原子的核式结构

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原子的核式结构 玻尔理论 天然放射现象
一、知识点梳理
1、原子的核式结构
(1) 粒子散射实验结果:绝大多数 粒子沿原方向前进,少数 粒子发生较大偏转。
(2)原子的核式结构模型: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的质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转.
(3)原子核的大小:原子的半径大约是10-10米,原子核的半径大约为10-14米~10-15米.
2、玻尔理论有三个要点:
(1)原子只能处于一系列的不连续的能量状态中,在这些状态中原子是稳定的.电子虽然绕核旋转,但并不向外辐射能量,这些状态叫定态.
(2)原子从一种定态跃迁到另一定态时,它辐射(或吸收)一定频率的光子,光子的能量由这两个定态的能量差决定.即hν=E2-E1
(3)原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动.原子的定态是不连续 的,因而电子的可能轨道是分立的.
在玻尔模型中,原子的可能状态是不连续的,各状态对应的能量也是不连续的,这些不连续的能量值的能量值叫做能级。
3、原子核的组成 核力
原子核是由质子和中子组成的.质子和中子统称为核子.
将核子稳固地束缚在一起的力叫核力,这是一种很强的力,而且是短程力,只能在2.0X10-15的距离内起作用,所以只有相邻的核子间才有核力作用.
4、原子核的衰变
(1)天然放射现象:有些元素自发地放射出看不见的射线,这种现
  象叫天然放射现象.
(2)放射性元素放射的射线有三种: 、 射线、 射线,
  这三种射线可以用磁场和电场加以区别,如图15.2-1 所示
(3)放射性元素的衰变:放射性元素放射出 粒子或 粒子后,衰变成新的 原子核,原子核的这种变化称为衰变.
衰变规律:衰变中的电荷数和质量数都是守恒的.

(4)半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间称为半衰期.不同的放射性元素的半衰期是不同的,但对于确定的放射性元素,其半衰期是确定的.它由原子核的内部因素所决定,跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关.
(5)同位素:具有相同质子数,中子数不同的原子在元素周期表中处于同一位置,互称同位素。
二、典型例题
例1 如图15-2-2所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验装置的示意图,荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时,观察到的现象,下述说法中正确的是
A.放在A位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数最多
B.放在B 位置时,相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些
C.放在C、D 位置时,屏上观察不到闪光
D.放在D 位置时,屏上仍能观察一些闪光,但次数极少
[解析] 根据α粒子散射现象,绝大多数 粒子沿原方向前进,少数 粒子发生较大偏转,本题应选择A、B、D
[点评] 本题考查学生是否掌握卢瑟福的α粒子散射实验结果。
例2 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中 ( )
A.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能增大,原子的能量增大
B.原子要放出光子,电子的动能减小,原子的电势能减小,原子的能量也减小
C.原子要吸收光子,电子的动能增大,原子的电势能减小,原子的能量增大
D.原子要吸收光子,电子的动能减小,原子的电势能增大,原子的能量增加
[解析] 根据玻尔理论,氢原子核外电子在离核越远的轨道上运动时,其能量越大, 由能量公式En= (E1=-13.6 eV)可知,电子从低轨道(量子数n 小)向高轨道(n值较大)跃迁时,要吸收一定的能量的光子.故选项B可排除.氢原子核外电子绕核做圆周运动,其向心力由原子核对电子的库仑引力提供,即 = ,电子运动的动能Ek= mv2= .由此可知:电子离核越远,r越大时,则电子的动能就越小,故选项A、C均可排除.
由于原子核带正电荷,电子带负电荷,事实上异性电荷远离过程中需克服库仑引力做功,即库仑力对电子做负功,则原子系统的电势能将增大,系统的总能量增加,故选项D正确.
[点评] 考查对玻尔理论、库仑定律、圆周运动规律及电场力做功性质的综合运用的能力.
例3 关于天然放射现象,以下叙述正确的是 ( )
A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将减小
B.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的
C.在α、β、γ这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,α射线的电离能力最强
D.铀核( )衰变为铅核( )的过程中,要经过8次α衰变和10次β衰变
[解析]半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定,跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关.A错;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的, ,B对;根据三种射线的物理性质,C对; U的质子数为92,中子数为146, Pb的质子数为82,中子数为124,因而铅核比铀核少10个质子,22个中子。注意到一次α衰变质量数减少4,故α衰变的次数为x= =8次。再结合核电荷数的变化情况和衰变规律判定β衰变的次数y应满足 2x-y+82=92, y=2x-10=6次。故本题正确答案为B、C。
[点评]
1 本题考查α衰变、β衰变的规律及质量数,质子数、中子数之间的关系。
2 β衰变放出的电子并不是由核外电子跃迁出的,而是从核中衰变产生的。
例4、如图15-2-3-介子衰变的方程为 ,其中-介子和π-介子带负的基元电荷,π0介子不带电。一个-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧AP,衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB,两轨迹在P点相切,它们的半径R-与Rπ 之比为2∶1。π0介子的轨迹未画出。由此可知π-介子的动量大小与π0介子的动量大小之比为 A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶6
[解析] 根据题意,分别计算出带电粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径。根据动量的定义,分别求出两个介子的动量大小,再从图中确定两个介子动量的方向,最后运用动量守恒,计算出 粒子的动量大小。qvB=m ,R= R , ,p=-p +p ,
p 。正确选项为(C)
[点评] 这题以基本粒子的衰变为情景,涉及带电粒子在磁场中运动规律和动量守恒等知识点,是一道综合性题目。带电粒子在磁场中受到洛伦磁力作用,该力的方向与粒子的速度方向垂直,因此,带电粒子作圆周运动。根据动量守恒,基本粒子衰变前后的总动量不变,但计算过程要主注意动量的方向问题。
例5 若原子的某内层电子被电离形成空位,其它的电子跃迁到该空位上时,会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出,此电磁辐射就是原子的特征X射线。内层空位的产生有多种机制,其中的一种称为内转换,即原子中处于激发态的核跃迁回基态时,将跃迁时释放的能量交给某一内层电子,使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电子)。 的原子核从某一激发态回到基态时,可将能量E0=1.416eV交给内层电子(如、L、层电子,、L、标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离。实验测得从 原子的、L、层电离出的动能分别为E=1.323eV、EL=1.399eV、E=1.412eV.则可能发射的特征X射的能量为
A 0.013eV B 0.017eV C 0.076eV D 0.093eV
[解析]电子电离后的动能等于吸收的能量减去电子原所处的能级的能量,所以原子核的层的能量为0.093eV,原子核的L层的能量为0.017eV,原子核的层的能量为0.004eV。所以可能发射的特征X射的能量为0.076eV、0.087eV、0.013eV。故正确为A、C
[点评]这是一道信息题要求学生能把题中所给的知识与已学知识有机结合。学生首先要弄清电子的电离能、动能与吸收能量的关系。
三、过关测试
1、用a、b两束单色光分别照射同一双缝干涉装置,在距双缝恒定距离的屏上得到图示的干涉图样,其中甲图是a光照射时形成的,乙图是b光照射时形成的。则关于a、b两束单色光,下述正确的是B
A.a光光子的能量较大
B.在水中a光传播的速度较大 
C.若用a光照射某金属时不能打出光电子,则用b 光照射该金属时一定打不出光电子
D.若a光是氢原子从n=4的能级向n=2的能级跃迁时产生的,则b光可能是氢原子从n=3的能级向n=2的能级跃迁时产生的
2、德国物理学家弗兰克林和赫兹进行过气体原子激发的实验研究。如图(1)他们在一只阴极射线管中充了要考察的汞蒸气。极射发出的电子受阴极和栅极R之间的电压UR加速,。电子到达栅极R时,电场做功eUR。此后电子通过栅极R和阳极A之间的减速电压UA。通过阳极的电流如图(2)所示,随着加建电压增大,阳极电流在短时间内也增大。但是到达一个特定的电压值UR后.观察到电流突然减小。在这个电压值上,电于的能量刚好能够激发和它们碰撞的原子。参加碰撞的电子交出其能量,速度减小,因此刻达不了阳极.阳极电流减小。eUR即为基态气体原于的激发能。得到汞原子的各条能级比基态高以下能量值:4.88eV, 6.68eV, 8.78eV, 10.32eV(此为汞原子的电离能)。若一个能量为7.97eV电子进入汞蒸气后测量它的能量大约是


A. 4.88eV或7.97eV B. 4.88eV或 6.68eV
C. 2.35eV 或7.97eV D.1.29eV或3.09eV或7.97eV D


3、某原子核的衰变过程是A B C,下述说法中正确的是 ,
A.核C比核B的中子数少2 B.核C比核A的质量数少5
C.原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2
D.核C比核A的质子数少1
4、原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时,有可能不发射光子.例如在某种条下,铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子,而是将相应的能量转交给 n=4能级上的电子,使之能脱离原子,这一现象叫做俄歇效应.以这种方式脱离了原子的 电子叫做俄歇电子.已知铬原子的能级公式可简化表示为En=- ,式中n=1,2,3…表示不同能级,A是正的已知常数.上述俄歇电子的动能是
(A) A (B) A (C) A (D) A
5、地球的年龄到底有多大,科学家利用天然放射性元素的衰变规律,通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半,铀238衰变后形成铅206,铀238的相对含量随时间变化规律如图所示,图中N为铀238的原子数,N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断出BD
  A.铀238的半衰期为90亿年
  B.地球的年龄大致为45亿年
  C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数
之比约为1∶4
  D.被测定的古老岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之
比约为1∶3
6.关于氢原子能级的跃迁,下列叙述中正确的是 ( )
A.用波长为60nm的伦琴射线照射,可使处于基态的氢原子电离出自由电子
B.用能量为10.2eV的光子照射,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C.用能量为11.0eV的自由电子轰击,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D.用能量为12.5eV的光子照射,可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
7、氢原子从能级A跃迁到能级B时,辐射出波长为λ1的光子,从能级A跃迁到能级C时,辐射出波长为入2的光子.若入1>入2,则氢原子从能级B跃迁到能级C时,将______光子,光子的波长为_______。
8、太赫兹辐射(1THz=1012Hz)是指频率从0.3THz到10THz、波长介于无线电波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域,所产生的T射线在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景.最近,科学家终于研制出以红外线激光器为基础的首台可产生4.4THz的T射线激光器,从而使T射线的有效利用成为现实。已知普朗克常数h=6.63×10-34J•s,关于4.4THz的T射线,下列说法中错误的是 BC
A.它在真空中的速度为3.0×108m/s   B.它是某种原子核衰变时产生的
C.它的波长比可见光短        D.它的光子的能量约为2.9×10-21J
9、氢原子从能级A跃迁到能级B吸收频率为 的光子,从能级A跃迁到能级C释放频率为 的光子,若 ,则当它从能级B跃迁到能级C时,将
A.放出频率为 的光子   B.放出频率为 的光子
C.吸收频率为 的光子   D.吸收频率为 的光子
10、日光灯中有一个启动器,其中的玻璃泡中装有氖气。启动时,玻璃泡中的氖气会发出红光,这是由于氖原子的
A.自由电子周期性运动而产生的
B.外层电子受激发而产生的
C.内层电子受激发而产生的
D.原子核受激发而产生的
11、已知氦离子He+能级En与量子数n的关系和氢原子能级公式类似,处于基态的氦离子He+的电离能为E=54.4eV。为使处于基态的氦离子He+处于激发态,入射光子所需的最小能量为
A.13.6 eV B.40.8 eV C.48.4 eV D.54.4 eV
12、如图15.2-5所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图.(1)请简述自动控制的原理.(2)如果工厂生产的是厚度为1mm的铝板,在 三种射线中,哪一种对铝板的厚度控制起主要作用,为什么?
参考答案
1 .B
2.D
3.A
4.B
5.BD
6.ABC
7.辐射
8. BC
9.B
10.B
11.B
12. (1)放射线具有穿透本领,如果向前移动的铝板的厚度有变化,则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化,将这种变化转变的电信号输入到相应的装置,自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,达到自动控制铝板厚度的目的.
(2) 射线起主要作用,因为 射线的贯穿本领很小,一张薄纸就能把它挡住,更穿不过1mm的铝板; 射线的贯穿本领很强,能穿过几厘米的铅板.当铝板厚度发生变化时,透过铝板的 射线强度变化较大,探测器可明显地反映出这种变化,使自动化系统做出相应的反应。





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