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原子核
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原子核 類型:復(fù)習(xí)課
散 原子核
基礎(chǔ)知識(shí) 一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1、湯姆生的“棗糕”模型
(1)1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子,使人們認(rèn)識(shí)到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu),揭開了研究原子的序幕.
(2)“棗糕”模型:原子是一個(gè)球體,正電荷均勻分布在整個(gè)球內(nèi),電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里.
2、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型1909~1911年,英國物理學(xué)家盧琴福和他的助手們進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)
(1)實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示:
如圖所示,用α粒子轟擊金箔,由于金原子中的帶電微粒對(duì)α粒子有庫倉力作用,一些α粒子穿過金箔后改變了運(yùn)動(dòng)方向,這種現(xiàn)象叫做α粒子散射.
熒光屏可以沿著圖中虛線轉(zhuǎn)動(dòng),用來統(tǒng)計(jì)向不同方向散射的粒子數(shù)目.全部設(shè)備裝在真空中.
(2)α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進(jìn),但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).,極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過900,有的甚至被彈回,偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到1800.
(3)現(xiàn)象解釋:
認(rèn)為原子中的全部正電荷和幾乎所有質(zhì)量都集中到一個(gè)很小的核上,由于核很小,大部分α粒子穿過金箔時(shí)都離核很遠(yuǎn),受到的庫侖力很小,它們的運(yùn)動(dòng)幾乎不受影響.只有少數(shù)α粒子從原子核附近飛過,明顯受到原子核的庫侖力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).
核式結(jié)構(gòu)模型:在原子的中心有一個(gè)很小的核,叫做原子核,原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里,帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn).
原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù),所以整個(gè)原子是呈電中性的.電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的庫侖引力.
[說明] 核式結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是α粒子散射實(shí)驗(yàn),原子核是多么小,原子內(nèi)部是多么“空”.
從α粒子散射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),估計(jì)原子核半徑的數(shù)量級(jí)為10-14m~10-15m,而原子半徑的數(shù)量級(jí)是10-10m.
二、天然放射性現(xiàn)象
1.放射性現(xiàn)象:貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象,使人們認(rèn)識(shí)到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu),揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕.通過對(duì)天然放射現(xiàn)象的研究,人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性,原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也具有放射性,它們放射出來的射線共有三種:α射線、β射線、γ射線.
2、三種射線的本質(zhì)和特性比較
①α射線:是氦核( He)流,速度約為光速的十分之一,在空氣中射程幾厘米,貫穿本領(lǐng)小,電離作用強(qiáng).
②β射線:是高速的電子流,速度約為光速十分之幾,穿透本領(lǐng)較大,能穿透幾毫米的鋁板,電離作用較弱.
③γ射線:是高能光子流,波長極短的電磁波,貫穿本領(lǐng)強(qiáng),能穿透幾厘米鉛板,電離作用小.
[說明] 放射性元素有的原子核放出α射線,有的放出β射線,多余的能量以γ光子的形式射出.
種 類本 質(zhì)質(zhì) 量(u)電 荷(e)速 度(c)電 離 性貫 穿 性
α射線氦核4+20.1最強(qiáng)最弱,紙能擋住
β射線電子1/1840-10.99較強(qiáng)較強(qiáng),穿幾mm鋁板
γ射線光子001最弱最強(qiáng),穿幾cm鉛版
三種射線在勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場、正交電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況比較:
3、原子核的衰變
定義:放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變.
衰變規(guī)律:電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒.
(1)α衰變的一般方程: → + He?每發(fā)生一次α衰變,新元素與原元素相比較,核電荷數(shù)減小2,質(zhì)量數(shù)減少4.
α衰變的實(shí)質(zhì):是某元素的原子核同時(shí)放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的粒子(即氦核).(核內(nèi) )
(2)β衰變的一般方程: → + e.每發(fā)生一次β衰變,新元素與原元素相比較,核電荷數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變.
β衰變的實(shí)質(zhì):是元素的原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子時(shí)放射出一個(gè)電子.(核內(nèi) ), +β衰變:
(3)γ射線是伴隨α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生的、γ射線不改變?cè)雍说碾娦袛?shù)和質(zhì)量數(shù).
γ射線實(shí)質(zhì):是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí),產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子.
(4)半衰期 知放射性標(biāo)志
定義:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間,叫這種元素的半衰期. (對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律)
用希臘字母τ表示公式: ,
[說明](1)半衰期由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度等)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)或化合物)無關(guān).
(2)半衰期只對(duì)大量原子核衰變才有意義,因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律是統(tǒng)計(jì)規(guī)律,對(duì)少數(shù)原子核衰變不再起作用.
(3)確定衰變次數(shù)的方法:設(shè)放射性元素 X經(jīng)過n次α衰變m次β衰變后,變成穩(wěn)定的新元素 Y,
則表示核反應(yīng)的方程為: X→ Y+n He +m e. 由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組.
根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程 兩式聯(lián)立得:
三.原子核的人工轉(zhuǎn)變核能
1.原子核的組成:質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。
原子核的質(zhì)量數(shù)等于其核子數(shù),原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù),原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)Z之差,即N=A?Z。
質(zhì)子質(zhì)量= 1.007277u=1.6725×10-27kg; 中子質(zhì)量=1.008665u=1.6748×10--27kg
具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)的原子核互稱為同位素.
2.原子核的人工轉(zhuǎn)變及其三大發(fā)現(xiàn)
原子核的人工轉(zhuǎn)變:用人工方法使一種原子核變成另一種原子核的變化.用高能粒子轟擊靶核,產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程,
反應(yīng)方程 。式中 是靶核的符號(hào), 為入射粒子的符號(hào), 是新生核符號(hào), 是放射出的粒子的符號(hào)。
①1919盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子: N+ He→ O+ H
②1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子: Be+ He→ C+ n
③1934年約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子 Al+ He → P+ n P→ Si+ e (其中, P是放射性同位素, e為正電子.)
3.放射性同位素的應(yīng)用
⑴利用其射線:
利用α射線的電離作用,用于使空氣電離,將靜電泄出,從而消除有害靜電。
γ射線探傷:如利用鈷60放出的很強(qiáng)的γ射線來檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼和裂紋,這叫γ射線探傷,γ射線貫穿性強(qiáng),可用于金屬探傷,
利用放射線的貫穿本領(lǐng)了解物體的厚度和密度的關(guān)系,可以用放射性同位素來檢查各種產(chǎn)品的厚度,密封容器中的液面高度,從而自動(dòng)控制生產(chǎn)過程,
利用射線殺死體內(nèi)的癌細(xì)胞等.用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發(fā)生突變,可用于生物工程,基因工程。
⑵作為示蹤原子。如在生物科學(xué)研究方面,研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。同位素示蹤技術(shù)起著十分重要的作用。
在人工方法合成牛胰島素的研制、驗(yàn)證方向、示蹤原子起著重要的作用. 診斷甲狀腺疾病的類型。
在輸油管線漏的檢查和對(duì)植物生長的檢測方面,示蹤原子都起著重要作用.用于研究農(nóng)作物化肥需求情況,
⑶進(jìn)行考古研究。利用放射性同位素碳14,判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素(種類齊全,半衰期短,可制成各種形狀,強(qiáng)度容易控制)
四.核力與核能
1.核力:原子核的半徑很小,其中的質(zhì)子之間的庫侖力很大,受到這么大的庫侖斥力卻能是穩(wěn)定狀態(tài),一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起.這種力叫做核力(很強(qiáng)的短程力)
①核力是很強(qiáng)的力 ②核力作用范圍小只在2.0×10-15 m短距離內(nèi)起作用 ③每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用
2.核能
(1)結(jié)合能:核子結(jié)合成原子核時(shí)放出一定的能量,原子核分解成核子時(shí)吸收一定能量,這種能量叫結(jié)合能.
(2)質(zhì)量虧損:核子結(jié)合生成原子核,所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些,這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。
也可以認(rèn)為.在核反應(yīng)中,參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m/之差: Δm=m一m/
(3)愛因斯坦質(zhì)能方程:愛因斯坦的相對(duì)論指出:物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系,
它們的關(guān)系是:E = mc2,這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。質(zhì)能方程的另一個(gè)表達(dá)形式是:ΔE=Δmc2。
[說明]質(zhì)能方程告訴我們質(zhì)量和能量之間存在著簡單的正比關(guān)系.物體的能量增大了,質(zhì)量也增大了;能量減小了,質(zhì)量也減小.
(4)核能計(jì)算:
①應(yīng)用公式ΔE=Δmc 2時(shí)應(yīng)選用國際單位,即ΔEM的單位為J,Δm的單位為kg,C的單位為m/s.
②1u相當(dāng)于931.5MeV,其中u為原子質(zhì)量單位:1u=1.660566×10-27kg ,lMev= l06 ev,leV=1.6×10-19J
③應(yīng)用公式ΔE=931.5Δm時(shí),ΔE的單位為兆電子伏(MeV),Δm的單位為原子質(zhì)量單位.
五.重核的裂變與輕核的聚變
1.重核的裂變(原子彈、核電站的原理)
①所謂重核即為質(zhì)量數(shù)很大的原子核.裂變方程式例舉:
②重核俘獲一個(gè)中子后分裂為兩個(gè)或幾個(gè)中等質(zhì)量數(shù)的原子核的反應(yīng)過程叫重核的裂變。在裂變的同時(shí),還會(huì)放出幾個(gè)中子和大量能量.
鈾235裂變時(shí),同時(shí)放出2?3個(gè)中子,如果這些中子再引起其他鈾235核裂變,就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去,釋放越來越多的能量,這種反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(原子彈的原理).核反應(yīng)堆是人類對(duì)核裂變能的利用。
鈾235核能夠發(fā)生接式反應(yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)條件:①純鈾235;②達(dá)到臨界體積
③核反應(yīng)堆的構(gòu)造:
A.核燃料??用鈾棒(含 3%-4%的濃縮鈾) B.減速劑??用石墨、重水或普通水( 只吸收慢中子)
C.控制棒??用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強(qiáng)) D.冷卻劑??用水或液態(tài)鈉(把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去)
E.建很厚的水泥防護(hù)層屏蔽射線,還要考慮核廢料的處理。
2.輕核的聚變(原子彈的原理) 優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)能效率高,燃料的儲(chǔ)量豐富,安全清潔,廢料少易處理。
①所謂輕核是指質(zhì)量數(shù)很小的原子核,如氫核、氘核等.
②某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過程叫做輕核的聚變,同時(shí)放出大量的能量.方程: H+ H→ He+ n
輕核聚變條件:只能發(fā)生在超高溫(需要幾百萬度高溫)條件下,故輕核聚變也叫做熱核反應(yīng).
(在太陽內(nèi)部、原子彈的爆炸、激光聚焦才能達(dá)到這樣的高溫)。
受控?zé)岷朔磻?yīng):是人類對(duì)聚變能的利用,使得巨大的熱核反應(yīng)能量不以爆炸的形式釋放,而是在人工控制下逐漸釋放出來,并加以利用。
六.粒子物理學(xué)
到19世紀(jì)末,人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)由分子組成,分子由原子組成,原子由原子核和電子組成,原子核由質(zhì)子和中子組成。
20世紀(jì)30年代以來,人們認(rèn)識(shí)了正電子、μ子、K介子、π介子等粒子。后來又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子(質(zhì)量相同而電荷及其它一些物理量相反)。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種,形成了粒子物理學(xué)。按照粒子物理理論,可以將粒子分成三大類:媒介子、輕子和強(qiáng)子,其中強(qiáng)子是由更基本的粒子??夸克組成。從目前的觀點(diǎn)看,媒介子、輕子和夸克是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)狀”粒子。
用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化。
規(guī)律方法 1。掌握典型的反應(yīng)方程
1.四種核反應(yīng)類型(衰變,人工核轉(zhuǎn)變,重核裂變,輕核驟變)
⑴衰變: α衰變: (實(shí)質(zhì):核內(nèi) )α衰變形成外切(同方向旋),
β衰變: (實(shí)質(zhì):核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子和中子 )
β衰變形成內(nèi)切(相反方向旋),且大圓為α、β粒子徑跡。
+β衰變: (核內(nèi) )
γ衰變:原子核處于較高能級(jí),輻射光子后躍遷到低能級(jí)。
⑵人工轉(zhuǎn)變: (發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))(盧瑟福)用α粒子轟擊氮核,并預(yù)言中子的存在
(發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng))(查德威克)釙產(chǎn)生的α射線轟擊鈹
(人工制造放射性同位素)
正電子的發(fā)現(xiàn)(約里奧居里和伊麗芙居里夫婦)α粒子轟擊鋁箔
⑶重核的裂變:
在一定條件下(超過臨界體積),裂變反應(yīng)會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去,這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
⑷輕核的聚變: (需要幾百萬度高溫,所以又叫熱核反應(yīng))
所有核反應(yīng)的反應(yīng)前后都遵守:質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。(注意:質(zhì)量并不守恒。)
2.理解原子核的變化
無論天然放射性元素的衰變,還是原子核的人工轉(zhuǎn)變,都遵循電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒(注意:質(zhì)量并不守恒),動(dòng)量守恒與能量守恒有關(guān)規(guī)律,除去會(huì)寫核反應(yīng)過程以外,還需結(jié)合以前學(xué)過的力學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算.
3.理解核能與核能的計(jì)算
凡是釋放核能的核反應(yīng)都有質(zhì)量虧損。核子組成不同的原子核時(shí),平均每個(gè)核子的質(zhì)量虧損是不同的,所以各種原子核中核子的平均質(zhì)量不同。核子平均質(zhì)量小的,每個(gè)核子平均放的能多。鐵原子核中核子的平均質(zhì)量最小,所以鐵原子核最穩(wěn)定。凡是由平均質(zhì)量大的核,生成平均質(zhì)量小的核的核反應(yīng)都是釋放核能的。
核能的計(jì)算方法:
(1)根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能虧損,用核子結(jié)合成原子核時(shí)的質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)即ΔE=Δmc2①
(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5(MeV)能量,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以931.5MeV即ΔE=Δm×931.5MeV②
注意:①式Δm的單位是千克(kg),ΔE的單位是焦耳(J);
②式中Δm的單位是指原子質(zhì)量單位(u)(1u=1.660566×10-27 kg),ΔE的單位是兆電子伏(MeV)。
(3)由核能的轉(zhuǎn)化量來計(jì)算核能。
在無光子輻射的情況下,核反應(yīng)中釋放的核能轉(zhuǎn)化為生成新核和新粒子的動(dòng)能,因而在此情況下可應(yīng)用力學(xué)原理??動(dòng)量守恒和能量守恒來計(jì)算核能。
整個(gè)知識(shí)體系可歸結(jié)為:兩模型(原子的核式結(jié)構(gòu)模型、波爾原子模型);兩方程(核反應(yīng)方程、質(zhì)能方程);四變(衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變);六子(電子、質(zhì)子、中子、正電子、 粒子、 光子)。4條守恒定律(電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒)貫串全章。
高考對(duì)本章的考查:以α粒子散射實(shí)驗(yàn)、原子光譜為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說和玻爾原子理論,各種核變化和與之相關(guān)的核反應(yīng)方程、核能計(jì)算等。
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