原子和原子核 一、原子结构： 1、电子的发现和汤姆生的原子模型： （1

原子和原子核 一、原子结构： 1、电子的发现和汤姆生的原子模型： （1 1、电子的发现和汤姆生的原子模型： （1）电子的发现： 1897年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列的研究，从而发现了电子。 电子的发现表明：原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。 （2）汤姆生的原子模型： 1903年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体 内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。 2、粒子散射实验和原子核结构模型 , （1）粒子散射实验：1909年，卢瑟福及助手盖革手吗斯顿完成 , ?装置： ? 现象： a. 绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。 , b. 有少数粒子发生较大角度的偏转 , c. 有极少数粒子的偏转角超过了90度，有的几乎达到180度，即被, 反向弹回。 （2）原子的核式结构模型： 由于粒子的质量是电子质量的七千多倍，所以电子不会使粒子运动,, 方向发生明显的改变，只有原子中的正电荷才有可能对粒子的运动产生明显的, 影响。如果正电荷在原子中的分布，像汤姆生模型那模均匀分布，穿过金箔的, 粒了所受正电荷的作用力在各方向平衡，粒了运动将不发生明显改变。散射实, 验现象，原子中正电荷不是均匀分布在原子中的。 1911年，卢瑟福通过对粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：, 在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几 乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。 -14-10 原子核半径小于10m，原子轨道半径约10m。 3、玻尔的原子模型 （1）原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面） a. 电子绕核作圆周运动是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要 不断地向周围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电子要落到原子核上， 这与原子通常是稳定的事实相矛盾。 b. 电子绕核旋转时辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率，随着旋 转轨道的连续变小，电子辐射的电磁波的频率也应是连续变化，因此按照这种推 理原子光谱应是连续光谱，这种原子光谱是线状光谱事实相矛盾。 （2）玻尔理论 上述两个矛盾说明，经典电磁理论已不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得 到启发，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三个假设： ?定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子 是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。 ?跃迁假设：原子从一个定态（设能量为E）跃迁到另一定态（设能量为2 E）时，它辐射成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，1 即 hv=E-E 21 ?轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。 原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。即轨道半径跟电子动 2,量mv的乘积等于h/2的整数倍，即：轨道半径跟电了动量mv的乘积等于h/, hmvrn,,n123、、……的整数倍，即 ,2 n为正整数，称量数数 （3）玻尔的氢子模型： ?氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电 磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在 各条轨道上运行时原子的能量，（包括电子的动能和原子的热能。） 氢原子中电子在第几条可能轨道上运动时，氢原子的能量E，和电子轨道半n E,1E,,n径r分别为： n,123、、……nn,2,rnr,1n, 其中E、r为离核最近的第一条轨道（即n=1）的氢原子能量和轨道半径。11 -10即：E=－13.6ev, r=0.53×10m(以电子距原子核无穷远时电势能为零计算) 11 ?氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量 的大小用图开像的表示出来即能级图。 其中n=1的定态称为基态。n=2以上的定态，称为激发态。 1、天然放射现象 （1）天然放射现象的发现：1896年法国物理学，贝克勒耳发现铀或铀矿石 能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。 放射性：物质能发射出上述射线的性质称放射性 放射性元素：具有放射性的元素称放 射性元素 天然放射现象：某种元素白发地放射 射线的现象，叫天然放射现象 天然放射现象：表明原子核存在精细 结构，是可以再分的 （2）放射线的成份和性质：用电场 和磁场来研究放射性元素射出的射线，在 电场中轨迹，如图（1）： 性 质 成 份 组 成 电离作用 贯穿能力 射 线 氦核组成的粒子流 很 强 很 弱 , , 射 线 高速电子流 较 强 较 强 , 射 线 高频光子 很 弱 很 强 2、原子核的衰变： （1）衰变：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变在原子 核的衰变过程中，电荷数和质量数守恒 类 型 衰变方程 规 律 电荷数减少2, 新核 ,质量数减少4 衰 变 ,, 电荷数增加1, 新核, 质量数不变, 衰 变 , ,射线是伴随衰变放射出来的高频光子流 ,,、 在衰变中新核质子数多一个，而质量数不变是由于反映中有一个中子变为, 一个质子和一个电子，即： （2）半衰期：放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元 素的半衰期。 一放射性元素，测得质量为m,半衰期为T，经时间t后，剩余未衰变的放射 mo性元素的质量为m m,2/tT 3、原子核的人工转变：原子核的人工转变是指用人工的方法（例如用高速 粒子轰击原子核）使原子核发生转变。 （1）质子的发现：1919年，卢瑟福用粒子轰击氦原子核发现了质子。 , 144171 NHeOH，,，7281 （2）中子的发现：1932年，查德威克用粒子轰击铍核，发现中子。 , 4、原子核的组成和放射性同位素 （1）原子核的组成：原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子 在原子核中： 质子数等于电荷数 核子数等于质量数 中子数等于质量数减电荷数 （2）放射性同位素：具有相同的质子和不同中子数的原子互称同位素，放 射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。 正电子的发现：用粒子轰击铝时，发生核反应。 , , 发生+衰变，放出正电子 三、核能： 1、核能：核子结合成的子核或将原子核分解为核子时，都要放出或吸收能 量，称为核能。 例如： 2、质能方程：爱因斯坦提出物体的质量和能量的关系： 2Emc, ——质能方程 3、核能的计算：在核反应中，及应后的总质量，少于反应前的总质量即出 现质量亏损，这样的反就是放能反应，若反应后的总质量大于反应前的总质量， 这样的反应是吸能反应。 2,,Emc, 吸收或放出的能量，与质量变化的关系为： ,27 例：计算 ,,mkgE,,，,11660610,.?的质量相当的能量 2,,Emc,, 2,278,，，，16606102997910..，， ,10 ,，J1492410. 9,，ev0931510.，， ,mev9315.，， 为了计算方便以后在计算核能时我们用以下两种方法 ,m 方法一：若已知条件中以千克作单位给出，用以下公式计算 2,,Emc,, 公式中单位： ,,mkgCmsEJ——;/;, ,m, 方法二：若已知条件中以作单位给出，用以下公式计算 ,EDmMevm,，9315./，， ,E, 公式中单位：； Dmkg—Mev 4、释放核能的途径——裂变和聚变 （1）裂变反应： ?裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的 裂变反应。 例如： ?链式反应：在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。 a)裂变物质的体积，超过临界体积, , 链式反应的条件： b)有中子进入裂变物质, ?裂变时平均每个核子放能约1Mev能量 1kg全部裂变放出的能量相当于2500吨优质煤完全燃烧放出能量 （2）聚变反应： ?聚变反应：轻的原子核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。 2341 例如： HHHenMev，,，，176.1120 ?平均每个核子放出3Mev的能量 ?聚变反应的条件；几百万摄氏度的高温