有效復習原子物理方法探究

浙江 成金德

原子物理是人們認識物質(zhì)的內(nèi)部結構，揭示物質(zhì)世界本質(zhì)的一門科學，原子物理學與化學、生物學和醫(yī)學等學科緊密聯(lián)系。在高中物理教學中，原子物理雖然不是教學重點內(nèi)容，但是作為學習近代物理學的基礎，在每年的高考中是必考知識。為此，為提高復習效果，筆者認為原子物理復習時必須順著兩條線索，抓住八個要點，熟悉九種題型。

線索1：原子結構

要點1.湯姆孫模型

(1)1897年，英國物理學家湯姆孫通過對陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，說明原子可再分。

(2)棗糕模型(西瓜模型)。帶正電荷的物質(zhì)均勻分布在整個原子球體中，帶負電的電子則一粒粒均勻地鑲嵌在球體內(nèi)。

要點2.原子的核式結構

(1)α粒子散射實驗。1909年，英國物理學家盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔，結果發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉，偏轉的角度甚至大于90°，也就是說它們幾乎被“撞”了回來。

(2)核式結構模型。在原子中心有一個很小的核，原子全部的正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉。

要點3.玻爾模型

(2)玻爾理論

①定態(tài)理論。原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些能量狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖然繞核運動，但并不向外輻射能量。

②躍遷理論。原子從一種定態(tài)躍遷到另一種定態(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hv=En-Em(h是普朗克常量，h=6.63×10-34J·s)。

③軌道理論：原子的不同能量狀態(tài)跟電子在不同的圓周軌道繞核運動相對應。原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道也是不連續(xù)的。

(3)氫原子能級

①氫原子能級。氫原子的能級圖如圖1所示。

圖1

②氫原子的能級公式。

③氫原子的半徑公式。rn=n2r1(n=1，2，3，…)，其中r1為基態(tài)半徑，其數(shù)值為r1=0.53×10-10m。

(4)兩類能級躍遷

②受激躍遷。原子由低能級向高能級躍遷時，需要吸收能量。

光照激發(fā)。原子吸收光子的全部能量，但光子的能量必須恰好等于能級差hν=ΔE；

碰撞、加熱等激發(fā)?？梢晕諏嵨锪Ｗ拥牟糠帜芰浚灰肷淞Ｗ幽芰看笥诨虻扔谀芗壊罴纯?，即E外≥ΔE。

躍遷時注意兩項區(qū)別：

入射光子和入射電子的區(qū)別。若是在光子的激發(fā)下引起的原子躍遷，則要求光子的能量必須等于原子的某兩個能級差；若是在電子的碰撞下引起原子躍遷的，則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個能級差。

(5)電離

處于基態(tài)或激發(fā)態(tài)的原子中的電子由于受激發(fā)而脫離原子核的束縛成為自由電子的過程叫做電離。電離時所需要的最小能量，叫做電離能。

①原子處于各激發(fā)態(tài)的電離能等于各能級的能量值。量子數(shù)越小、電離能越大。

②電離可以通過吸收光子和與實物粒子的碰撞來實現(xiàn)。吸收光子的能量必須不小于電離能，才會發(fā)生電離；與外來粒子和原子碰撞，則外來粒子的能量必須不小于電離能才會發(fā)生電離。

線索2：原子核

要點4.天然放射現(xiàn)象

(1)天然放射現(xiàn)象。放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結構。

(2)三種射線

表1

要點5.衰變

(1)衰變。

原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，變成新的原子核的變化稱為原子核的衰變。

(2)α衰變、β衰變和γ射線。

γ射線：

放射性的原子核在發(fā)生α衰變、β衰變時，產(chǎn)生的新核處于高能級時，它向低能級躍遷，并放出γ光子。因此γ射線經(jīng)常伴隨α射線和β射線產(chǎn)生存在。

(3)半衰期。放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間叫做半衰期。其表達式為：

半衰期表示放射性元素衰變的快慢，不同的放射性元素半衰期不一樣。半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律，對于少數(shù)或個別原子核的衰變不成立。半衰期取決于原子核內(nèi)部因素，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關。

(4)確定衰變次數(shù)的方法

(5)放射性同位素的應用與防護

①放射性同位素。具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子互稱為同位素。放射性同位素可分為天然放射性同位素和人工放射性同位素。放射性同位素的化學性質(zhì)相同。

②放射性同位素的應用。消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。

③放射性同位素的防護。過量的射線對人體組織有破壞作用，所以，在實際工作中要確保輻射的強度在安全劑量之內(nèi)。

要點6.核力和結合能

(1)核力。把核子緊緊地束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核的力叫核力。核力的特點是：核力是強力，比庫侖力大得多；核力是短程力，作用范圍約10-15m；核力的飽和性，即每個核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用。

(2)結合能。核子結合為原子核時放出的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，也稱核能。

(3)平均結合能。原子核的結合能與核子數(shù)之比，叫做原子的比結合能，比結合能也稱平均結合能。不同原子核的比結合能不同，原子核的比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核就越穩(wěn)定。

(4)質(zhì)能方程。物體的能量與它的質(zhì)量之間的關系為E=mc2。

由質(zhì)能方程得到計算核能的公式：ΔE=Δmc2。具體計算核能時有兩種方法：

①根據(jù)ΔE=Δmc2計算，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。

②根據(jù)ΔE=Δm×931.5 MeV計算，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。

要點7.四種核反應

(1)四種核反應

表2

(2)核反應過程中滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。這是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的依據(jù)。因為核反應是不可逆的，所以書寫核反應方程式時只能用“→”表示核反應的方向。

(3)區(qū)分質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量。在核反應中滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，但核反應中存在質(zhì)量虧損。要注意核反應中有質(zhì)量虧損并不表示這部分質(zhì)量消失了，或者這部分質(zhì)量轉化為能量了。

要點8.粒子的分類

(1)強子。強子是參與強相互作用的粒子。質(zhì)子和中子都是強子，強子分為介子和重子。

(2)輕子。輕子是不參與強相互作用的粒子。電子、電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是輕子。

(3)規(guī)范玻色子。規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子。如光子、中間玻色子、膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用。

(4)希格斯玻色子。希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)。2012年歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

突破九類題型

1.考查物理學史

【例1】物理學家通過對實驗的深入觀察和研究，獲得正確的科學認知，推動物理學的發(fā)展。下列說法符合事實的是

( )

A.赫茲通過一系列實驗，證實了麥克斯韋關于光的電磁理論

C.貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的天然放射性現(xiàn)象，說明原子核有復雜結構

D.盧瑟福通過對陰極射線的研究，提出了原子核式結構模型

【點評】解答有關物理學史問題，關鍵在于了解相關的物理學史，準確記住有關重大事件或者重大物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及相關物理學家的名字。

2.氫原子能級

【例2】氫原子的能級圖如圖2所示，關于大量氫原子的能級躍遷，下列說法正確的是(可見光的波長范圍為4.0×10-7m～7.6×10-7m，普朗克常量h=6.6×10-34J·s，真空中的光速c=3.0×108m/s)

圖2

( )

A.氫原子從高能級躍遷到基態(tài)時，會輻射γ射線

B.氫原子處在n=4能級，會輻射可見光

C.氫原子從高能級向n=3能級躍遷時，輻射的光具有顯著的熱效應

D.氫原子從高能級向n=2能級躍遷時，輻射的光在同一介質(zhì)中傳播速度最小的光子能量為1.89 eV

【點評】求解氫原子發(fā)生躍遷的問題時，要注意以下兩點：氫原子發(fā)生躍遷時，吸收或釋放的光子能量只能等于兩個能級之間的能量差，即hν=E高-E低。氫原子發(fā)生電離時，吸收的能量可以大于或等于某一個能級能量的絕對值，剩余能量轉化為自由電子的動能。

3.求光譜數(shù)

【例3】處于n=3能級的大量氫原子，向低能級躍遷時，輻射光的頻率有

( )

A.1種 B.2種 C.3種 D.4種

4.衰變

【例4】已知A和B兩種放射性元素的半衰期分別為T和2T，則相同質(zhì)量的A和B經(jīng)過2T后，剩有的A和B質(zhì)量之比為

( )

A.1∶4 B.1∶2 C.2∶1 D.4∶1

5.核反應方程

( )

A.質(zhì)子 B.中子 C.電子 D.α粒子

【點評】有關考查核反應方程的問題，求解時必須緊緊抓住核反應方程的兩個守恒：質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。

6.核聚變

【例6】我國核聚變反應研究大科學裝置“人造太陽”2018年獲得重大突破，等離子體中心電子溫度首次達到1億攝氏度，為人類開發(fā)利用核聚變能源奠定了重要的技術基礎。下列關于聚變的說法正確的是

( )

圖3

A.核聚變比核裂變更為安全、清潔

B.任何兩個原子核都可以發(fā)生聚變

C.兩個輕核結合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加

D.兩個輕核結合成質(zhì)量較大的核，核子的比結合能增加

【分析】核聚變與核裂變相比，核聚變時核輻射極少，核反應生成的廢物容易處理，所以，核聚變比核裂變更為安全、清潔，選項A正確；自然界中最容易發(fā)生核聚變的是氘核和氚核，任意的兩個原子核不一定能發(fā)生核聚變，選項B錯誤；兩個輕核發(fā)生聚變，產(chǎn)生質(zhì)量較大的原子核，總質(zhì)量減小，產(chǎn)生了質(zhì)量虧損現(xiàn)象，選項C錯誤；兩個輕核結合成質(zhì)量較大的核時，其比結合能增加，故選項D正確。

【點評】求解此類問題時，必須明確核聚變的特點：只有質(zhì)量較小的“輕核”才有可能發(fā)生核聚變，聚變時有質(zhì)量虧損，釋放核能，核子的比結合能增加，而且要發(fā)生核聚變，必須使核子的溫度達到幾百萬開爾文以上。

7.比結合能圖線

【例7】原子核的比結合能曲線如圖4所示。根據(jù)該曲線，下列判斷正確的有

圖4

( )

【點評】考查比結合能圖像時，要注意兩點：比結合能越大的原子核越穩(wěn)定，不容易發(fā)生核反應；比結合能變大的核反應，將釋放核能。

8.核能的計算

( )

A.40 kg B.100 kg C.400 kg D.1 000 kg

【點評】涉及核能計算的問題，一般通過兩種方法進行：其一，直接應用ΔE=Δmc2計算；其二，若已知質(zhì)量虧損的數(shù)值，但其單位是原子質(zhì)量單位，即用“u”表示，則可應用ΔE=Δm×931.5 MeV計算。

9.綜合問題

【例9】靜止在勻強磁場中的原子核X發(fā)生α衰變后變成新原子核Y。已知核X的質(zhì)量數(shù)為A，電荷數(shù)為Z，核X、核Y和α粒子的質(zhì)量分別為mX、mγ和mα，α粒子在磁場中運動的半徑為R。則

( )

B.核Y的結合能為(mX-mY-mα)c2

【點評】求解有關核反應與其他知識的綜合問題時，務必注意知識的結合點，熟練運用相關的知識。如本題中，核反應與力學中的動量守恒和能量守恒相結合，則必須注意對核反應中的相關帶電粒子正確和熟練應用動量守恒定律和能量守恒定律。

結束語

在復習原子結構和原子核這一專題時，必須正確掌握八大知識要點，熟練把握九類高考題型，實現(xiàn)準確掌握、融會貫通的目標。