1、第十七章 原子物理学原子结构认识的历史过程汤姆生原子模型卢瑟福核式结构模型例：卢瑟福实验证明： 当两个原子核之间的距离小到 10-15m 时, 它们之间的排斥力仍遵守库仑定律. 金的原子核中有 79 个质子, 氦原子核( 粒子) 中有 2 个质子. 已知每个质子带电 e=1.6010-19C, 粒子质量为 6.6810-27kg, 当 粒子与金核相距为 6.910-15m时(设这时它们仍可当作点电荷 ), 求：(1) 粒子所受的力; (2) 粒子的加速度.例：电子的质量 m=9.110-28g, 电子的电荷 e=1.610-19C, 已知原子的核外电子绕核运动的圆轨道半径 r=5.310-9c
2、m . 问：(1) 电子所受向心力等于多少? (2) 电子绕核运动的周期等于多少?波尔原子模型例：玻尔在他提出的原子模型中所做的假设有( ).A、 原子处于称为定态的能量状态时,虽然电子做加速运动,但并不向外辐射能量B、 原子的不同能量状态与电子沿不同的圆轨道绕核运动相对应,而电子的可能轨道的分布是不连续的C、 电子从一个轨道跃迁到另一轨道时,辐射(或吸收)一定频率的光子D、 电子跃迁时辐射的光子的频率等于电子绕核做圆周运动的频率例：玻尔理论中依据氢原子电子绕核转动是库仑力提供向心力，即 ，nnrvmek22加之玻尔假设的电子轨道（半径）公式 （n 为量子数） ，试推导出电子绕核运转12rn的
3、动能公式 及周期公式 。21nEk13Tn例：氢原子处于基态时能量为 E1-13.6eV，电子的质量为 m，电量为e，求：(1) 从 n3 的能量状态跃迁到 n2 的能量状态时所辐射的能量；(2) 氢原子处于 m5 状态时核外电子的速度；(3) 氢原子吸收波长为 0.610-7m 的紫外线而电离( 即电子不再受核的束缚)后所具有的动能.电子云 粒子散射实验（现象、原因、解释）例：当 粒子被重核散射时,图所示的运动轨迹哪些是不可能存在的( ).原子的能级结构、氢原子模型的应用、光子的发射与接收例：氢原子能级图一部分如图所示，A 、 B、C 分别表示原子在三种跃迁过程中辐射出的光子.它们的能量和波
4、长分别为 EA、E B、E C 和 A、 B、 C,则下述关系中正确的是A. B. C= A+ B BACllC.EC=EA+EB D. CBAll例：电子绕原子核的运动可视为一环形电流。按玻尔模型氢原子处于基态时，电子轨道半径 r=0.5310-10 米，试求电子绕氢原子核运动时，等效电流的大小。 （电子电量e=1.610-19 库，电子质量 m=0.9110-30 千克，k=9.010 9 牛 米 2/库 2。 ）核反应类型衰变例：一个原子核 进行一次 衰变后成为原子核 ,然后又进行一次 衰变,成为XabYcd原子核 ： 它们的质量数 a、c、f 及电荷数 b、d、g 之间应有的Zfg Z
5、Yfgcd 关系是( ).A： a=f+4 B： c=f C： d=g-1 D： b=g+1人工转变例：如图所示，静止在匀强磁场中的一个 粒子，俘获一个速度为 v =7.3104 米/B105秒的中子发生核反应，生成一个氦核与一个新核。若测得氦核的速度为 2104 米/秒，方向与反应前中子运动方向相同，请（1）写出核反应方程； （2）画出核反应两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图；（3）求出氦核与新核轨道半径之比； （4）求出氦核与新核旋转周期之比。重核的裂变轻核的聚变三种射线（本质、特点）原子核的人工转变（质子的发现、中子的发现）例：如图 52 所示是卢瑟福发现质子的核反应实验装置示意图.A
6、 是 粒子源，F是铝箔，S 为荧光屏，在容器中充入氮气后屏 S 上出现闪光，该闪光是由于 AA. 粒子射到屏上产生的B. 粒子击中氮核后产生的新粒子射到屏上产生的C. 粒子从 F 上打出的某种粒子射到屏上产生的 D.粒子源中放入的 射线射到屏上产生的例：如图所示，由天然放射性元素钋(Po) 放出的射线 x1，轰击铍( Be)时会产生粒子49流 x2，用粒子流 x2 轰击石蜡时会打出粒子流 x3，经研究知道：(A)x1 为粒子；x 2 为中子；(B)x1 为 粒子；x 3 为质子；(C)x2 为质子，x 3 为中子；(D)x2 为质子， x3 为光子。 例：目前普遍认为，质子和中子都是由被称为
7、u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成。u 夸克带电量为 e，d 夸克带电量 e，e 为基元电荷。下列论断可能正确的是1A 质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成B 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成C 质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成D 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成核能的计算例：铀核( )裂变生成钡 和氪 . 已知 、 、 以及中子U235
8、9)(1456Ba)(9236KrU2359Ba146Kr923的质量分别是 235.0439 u , 140.9139u , 91.8973u 和 1.0087u. (1) 试写出铀核裂变反应方程, 并计算一个 235U 核裂变时放出的核能.(2) 我国秦山核电站的功率为 30 万千瓦, 假如 235U 能够完全发生裂变 , 其中有一半的核能转化为电能. 以上述裂变反应来估算, 电站一年要消耗多少 235U?用 粒子轰击铍核（ ） ，产生中子并释放出 5610 6eV 的能量。求：Be94（1）45 g 铍全部发生反应，可释放多少能量？（2）反应前后总质量亏损是多少？（3）参加反应的氦的质量
9、是多少？例：能源危机是一个全球性的共同问题，科学家们正在积极探索核能的开发与和平利用， 其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景。热核反应比相同数量的核子发生裂变反应释放 的能量要大好几倍，同时所造成的污染也要轻得多，而且可用于热核反应的氘( )在海水中的总含量非常丰富，所以一旦可控热核反应能够达到实用，便可解H21决人类所面临的能源危机问题。(1)热核反应中的一种反应是 1 个氘核和 1 个氚核( )聚变为一个氦核( )，请完H31H42成这个核反应方程式： 。能 量 H4232(2)若氘核的质量为 2.0141u，氚核的质量为 3.0161u，中子的质量为 1.0087u，氦核的质量为 4.
10、0026u。其中 u 是原子质量单位，已知 1u 相当于 931MeV 的能量，则上述核反应过程中释放的能量为 MeV。( 保留 3 位有效数字)例：4 个质子在高温下能聚变成一个 粒子同时放出能量. 已知质子质量为1.007276u, 粒子质量为 4.001506 u, 1u=1.6610-27kg, 阿伏加德罗常数为 6.021023/mol. (1) 写出核反应方程; (2) 1g 氢完全聚变成 粒子能释放出多少能量?例：每一个 核裂变时平均释放 200MeV 的核能. 发电能力为 5 105kW 的核电站U2359 若以 U235 为核燃料, 一天至少需要多少个 U235 核发生裂变
11、? 相当于多少克纯 U235? 裂变所释放的能量与多少千克煤燃烧释放的化学能等效? (煤的燃烧值取 3.0 107J/kg)例:（1）精确的研究表明，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如图所示的关系.试根据此图说出至少两条相关信息.(2)太阳的能量来自下面的反应：四个质子（氢核）聚变成一个 粒子，同时发射两个正电子和两个没有静止质量的中微子，已知氢气燃烧与氧气化合生成水，每形成一个水分子释放的能量为6.2 eV，若想产生相当于太阳上 1 kg 的氢核聚变成 粒子所释放的能量，须燃烧多少千克氢气？ 粒子质量 m =4.0026 u，质子质量 mp=1.00783
12、 u,电子质量 me=5.4810-4 u（u 为原子质量单位）例：如图所示，有界的匀强磁场磁感应强度为 B=0.50T，磁场方向垂直于纸面向里，MN 是磁场的左边界在磁场中 A 处放一个放射源，内装 （镭） ， 放出某种Ra268a268射线后衰变成（氡） 试写出 衰变的方程若 A 距磁场的左边界 MN 的距离Ra268OA=1.0m 时，放 MN 左侧的粒子接收器接收到垂直于边界 MN 方向射出的质量较小的粒子，此时接收器位置距经过 OA 的直线 1.0m由此可以推断出一个静止镭核 衰变Ra268时放出的能量是多少？保留 2 位有效数字 （取 ，电子电量 ）kglu27106.Ce190.
13、例：在一原子反应堆中, 用石墨 (碳)作减速剂使快中子减速. 已知碳核的质量是中子的 12 倍. 假设把中子与碳核的每次碰撞都看作是弹性正碰, 而且认为碰撞前碳核都是静止的.(1) 设碰撞前中子的动能是 , 问经过一次碰撞中子损失的能量是多少 ?0E(2) 至少经过多少碰撞, 中子的动能才能小于 10-6 ?( lg13=1.114, lg11=1.041).0E例：太阳现正处于主序星演化阶段。它主要是由电子和 、 等原子核组成。维H1e42持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是 释放的核能，这e1些核能最后转化为辐射能。根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的 核数目从
14、现有数减少 10，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段。为了H1简化，假定目前太阳全部由电子和 核组成。H1（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量 M。已知地球半径R6.4 106 m，地球质量 m6.010 24 kg，日地中心的距离 r1.510 11 m，地球表面处的重力加速度 g10 m/s 2 ， 1 年约为 3.2107 秒，试估算目前太阳的质量 M。（2）已知质子质量 mp1.6726 1027 kg， 质量 m 6.645810 27 kg，电子e42质量 me0.910 30 kg，光速 c310 8 m/s。求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能。（3）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能 w1.3510 3 W/m2。试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命。 （估算结果只要求一位有效数字。 ）
