高三物理教案：《原子的核式結構》教學設計

　　本文題目：高三物理教案：原子的核式結構

　　原子的核式結構 玻爾理論 天然放射現(xiàn)象

　　一、知識點梳理

　　1、原子的核式結構

　　(1) 粒子散射實驗結果：絕大多數(shù) 粒子沿原方向前進，少數(shù) 粒子發(fā)生較大偏轉。

　　(2)原子的核式結構模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉.

　　(3)原子核的大小：原子的半徑大約是10-10米，原子核的半徑大約為10-14米～10-15米.

　　2、玻爾理論有三個要點：

　　(1)原子只能處于一系列的不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的.電子雖然繞核旋轉，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài).

　　(2)原子從一種定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時，它輻射(或吸收)一定頻率的光子，光子的能量由這兩個定態(tài)的能量差決定.即hν=E2-E1

　　(3)原子的不同能量狀態(tài)對應于電子沿不同圓形軌道運動.原子的定態(tài)是不連續(xù) 的，因而電子的可能軌道是分立的.

　　在玻爾模型中，原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，各狀態(tài)對應的能量也是不連續(xù)的，這些不連續(xù)的能量值的能量值叫做能級。

　　3、原子核的組成 核力

　　原子核是由質子和中子組成的.質子和中子統(tǒng)稱為核子.

　　將核子穩(wěn)固地束縛在一起的力叫核力，這是一種很強的力，而且是短程力，只能在2.0X10-15的距離內(nèi)起作用，所以只有相鄰的核子間才有核力作用.

　　4、原子核的衰變

　　(1)天然放射現(xiàn)象：有些元素自發(fā)地放射出看不見的射線，這種現(xiàn)

　　象叫天然放射現(xiàn)象.

　　(2)放射性元素放射的射線有三種： 、 射線、 射線，

　　這三種射線可以用磁場和電場加以區(qū)別，如圖15.2-1 所示

　　(3)放射性元素的衰變：放射性元素放射出 粒子或 粒子后，衰變成新的 原子核，原子核的這種變化稱為衰變.

　　衰變規(guī)律：衰變中的電荷數(shù)和質量數(shù)都是守恒的.

　　(4)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間稱為半衰期.不同的放射性元素的半衰期是不同的，但對于確定的放射性元素，其半衰期是確定的.它由原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學狀態(tài)、溫度、壓強等因素無關.

　　(5)同位素：具有相同質子數(shù)，中子數(shù)不同的原子在元素周期表中處于同一位置，互稱同位素。

　　二、典型例題

　　例1 如圖15-2-2所示為盧瑟福和他的同事們做??粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個位置時，觀察到的現(xiàn)象，下述說法中正確的是

　　A.放在A位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多

　　B.放在B 位置時，相同時間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時稍少些

　　C.放在C、D 位置時，屏上觀察不到閃光

　　D.放在D 位置時，屏上仍能觀察一些閃光，但次數(shù)極少

　　[解析] 根據(jù)α粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù) 粒子沿原方向前進，少數(shù) 粒子發(fā)生較大偏轉，本題應選擇A、B、D

　　[點評] 本題考查學生是否掌握盧瑟福的α粒子散射實驗結果。

　　例2 氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠的軌道過程中 ( )

　　A.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能增大，原子的能量增大

　　B.原子要放出光子，電子的動能減小，原子的電勢能減小，原子的能量也減小

　　C.原子要吸收光子，電子的動能增大，原子的電勢能減小，原子的能量增大

　　D.原子要吸收光子，電子的動能減小，原子的電勢能增大，原子的能量增加

　　[解析] 根據(jù)玻爾理論，氫原子核外電子在離核越遠的軌道上運動時，其能量越大， 由能量公式En= (E1=-13.6 eV)可知，電子從低軌道(量子數(shù)n 小)向高軌道(n值較大)躍遷時，要吸收一定的能量的光子.故選項B可排除.氫原子核外電子繞核做圓周運動，其向心力由原子核對電子的庫侖引力提供，即 = ，電子運動的動能Ek= mv2= .由此可知：電子離核越遠，r越大時，則電子的動能就越小，故選項A、C均可排除.

　　由于原子核帶正電荷，電子帶負電荷，事實上異性電荷遠離過程中需克服庫侖引力做功，即庫侖力對電子做負功，則原子系統(tǒng)的電勢能將增大，系統(tǒng)的總能量增加，故選項D正確.

　　[點評] 考查對玻爾理論、庫侖定律、圓周運動規(guī)律及電場力做功性質的綜合運用的能力.

　　例3 關于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是 ( )

　　A.若使放射性物質的溫度升高，其半衰期將減小

　　B.β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉變?yōu)橘|子時所產(chǎn)生的

　　C.在α、β、γ這三種射線中，γ射線的穿透能力最強，α射線的電離能力最強

　　D.鈾核( )衰變?yōu)殂U核( )的過程中，要經(jīng)過8次α衰變和10次β衰變

　　[解析]半衰期是由放射性元素原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學狀態(tài)、溫度、壓強等因素無關.A錯;β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉變?yōu)橘|子時所產(chǎn)生的， ，B對;根據(jù)三種射線的物理性質，C對; U的質子數(shù)為92，中子數(shù)為146， Pb的質子數(shù)為82，中子數(shù)為124，因而鉛核比鈾核少10個質子，22個中子。注意到一次α衰變質量數(shù)減少4，故α衰變的次數(shù)為x= =8次。再結合核電荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來判定β衰變的次數(shù)y應滿足 2x-y+82=92， y=2x-10=6次。故本題正確答案為B、C。

　　[點評]

　　1 本題考查α衰變、β衰變的規(guī)律及質量數(shù)，質子數(shù)、中子數(shù)之間的關系。

　　2 β衰變放出的電子并不是由核外電子躍遷出來的，而是從核中衰變產(chǎn)生的。

　　例4、如圖15-2-3K-介子衰變的方程為 ，其中K-介子和π-介子帶負的基元電荷，π0介子不帶電。一個K-介子沿垂直于磁場的方向射入勻強磁場中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π-介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點相切，它們的半徑RK-與Rπ 之比為2∶1。π0介子的軌跡未畫出。由此可知π-介子的動量大小與π0介子的動量大小之比為 A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶6

　　[解析] 根據(jù)題意，分別計算出帶電粒子在磁場中作圓周運動的軌道半徑。根據(jù)動量的定義，分別求出兩個介子的動量大小，再從圖中確定兩個介子動量的方向，最后運用動量守恒，計算出 粒子的動量大小。qvKB=mK ，RK= R ， ，pK=-p +p ，

　　p 。正確選項為(C)

　　[點評] 這題以基本粒子的衰變?yōu)榍榫埃�涉及帶電粒子在磁場中運動規(guī)律和動量守恒等知識點，是一道綜合性題目。帶電粒子在磁場中受到洛倫磁力作用，該力的方向與粒子的速度方向垂直，因此，帶電粒子作圓周運動。根據(jù)動量守恒，基本粒子衰變前后的總動量不變，但計算過程要主注意動量的方向問題。

　　例5 若原子的某內(nèi)層電子被電離形成空位，其它的電子躍遷到該空位上時，會將多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來，此電磁輻射就是原子的特征X射線。內(nèi)層空位的產(chǎn)生有多種機制，其中的一種稱為內(nèi)轉換，即原子中處于激發(fā)態(tài)的核躍遷回基態(tài)時，將躍遷時釋放的能量交給某一內(nèi)層電子，使此內(nèi)層電子電離而形成空位(被電離的電子稱為內(nèi)轉換電子)。 的原子核從某一激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，可將能量E0=1.416MeV交給內(nèi)層電子(如K、L、M層電子，K、L、M標記原子中最靠近核的三個電子層)使其電離。實驗測得從 原子的K、L、M層電離出的動能分別為EK=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV.則可能發(fā)射的特征X射的能量為

　　A 0.013MeV B 0.017MeV C 0.076MeV D 0.093MeV

　　[解析]電子電離后的動能等于吸收的能量減去電子原來所處的能級的能量，所以原子核的K層的能量為0.093MeV，原子核的L層的能量為0.017MeV，原子核的M層的能量為0.004MeV。所以可能發(fā)射的特征X射的能量為0.076MeV、0.087MeV、0.013MeV。故正確為A、C

　　[點評]這是一道信息題要求學生能把題中所給的知識與已學知識有機結合。學生首先要弄清電子的電離能、動能與吸收能量的關系。

　　三、過關測試

　　1、用a、b兩束單色光分別照射同一雙縫干涉裝置，在距雙縫恒定距離的屏上得到圖示的干涉圖樣，其中甲圖是a光照射時形成的，乙圖是b光照射時形成的。則關于a、b兩束單色光，下述正確的是B

　　A.a光光子的能量較大

　　B.在水中a光傳播的速度較大

　　C.若用a光照射某金屬時不能打出光電子，則用b 光照射該金屬時一定打不出光電子

　　D.若a光是氫原子從n=4的能級向n=2的能級躍遷時產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子從n=3的能級向n=2的能級躍遷時產(chǎn)生的

　　2、德國物理學家弗蘭克林和赫茲進行過氣體原子激發(fā)的實驗研究。如圖(1)他們在一只陰極射線管中充了要考察的汞蒸氣。極射發(fā)出的電子受陰極K和柵極R之間的電壓UR加速，。電子到達柵極R時，電場做功eUR。此后電子通過柵極R和陽極A之間的減速電壓UA。通過陽極的電流如圖(2)所示，隨著加建電壓增大，陽極電流在短時間內(nèi)也增大。但是到達一個特定的電壓值UR后.觀察到電流突然減小。在這個電壓值上，電于的能量剛好能夠激發(fā)和它們碰撞的原子。參加碰撞的電子交出其能量，速度減小，因此刻達不了陽極.陽極電流減小。eUR即為基態(tài)氣體原于的激發(fā)能。得到汞原子的各條能級比基態(tài)高以下能量值：4.88eV, 6.68eV, 8.78eV, 10.32eV(此為汞原子的電離能)。若一個能量為7.97eV電子進入汞蒸氣后測量它的能量大約是

　　A. 4.88eV或7.97eV B. 4.88eV或 6.68eV

　　C. 2.35eV 或7.97eV D.1.29eV或3.09eV或7.97eV D

　　3、某原子核的衰變過程是A B C，下述說法中正確的是 ，

　　A.核C比核B的中子數(shù)少2 B.核C比核A的質量數(shù)少5

　　C.原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)多2

　　D.核C比核A的質子數(shù)少1

　　4、原子從一個能級躍遷到一個較低的能級時，有可能不發(fā)射光子.例如在某種條件下，鉻原子的n=2能級上的電子躍遷到n=1能級上時并不發(fā)射光子，而是將相應的能量轉交給 n=4能級上的電子，使之能脫離原子，這一現(xiàn)象叫做俄歇效應.以這種方式脫離了原子的 電子叫做俄歇電子.已知鉻原子的能級公式可簡化表示為En=- ，式中n=1，2，3…表示不同能級，A是正的已知常數(shù).上述俄歇電子的動能是

　　(A) A (B) A (C) A (D) A

　　5、 地球的年齡到底有多大，科學家利用天然放射性元素的衰變規(guī)律，通過對目前發(fā)現(xiàn)最古老的巖石中鈾和鉛含量來推算。測得該巖石中現(xiàn)含有的鈾是巖石形成初期時(巖石形成初期時不含鉛)的一半，鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對含量隨時間變化規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0為鈾和鉛的總原子數(shù).由此可以判斷出BD

　　A.鈾238的半衰期為90億年

　　B.地球的年齡大致為45億年

　　C.被測定的古老巖石樣品在90億年時的鈾、鉛原子數(shù)

　　之比約為1∶4

　　D.被測定的古老巖石樣品在90億年時鈾、鉛原子數(shù)之

　　比約為1∶3

　　6.關于氫原子能級的躍遷，下列敘述中正確的是 ( )

　　A.用波長為60nm的倫琴射線照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離出自由電子

　　B.用能量為10.2eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　C.用能量為11.0eV的自由電子轟擊，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　D.用能量為12.5eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　7、氫原子從能級A躍遷到能級B時，輻射出波長為λ1的光子，從能級A躍遷到能級C時，輻射出波長為入2的光子.若入1>入2，則氫原子從能級B躍遷到能級C時，將______光子，光子的波長為_______。

　　8、太赫茲輻射(1THz=1012Hz)是指頻率從0.3THz到10THz、波長介于無線電波中的毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域，所產(chǎn)生的T射線在物體成像、醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測、通訊等方面具有廣闊的應用前景.最近，科學家終于研制出以紅外線激光器為基礎的首臺可產(chǎn)生4.4THz的T射線激光器，從而使T射線的有效利用成為現(xiàn)實。已知普朗克常數(shù)h=6.63×10-34J?s，關于4.4THz的T射線，下列說法中錯誤的是 BC

　　A.它在真空中的速度為3.0×108m/s　　　B.它是某種原子核衰變時產(chǎn)生的

　　C.它的波長比可見光短　　　　　　　　D.它的光子的能量約為2.9×10-21J

　　9、氫原子從能級A躍遷到能級B吸收頻率為 的光子，從能級A躍遷到能級C釋放頻率為 的光子，若 ，則當它從能級B躍遷到能級C時，將

　　A.放出頻率為 的光子　　　B.放出頻率為 的光子

　　C.吸收頻率為 的光子　　　D.吸收頻率為 的光子

　　10、日光燈中有一個啟動器，其中的玻璃泡中裝有氖氣。啟動時，玻璃泡中的氖氣會發(fā)出紅光，這是由于氖原子的

　　A.自由電子周期性運動而產(chǎn)生的

　　B.外層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　C.內(nèi)層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　D.原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　11、已知氦離子He+能級En與量子數(shù)n的關系和氫原子能級公式類似，處于基態(tài)的氦離子He+的電離能為E=54.4eV。為使處于基態(tài)的氦離子He+處于激發(fā)態(tài)，入射光子所需的最小能量為

　　A.13.6 eV B.40.8 eV C.48.4 eV D.54.4 eV

　　12、如圖15.2-5所示是工廠利用放射線自動控制鋁板厚度的裝置示意圖.(1)請簡述自動控制的原理.(2)如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1mm的鋁板，在 三種射線中，哪一種對鋁板的厚度控制起主要作用，為什么?

　　參考答案

　　1 .B

　　2.D

　　3.A

　　4.B

　　5.BD

　　6.ABC

　　7.輻射

　　8. BC

　　9.B

　　10.B

　　11.B

　　12. (1)放射線具有穿透本領，如果向前移動的鋁板的厚度有變化，則探測器接收到的放射線的強度就會隨之變化，將這種變化轉變的電信號輸入到相應的裝置，自動地控制圖中右側的兩個輪間的距離，達到自動控制鋁板厚度的目的.

　　(2) 射線起主要作用，因為 射線的貫穿本領很小，一張薄紙就能把它擋住，更穿不過1mm的鋁板; 射線的貫穿本領很強，能穿過幾厘米的鉛板.當鋁板厚度發(fā)生變化時，透過鋁板的 射線強度變化較大，探測器可明顯地反映出這種變化，使自動化系統(tǒng)做出相應的反應