1、第十七章原子和原子核原子的蜜式氟, 原嗇湯姆生原子模型盧瑟福核式結構學說原子核組成電子發現（棗糕模型a粒子散射實驗核式結構原子核大小原子核的人工轉變原子核的組成 放射性同位素I的應用與防護天然放射現象，放射線的性質L原子核衰變、半衰期r愛因斯坦質能方程E = me2核能+核反應中釋放的核能AE = AmcI獲取核能的方式：裂變、聚變三大類：媒介子、輕子、強子 反粒子第一節原子的核式結構粒子物理、餅式結構二、散射實驗和原子的核式結構根據實驗結果進行推理判斷，提出合理假設： 核式結構模型 電子質量很小 在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子幾 乎所有的質量和所有正電荷都集中在原子核里。 電子繞

2、原子核作圓周運動。原子半徑：10_10m原子核半徑：10一 15m原子內部是十分“空曠”的！ ！三、原子核的組成1919年，盧瑟福用粒子轟擊氮核，從中產生了一種粒子并測定了它的電荷與質量，把它叫做質子。一開始，人們以為原子核只是由質子組成的。但 人們發現質子的荷質比卻與原子核的荷質比不相同， 多數核質子的荷質比原子核的荷質比大。盧瑟福猜想 原子核內還存在一種粒子，質量與質子相等，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，人們認為原子核由質子和中子組成原子核的表示：X代表兀素符號，A為原子核的質 量數，Z為原子核的電荷數。第二節 原子的能級 電子云一、經典物理與核式原子

3、結構的矛盾：二、玻爾的原子模型 1玻爾原子模型的內容：玻爾認為，圍繞原子核運動的電子軌道半徑只能 是某些分立的數值，這種現象叫軌道量子化；不同的 軌道對應著不同的狀態，在這些狀態中，盡管電子做 變速運動，卻不輻射能量，因此這些狀態是穩定的； 原子在不同的狀態中具有不同的能量，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 定態原子只能處于一系列不連續的能量狀態中， 在這些狀態中原子是穩定的，電子雖然作加速運動， 但并不向外輻射能量。 躍遷一原子從一種定態（設能量為Ei）躍遷到另一 種定態（設能量為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的能量差決 定，即：h

4、v= E| E2。 軌道量子化原子的不同能量狀態與電子沿不同的 圓形軌道繞核運動相對應。原子的定態是不連續的， 因此電子的可能軌道分布也是不連續的。3原子的躍遷條件hv= E初一 E終只適用于光子和原子作用而使原子在 各定態之間躍遷的情況，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，產生離子和自由 電子時，原子結構被破壞，因而不遵守有關原子結構 的理論。如基態氫原子的電離能為13. 6eV，只要大 于或等于13. 6eV的光子都被處于基態的氫原子吸收 而電離。氫原子電離所產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

5、以 將電子電離。 電 子與氫原子碰撞也能使氫原子發生躍遷，但與光 子的情況有質的不同從力學的角度看。電子與氫原 子相碰撞，電子的動能可能全部或部分地轉變成原子 的能量。當電子的動能等于氫原子某兩個定態能級之 差時，電子的動能可以全部傳給氫原子； 當電子的動 能大于氫原子某兩定態能級差時，電子的動能只可部 分（等于兩定態能級差） 傳給氫原子，兩種情況都能 使氫原子發生躍遷。但當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，n=1,2 ,3 ,4 氫原子各定態的能量值，為電子繞核運動的動能Ek 和電勢能Ep的代數和

6、；當取無限遠處電勢能為零時， 各定態的電勢能均為負值，且其大小總大于同一定態 的電子的動能，所以各定態的能量均為負值。 玻爾理論的成功之處在于引入了量子化的概念，但 仍保留了經典的原子軌道，故有關氫原子的計算仍應 用經典物理理論。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。2如由kF的動能：EknVn可計算出電子在任一軌道上運動ke22T，電子運動的速率：nVnk emn，可見rn越小，Vn越大。電子的勢能：可用衛星運動的勢能來類似理解。二、能級1. 能級：原子在各個定態時的能量值稱為原子的能級2. 基態：在正常

7、狀態下，原子處于最低能級，電子在 離核最近的軌道上運動的定態稱為基態。3. 激發態：原子吸收能量后從基態躍遷到較高能級， 電子在較遠的軌道上運動的定態稱為激發態。4. 一群氫原子處于量子數為n的激發態時，可能輻射出 的光譜線條數為：例1.氫原子放出一個光子后，根據玻耳理論，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. 核外電子的轉動周期變大D. 氫原子的能量增大例2.處于基態的氫原子在某單色光的照射下，只 能發出頻率為V 1、V 2、v 3的三種光，且V 1< V 2< v 3, 則該單色光的光子能量為（）A. h v i B. h v 2C. h v 3

8、D. h（ v i+ v 2）例3.氫原子在基態時軌道半徑r1 = 0.53：，能量 E1= 13.6eV。求氫原子處于基態時：（1）電子的動能;（2）電子運轉形成的等效電流；（3）原子的電勢能；（4） 用波長是多少的光照可使其電離？第三節天然放射現象衰變1. 原子序數大于或等于的所有元素，都能自發地放出射線。叫天然放射現象。2. 三種射線3. 原子核的衰變原子核自發地放出某種粒子而轉變為新核的變化。AA41 i(1) 衰變規律：a衰變：zX_ z-2丫 2He3 衰變：z X ' z iY -ie(2) 衰變實質：a衰變實質是元素的原子核同時放出 由兩個質子和兩個中子組成的粒子(即氦

9、核)。3衰變實質是元素的原子核內的一個中子變成質 子時放射出一個電子。(3) Y射線是伴隨a衰變或3衰變同時產生的。Y射 線不改變原子核的電荷數和質量數。其實質是放 射性原子核在發生a衰變或3時，產生的某些新 核由于具有過多的能量(核處于激發態)而輻射 出光子。思考：丫射線是新核放出來的還是舊核放出來 的？ 放射性元素衰變時，通常會同時放出a、3和丫 三種射線，但某些放射性元素可能只放出a射線 或只放出3射線，但在任何情況下都不會只放出 丫射線。當a衰變或3衰變產生的新核處于激發 態時，便會輻射出丫光子，把過多的能量以丫射 線的形式釋放出來，即Y射線只能伴隨a射線或 3射線放出，因此，原子核的

10、衰變是釋放能量的 反應。另外，原子核發生a衰變或3衰變時，其質量數或電荷數會相應改變，但伴隨其間所產生 的，衰變，卻不改變原子核的質量數和電荷數。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。如果工廠生產的是厚度1mm的鋁板，在a、3 和y三種射線中，你認為對鋁板的厚度控制起主要作用 的是身寸線。4. 半衰期(1) 定義：放射性元素的原子核有半數發生衰變所需 要的時間。(2)公式:1No/mo(2)(3) 決定因素：由原子核本身決定，與外部的物理條 件

11、，化學變化等因素無關。(4) 半衰期是研究衰變過程的一個重要概念。放射性 元素的衰變規律是統計規律，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，因為這個核何時發生衰變，會受到各種偶然因素的影響。同樣地，當樣品中原 子數目減少到統計規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 發生衰變了，所以不能根據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。衰變次數的計算：A設放射性元素z X經過n次a衰變

12、和m次B衰變A后，變為穩定的新元素zY，則核反應方程為:由質量數和電荷數守恒得：A = A' + 4nZ = Z' + 2nm解得：n=（A A' 14 m=（A A' /2Z + Z'5. 原子核的人工轉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變。原子核人工轉變有三大發現：（1919年，盧瑟福）汁；He（ 1932年，查德威克）:Be ；He核反應方程：中子的發現i1H核反應方程:1on 質子的發現放射性同位素的發現（佃34年,約里奧居里夫 婦）核反應方程:27Al ；He3°p151on應用：利用它的射線；作為示蹤

13、原子。6. 原子核的組成：質子和中子組成原子核。質子和中 子統稱為核子，原子核的質量數等于其核子數，原 子核的電荷數等于其質子數，原子核的中子數N等 于其質量數A與電荷數Z之差，即N = A Z。三、核能、核反應1. 質量虧損組成原子核的核子的質量與原子核的質量之差叫質量虧損。注意質量數與質量是兩個不同的概念，組成原子核 的核子的質量數之和與原子核的質量數是相等的。2. 質能方程 質能方程2 2E=mc E= A me 愛因斯坦的質能聯系方程E=me2,不僅指出了質量和 能量相當，擴展和深化了質量與能量的概念，還指出 了核子結合成原子核時和核反應時要釋放出大量的 能量。因此，在分析和解決有關的

14、具體問題時，方程A E=A me更具實用價值。對于A E=A mW中的A m, 是指組成原子核的核子的質量與原子核的質量之差， 即核的質量虧損，故在核反應過程中，只能說質量數 守恒，而不能說質量守恒，原因就在于虧損掉的質量 很小，對質量數沒有影響。 方程 E=A mC是計算核能常用的方法。在具體應用 中要注意單位制的統一及不同單位間的換算。若Am的單位用“ kg”、c的單位用“ m/s",則厶E 的單位為“ J”；若Am的單位用原子質量單位“ u”， 可直接用質量與能量的相關式1u= 931.5MeV推算 E, 此時 E的單位為“兆電子伏（MeV）”，即卩1u= 1. 66 X 10

15、_27 千克=931. 5MeV,1MeV = 106MeV這個結論可在計算過程中直接應用。在核反應過程中，所釋放出的核能如果全部轉化成 生成的新核和新粒子的動能，那么就可應用力學原理一 動量守恒和能量守恒來進行有關的計算。另外，在有些 核反應中，如果輻射出Y光子，則光子帶走的能量亦應 考慮。3. 獲取核能的途徑 重核裂變：2351>13690192U on54Xe 38Sr 100n E（條件：鈾塊的體積應大于它的臨界體積）應用：原子 彈，原子反應堆 輕核聚變：（條件：極高溫度）應用：氫彈，可控熱核反應4. 核反應方程分類衰變： 裂變： 聚變： 人式轉變：（2）核反應的兩條規律：質量數

16、守恒；核電荷數守恒。（3）常見的核反應分為衰變、人工轉變、裂變、聚變等幾 種類型。無論寫哪種類型的核反應方程，都應注意以下 幾點： 必須遵守電荷數守恒、質量數守恒定律。有些核反應 方程還要考慮到能量守恒規律。 核反應方程中的箭頭（ ）表示核反應進行的方向， 不能把箭頭改成等號。 寫核反應方程必須有實驗依據，決不能毫無根據地編 造。 在寫核反應方程時，應先將已知原子核和已知粒子的 符號填入核反應方程一般形式的適當位置上；然后根 據質量數守恒和電荷守恒規律計算出未知核（或未知 粒子）的電荷數和質量數；最后根據未知核（或未知 粒子）的電荷數確定它們是哪種元素（或哪種粒子）， 并在核反應方程一般形式中

17、的適當位置寫上它們的 符號。四、粒子物理簡介1組成物質的基本單元叫基本粒子。目前已發現 的基本粒子有 400余種，且實驗已顯示有些具有內部結 構，因此將“基本粒子”改稱為粒子，基本粒子物理 學改稱為粒子物理學。2粒子按照參與相互作用的性質可分為三大類： 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. 6X 10-19C），有的是中 性的，它們可以相互轉化，有的同時還能放出巨大的 能量，大多數的基本粒子都是不穩定的，平均壽命都 很短。3基本粒子都有它的反粒子。反粒子的質量跟原 來的粒子相同，帶的電荷和