高三物理教案：《原子的核式結(jié)構(gòu)》教學(xué)設(shè)計(jì)

　　本文題目：高三物理教案：原子的核式結(jié)構(gòu)

　　原子的核式結(jié)構(gòu) 玻爾理論 天然放射現(xiàn)象

　　一、知識(shí)點(diǎn)梳理

　　1、原子的核式結(jié)構(gòu)

　　(1) 粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果：絕大多數(shù) 粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù) 粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)。

　　(2)原子的核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn).

　　(3)原子核的大小：原子的半徑大約是10-10米，原子核的半徑大約為10-14米～10-15米.

　　2、玻爾理論有三個(gè)要點(diǎn)：

　　(1)原子只能處于一系列的不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的.電子雖然繞核旋轉(zhuǎn)，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài).

　　(2)原子從一種定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時(shí)，它輻射(或吸收)一定頻率的光子，光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定.即hν=E2-E1

　　(3)原子的不同能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)于電子沿不同圓形軌道運(yùn)動(dòng).原子的定態(tài)是不連續(xù) 的，因而電子的可能軌道是分立的.

　　在玻爾模型中，原子的可能狀態(tài)是不連續(xù)的，各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量也是不連續(xù)的，這些不連續(xù)的能量值的能量值叫做能級(jí)。

　　3、原子核的組成 核力

　　原子核是由質(zhì)子和中子組成的.質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子.

　　將核子穩(wěn)固地束縛在一起的力叫核力，這是一種很強(qiáng)的力，而且是短程力，只能在2.0X10-15的距離內(nèi)起作用，所以只有相鄰的核子間才有核力作用.

　　4、原子核的衰變

　　(1)天然放射現(xiàn)象：有些元素自發(fā)地放射出看不見的射線，這種現(xiàn)

　　象叫天然放射現(xiàn)象.

　　(2)放射性元素放射的射線有三種： 、 射線、 射線，

　　這三種射線可以用磁場(chǎng)和電場(chǎng)加以區(qū)別，如圖15.2-1 所示

　　(3)放射性元素的衰變：放射性元素放射出 粒子或 粒子后，衰變成新的 原子核，原子核的這種變化稱為衰變.

　　衰變規(guī)律：衰變中的電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都是守恒的.

　　(4)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時(shí)間稱為半衰期.不同的放射性元素的半衰期是不同的，但對(duì)于確定的放射性元素，其半衰期是確定的.它由原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān).

　　(5)同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)，中子數(shù)不同的原子在元素周期表中處于同一位置，互稱同位素。

　　二、典型例題

　　例1 如圖15-2-2所示為盧瑟福和他的同事們做??粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別放在圖中的A、B、C、D四個(gè)位置時(shí)，觀察到的現(xiàn)象，下述說法中正確的是

　　A.放在A位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)最多

　　B.放在B 位置時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)觀察到屏上的閃光次數(shù)只比A位置時(shí)稍少些

　　C.放在C、D 位置時(shí)，屏上觀察不到閃光

　　D.放在D 位置時(shí)，屏上仍能觀察一些閃光，但次數(shù)極少

　　[解析] 根據(jù)α粒子散射現(xiàn)象，絕大多數(shù) 粒子沿原方向前進(jìn)，少數(shù) 粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，本題應(yīng)選擇A、B、D

　　[點(diǎn)評(píng)] 本題考查學(xué)生是否掌握盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　例2 氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)的軌道過程中 ( )

　　A.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增大

　　B.原子要放出光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量也減小

　　C.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能增大，原子的電勢(shì)能減小，原子的能量增大

　　D.原子要吸收光子，電子的動(dòng)能減小，原子的電勢(shì)能增大，原子的能量增加

　　[解析] 根據(jù)玻爾理論，氫原子核外電子在離核越遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其能量越大， 由能量公式En= (E1=-13.6 eV)可知，電子從低軌道(量子數(shù)n 小)向高軌道(n值較大)躍遷時(shí)，要吸收一定的能量的光子.故選項(xiàng)B可排除.氫原子核外電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)，其向心力由原子核對(duì)電子的庫(kù)侖引力提供，即 = ，電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ek= mv2= .由此可知：電子離核越遠(yuǎn)，r越大時(shí)，則電子的動(dòng)能就越小，故選項(xiàng)A、C均可排除.

　　由于原子核帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，事實(shí)上異性電荷遠(yuǎn)離過程中需克服庫(kù)侖引力做功，即庫(kù)侖力對(duì)電子做負(fù)功，則原子系統(tǒng)的電勢(shì)能將增大，系統(tǒng)的總能量增加，故選項(xiàng)D正確.

　　[點(diǎn)評(píng)] 考查對(duì)玻爾理論、庫(kù)侖定律、圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電場(chǎng)力做功性質(zhì)的綜合運(yùn)用的能力.

　　例3 關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是 ( )

　　A.若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減小

　　B.β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)所產(chǎn)生的

　　C.在α、β、γ這三種射線中，γ射線的穿透能力最強(qiáng)，α射線的電離能力最強(qiáng)

　　D.鈾核( )衰變?yōu)殂U核( )的過程中，要經(jīng)過8次α衰變和10次β衰變

　　[解析]半衰期是由放射性元素原子核的內(nèi)部因素所決定，跟元素的化學(xué)狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān).A錯(cuò);β衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)所產(chǎn)生的， ，B對(duì);根據(jù)三種射線的物理性質(zhì)，C對(duì); U的質(zhì)子數(shù)為92，中子數(shù)為146， Pb的質(zhì)子數(shù)為82，中子數(shù)為124，因而鉛核比鈾核少10個(gè)質(zhì)子，22個(gè)中子。注意到一次α衰變質(zhì)量數(shù)減少4，故α衰變的次數(shù)為x= =8次。再結(jié)合核電荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來判定β衰變的次數(shù)y應(yīng)滿足 2x-y+82=92， y=2x-10=6次。故本題正確答案為B、C。

　　[點(diǎn)評(píng)]

　　1 本題考查α衰變、β衰變的規(guī)律及質(zhì)量數(shù)，質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)之間的關(guān)系。

　　2 β衰變放出的電子并不是由核外電子躍遷出來的，而是從核中衰變產(chǎn)生的。

　　例4、如圖15-2-3K-介子衰變的方程為 ，其中K-介子和π-介子帶負(fù)的基元電荷，π0介子不帶電。一個(gè)K-介子沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，其軌跡為圓弧AP，衰變后產(chǎn)生的π-介子的軌跡為圓弧PB，兩軌跡在P點(diǎn)相切，它們的半徑RK-與Rπ 之比為2∶1。π0介子的軌跡未畫出。由此可知π-介子的動(dòng)量大小與π0介子的動(dòng)量大小之比為 A.1∶1 B.1∶2 C.1∶3 D.1∶6

　　[解析] 根據(jù)題意，分別計(jì)算出帶電粒子在磁場(chǎng)中作圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。根據(jù)動(dòng)量的定義，分別求出兩個(gè)介子的動(dòng)量大小，再?gòu)膱D中確定兩個(gè)介子動(dòng)量的方向，最后運(yùn)用動(dòng)量守恒，計(jì)算出 粒子的動(dòng)量大小。qvKB=mK ，RK= R ， ，pK=-p +p ，

　　p 。正確選項(xiàng)為(C)

　　[點(diǎn)評(píng)] 這題以基本粒子的衰變?yōu)榍榫�，涉及帶電粒子在磁�?chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)量守恒等知識(shí)點(diǎn)，是一道綜合性題目。帶電粒子在磁場(chǎng)中受到洛倫磁力作用，該力的方向與粒子的速度方向垂直，因此，帶電粒子作圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)量守恒，基本粒子衰變前后的總動(dòng)量不變，但計(jì)算過程要主注意動(dòng)量的方向問題。

　　例5 若原子的某內(nèi)層電子被電離形成空位，其它的電子躍遷到該空位上時(shí)，會(huì)將多余的能量以電磁輻射的形式釋放出來，此電磁輻射就是原子的特征X射線。內(nèi)層空位的產(chǎn)生有多種機(jī)制，其中的一種稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，即原子中處于激發(fā)態(tài)的核躍遷回基態(tài)時(shí)，將躍遷時(shí)釋放的能量交給某一內(nèi)層電子，使此內(nèi)層電子電離而形成空位(被電離的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子)。 的原子核從某一激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，可將能量E0=1.416MeV交給內(nèi)層電子(如K、L、M層電子，K、L、M標(biāo)記原子中最靠近核的三個(gè)電子層)使其電離。實(shí)驗(yàn)測(cè)得從 原子的K、L、M層電離出的動(dòng)能分別為EK=1.323MeV、EL=1.399MeV、EM=1.412MeV.則可能發(fā)射的特征X射的能量為

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

　　[解析]電子電離后的動(dòng)能等于吸收的能量減去電子原來所處的能級(jí)的能量，所以原子核的K層的能量為0.093MeV，原子核的L層的能量為0.017MeV，原子核的M層的能量為0.004MeV。所以可能發(fā)射的特征X射的能量為0.076MeV、0.087MeV、0.013MeV。故正確為A、C

　　[點(diǎn)評(píng)]這是一道信息題要求學(xué)生能把題中所給的知識(shí)與已學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合。學(xué)生首先要弄清電子的電離能、動(dòng)能與吸收能量的關(guān)系。

　　三、過關(guān)測(cè)試

　　1、用a、b兩束單色光分別照射同一雙縫干涉裝置，在距雙縫恒定距離的屏上得到圖示的干涉圖樣，其中甲圖是a光照射時(shí)形成的，乙圖是b光照射時(shí)形成的。則關(guān)于a、b兩束單色光，下述正確的是B

　　A.a光光子的能量較大

　　B.在水中a光傳播的速度較大

　　C.若用a光照射某金屬時(shí)不能打出光電子，則用b 光照射該金屬時(shí)一定打不出光電子

　　D.若a光是氫原子從n=4的能級(jí)向n=2的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，則b光可能是氫原子從n=3的能級(jí)向n=2的能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的

　　2、德國(guó)物理學(xué)家弗蘭克林和赫茲進(jìn)行過氣體原子激發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究。如圖(1)他們?cè)谝恢魂帢O射線管中充了要考察的汞蒸氣。極射發(fā)出的電子受陰極K和柵極R之間的電壓UR加速，。電子到達(dá)柵極R時(shí)，電場(chǎng)做功eUR。此后電子通過柵極R和陽極A之間的減速電壓UA。通過陽極的電流如圖(2)所示，隨著加建電壓增大，陽極電流在短時(shí)間內(nèi)也增大。但是到達(dá)一個(gè)特定的電壓值UR后.觀察到電流突然減小。在這個(gè)電壓值上，電于的能量剛好能夠激發(fā)和它們碰撞的原子。參加碰撞的電子交出其能量，速度減小，因此刻達(dá)不了陽極.陽極電流減小。eUR即為基態(tài)氣體原于的激發(fā)能。得到汞原子的各條能級(jí)比基態(tài)高以下能量值：4.88eV, 6.68eV, 8.78eV, 10.32eV(此為汞原子的電離能)。若一個(gè)能量為7.97eV電子進(jìn)入汞蒸氣后測(cè)量它的能量大約是

　　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、某原子核的衰變過程是A B C，下述說法中正確的是 ，

　　A.核C比核B的中子數(shù)少2 B.核C比核A的質(zhì)量數(shù)少5

　　C.原子核為A的中性原子的電子數(shù)比原子核為B的中性原子的電子數(shù)多2

　　D.核C比核A的質(zhì)子數(shù)少1

　　4、原子從一個(gè)能級(jí)躍遷到一個(gè)較低的能級(jí)時(shí)，有可能不發(fā)射光子.例如在某種條件下，鉻原子的n=2能級(jí)上的電子躍遷到n=1能級(jí)上時(shí)并不發(fā)射光子，而是將相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)交給 n=4能級(jí)上的電子，使之能脫離原子，這一現(xiàn)象叫做俄歇效應(yīng).以這種方式脫離了原子的 電子叫做俄歇電子.已知鉻原子的能級(jí)公式可簡(jiǎn)化表示為En=- ，式中n=1，2，3…表示不同能級(jí)，A是正的已知常數(shù).上述俄歇電子的動(dòng)能是

　　(A) A (B) A (C) A (D) A

　　5、 地球的年齡到底有多大，科學(xué)家利用天然放射性元素的衰變規(guī)律，通過對(duì)目前發(fā)現(xiàn)最古老的巖石中鈾和鉛含量來推算。測(cè)得該巖石中現(xiàn)含有的鈾是巖石形成初期時(shí)(巖石形成初期時(shí)不含鉛)的一半，鈾238衰變后形成鉛206，鈾238的相對(duì)含量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖所示，圖中N為鈾238的原子數(shù)，N0為鈾和鉛的總原子數(shù).由此可以判斷出BD

　　A.鈾238的半衰期為90億年

　　B.地球的年齡大致為45億年

　　C.被測(cè)定的古老巖石樣品在90億年時(shí)的鈾、鉛原子數(shù)

　　之比約為1∶4

　　D.被測(cè)定的古老巖石樣品在90億年時(shí)鈾、鉛原子數(shù)之

　　比約為1∶3

　　6.關(guān)于氫原子能級(jí)的躍遷，下列敘述中正確的是 ( )

　　A.用波長(zhǎng)為60nm的倫琴射線照射，可使處于基態(tài)的氫原子電離出自由電子

　　B.用能量為10.2eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　C.用能量為11.0eV的自由電子轟擊，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　D.用能量為12.5eV的光子照射，可使處于基態(tài)的氫原子躍遷到激發(fā)態(tài)

　　7、氫原子從能級(jí)A躍遷到能級(jí)B時(shí)，輻射出波長(zhǎng)為λ1的光子，從能級(jí)A躍遷到能級(jí)C時(shí)，輻射出波長(zhǎng)為入2的光子.若入1>入2，則氫原子從能級(jí)B躍遷到能級(jí)C時(shí)，將______光子，光子的波長(zhǎng)為_______。

　　8、太赫茲輻射(1THz=1012Hz)是指頻率從0.3THz到10THz、波長(zhǎng)介于無線電波中的毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域，所產(chǎn)生的T射線在物體成像、醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測(cè)、通訊等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.最近，科學(xué)家終于研制出以紅外線激光器為基礎(chǔ)的首臺(tái)可產(chǎn)生4.4THz的T射線激光器，從而使T射線的有效利用成為現(xiàn)實(shí)。已知普朗克常數(shù)h=6.63×10-34J?s，關(guān)于4.4THz的T射線，下列說法中錯(cuò)誤的是 BC

　　A.它在真空中的速度為3.0×108m/s　　　B.它是某種原子核衰變時(shí)產(chǎn)生的

　　C.它的波長(zhǎng)比可見光短　　　　　　　　D.它的光子的能量約為2.9×10-21J

　　9、氫原子從能級(jí)A躍遷到能級(jí)B吸收頻率為 的光子，從能級(jí)A躍遷到能級(jí)C釋放頻率為 的光子，若 ，則當(dāng)它從能級(jí)B躍遷到能級(jí)C時(shí)，將

　　A.放出頻率為 的光子　　　B.放出頻率為 的光子

　　C.吸收頻率為 的光子　　　D.吸收頻率為 的光子

　　10、日光燈中有一個(gè)啟動(dòng)器，其中的玻璃泡中裝有氖氣。啟動(dòng)時(shí)，玻璃泡中的氖氣會(huì)發(fā)出紅光，這是由于氖原子的

　　A.自由電子周期性運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的

　　B.外層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　C.內(nèi)層電子受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　D.原子核受激發(fā)而產(chǎn)生的

　　11、已知氦離子He+能級(jí)En與量子數(shù)n的關(guān)系和氫原子能級(jí)公式類似，處于基態(tài)的氦離子He+的電離能為E=54.4eV。為使處于基態(tài)的氦離子He+處于激發(fā)態(tài)，入射光子所需的最小能量為

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

　　12、如圖15.2-5所示是工廠利用放射線自動(dòng)控制鋁板厚度的裝置示意圖.(1)請(qǐng)簡(jiǎn)述自動(dòng)控制的原理.(2)如果工廠生產(chǎn)的是厚度為1mm的鋁板，在 三種射線中，哪一種對(duì)鋁板的厚度控制起主要作用，為什么?

　　參考答案

　　1 .B

　　2.D

　　3.A

　　4.B

　　5.BD

　　6.ABC

　　7.輻射

　　8. BC

　　9.B

　　10.B

　　11.B

　　12. (1)放射線具有穿透本領(lǐng)，如果向前移動(dòng)的鋁板的厚度有變化，則探測(cè)器接收到的放射線的強(qiáng)度就會(huì)隨之變化，將這種變化轉(zhuǎn)變的電信號(hào)輸入到相應(yīng)的裝置，自動(dòng)地控制圖中右側(cè)的兩個(gè)輪間的距離，達(dá)到自動(dòng)控制鋁板厚度的目的.

　　(2) 射線起主要作用，因?yàn)?射線的貫穿本領(lǐng)很小，一張薄紙就能把它擋住，更穿不過1mm的鋁板; 射線的貫穿本領(lǐng)很強(qiáng)，能穿過幾厘米的鉛板.當(dāng)鋁板厚度發(fā)生變化時(shí)，透過鋁板的 射線強(qiáng)度變化較大，探測(cè)器可明顯地反映出這種變化，使自動(dòng)化系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)