原子核的衰变及人工转变

第讲一、光的波粒二象性1．光电效应a．现象：金属在光照射下发射光电子．b．规律(1)每种金属都具有发生光电效应的极限频率．(2)光电效应的产生几乎是瞬间的．(3)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，随入射光的频率增大而增大．(4)饱和光电流与入射光强度成正比．2．光具有波粒二象性个体光子的行为表现出粒子性，大量光子表现出波动性．频率越高的光，粒子性越强；频率越低的光，波动性越强．光的能量是不连续的，每一份即为一个光子，能量E=h.光是一种概率波．k234c(1)26.6310Js.EhWmvhWWhh．爱因斯坦光电效应方程：或．其中为金属的逸出功，为普朗克常量，注意：逸出功是使金属表面的电子克服原子核的束缚需要做的功，它由金属本身决定，与入射光的频率无关．二、原子的核式结构1．卢瑟福的a粒子散射实验是原子核式结构学说的实验基础．2．原子核式结构学说3hp任何一个运动着的物体，都有一种波与它对应，波长，这种波就叫物质波，也叫德布罗意波，电子束也能发生衍射，从而证明了物质波确．物质波：实存在．原子的中心有一个很小的核叫原子核，它集中了原子内所有的正电荷和几乎全部的质量，电子在核外空间运动．三、玻尔原子模型和能级2112(123)12(123).3nnmnrnrnEEnEhEE核外电子只能在一些不连续的轨道上运动，、、原子只能处于一系列不连续的能量状态，、、原子在两个能级之间跃迁时只能吸收或发射一定频率的光子，光子．轨道量子化：．能量量子化：．跃迁量能量子化：注意：如果是原子吸收光子发生跃迁，则所吸收光子的能量必须对应两能级差，也就是说只能吸收特定频率的光．但如果入射的是电子，电子的能量可以大于或等于两能级差．四、原子核的衰变与三种射线的性质1．原子核的衰变注意a．衰变中静质量会发生变化，但仍然遵循质量数守恒．b．和衰变次数的确定：先由质量数的变化确定衰变的次数，再由电荷数守恒确定衰变次数．c．半衰期是指有半数核发生衰变的时间，由放射性元素的原子核内部本身因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关．2．三种射线1441717281942()()“”aNHeOHBe3射线的产生原因是在或衰变时，产生的新核具有过多的能量即新核处于高能级，就把这些能量以光子的形式辐射出来即新核向低能级跃迁，所以射线往往伴随或衰变产生，原子核的衰变类型中不存在所谓衰变．．卢瑟福发现质子的核反应方程：查德威克发现中子的核反应方程：．原子核的人工转变注意：412160HeCnb．放射性同位素：有些元素的同位素具有放射性叫放射性同位素．应用：示踪原子、金属探伤等．五、核能与质能方程1．质能方程：E=mc2，即一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比．2．核能的计算方法2743013030013215015141AlHepnPSie约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程：，3．释放核能的行径重核的裂变和轻核的聚变．4．在核反应中能量同样是守恒的，当核反应的结果是产生质量亏损时，释放出核能．当核反应的结果是产生质量增益时，要吸收能量．2kgJu1u931.5MeV931.5MeV.mmEmcEmEm在核反应中，如果出现质量亏损为，当以为单位时，则，的单位为；如果以原子质量单位为单位，因为发生的质量亏损，释放的能量为，则类型一：光电效应的规律及其应用对光电效应的规律考查，往往以爱因斯坦光电方程的理解为中心展开，还可以结合几何光学中的知识进行，如由同一介质对不同频率的光折射率不同来判断哪些光能使某金属产生光电效应等．【例1】如图541所示，当电键S断开时，用光子能量为2.5eV的一束光照射光电管的阴极K，发现电流表读数不为0.合上电键S，调节滑动变阻器，发现当电压表示数小于0.60V时，电流表示数仍然不为0；当电压表示数大于等于0.60V时，电流表示数为0，由此可知阴极材料的逸出功为()A．1.9eVB．0.6eVC．2.5eVD．3.1eV图541【解析】图中加在光电管两极间的电压是使光电子减速的，设阴极发射出的光电子的最大初动能为Ek，当电压表示数大于等于0.60V时，电流表示数为0，说明具有最大初动能且正对阳极运动的光电子经过电势差为0.6V的反向电场后，速度恰好为0，则Ek=eU=0.6eV，再由爱因斯坦光电方程，有Ek=hν-W，其中hν=2.5eV，解得W=1.9eV，选A.【答案】A【规律方法总结】分析光电管电路时，一定要弄清加在光电管两极间的电压对电子是起加速作用还是减速作用，再结合爱因斯坦光电效应方程的应用，这是解决此类问题的关键所在．【变式题】研究光电效应规律的实验装置如图542所示，以频率为ν的光照射光电管阴极K时，有光电子产生．由于光电管K、A间加的是反向电压，光电子从阴极K发射后将向阳极A做减速运动．光电流i由图中电流计G测出，反向电压U由电压表V测出．当电流计示数恰好为零时，电压表的示数称为反向截止电压U0.在下列表示光电效应实验规律的图象中，错误的是()图542A.反向电压和频率ν一定时，光电流i与光强I的关系B.截止电压U0与频率ν的关系C.光强I和频率ν一定时，光电流i与反向电压U的关系D.光强I和频率ν一定时，光电流i与产生光电子的时间t的关系答案：B【解析】由光电效应规律可知．光电流的强度与光强成正比，光射到金属上时，光电子的发射是瞬时的，几乎不需要时间积累，故A、D图象正确；从金属中打出的光电子，在反向电压作用下做减速运动，随着反向电压的增大，到达阳极的光电子数减少，故C图象正确；由光电效应方程可知：0km0km00000BhhEeUEhheUhhUUee，而，所以有，变形得：，可见与为一次函数的关系而非正比关系，由此可知，图象错误．类型二：玻尔的原子模型及能级跃迁问题在玻尔的原子模型中，还是保留了一些经典理论，在用玻尔理论解释氢原子光谱时，还是认为核外电子绕核旋转，电子运动所需的向心力由它所受原子核的引力提供，因此，往往对电子运动的动能、电势能的变化、周期等提出问题；另外，还可能对跃迁，辐射多少种不同频率的光子等提出问题．【例2】氢原子放出一个光子后，根据玻尔理论，氢原子的()A．核外电子的电势能增大B．核外电子的动能增大C．核外电子的转动周期增大D．氢原子的能量增大2222DA22B()CB.kevekmEkrrrrrTv由玻尔理论可知，氢原子放出一个光子，必然是从高能级向低能级跃迁，故氢原子能量减小，错．由于电子轨道半径减小，电场力做正功，电子电势能减小，错．由库仑引力提供向心力，有：可得，半径减小将导致动能增大，对．又，半径减小，线速度增大由动能增【解析】大可知，则周期必减小，错．综上所述，选　　【答案】B【规律方法总结】(1)常把氢原子的核外电子的运动视为绕核的圆周运动，库仑引力来提供向心力．(2)氢原子的能量指电子动能和电势能的总和，往往根据电子运动情况和电场力做功来考虑它们的变化．(3)跃迁时，原子所吸收或辐射的光子能量只能等于两能级之差，即hν=Em-En.原子电离时，所吸收的能量可以大于等于它所处能级能量的绝对值，即E=E∞-Em.(4)当一群氢原子由n能级向低能级跃迁时，可能产生的谱线条数为C条．【变式题】(2011·大纲卷)已知氢原子的基态能量为E1，激发态能量En=E1/n2，其中n=2,3，…，用h表示普朗克常量，c表示真空中的光速．能使氢原子从第一激发态电离的光子的最大波长为()111142AB349CDhchcEEhchcEE．．．．C211141C4ABDEEcEh第一激发态的氢原子能量，根据公式可知电离时满足得对【解析、】，、错．类型三：原子核的衰变及人工转变本类型习题往往要求能依据两种衰变的特点分析生成物是何种元素，或者已知反应物与生成物，要推断衰变次数，还可能要求依据两个守恒写方程或判断生成的粒子．、238922382069282U543()A84206BCDUPb68mn是一种放射性元素，进行一系列放射性衰变，由图可知　　．图中是，是．①是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的．②是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的．从衰变成要经过次①衰变，【例3】次②衰变21021082210838112BiPo83184BiTl22104206ABC238206882492826DmnmnNN从到，质量数不变，因此①是衰变，中子放出电子而转变成质子，则，从到，核电荷数减少，因此②是衰变，，、正确错；原子核衰变时衰变不改变质量数，因此衰变次数先进行衰变计算，衰变次数次，衰变次数次【解析，】正确．【答案】ABD13153131127453512131131053541131130153530131130153521131(I)A.ISbHeB.IXeeC.IInD.ITeH (2011)【变式题】北京表示放射性元素碘衰变的方程是AABBCCDD选项是衰变，错误；选项是衰变，正确；选项放射的是中子，错误；选项放射的是质子，【解析】错误．B类型四：核能的计算有关核能的计算，关键是算出质量亏损(或增益)，再利用计算核能的两种方法求出核能(或反应中要吸收的能量)．121313131367766141415151577887151276p2727pCNNCepCNpNOONepNCpe1.67264810kg6.64492910kgmm如下一系列的核反应是在恒星内部发生的，，，，，，其中为质子，为粒子，为正电子，为一种中微子．已知质子的质量【例4为，】粒子的质量为，正电子31e89.1110kg310m/s.mc的质量，中微子的质量可以忽略不计，真空中光速试计算该系列核反应完成后释放的能量．2124p2e23.9510J.Emc由题意可知，这一系列核反应的特点是：前一次反应的生成物参与下一次的反应，因此把各次反应的方程式左右两侧分别相加，再消去两边相同的项，该系列反应最终等效为，求出上式中的质量亏损，最终释放的能量为【解析】u931.5MeV.mEm计算核能时，的单位不同，对应计算方法不同．在计算时要注意单位制的统一和单位的换算．若质量单位取原子质量单位，则另外，要注意对质量和能量联系的正确理解，质量和能量都是物质的属性，质能联系方程说明质量和能量是不可分割的，它确定了这两个属性间数值上的关系，但不能认为能量和质量可以互相转化，质量亏损和质量增益都是从静质量上来说的，从动质量角【规律方度来说法总结】，核反应中质量也是守恒的．【变式题】(2011·江苏)(1)按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大(选填“越大”或“越小”)．已知氢原子的基态能量为E1(E10)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为(普朗克常量为h)．12()hEm141717812OHXNk147k2XNOH.XXNQmmmmcEEQ有些核反应过程是吸收能量的：例如在中，核反应吸收的能量在该核反应中，表示什么粒子？粒子以动能轰击静止的核，若，则该核反应能否发生？请简要说明理由．21142k2()11.22XHehEhEmvvmQEQ由核反应方程可知：【解析为，而核反应吸收的能为，若，不满足动量、能】量守恒要求．类型五：与核反应相关的力电综合问题核反应中，生成的新核或带电粒子在电场或磁场中运动时，可能受到对应的场力作用而产生某种运动，这样，就可以把核反应和带电粒子在电场、磁场中的运动联系起来．并且，在核发生衰变