原子结构--原子核

1、原子结构 原子核,2012.1 高三物理组,十九世纪末，汤姆生发现了电子，并知道电子是原子的组成部分由于电子是带负电的，而原子又是中性的，因此推断出原子中还有带正电的物质那么这两种物质是怎样构成原子的呢？,汤姆生,一原子的结构,在汤姆生的原子模型中，原子是一个球体；正电核均匀分布在整个球内，而电子都象枣核那样镶嵌在原子里面,电子,正电荷,这个模型不久就被实验事实否定了,粒子散射实验装置:,必须在真空中进行.铝箔也可以,但是不能太厚 绝大多数粒子仍然沿原方向前进 少数粒子发生较大的偏转。,粒子散射实验,原子内部是非常空的，绝大多数粒子没有碰上带正电的质量大的物质,只有少数粒子离带正电物质较近，命中率很小，原子内正电荷和原子的质量集中在很小的体积内,绝大多数粒子仍然沿原方向前进 少数粒子发生较大的偏转。,实验结果分析,粒子散射实验,在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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的空间运动。,原子的核式结构模型,近年来的研究表明: 原子直径数量级 1010 m 原子核直径数量级 1015 m,二、玻尔原子模型 能级,定态假说,原子只

2、能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态称为定态。（本假设是针对原子稳定性提出的）,轨道假说,原子不同能量状态跟电子沿不同轨道绕核运动相对应。因定态不连续，所以电子可能轨道分布也是不连续的。 （本假设针对线状谱提出,跃迁假说,原子从一种定态跃迁到另一定态时,要辐射（或吸收）一定频率的光子,光子能量等于两定态的能量差。（针对原子核式模型提出，是能级假设的补充）,、玻尔原子模型,二、玻尔原子模型 能级,. 能级,1. 原子各个定态对 应的能量是不连续的，这些能量值叫做能级。,2. 基态和激发态： 能量最低的状态（对应n=1）叫做基态， 其它状态（对应n=2、3、4）叫做激发态。,3. 氢原子的能级图,电 离,rn= n2 r1 r1 0.531010 m,原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出,原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态,原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量,光子的发射和吸收,跃迁的条件,原子吸收光子从低能级向高能级跃迁所吸收的光子能量必

3、须为： h=EmEn,注意：,电离不受上述条件限制，只要光子能量大于等于原子的初始能级值就会发生电离。,电离后的电子动能：EK= hEn,当实物粒子与原子作用使原子激发或电离时，原子所吸收的能量为实物粒子的全部或部分动能。当实物粒子的动能大于或等于两能级差就可能使原子受激发跃迁；大于或等于某能级值就可能使原子电离。,4. 玻尔理论的局限性,5.电子在某处单位体积内出现的概率电子云,三、氢原子的光谱 由色散形成的，按频率的顺序排列而成的彩色光带叫做光谱。 光谱分类：,连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续谱。炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。,（1）连续谱,（2）线状谱,只含有一些不连续的亮线的光谱叫做线状谱。线状谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是线状谱。线状谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子的光谱。实践证明，原子不同，发射的线状谱也不同，每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此明线光谱的谱线叫原子的特征谱线。,（3）吸收光谱,高温物体发出的白光（其中包

4、含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此吸收光谱中的暗谱线，也是原子的特征谱线。太阳的光谱是吸收光谱。,（4）光谱分析,由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。 原子光谱的不连续性反映出原子结构的不连续性，所以光谱分析也可以用于探索原子的结构。,氢原子光谱的实验规律 巴耳末线系是氢原子光谱在可见光区的谱线，其波长公式 ， (n3,4,5，)，R是里德伯常量， R1.10107 m1，n为量子数,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光，物质发射射线的性质称为放射性具有发射性的元素称为放射性元素元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象,三、原子核的组成,放大了1000倍的铀矿石,天然放射现象的发现说明了原子核还可以再分，还具有较为复杂结构。,三种射线,卢瑟福及其同事对

5、天然放射性元素作了详细研究，他们将放射线引入电场（或磁场）根据偏转情况，确定射线的组成。实验装置如图。 在电场的作用下射线分成三束：带正电的为射线，带负电的为射线，不带电的为射线。,利用磁场鉴定,利用电场鉴定,如何区别三种射线：,3-5 原子结构 原子核,四、原子核的衰变 1原子核衰变规律,U238在 衰变时产生的钍234也具有放射性，放出 离子后变为（镤）Th234，上述的过程可以用下面的衰变方程表示：,射线：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。伴随衰变或衰变产生,核内,2、 半衰期T,放射性元素的原子核有半数发生衰变 所需的时间。,1、半衰期短的元素衰变得快，放射性较强,2、半衰期只与元素本身有关,与所处的物理、 化学状态及周围环境、温度等都无关。,3、计算公式：,放射性元素的半衰期是对大量原子进行观察的统计规律，是个概率的问题，对于个别原子是无意义的。不能确定哪个将要发生衰变。,3-5 原子结构 原子核,五、放射性同位素及其应用和防护 1.人造放射性同位素的优点 (1)放射强度容易控制； (2)可以制成各种所需的形状； (3)半衰期很短，废料容易处理,3-5 原子结构 原

6、子核,2应用 (1)工业部门使用射线测厚度利用射线的穿透性； (2)烟雾报警器的使用利用射线的电离作用，增加烟雾导电离子浓度； (3)农业应用射线使种子的遗传基因发生变异，杀死腐败细菌、抑制发芽等； (4)做示踪原子利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质,原子弹爆炸、核电站泄露会产生严重的污染，在利用放射性同位素给病人做“放疗”时，如果放射性的剂量过大，皮肤和肉就会溃烂不愈，导致病人因放射性损害而死去。有些矿石中含有过量的放射性物质，如果不注意也会对人体造成巨大的危害。,辐射与危害,放射性的防护,（1）在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄 （2）用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，并埋在深海里 （3）在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源,六、核反应、核力和核能核反应的四种类型,3-5 原子结构 原子核,2.核力与核能 (1)核力 含义：原子核里的核子间存在互相作用的核力，核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核 特点 a核力是强相互作用的一种表现； b核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内 (2)结合能原子核是凭借核力结合在一起构成的，要把它

7、们分开，需要的能量。 (3)比结合能结合能与核子数之比 比结合能越大，原子核中核子结合的越牢固，原子核越稳定。,质能方程,物体的能量和质量之间存在着某种联系：,爱因斯坦,物体的能量和质量之间存在密切的联系，他们的关系是：,核子在结合成原子核时出现质量亏损，要放出能量，大小为：,质能方程,铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：,铀核的裂变,+,+,+,裂变中释放出巨大的能量，在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损：,释放出的能量为,1kg铀全部裂变，它放出的能量超过2000t优质煤完全燃烧时释放的能量,1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，释放出的中子又引起了其他铀核的裂变，也就是链式反应,铀核的裂变,美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤在长崎投掷的原子弹爆炸后形成的蘑菇状云团，爆炸产生的气流、烟尘直冲云天，高达12英里多广岛市区80%的建筑化为灰烬，64000人丧生，72000人受伤，伤亡总人数占全市总人口的53%长崎市60%的建筑物被摧毁，伤亡86000人，占全市37% ,原子弹,聚变,热核反应,发生聚变的条件:,使原子核间的距离达到10-15m,实现的方法有:,1、用加速器加速原子核；,、把原子核加热到很高的温度；,108109K,聚变反应又叫热核反应,热核反应和裂变反应相比较，具有许多优越性：,1、同质量燃料热核反应释放能量大 2、裂变产生放射性物质难处理 3、热核反应燃料氘储量丰富,八、可控热核反应核聚变的利用,可控热核反应将为人类提供巨大的能源,和平利用聚变产生的核量是非常吸引人的重大课题，我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”已取得不少研究成果.,

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