原子和原子核.ppt

原子和原子核,原子是质量均匀分布的球体,一、原子模型 粒子的散射实验 1.实验装置 2.实验原理：用粒子轰击金箔，通过观察金原子 对粒子产生的作用效果来推测原子内部的结构。,3.实验结果. a.绝大多数粒子基本上未发生偏转说明原子内部很空虚 b.少数粒子发生较大偏转说明这些粒子遇到了较大的静电力和质量较集中的区域。 c.极少数粒子甚至被反弹说明原子内部的正电荷集中在一个很小的区域。,4.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）,粒子散射实验是用粒子轰击金箔，结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数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。,原子核的大小：原子半径数量级为10-10 m, 原子核大小数量级为10-14 m,二、天然放射现象,1、天然放射现象：某些元素能自发地放出射线的现象 叫做天然放射现象。这些元素称为放射性元素。,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、种类和性质,射线高速的粒子流，粒子是氦原子核，速度 约为光速1/10，贯穿能力最弱，电离能力最强。,射线高速的电子流，粒子是速度接近光速的负 电子，贯穿能力稍强，电离能力稍弱。,射线能量很高的电磁波，粒子是波长极短的 光子, 贯穿能力最强,电离能力最弱。,3.三种射线的来源：,粒子是核内两个质子和两个中子抱成团一起射出。,粒子是原子核内的中子转化成质子时放出的。,射线经常是伴随射线和射线产生的。,4. 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、图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是比的偏转大，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。,图中肯定打在O点； 如果也打在O点，则必打在O点下方； 如果也打在O点，则必打在O点下方。,5. 三种射线的性质和实质,三、天然衰变中核的变化规律,1、衰变规律,在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是质量数守恒和电荷数守恒。,（1） 衰变：随着衰变，新核在元素周期表中位置向前移2位，即质量数-4,电荷数-2,（2） 衰变：随着 衰变，新核在元素周期表中位置向后移1位，即质量数不变,电荷数+1,（3） 衰变：随着 衰变，变化的不是核的种类,而是核的能量状态。但一般情况下， 衰变总是伴随衰 变或 衰变进行的。,2、关于半衰期的几个问题,（1）定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需 要的时间。,（2）意义：反映了核衰变过程的统计快慢程度。半衰期短的元素衰变得快，放射性较强,（3）特征：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。,（4）两种错误认识： a. N0（大量）个放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变了一半，再经过一个半衰期T，全部衰变完。 b. 若有4个放射性元素的核,经一个半衰期, 将衰变2个。,事实上，N0（大量）个某种放射性元素的核，经过时间t后剩下的这种核的个数为,而对于少量的核（如4个），是无法确定其衰变所需要的时间的。这实质上就是“半衰期反映了核衰变过程的统计快慢程度”的含义。,四、原子核的人工转变和原子核的组成,用高速运动的粒子去轰击原子核，是揭开原子核内部奥秘的要本方法。轰击结果产生了另一种新核，其核反应方程的一般形式为,其中 是靶核的符号， x为入射粒子的符号， 是新生核的符号， y是放射出的粒子的符号。,1. 发现质子:,1919年卢瑟福首先做了用a粒子轰击氮原子核的实验。,核反应方程式,这是人类第一次发现质子的核反应方程。,2.发现中子：,1930年查德威克发现中子，,核反应方程式,值得指出的是，查德威克在对不可见粒子的判断中，运用了能量和动量守恒定律,科学地分析了实验结果,排除了 射线的可能性,确定了是一种粒子中子.,3、原子核的组成：,质子 + 中子（质子和中子统称为核子）,质子的质量mp=1.672 623 1×10-27 kg=1.007227u,中子的质量mn=1.674 928 6×10-27 kg=1.008665u,四、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。）,1.核反应类型,衰变：,衰变：,（核内）,衰变：,（核内）,+衰变：,（核内）,衰变：原子核处于较高能级,辐射光子后跃迁到低能级.,人工转变：,（发现质子的核反应）,（发现中子的核反应）,（人工制造放射性同位素）,重核的裂变：,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。,轻核的聚变：,（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）,2.放射性同位素的应用,利用其射线：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。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。,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,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）,五、核能,1.核能: 核反应中放出的能叫核能。,2.质量亏损,核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。,3.质能方程,（1）爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：,E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。,（2）质能方程的另一个表达形式是：E=mc2。,以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位。 在非国际单位里，可以用1u=931.5MeV。它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应。,对质能方程的理解,（3）,一定的质量m总是跟一定的能量mc2对应。核子在结合成原子核时的总质量减少了,相应的总能量也要减少,根据能量守恒定律，减少的这部分能量不会凭空消失，它要在核子结合过程中释放出去。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要增加，总能量也要增加,增加的这部分能量也不会凭空产生,要由外部来供给。能量总是守恒的,在原子核反应伴随有巨大的放能和吸能现象。,物体的质量减少了，它的能量也减少；物体的质量增加了，它的能量也增加；不能错误地认为质量和能量发生了相互转化。,4.释放核能的途径,凡是释放核能的核反应都有质量亏损。,核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。,核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。,铁原子核中核子的平均质量最小,所以铁原子核最稳定.,凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。,5.核反应堆,目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的。,核反应堆的主要组成是：,反应堆示意图,核燃料。用浓缩铀(能吸收慢中子的铀235占3%4%),减速剂。用石墨或重水（使裂变中产生的中子减速,以便被铀235吸收）。,控制棒。用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。,冷却剂。用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）。,水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。,例题一,近几年，我国北京、上海、山东、广州等地引进了十多台刀，治疗患者5000余例，效果极好，成为治疗脑肿瘤的最佳仪器。令人感叹的是，用刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时可完成手术，无需住院，因而刀被誉为“神刀”。据报道，我国自己研制的旋式刀性能更好，即将进入各大医院为患者服务。问：刀治疗脑肿瘤主要是利用（ ） A射线具有很强的贯穿本领 B射线具有很强的电离作用 C射线具有很高的能量 D射线很容易绕过障碍物,射线在电磁波谱中的频频率最高,光子能量最大。,穿透能力最强,AC,例题二,如图所示，两个相切的圆表示一个静止的原子核发生某种核变化后，产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨迹，可能是（ ） A原子核发生了衰变 B原子核发生了衰变 C原子核放出了一个正电子 D原子核放出了一个中子,衰变过程动量守恒,m1V1,m2V2,由图可知，两粒子均带正电。,AC,例题四,处于静止状态的原子核X，经历了一次衰变后变成质量为M的Y原子核，放出的粒子垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场。测得其做圆周运动的半径为r，已知粒子的质量为m，电量为q，求此衰变过程亏损的质量。,例题分析与解答,mV2=MV1 r=mV2/qB mC2 =,例题五,氢原子核外电子在第一轨道上运动时，能量E1=13.6eV，轨道半径r1=0.53×1010m。这时电子运动的动能是多少eV？电势能是多少eV？,EK1+EP1=E1=-13.6eV，,EP1=-27.2eV.,1、下列说法正确的是（） A22688Ra衰变为22286Rn要经过1次衰变和1次衰变 B23892U衰变为23491Pa要经过1次哀变和1次衰变 C23290Th衰变为20882Pb要经过6次衰变和4次衰变 D23892U衰变为22286Rn要经过4次衰变和4次衰变,应该先根据质量数算哀变的次数。知道为什么吗？,再根据电荷数计算衰变的次数,B,C,3、若元素A的半衰期为4天,元素B的半衰期为5天,则相同质量的A和B,经过20天后,剩下的质量之比mA:mB（ ） A30:31 B31:30 C1:2 D2:1,C,4、关于、三种射线，下列说法中正确的是（ ） A射线是原子核自发放射出的氦核，它的穿透能力最强。 B射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透能力。 C射线一般伴随着或射线产生，它的穿透能力最强。 D射线是电磁波，它的穿透能力最弱。,三种射线中， 射线的穿透能力最强。,三种射线中， 射线的电离能力最强。,C,5、图中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是（） A为射线、b为射线 B为射线、b为射线 C为射线、C为射线 D为射线、C为射线,B,C,6、目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成。u夸克带电量为2e/3，d夸克带电量-e/3，e为基元电荷。下列论断可能正确的是（） A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成 C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成 D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成,B,质子带电量为e，中子不带电。,7、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的过程中（ ） A原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大 B原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小 C原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小 D原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大,r增大则动能减小,克服电场力做功则电势能增加,D,8、一个电子和一个正电子对撞发生湮灭而转化为一对光子。设正、负电子对撞前的质量均为m,动能均为Ek，光速为c，普朗克恒量为h，则对撞过程中的质量亏损为 ，转化成的光子在真空中的波长 。,2m,为什么一定是生成两个光子？,9、云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止质量为M的原子核在云室中发生一次衰变，粒子的质量为m，电量为q，其运动轨迹在磁场垂直的平面内。现测得粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中的质量亏损（注：涉及物理过程时，亏损的质量可忽略不计 ）,10、氘核在能量足够大的光子的照射下，会分裂为中子和质子。已知氘核的质量m1=3.3435×10-27kg，质子的质量为m2=1.6721×10-27kg，中子的质量为m3=1.6744×10-27kg。今用波长=4.8×10-13m的光子照射静止的氘核， （1）写出核反应方程； （2）反应后生成物的总动能是多少？,（2）分裂一个氘核需要能量E1=,(m3+m2-m1)C2=2.7 ×10-13J,入射光子的能量E=hC/=4.14×10-13J,生成物动能Ek=E-E1=1.44 ×10-13 J,11、某一个用铀做核燃料的原子能电站，设计功率为300万千瓦，所用浓缩铀含U23592的比例为7，U235核裂变时每个核子释放的能量为0.5MeV ， 求该厂一年所需浓缩铀的质量。,核电站一年需要核能E=3 ×109 ×365 ×24 ×3600=9.5 ×1016 J,一个U235裂变释放多少能量？,一个U235裂变释放的能量E1=0.5 ×106 ×1.6 ×10-19 ×235 = 1.88 ×10-11 J,一年中需要裂变U235的个数N=,这些U235的摩尔数n=8.42 ×103mol,纯U235的质量M1=1980Kg,一年需要铀矿质量M=,