第十二章物质的微观结构

1/18第十二章物质的微观结构本章学习提要1．α粒子散射实验及原子的核式结构模型。2．天然放射现象和α、β、γ三种射线的基本特性及应用。3．原子核由中予和质子组成，在核子间存在强大的核力。4．重核裂变是获得核能的有效方法之一；链式反应和发生链式反应的条件。5．核能在能源、军事、生命科学等领域的应用；核反应堆、核电站的基本构成；核能转变为电能的概况。本章内容属于物质的微观领域。本章的重点是原子的核式结构和原子核的组成；难点是理解核能的来源。在了解我国核物理研究和核工业发展的成就的同时，要学习邓稼先等科学家乐于奉献、报效祖国的精神，树立献身科学的远大理想。A原子的核式结构一、学习要求知道电子是原子的组成部分。知道卢瑟福的α粒子散射实验。知道卢瑟福原子核式结构模型的特点。在形成知识和解决问题的过程中，要知道用物理学的研究方法一一提出假设、建立物理模型、实验验证等方法，“感受”微观世界的奥秘。感悟科学家对事物敏锐的洞察力和创造性思维能力。二、要点辨析1．卢瑟福的α粒子散射实验1909年，卢瑟福指导他的学生进行了α粒子散射的研究。在做α粒子轰击原子（4×10-7m厚的金箔）的实验时，从大量的观察记录中，发现了居然约有八千分之一的α粒子偏转90°，甚至有少数被反弹回来（约占总数120000）。卢瑟福为此苦思了好几个星期。经过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的“有核结构模型”。他认为原子中的所有正电荷和几乎全部原子质量都集中在原子中心的“核”内，带正电的核和带负电的电子间的静电引力把整个原子结合在一起。由于α粒子的质量大约是电子质量的7000多倍，所以α粒子在与电子作用时，几乎不会改变方向。只有当α粒子打到原子核时，由于库仑斥力，才有可能发生大角度散射。原子核的发现，使人们对原子的结构有了正确的认识，开始了人类对原子核研究的历史。2/182．从卢瑟福的核式结构模型，看建立物理模型的重要意义“卢瑟福核式结构模型”是一种物理模型，它是一种高度抽象的理想客体和形态。用物理模型可以使抽象的假说理论形象化，便于想像和思考研究问题。物理学的发展过程，可以说就是一个不断建立物理模型和用新的物理模型代替旧的或不完善的物理模型的过程。例如，对原子结构的认识就是从“葡萄干蛋糕”模型开始的，随后卢瑟福从α粒子散射实验出发提出了原子的核式结构模型，丹麦物理学家玻尔又以“定态、跃迁”理论解释了核式结构模型与经典电磁理论之间的矛盾等。三、例题分析【例】在卢瑟福的α粒子散射实验中，当α粒子被重核散射时，图中所示的运动轨迹中，可能的是（）。（A）轨迹a（B）轨迹b（C）轨迹c（D）轨迹d【分析】由于原子核和α粒子都带正电荷，若α粒子靠近重核附近，应受到斥力而偏离原来轨道，即被散射了。【解答】（A）是可能的。四、基本训练A组1．最先发现电子，并确认电子是组成原子成分之一的是（）。（A）汤姆孙（B）卢瑟福（C）盖革（D）马斯登2．卢瑟福提出原子的核式结构学说，其根据是用α粒子轰击金箔的实验。在实验中，他观察到α粒子（）。（A）全部穿过金原子，或发生很小的偏转（B）绝大多数穿过金原子，只有少数发生大角度偏转，极少数甚至被弹回（C）绝大多数发生很大的偏转，甚至被弹回，只有少数穿过金原子（D）全部发生很大的偏转3．卢瑟福α粒子散射实验的结果是（）。（A）证明了质子的存在（B）证明了原子核是由质子和中子组成的（C）说明原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核上（D）说明原子中有电子存在3/184．在卢瑟福α粒子散射实验中，少数α粒子发生大角度偏转的原因是（）。（A）原子的正电荷以及绝大部分质量都集中在一个很小的核上（B）正电荷在原子中是均匀分布的（C）原子中存在着带负电的电子（D）原子核中有中子存在5．在分析α粒子散射实验现象时，并没有考虑α粒子跟电子的相互利用，在下列所述的各种原因中，正确的是（）。（A）α粒子并不跟电子作用（B）α粒子跟各电子相互作用的效果互相抵消（C）电子的体积实在太小，α粒子碰不到它（D）α粒子跟电子相互作用时，损失的能量极少，可忽略不计6．卢瑟福原子核式结构模型的主要论点是：①；②；③。B组7．按卢瑟福的原子核式结构模型可知，原子中绝大部分是空的，原子核显得非常小，其半径只有原子半径的十万分之一。请你根据原子与原子核大小的比例举出一个比较恰当的比喻。8．原子核的体积极小，但原子的质量几乎全部集中在原子核内，因此原子核的密度很大。试估算出氢原子核的密度。试举出一个比较恰当的比喻。9．我国战国时代的庄子，在他的著作《庄子·天下篇》中提出了关于物质结构的思想：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”请你解释这句话的涵义。10．图（a）为α粒子散射实验模拟装置图，可以看出它由两大部分组成：①原子核模型仪；②发射台（包括滑槽、调节螺钉、小钢球）。图（b）是原子核模型仪的正视图，图（c）是原子核模型仪的俯视图。为了使钢球能平滑地从滑槽滚到原子核模型仪上，滑槽下端弧形处应接近水平状态。仔细调节滑槽相对原子核模型仪的方位，释放钢球，观察钢球出射方向，并记录其位置。你认为可观察到什么现象？可得到什么结果？4/18B物质的放射性及其应用一、学习要求知道天然放射现象。知道α、β、γ射线来自原子核内部。通过对看不见的射线的探测，认识物理学中间接测量的方法。联系放射性在诊病、治疗和工业探伤等方面的应用，感悟科学、技术、社会三者之间的密切关系。二、要点辨析1．α、β、γ射线的特性比较（见下表）：射线名称电离作用贯穿本领α射线较强很小，用一张厚纸片就可以被挡住β射线较弱很大，用几毫米厚的铝片可挡住γ射线很弱最强，用几厘米厚的铅板才能挡住2．为什么三种射线的电离作用和穿透能力有如此明显的区别呢？（1）关于射线电离作用的比较。电离，就是指使物质的原子或分子离解成离子的现象。α粒子与原子中电子的吸引力、β粒子与原子中电子的排斥力，使原子中的某些电子脱离原子，而原子变成了正离子，这就是α、β射线的电离作用产生的原因。带电粒子在同一物质中电离作用的强弱，主要决定于带电粒子的电荷量和速率：粒子的带电荷量越大，它与原子中电子的作用力越大，就容易把电子从原子中拉出来；射线粒子跑得慢，它与电子的相互作用时间长，容易把电子拉出原子（比如，我们用手指在蜡烛火焰上掠过，作用时间很短，一点不感到烫手；但如果手指在火焰上慢慢移动，作用时间较长，手会被烫痛）。α粒子比β粒子带电荷量大，运动速度又慢，显然α粒子的电离本领比β粒子强得多。γ射线是由中性的γ光子组成，它为什么也会有电离作用呢？其中一种可能是，γ射线5/18射入某种物质时，γ光子可能把全部能量传给原子中的一个电子，使原子电离。另一种情况是，当γ射线的能量相当高时，光子还可能在原子核附近转化为一个正电子和一个负电子，这对正负电子会对原子产生电离作用。由于电子对的速度很大，且带电荷量小，所以电离作用很弱。（2）关于贯穿本领的比较。带电粒子经过物质时，每产生一对离子，都要消耗带电粒子自己的动能，因此越跑越慢。最后，α粒子和物质中的某两个电子结合成氦原子，β粒子则成了物质中的自由电子，或跟某个离子结合成中性原子。带电粒子在物质中所走的路程的长短叫做射程。射程主要由电离作用决定：电离作用越强，则能量损失越快，射程就越短。上面已讲过，α粒子的电离作用比β粒子的电离作用强，因此它在物质中的射程较短，即贯穿本领较小。而γ射线可以通过很厚的铅板，其贯穿能力确实非常强。三、例题分析【例1】由天然放射性元素射出的三种射线，在通过水平匀强电场时呈现如图所示的三种不同轨迹①、②、③，下列说法中正确的是（）。（A）射线③的穿透本领最强（B）射线②的穿透本领最强（C）射线①的电离本领最强（D）射线②的电离本领最强【分析】首先要从图中分辨出①、②、③各是哪一种射线，然后再从它们的特性选择答案。②在匀强电场中不发全偏转，肯定是γ射线；①和③在匀强电场中都发生偏转，而①的偏转较明显，可以判断出①是β射线，③是α射线。我们已经知道，电离本领最强的是α射线，穿透本领最强的是γ射线。【解答】（B）。【例2】用下述方法可以减缓放射性元素的衰变的说法中，正确的是（）。（A）把该放射性元素放置在低温处（B）把该放射性元素密封在很厚的铅盒子里（C）把该放射性元素同其他的稳定元素结合成化合物（D）上述各种办法都无法减缓放射性元素的衰变【分析】各种放射性元素的衰变的快慢程度是不同的，这是它们的一个特性，基本上不随外界条件（温度、压强等）的变化而变化，并与元素所处的状态（游离态还是化合态）无关。【解答】（D）。四、基本训练A组1．天然放射现象是指。6/182．放射性元素放射的射线有α、β、γ三种，其中α射线是，β射线是，γ射线是。3．在天然放射现象中，放出的三种射线里有一种射线是带正电的。那么，组成这种射线的粒子是（）。（A）质子（B）中子（C）电子（D）氦原子核4．下列有关β射线的叙述中，正确的是（）。（A）β射线粒子的质量与质子质量相同（B）β射线粒子所带电荷量与阴极射线粒子所带电荷量相同（C）β射线速度与光速相同（D）β射线的电离本领比α射线大5．关于γ射线，下列说法中正确的是（）。（A）γ射线是波长极短的电磁波（B）γ射线是高速运动的电子流（C）γ射线的贯穿本领比β射线弱（D）γ射线对空气的电离作用比β射线强6．放射性物质发射的三种射线中，其中穿透能力、电离本领最强的射线分别是（）。（A）α射线、β射线（B）β射线、α射线（C）γ射线、α射线（D）β射线、γ射线7．怎样探测到看不见摸不着的射线？。8．放射性的应用大致可分为两大类：①；②。B组9．贝可勒尔证实了β射线是速度接近光速的电子流，这说明了（）（A）β射线是原子核外的电子（B）β射线是原子核内的电子（C）β射线是原子核内中子、质子间转化时放出的（D）β射线就是阴极射线10．带电的验电器，在放射线的照射下，电荷会很快消失，其原因是。11．在大气层上空存在着各种射线，有一部分会射到地球上。请根据下列资料估算一下，在我们生活的环境中，每人每年大概要受到多少辐射的剂量当量？是否超标了？参考资料：（1）辐射的剂量当量的单位是“Sv”，读作“希沃特”，简称“希”。1μsV＝1×10-6Sv。（2）下面是各种因素产生的每人每年所受辐射的剂量当量的参考值：①来自宇宙射线在海平面上的平均剂量当量（上海在北纬31°）：220μSv；②高于海平面60m处的修正的剂量当量：2μSV；7/18③空中旅行时的剂量当量（每年旅行一次，以6h计）：24μSv；④大地和建筑物产生的平均剂量当量（长期处在建筑物中）：500μSv；⑤空气中的平均剂量当量：2000μSv；⑥来自食物、饮料中的剂量当量：370μSv；⑦胸部X光透视剂量当量（每年两次）：70μSv；⑧其他接近放射医疗事例的剂量当量（例如，到放射室陪家人看病）：20μSv；⑨来自核试验的剂量当量：10μSv；⑩家用电器等辐射的剂量当量（主要是电脑、电视机）：2μSv。（3）人体对放射性有一定的自然抵御和恢复能力，只有受到过量的辐射，对人体才是有害的。目前国际上公认的辐射生物效应如下表（表内数据指全身受辐照、剂量在短时间内一次接受）：剂量当量水平生物效应＜0.1Sv无影响0.1～0.25Sv未观察到临床效应0.25～0.5Sv可以引起血液的变化，但无严重的伤害0.5～1Sv血液发生变化且有一些伤害，但无倦怠感1～2Sv损伤，可能感到全身无力2～4Sv损伤，全身无力，体弱的人可能因此而死亡4.5Sv受照者有50％在30天内死亡，其余50％能恢复，但有某些永久性损伤＞6Sv可能因此而死亡（4）为了保护工作人员和居民的身体健康，规定了“允许剂量当量（每年）”如下表：从事放射性工作的人员0.05Sv居民0.005Sv12．贝可勒尔为了研究荧光物质能否穿透黑纸使照相底片感光，发现了有划时代意义的天然放射现象。从中可以认识到作为科学工作者应具备哪些素质？谈谈你的看法。13．试以“我对放射性的认识”为题进行讲演，交流学习心得和见解。C原子核的组成一、学习要求知道卢瑟福用实验证实了原子核中有质子。知道中子的发