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考试要点
α粒子散射实验
卢瑟福
玻尔
结构
基本概念
一、原子模型
(枣糕模型)——1897年发现电子,认识到原子有复杂结构。
(行星式模型)
α粒子
α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔,结果: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粒子散射实验提出模型: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。
(引入量子理论)
(1)玻尔的三条假设(量子化)
氢原子的能级图
nE/eV
∞0
1-
2-
3-
4-
E1
E2
E3
①轨道量子化:原子只能处于不连续的可能轨道中,即原子的可能轨道是不连续的
②能量量子化:一个轨道对应一个能级,轨道不连续,所以能量值也是不连续的,这些不连续的能量值叫做能级。在这些能量状态是稳定的,并不向外界辐射能量,叫定态
③原子可以从一个能级跃迁到另一个能级。原子由高能级向低能级跃迁时,放出光子,在吸收一个光子或通过其他途径获得能量时,则由低能级向高能级跃迁。
原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量(量子化就是不连续性,n叫量子数。)
(2)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≥,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)。
(3)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。
对于宏观质点,只要知道它在某一时刻的位置和速度以及受力情况,就可以应用牛顿定律确定该质点运动的轨道,算出它在以后任意时刻的位置和速度。
对电子等微观粒子,牛顿定律已不再适用,因此不能用确定的坐标描述它们在原子中的位置。玻尔理论中说的“电子轨道”实际上也是没有意义的。更加彻底的量子理论认为,我们只能知道电子在原子核附近各点出现的概率的大小。在不同的能量状态下,电子在各个位置出现的概率是不同的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率,画出图来,就像一片云雾一样,可以形象地称之为电子云。
二、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。
1895年——汤姆生——电子
1896年——贝可勒尔——天然放射现象
1897年——伦琴——伦琴射线
大于等于83号元素的都具有天然放射性,小于83号的有的也具有天然放射性
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
+2
最强
最弱,纸能挡住
β射线
电子
1/1840
-1
较强
较强,穿几mm铝板
γ射线
光子
0
0
1
最弱
最强,穿几cm铅版
βγα
α γ β
⑴ ⑵ ⑶
O
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。
3、半衰期
描述衰变的快慢
由核内部本身决定,与所处的物理和化学状态无关
是统计规律,少数原子核不存在该规律
三、核反应(核的变化,电荷数守恒,质量数守恒,质量并不守恒。)
(1)衰变:α衰变:(核内)
β衰变:(核内)
+β衰变:(核内)
γ衰变:原子核的能量也是不连续的,原子核放出射线后,核处于激发态,当它向低能级跃迁时,辐射γ光子。因此γ衰变是伴随着α、β衰变发生的。
(2)人工转变:(卢瑟福发现质子的核反应)
(查德威克发现中子的核反应)
(小居里人工制造放射性同位素)
放射性同位素的应用
①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。
②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。
③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,半衰期短,可制成各种形状,强度容易控制)。
(3)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。
(4)轻核的聚变:(需要几百万度高温,所以又叫热核反应)
四、核能
——核反应中放出的能叫核能。
——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。
:物体的能量和质量间存在着正比关系。比例系数为光速的平方。
(在非国际单位里,可以用1Uc2=。。)
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。
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:
(1)核燃料。用浓缩铀(能吸收慢中子的铀235占3%~4%)。
(2)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)。
(3)控制棒。用镉做成(镉吸收中子的能力很强)。
(4)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)。
(5)水泥防护层。用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。
到19世纪末,人们认识到物质由分子组成,分子由原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核由质子和中子组成。
20世纪30年代以来,人们认识了正电子、μ子、K介子、π介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子(质量相同而电荷及其它一些物理量相反)。
现在已经发现的粒子达400多种,形成了粒子物理学。按照粒子物理理论,可以将粒子分成三大类:媒介子、轻子和强子,其中强子是由更基本的粒子——夸克组成。从目前的观点看,媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。
用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。