高三物理教案：《原子的核式结构》教学设计

　　本文题目：高三物理教案：原子的核式结构

　　原子的核式结构 玻尔理论 天然放射现象

　　一、知识点梳理

　　1、原子的核式结构

　　(1) 粒子散射实验结果：绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子发生较大偏转。

　　(2)原子的核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转.

　　(3)原子核的大小：原子的半径大约是10-10米，原子核的半径大约为10-14米～10-15米.

　　2、玻尔理论有三个要点：

　　(1)原子只能处于一系列的不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的.电子虽然绕核旋转，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态.

　　(2)原子从一种定态跃迁到另一定态时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定.即hν=E2-E1

　　(3)原子的不同能量状态对应于电子沿不同圆形轨道运动.原子的定态是不连续 的，因而电子的可能轨道是分立的.

　　在玻尔模型中，原子的可能状态是不连续的，各状态对应的能量也是不连续的，这些不连续的能量值的能量值叫做能级。

　　3、原子核的组成 核力

　　原子核是由质子和中子组成的.质子和中子统称为核子.

　　将核子稳固地束缚在一起的力叫核力，这是一种很强的力，而且是短程力，只能在2.0X10-15的距离内起作用，所以只有相邻的核子间才有核力作用.

　　4、原子核的衰变

　　(1)天然放射现象：有些元素自发地放射出看不见的射线，这种现

　　象叫天然放射现象.

　　(2)放射性元素放射的射线有三种： 、 射线、 射线，

　　这三种射线可以用磁场和电场加以区别，如图15.2-1 所示

　　(3)放射性元素的衰变：放射性元素放射出 粒子或 粒子后，衰变成新的 原子核，原子核的这种变化称为衰变.

　　衰变规律：衰变中的电荷数和质量数都是守恒的.

　　(4)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间称为半衰期.不同的放射性元素的半衰期是不同的，但对于确定的放射性元素，其半衰期是确定的.它由原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关.

　　(5)同位素：具有相同质子数，中子数不同的原子在元素周期表中处于同一位置，互称同位素。

　　二、典型例题

　　例1 如图15-2-2所示为卢瑟福和他的同事们做??粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象，下述说法中正确的是

　　A.放在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多

　　B.放在B 位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比A位置时稍少些

　　C.放在C、D 位置时，屏上观察不到闪光

　　D.放在D 位置时，屏上仍能观察一些闪光，但次数极少

　　[解析] 根据α粒子散射现象，绝大多数 粒子沿原方向前进，少数 粒子发生较大偏转，本题应选择A、B、D

　　[点评] 本题考查学生是否掌握卢瑟福的α粒子散射实验结果。

　　例2 氢原子的核外电子从距核较近的轨道跃迁到距核较远的轨道过程中 ( )

　　A.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能增大，原子的能量增大

　　B.原子要放出光子，电子的动能减小，原子的电势能减小，原子的能量也减小

　　C.原子要吸收光子，电子的动能增大，原子的电势能减小，原子的能量增大

　　D.原子要吸收光子，电子的动能减小，原子的电势能增大，原子的能量增加

　　[解析] 根据玻尔理论，氢原子核外电子在离核越远的轨道上运动时，其能量越大， 由能量公式En= (E1=-13.6 eV)可知，电子从低轨道(量子数n 小)向高轨道(n值较大)跃迁时，要吸收一定的能量的光子.故选项B可排除.氢原子核外电子绕核做圆周运动，其向心力由原子核对电子的库仑引力提供，即 = ，电子运动的动能Ek= mv2= .由此可知：电子离核越远，r越大时，则电子的动能就越小，故选项A、C均可排除.

　　由于原子核带正电荷，电子带负电荷，事实上异性电荷远离过程中需克服库仑引力做功，即库仑力对电子做负功，则原子系统的电势能将增大，系统的总能量增加，故选项D正确.

　　[点评] 考查对玻尔理论、库仑定律、圆周运动规律及电场力做功性质的综合运用的能力.

　　例3 关于天然放射现象，以下叙述正确的是 ( )

　　A.若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小

　　B.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的

　　C.在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强

　　D.铀核( )衰变为铅核( )的过程中，要经过8次α衰变和10次β衰变

　　[解析]半衰期是由放射性元素原子核的内部因素所决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关.A错;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的， ，B对;根据三种射线的物理性质，C对; U的质子数为92，中子数为146， Pb的质子数为82，中子数为124，因而铅核比铀核少10个质子，22个中子。注意到一次α衰变质量数减少4，故α衰变的次数为x= =8次。再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数y应满足 2x-y+82=92， y=2x-10=6次。故本题正确答案为B、C。

　　[点评]

　　1 本题考查α衰变、β衰变的规律及质量数，质子数、中子数之间的关系。

　　2 β衰变放出的电子并不是由核外电子跃迁出来的，而是从核中衰变产生的。

　　例4、如图15-2-3K-介子衰变的方程为 ，其中K-介子和π-介子带负的基元电荷，π0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK-与Rπ 之比为2∶1。π0介子的轨迹未画出。由此可知π-介子的动量大小与π0介子的动量大小之比为 A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶6

　　[解析] 根据题意，分别计算出带电粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径。根据动量的定义，分别求出两个介子的动量大小，再从图中确定两个介子动量的方向，最后运用动量守恒，计算出 粒子的动量大小。qvKB=mK ，RK= R ， ，pK=-p +p ，

　　p 。正确选项为(C)

　　[点评] 这题以基本粒子的衰变为情景，涉及带电粒子在磁场中运动规律和动量守恒等知识点，是一道综合性题目。带电粒子在磁场中受到洛伦磁力作用，该力的方向与粒子的速度方向垂直，因此，带电粒子作圆周运动。根据动量守恒，基本粒子衰变前后的总动量不变，但计算过程要主注意动量的方向问题。

　　例5 若原子的某内层电子被电离形成空位，其它的电子跃迁到该空位上时，会将多余的能量以电磁辐射的形式释放出来，此电磁辐射就是原子的特征X射线。内层空位的产生有多种机制，其中的一种称为内转换，即原子中处于激发态的核跃迁回基态时，将跃迁时释放的能量交给某一内层电子，使此内层电子电离而形成空位(被电离的电子称为内转换电子)。 的原子核从某一激发态回到基态时，可将能量E0=1.416MeV交给内层电子(如K、L、M层电子，K、L、M标记原子中最靠近核的三个电子层)使其电离。实验测得从 原子的K、L、M层电离出的动能分别为EK=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV.则可能发射的特征X射的能量为

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

　　[解析]电子电离后的动能等于吸收的能量减去电子原来所处的能级的能量，所以原子核的K层的能量为0.093MeV，原子核的L层的能量为0.017MeV，原子核的M层的能量为0.004MeV。所以可能发射的特征X射的能量为0.076MeV、0.087MeV、0.013MeV。故正确为A、C

　　[点评]这是一道信息题要求学生能把题中所给的知识与已学知识有机结合。学生首先要弄清电子的电离能、动能与吸收能量的关系。

　　三、过关测试

　　1、用a、b两束单色光分别照射同一双缝干涉装置，在距双缝恒定距离的屏上得到图示的干涉图样，其中甲图是a光照射时形成的，乙图是b光照射时形成的。则关于a、b两束单色光，下述正确的是B

　　A.a光光子的能量较大

　　B.在水中a光传播的速度较大

　　C.若用a光照射某金属时不能打出光电子，则用b 光照射该金属时一定打不出光电子

　　D.若a光是氢原子从n=4的能级向n=2的能级跃迁时产生的，则b光可能是氢原子从n=3的能级向n=2的能级跃迁时产生的

　　2、德国物理学家弗兰克林和赫兹进行过气体原子激发的实验研究。如图(1)他们在一只阴极射线管中充了要考察的汞蒸气。极射发出的电子受阴极K和栅极R之间的电压UR加速，。电子到达栅极R时，电场做功eUR。此后电子通过栅极R和阳极A之间的减速电压UA。通过阳极的电流如图(2)所示，随着加建电压增大，阳极电流在短时间内也增大。但是到达一个特定的电压值UR后.观察到电流突然减小。在这个电压值上，电于的能量刚好能够激发和它们碰撞的原子。参加碰撞的电子交出其能量，速度减小，因此刻达不了阳极.阳极电流减小。eUR即为基态气体原于的激发能。得到汞原子的各条能级比基态高以下能量值：4.88eV, 6.68eV, 8.78eV, 10.32eV(此为汞原子的电离能)。若一个能量为7.97eV电子进入汞蒸气后测量它的能量大约是

　　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、某原子核的衰变过程是A B C，下述说法中正确的是 ，

　　A.核C比核B的中子数少2 B.核C比核A的质量数少5

　　C.原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2

　　D.核C比核A的质子数少1

　　4、原子从一个能级跃迁到一个较低的能级时，有可能不发射光子.例如在某种条件下，铬原子的n=2能级上的电子跃迁到n=1能级上时并不发射光子，而是将相应的能量转交给 n=4能级上的电子，使之能脱离原子，这一现象叫做俄歇效应.以这种方式脱离了原子的 电子叫做俄歇电子.已知铬原子的能级公式可简化表示为En=- ，式中n=1，2，3…表示不同能级，A是正的已知常数.上述俄歇电子的动能是

　　(A) A (B) A (C) A (D) A

　　5、 地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断出BD

　　A.铀238的半衰期为90亿年

　　B.地球的年龄大致为45亿年

　　C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数

　　之比约为1∶4

　　D.被测定的古老岩石样品在90亿年时铀、铅原子数之

　　比约为1∶3

　　6.关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是 ( )

　　A.用波长为60nm的伦琴射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子

　　B.用能量为10.2eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

　　C.用能量为11.0eV的自由电子轰击，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

　　D.用能量为12.5eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态

　　7、氢原子从能级A跃迁到能级B时，辐射出波长为λ1的光子，从能级A跃迁到能级C时，辐射出波长为入2的光子.若入1>入2，则氢原子从能级B跃迁到能级C时，将______光子，光子的波长为_______。

　　8、太赫兹辐射(1THz=1012Hz)是指频率从0.3THz到10THz、波长介于无线电波中的毫米波与红外线之间的电磁辐射区域，所产生的T射线在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景.最近，科学家终于研制出以红外线激光器为基础的首台可产生4.4THz的T射线激光器，从而使T射线的有效利用成为现实。已知普朗克常数h=6.63×10-34J?s，关于4.4THz的T射线，下列说法中错误的是 BC

　　A.它在真空中的速度为3.0×108m/s　　　B.它是某种原子核衰变时产生的

　　C.它的波长比可见光短　　　　　　　　D.它的光子的能量约为2.9×10-21J

　　9、氢原子从能级A跃迁到能级B吸收频率为 的光子，从能级A跃迁到能级C释放频率为 的光子，若 ，则当它从能级B跃迁到能级C时，将

　　A.放出频率为 的光子　　　B.放出频率为 的光子

　　C.吸收频率为 的光子　　　D.吸收频率为 的光子

　　10、日光灯中有一个启动器，其中的玻璃泡中装有氖气。启动时，玻璃泡中的氖气会发出红光，这是由于氖原子的

　　A.自由电子周期性运动而产生的

　　B.外层电子受激发而产生的

　　C.内层电子受激发而产生的

　　D.原子核受激发而产生的

　　11、已知氦离子He+能级En与量子数n的关系和氢原子能级公式类似，处于基态的氦离子He+的电离能为E=54.4eV。为使处于基态的氦离子He+处于激发态，入射光子所需的最小能量为

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

　　12、如图15.2-5所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图.(1)请简述自动控制的原理.(2)如果工厂生产的是厚度为1mm的铝板，在 三种射线中，哪一种对铝板的厚度控制起主要作用，为什么?

　　参考答案

　　1 .B

　　2.D

　　3.A

　　4.B

　　5.BD

　　6.ABC

　　7.辐射

　　8. BC

　　9.B

　　10.B

　　11.B

　　12. (1)放射线具有穿透本领，如果向前移动的铝板的厚度有变化，则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化，将这种变化转变的电信号输入到相应的装置，自动地控制图中右侧的两个轮间的距离，达到自动控制铝板厚度的目的.

　　(2) 射线起主要作用，因为 射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1mm的铝板; 射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板.当铝板厚度发生变化时，透过铝板的 射线强度变化较大，探测器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应