能量状态。但一般情况下， 衰变总是 伴随 a 衰变或 衰变进行的。6、关于半衰期的几个问题（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）意义：反映了核衰变过程的统计快慢程度。（3）特征：只由核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态或化学状态无关。（4）理解：搞清了对半衰期的如下错误认识，也就正确地理解了半衰期的真正含义。第一种错误认识是：N 0（大量）个放射性元素的核，经过一个半衰期 T，衰变了一半，再经过一个半衰期 T，全部衰变完。第二种错误认识是：若有 4 个放射性元素的核，经过一个半衰期 T，将衰变 2 个。事实上，N 0（大量）个某种放射性元素的核，经过时间 t 后剩下的这种核的个数为T102- 3 -而对于少量的核（如 4 个） ，是无法确定其衰变所需要的时间的。这实质上就是“半衰期反映了核衰变过程的统计快慢程度”的含义。7、原子核的人工转变和原子核的组成用高速运动的粒子去轰击原子核，是揭开原子核内部奥秘的要本方法。轰击结果产生了另一种新核，其核反应方程的一般形式为,'yYxXAZAZ其中 是靶核的符号，x 为入射粒子的符号， 是新生核的符号，y 是放射出的粒子的符号。YAZ'1919 年卢瑟福首先做了用 a 粒子轰击氮原子核的实验。在了解卢瑟福的实验装置、进行情况和得到的实验结果后，应该记住反应方程式，HOeN1781427这是人类第一次发现质子的核反应方程。另外，对 1930 年查德威克发现中子的实验装置、过程和结果也应有个基本的了解。值得指出的是，查德威克在对不可见粒子的判断中，运用了能量和动量守恒定律，科学地分析了实验结果，排除了 射线的可能性，确定了是一种粒子中子，发现中子的核反应方程，nCHeB102649这同样是应该记住的。8、核能对这部分内容，应该注意以下几点：（1）已经确定核力的主要特性有：（1）是一种很强的力（相比于其他的力） ， （2）是一种短程力。（2）一定的质量 m 总是跟一定的能量 mc2 对应。核子在结合成原子核时的总质量减少了，相应的总能量也要减少，根据能量守恒定律，减少的这部分能量不会凭空消失，它要在核子结合过程中释放出去。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的这部分能量也不会凭空产生，要由外部来供给。能量总是守恒的，在原子核反应伴随有巨大的放能和吸能现象。（3）核反应中释放或吸收的能量，可以根据反应物和生成物间的质量差用质能关系方程来计算。（4）核反应中能量的吸、放，跟核力的作用有关。当核子结合成原子核时，核力要做功，所以放出能量。把原子核分裂成核子时，要克服核力做功，所以要由外界提供能量。三、 典型例题例 1、在卢瑟福的 a 粒子散射实验中，有极少数 a 粒子发生大角度偏转，其原因是（ ）A、原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B、正电荷在原子中是均匀分布的C、原子中存在着带负电的电子D、原子只能处于一系列不连续的能量状态中分析：解答此例要求熟悉核式结构对 a 粒子散射现象的解释：解答：由于电子与 a 粒子质量的悬殊，所以可判断：使 a 粒子偏转的不可能是带负电的电子；又由于只有极少数 a 粒子发生大角度偏转，所以又可判断：原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的范围内。故选 A。例 2、对于基态氢原子，下列说法正确的是（ ）A、它能吸收 10.2eV 的光子B、它能吸收 11eV 的光子C、它能吸收 14eV 的光子D、它能吸收具有 11eV 动能的电子的部分动能分析：注意到光子能量只能全部被吸收，而电子能量则可以部分被吸收。解答：10.2eV 刚好是 n=1、 n=2 的能极差，而 11eV 不是，由玻尔政府知 A 正确。基太氢原子也能- 4 -吸收 14eV 的光子而电离，电离后自由电子动能为 0.4eV。它也可吸收动能为 11eV 的电子的部分能量(10.2eV)，剩余 0.8eV 仍为原来电子所有。所以应选 ACD。例 3、设氢原子的基态能量为 E1。某激发态的能量为 E，则当氢原子从这一激发态跃迁到基态时，所_-（填“辐射 ”或“吸收” ）的光子在真空中的波长为_。分析：了解玻尔的原子理论，掌握光子能量与光波长间关系，即可解得此例。解答：根据玻尔原子理论知：氢原子核外电子从高能态跃迁到低能态时，应辐射出光子，而能级差即为光子能量E0=E-E1另外，光子能量 E0 与光波长 间的关系为。hc其中 h 为普朗克常量，c 为真空中光速，由此可解得此例答案：辐射，1E1Ehc例 4：如图 25-1 所示，R 为放射源，虚线范围内有垂直于纸面的磁声 B，LL为厚纸板，MN 为荧光屏，今在屏上 P 点处发现亮斑，则到达 P 点处的放射性物质微粒和虚线范围内 B 的方向分别为（ ）A、a 粒子，B 垂直于纸面向外B、a 粒子，B 垂直于纸面向内C、 粒子，B 垂直于纸面向外D、 粒子，B 垂直于纸面向内图 25-1分析：了解天然放射现象中三种射线的基本属性，是分析此例的基础。解答：由于 a 粒子贯穿本领很弱，只能穿透几厘米空气，因此穿透厚纸板到达屏上 P 点处不可能是a 粒子；由于 粒子不带电，穿过 B 区域不会发生偏转，因此到达 P 点处的也不可能是 粒子；由此可知， 到达 P 点处的必然是 粒子。又由于 粒子带的是负电，因此用左手定则便可判断 B 的方向应该是垂直于纸面向内。所以应选 D。例 5、两种放射性元素的原子 和 ，其半衰期分别为 T 和 。若经过 2T 后两种元素的核的质Aacbd 1量相等，则开始时两种核的个数之比为_；若经过 2T 后两种核的个数相等，则开始时两种核的质量之比为_。分析：欲求解此例，必须正确理解半衰期的概念。解答：此例考察的是半衰期的概念，可做如下分析：若开始时两种核的个数分别为 N1 和 N2，则经时间 2T 后剩下的核的个数就分别为 和 ，14N26而此时两种核的质量相等，于是有 ,162ba由此可得 N1:N2=b:4a。若开始时两种核的质量分别为 m1 和 m2，则经时间 2T 后剩下的核的质量就分别为 和 ，而14m26R L L MN O P . . - 5 -此时两种核的个数相等，于是有 bma1642由此可得 。bm:21例 6、静止的氮核 被速度是 v0 的中子 击中生成甲、乙两核。已知甲、乙两核的速度方向同碰N47n10撞前中子的速度方向一致，甲、乙两核动量之比为 1：1，动能之比为 1：4，它们沿垂直磁场方向进入匀强磁场做圆周运动，其半径之比为 1：6。问：甲、乙各是什么核？速度各是多大？写出该反应方程。分析：注意到中子击中 N 核并生成两个新核的过程中系统的动量守恒，核进入磁场做圆周运动时的半径公式，再结合题设条件中两个新核的动量比，动能比可解得此例。解答：设甲、乙两核质量分别为 m 甲 ，m 乙 ，电量分别为 q 甲 ，q 乙 。由动量与动能关系 和 可得 ： = ： =4：1。kEp2乙甲 p甲 乙m乙kE甲又由 可得 ： = ： =6：1BqmvR甲 乙q乙R甲因为 + =15m0， + =7e，所以