《原子結(jié)構(gòu)核能》PPT課件.pptx

第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)核能,一、原子結(jié)構(gòu),1.電子的發(fā)現(xiàn),湯姆生在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了,提出了原子的棗糕模型。,2.粒子散射實(shí)驗(yàn),粒子散射實(shí)驗(yàn)是用粒子轟擊金箔,結(jié)果是穿過金箔后仍沿原來方向前進(jìn),發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn),極個(gè)別粒子甚至。,答案：1.電子,2.絕大多數(shù)少數(shù)反向,3.核式結(jié)構(gòu),在原子的中心有一個(gè)很小的,叫原子核,原子的都集中在原子核里,帶在核外空間運(yùn)動(dòng)。,答案：核幾乎全部質(zhì)量和全部正電荷負(fù)電的電子,二、氫原子光譜,1.光譜分析,利用元素的特征譜線(線狀譜)分析和確定物質(zhì)的組成成分即光譜分析。,2.氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,巴耳末系是氫光譜在可見光區(qū)的譜線,其波長公式=R(-)(n=3,4,5,R是里德伯常量,R=1.10107m-1)。,三、玻爾模型,1.玻爾的三條假設(shè),(1)能量量子化:原子只能處于一系列狀態(tài)中,在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的,電子雖然繞核運(yùn)動(dòng),但并不向外輻射能量,這些狀態(tài)叫做。,對(duì)氫原子滿足:En=E1,其中E1=-13.6eV,答案：不連續(xù)定態(tài),相對(duì)應(yīng)。原子的定態(tài)是不連續(xù)的,因此電子運(yùn)動(dòng)的可能軌道的分布也是不連續(xù)的。,對(duì)氫原子滿足:rn=n2r1,其中r1=0.5310-10m。,(3)能級(jí)躍遷:原子從一種定態(tài)(設(shè)能量為E2)躍遷到另一種定態(tài)(設(shè)能量為E1)時(shí),它一定頻率的光子,光子的能量由這兩種定態(tài)的能量差決定,即h=E2-E1。,(2)軌道量子化:原子的跟電子沿不同的圓形軌道繞核運(yùn)動(dòng),答案：(2)定態(tài)軌道(3)輻射或吸收,2.氫原子能級(jí)圖:如圖所示,1896年,在鈾礦石中發(fā)現(xiàn)未知的射線,把這些射線稱為射線、射線、射線,這就是天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),說明原子核。,答案：貝克勒爾具有復(fù)雜結(jié)構(gòu),四、天然放射現(xiàn)象及三種放射線的比較,1.天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),2.三種射線的比較,3.三種射線在勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)情況比較:,五、原子核的衰變及衰變規(guī)律,1.衰變,原子核由于自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)化為新核的變化。,2.衰變規(guī)律,(1)衰變XYHe,實(shí)質(zhì):H+nHe,(2)衰變XYe,實(shí)質(zhì)nHe,3.半衰期,(1)定義:放射性元素衰變有一定的速率,我們把放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間叫半衰期,用表示。,(2)公式:m=m0(,(3)特點(diǎn):半衰期由該元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定,跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強(qiáng)、溫度等)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物等)無關(guān)。另外,半衰期僅是對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。比如研究200個(gè)鈾的原子核經(jīng)過一個(gè)半衰期后還剩多少個(gè)鈾的原子核是沒有意義的。,六、核能,1.核力,核子間的作用力。核力是短程強(qiáng)力,作用范圍在1.510-15m之內(nèi),只在的核子間發(fā)生作用。,答案：相鄰,結(jié)合為原子核時(shí)釋放的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量,叫做原子核的能,亦稱核能。,3.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損,愛因斯坦質(zhì)能方程E=,原子核的質(zhì)量必然比組成它的核子的質(zhì)量和要小,這就是質(zhì)量虧損m。由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能E=。,答案：2.核子結(jié)合,3.mc2mc2,2.核能,七、重核的裂變與輕核的聚變,1.裂變,重核分裂成質(zhì)量較小的核的反應(yīng)。如:U+XeSr+1n。,2.聚變,輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)。如:HHn。,一、氫原子能級(jí)圖及原子躍遷的理解,【自主探究1】用頻率為0的光照射大量處于基態(tài)的氫原子,在所發(fā)射的光譜中僅能觀測到頻率分別為1、2、3的三條譜線,且3>2>1,則()。,A.0<1B.3=2+1,C.0=1+2+3D.=+,思路點(diǎn)撥:氫原子從n能級(jí)躍遷到基態(tài)能輻射幾種頻率的光?,答案：B,解析:大量處于基態(tài)的氫原子躍遷時(shí)只有三條譜線,這說明是從n=3的能級(jí)向低能級(jí)躍遷,根據(jù)能量守恒有,h3=h2+h1,解得:3=2+1,選項(xiàng)B正確。,歸納要點(diǎn)對(duì)原子躍遷條件的理解,(1)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷,吸收一定能量的光子,當(dāng)一個(gè)光子的能量滿足h=E末-E初時(shí),才能被某一個(gè)原子吸收,使原子從低能級(jí)E初向高能級(jí)E末躍遷,而當(dāng)光子能量h大于或小于E末-E初時(shí)都不能被原子吸收。,(2)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷,以光子的形式向外輻射能量,所輻射,的光子能量恰等于發(fā)生躍遷時(shí)的兩能級(jí)間的能量差。,(3)原子躍遷條件h=Em-En只適用于光子和原子作用而使原子在各定態(tài)之間躍遷的情況。對(duì)于光子和氫原子作用而使原子電離時(shí),只要入射光的能量E13.6eV,原子就能吸收。對(duì)于實(shí)物粒子與原子作用使原子激發(fā)時(shí),粒子能量大于或等于能級(jí)差即可。,二、核反應(yīng)的四種類型,【自主探究2】現(xiàn)有5個(gè)核反應(yīng)方程,AHHHen,BUnXSr+n,CNaMge,DNaRnHe,EHeBeCn,(1)是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程,是研究核彈的基本核反應(yīng)方程式。,(2)B項(xiàng)中X的質(zhì)量數(shù)為,中子數(shù)為。,(3)以上五個(gè)核反應(yīng)的反應(yīng)類型是,A.;B.;C.;D.;E.。,答案:(1)EB、A(2)14086,(3)聚變裂變衰變衰變?cè)雍说娜斯まD(zhuǎn)變,(3)衰變是原子核自發(fā)地放出粒子或粒子的反應(yīng),C是衰變,D是衰變,E是人工控制的原子核的變化,屬人工轉(zhuǎn)變,裂變是重核吸收中子后分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng),B是裂變,聚變是幾個(gè)輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核的反應(yīng),A是聚變。,(2)由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可以判定X質(zhì)量數(shù)為140,電荷數(shù)為54,所以中子數(shù)為:140-54=86。,解析:(1)E是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程,A是氫彈、B是原子彈的核反應(yīng)方程。,歸納要點(diǎn)1.熟記常見基本粒子的符號(hào),是正確書寫核反應(yīng)方程的基礎(chǔ)。如質(zhì)子H)、中子n)、粒子He)、粒子e)、正電子e)、氘核H)、氚核H)等。,2.核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律,這是正確書寫核反應(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)。,BeHeCn(查德威克發(fā)現(xiàn)中子),(3)重核裂變:例:UnXeSr+1n(可人工控制,緩慢釋放能量),UnBaKr+n,(4)輕核聚變:例HHHen(不能人工控制),3.熟悉核反應(yīng)的四種基本類型,可以幫助我們理清思路,很快寫出正確的核反應(yīng)方程。,(1)衰變:例:UThHe,ThPae,(2)人工轉(zhuǎn)變:例:NHeOH(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子),易錯(cuò)辨析,請(qǐng)你判斷下列表述正確與否,對(duì)不正確的,請(qǐng)予以更正。,1.衰變中的電子來源于原子核外電子。,2.核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒,方程兩邊的質(zhì)量也相等。,3.如某放射性元素的半衰期是5天,那么100個(gè)該元素的原子核經(jīng)過10天還剩下25個(gè)。,4.電子繞核旋轉(zhuǎn)的半徑越大,動(dòng)能越小,電勢能越大,總能量越大。,5.目前核電站多數(shù)是采用核聚變反應(yīng)發(fā)電。,3.錯(cuò)誤。半衰期是對(duì)大量原子核的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,100個(gè)太少,不能用半衰期公式計(jì)算。,4.正確。,5.錯(cuò)誤?，F(xiàn)在的核電站利用核裂變釋放的能量,不是聚變釋放的能量,利用聚變釋放的能量是現(xiàn)在努力的方向,雖有突破,但還不能大規(guī)模,應(yīng)用。,答案:1.錯(cuò)誤。衰變的實(shí)質(zhì)是中子衰變成質(zhì)子,放出電子,來源于原子核內(nèi)部,核反應(yīng)方程為:He。,2.錯(cuò)誤。核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)守恒,但方程兩邊的質(zhì)量并不相等,核反應(yīng)一般要釋放能量,反應(yīng)后的核子的總質(zhì)量小于反應(yīng)前的總質(zhì)量,稱為質(zhì)量虧損。,提升應(yīng)用技巧的突破口,命題研究一、能級(jí)躍遷與光譜線問題,【例1】如圖所示為氫原子最低的四個(gè)能級(jí),當(dāng)氫原子在這些能級(jí)間躍遷時(shí):,(1)有可能放出多少種能量的光子。,(2)在哪兩個(gè)能級(jí)間躍遷時(shí),所放出光子波長最長?波長是多少?,思路點(diǎn)撥:(1)輻射出的光譜線條數(shù)如何求?,(2)用h=Em-En和c=求波長。,由h=E4-E3得:h=E4-E3,所以=m1.8810-6m。,答案:(1)6種(2)見解析,解析:(1)N=種=6種。,(2)氫原子由第4能級(jí)向第3能級(jí)躍遷時(shí),能級(jí)差最小,輻射的光子波長最長。,規(guī)律總結(jié)(1)一個(gè)氫原子和一群氫原子的區(qū)別:一個(gè)氫原子只有一個(gè)電子,在某個(gè)時(shí)刻電子只能在某一個(gè)可能的軌道上,當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道上時(shí),可能情況有種,=,但產(chǎn)生的躍遷只有一種。而如果是大量的氫原子,這些原子的核外電子躍遷時(shí)就會(huì)出現(xiàn)所有的可能情況。,(2)入射光子和入射電子的區(qū)別:若是在光子的激發(fā)下引起原子躍遷,則要求光子的能量必須等于原子的某兩個(gè)能級(jí)差;若是在電子的碰撞下引起的躍遷,則要求電子的能量必須大于或等于原子的某兩個(gè)能級(jí)差。,拓展鏈接1用大量具有一定能量的電子轟擊大量處于基態(tài)的氫原子,觀測到了一定數(shù)目的光譜線。調(diào)高電子的能量再次進(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)光譜線的數(shù)目比原來增加了5條。用n表示兩次觀測中最高激發(fā)態(tài)的量子數(shù)n之差,E表示調(diào)高后電子的能量。根據(jù)氫原子的能級(jí)圖(如圖所示)可以判斷,n和E的可能值為()。,A.n=1,13.22eV<E<13.32eV,B.n=2,13.22eV<E<13.32eV,C.n=1,12.75eV<E<13.06eV,D.n=2,12.75eV<EE4-E1,E-0.85-(-13.60)eV=12.75eV,E<-0.54-(-13.60)eV=13.06eV,所以12.75eV<E<13.06eV,故D項(xiàng)正確。同理當(dāng)n=1時(shí),使調(diào)高后電子的能量滿足E6-E1<E<E7-E1,-0.38-(-13.60)eV<E<-0.28-(-13.60)eV,所以,13.22eV<E<13.32eV。故A項(xiàng)正確。,【例2】放射性同位素釷232經(jīng)、衰變會(huì)生成氡,其衰變方程為ThRn+x+y,其中()。,命題研究二、核反應(yīng)方程,A.x=1,y=3B.x=2,y=3,C.x=3,y=1D.x=3,y=2,思路點(diǎn)撥:由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒能求解嗎?,解析:由衰變方程ThRn+He+e,由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得:232=220+4x,90=86+2x-y可解得x=3、y=2。,答案：D,規(guī)律總結(jié)根據(jù)核反應(yīng)方程的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒來求解,解二元一次方程組,有時(shí)為了確定衰變次數(shù),往往由質(zhì)量數(shù)的改變先確定衰變的次數(shù),因?yàn)樗プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無影響,然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)。,種聚變反應(yīng)可能發(fā)生,放出熱量。這幾種反應(yīng)的總效果可以表示為HHe+H+n+43.15MeV,由平衡條件可知()。,拓展鏈接2核聚變有望給人類的未來提供豐富的潔凈能源。當(dāng)氘等離子體被加熱到適當(dāng)高溫時(shí),氘核參與的幾,A.k=1,d=4B.k=2,d=2,C.k=1,d=6D.k=2,d=3,答案：B解析:根據(jù)核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得,解得,B對(duì)。,【例3】一塊含鈾的礦石質(zhì)量為M,其中鈾元素的質(zhì)量為m,鈾發(fā)生一系列衰變,最終生成物為鉛。已知鈾的半衰期為T,那么下列說法中正確的是()。,命題研究三、半衰期的理解與計(jì)算,A.經(jīng)過2個(gè)半衰期后,這塊礦石中基本不再含有鈾,B.經(jīng)過2個(gè)半衰期后,原來所含的鈾元素的原子核有發(fā)生了衰變,C.經(jīng)過3個(gè)半衰期后,其中鈾元素的質(zhì)量還剩,D.經(jīng)過1個(gè)半衰期后該礦石的質(zhì)量剩下,思路點(diǎn)撥:解答本題的關(guān)鍵是理解半衰期的概念,注意:經(jīng)過1個(gè)半衰期后是鈾元素的質(zhì)量還有,不是該礦石的質(zhì)量還剩下。,規(guī)律總結(jié):半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,與外界因素?zé)o關(guān),用N0、m0分別表示衰變前的原子核數(shù)目和質(zhì)量,N、m分別表示衰變后剩余的原子核的數(shù)目和質(zhì)量,為半衰期,t表示衰變過程所經(jīng)歷的時(shí)間,則N=N0(,m=m0(。,解析:經(jīng)過2個(gè)半衰期后礦石中剩余的鈾應(yīng)該有,經(jīng)過3個(gè)半衰期后礦石中剩余的鈾還有。因?yàn)樗プ儺a(chǎn)物大部分仍然留在該礦石中,所以礦石質(zhì)量沒有太大的改變。,答案：C,拓展鏈接3一個(gè)氡核Rn衰變成釙核Po并放出一個(gè)粒子,其半衰期為3.8天。1g氡經(jīng)過7.6天衰變掉氡的質(zhì)量,以及Rn衰變成Po的過程放出的粒子是()。,A.0.25g,粒子B.0.75g,粒子,C.0.25g,粒子D.0.75g,粒子,答案：B解析:氡核半衰期為3.8天,7.6天為2個(gè)半衰期,所以1g氡7.6天衰變掉的質(zhì)量為1g+(1g)=0.75g。由RnPoHe知Rn衰變成Po的過程中放出的粒子是He,即粒子,所以B正確。,【例4】天文學(xué)家測得銀河系中氦的百分含量約為25%,有關(guān)研究表明,宇宙中氦生成的途徑有兩條:一是在宇宙誕生后二分鐘左右生成的;二是在宇宙演化到恒星誕生后,由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)生成的。,(1)把氫核聚變反應(yīng)簡化為4個(gè)氫核H)聚變成氦核He),同時(shí)放出2個(gè)正電子e)和2個(gè)中微子(e),請(qǐng)寫出該氫核聚變反應(yīng)的方程,并計(jì)算一次反應(yīng)釋放的能量。,(2)研究表明,銀河系的年齡約為t=3.81017s,每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量約為11037J(即P=11037J/s)?，F(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚,命題研究四、質(zhì)量虧損與核能的計(jì)算,變反應(yīng),試估算銀河系中氦的百分含量(最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。,(3)根據(jù)你的估算結(jié)果,對(duì)銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。,(可能用到的數(shù)據(jù):銀河系質(zhì)量約為M=31041kg,原子質(zhì)量單位1u=1.6610-27kg,1u相當(dāng)于1.510-10J的能量,電子質(zhì)量me=0.0005u,氦核質(zhì)量m=4.0026u,氫核質(zhì)量mp=1.0078u,中微子e質(zhì)量為零。),思路點(diǎn)撥:書寫核反應(yīng)方程求出氫核聚變時(shí)的質(zhì)量虧損求出聚變時(shí)釋放的核能估算銀河系中氦的百分含量與已知百分含量對(duì)比得出結(jié)論。,解析:(1)核反應(yīng)方程為:HHe+e+2e,其質(zhì)量虧損:m=4mp-m-2me,其釋放的能量:E=mc2,代入數(shù)據(jù)得:E4.1210-12J。,(2)銀河系的總能量E=Pt,到目前為止核反應(yīng)的次數(shù)N=,核聚變反應(yīng)生成的氦的質(zhì)量m=Nm,m=m6.11039kg,氦的百分含量k=100%2%。,(3)由估算結(jié)果可知,k=2%遠(yuǎn)小于25%的實(shí)際值,所以銀河系中的氦主要是宇宙誕生后不久生成的。,答案:(1)4.1210-12J(2)2%(3)宇宙誕生后不久生成的,行計(jì)算。計(jì)算時(shí)m的單位是“u”,E的單位是“MeV”。,(3)有時(shí)結(jié)合動(dòng)量守恒和能量守恒進(jìn)行分析計(jì)算,此時(shí)要注意動(dòng)量、動(dòng)能關(guān)系式p2=2mEk的應(yīng)用。,規(guī)律總結(jié)：求核能的方法:,(1)先算出質(zhì)量虧損m,然后利用E=mc2進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)m的單位是“kg”,c的單位是“m/s”,E的單位是“J”。,(2)質(zhì)量用原子質(zhì)量單位,計(jì)算出質(zhì)量虧損后,用E=m931.5MeV進(jìn),A.核反應(yīng)方程是HnH+,拓展鏈接4一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核,同時(shí)輻射一個(gè)光子。已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3,普朗克常量為h,真空中的光速為c。下列說法正確的是()。,B.聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m=m1+m2-m3,C.輻射出的光子的能量E=(m3-m1-m2)c,D.光子的波長=,答案：B解析:由HnH+知,A錯(cuò);質(zhì)量虧損m=m1+m2-m3,B正確;由E=mc2結(jié)合質(zhì)量虧損知,C錯(cuò)誤;mc2=h=h,所以光子的波長=,因此D錯(cuò)誤。,本課結(jié)束謝謝觀看,