高中物理专题复习14原子物理

高中物理专题复习——原子物理

一、原子模型

1.汤姆生模型（枣糕模型）

汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。

2.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）

α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转。这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。

卢瑟福由α粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，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空间运动。

由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m 。

3.玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n 叫量子数。）⑴玻尔的三条假设（量子化）①轨道量子化r n =n 2r 1r 1=0.53×10-10m ②能量量子化：21n E

E n E 1=-13.6eV ③原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h ν=E m -E n ⑵从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。

⑶玻尔理论的局限性。由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。例1.用光子能量为E 的单色光照射容器中处于基态的氢原子。停止照射后，发现该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，它们的频率由低到高依次为ν1、ν2、ν3，由此可知，开始用来照射容器的单色光的光子能量可以表示为：①h ν1；②h ν3；③h (ν1+ν2)；④h (ν1+ν2+ν3)以上表示式中

A.只有①③正确

B.只有②正确

C.只有②③正确

D.只有④正确

解：该容器内的氢能够释放出三种不同频率的光子，说明这时氢原子处于第

三能级。根据玻尔理论应该有h ν3=E 3-E 1，h ν1=E 3-E 2，h ν2=E 2-E 1，可见h

ν3=h ν1+h ν2=h (ν1+ν2)，所以照射光子能量可以表示为②或③，答案选C 。4.光谱和光谱分析⑴炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。

氢原子的能级图

n E /eV ∞01-13.62

-3.43-1.514

-0.85E 1E 2E 3

321

ν3ν2

ν1

⑵稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）。

根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同的波长。所以每种原子都有自己特定的线状谱，因此这些谱线也叫元素的特征谱线。

根据光谱鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。这种方法的优点是非常灵敏而且迅速。只要某种元素在物质中的含量达到10-10g ，就可以从光谱中发现它的特征谱线。

二、天然放射现象

1.天然放射现象

天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。2.各种放射线的性质比较

种类

本质质量（u ）电荷（e ）速度（c ）电离性贯穿性α射线

氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住β射线

电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm 铝板γ射线光子001最弱最强，穿几cm 铅版

三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：

如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ肯定打在O 点；如果α也打在O 点，则β必打在O 点下方；如果β也打在O 点，则α必打在O 点下方。

例2.如图所示，铅盒A 中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有A.打在图中a 、b 、c 三点的依次是α射线、γ射线和β射线B.α射线和β射线的轨迹是抛物线

C.α射线和β射线的轨迹是圆弧

D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b

解：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于α粒子速度约是光速的1/10，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b ，则另一个必然打在b 点下方。）本题选AC 。

例3.如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假

如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm

厚的铝板，那么是三种射线中的____射线对

控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收到的放射

性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M 、N 两个轧辊间的距离调___一些。解：α射线不能穿过3mm 厚的铝板，γ射线又很容易穿过3mm 厚的铝板，基本不受铝板厚度

A a b c βγααγ

β⑴⑵⑶

O

的影响。而β射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的β射线的强度发生较明显变化。即是β射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。

三、核反应

1.核反应类型

⑴衰变：α衰变：e 422349023892H Th U +→（核内He n 2H 2421011→+）

β衰变：e Pa Th 012349123490-+→（核内e H n 011110-+→）

+β衰变：e Si P 0130143015+→（核内e n H 011011+→）

γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。

⑵人工转变：H O He N 1117842147+→+（发现质子的核反应）

n C He Be 101264294+→+（发现中子的核反应）

n P He Al 103015422713+→+e Si P 0130143015+→（人工制造放射性同位素）

⑶重核的裂变：n

3Kr Ba n U 109236141561023592++→+在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。

⑷轻核的聚变：n He H H 10423121+→+（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）

所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）

2.半衰期

放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期。（对大量原子核的统计规律）计算式为：t t N N ⎪⎭⎫ ⎝⎛=210N 表示核的个数，此式也可以演变成T t t m m ⎪⎭⎫ ⎝⎛=10或T

t t n n ⎪⎭⎫ ⎝⎛=10，式中m

表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数。以上各式左边的量都表示时间t 后的剩余量。

半衰期由核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。

3.放射性同位素的应用

⑴利用其射线：α射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA 发生突变，可用于生物工程，基因工程。

⑵作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。

⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。

一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。例4.近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展。科学家们在观察某两个重离子结合

成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核A Z X 经过6次α衰变后成为253100Fm ，由此可以

判定该超重元素的原子序数和质量数依次是

A.124，259

B.124，265

C.112，265

D.112，277

解：每次α衰变质量数减少4，电荷数减少2，因此该超重元素的质量数应是277，电荷数应是112，选D 。

例5.完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反