《原子结构核能》PPT课件.pptx

第二节原子结构核能,一、原子结构,1.电子的发现,汤姆生在研究阴极射线时发现了,提出了原子的枣糕模型。,2.粒子散射实验,粒子散射实验是用粒子轰击金箔,结果是穿过金箔后仍沿原来方向前进,发生了较大的偏转,极个别粒子甚至。,答案：1.电子,2.绝大多数少数反向,3.核式结构,在原子的中心有一个很小的,叫原子核,原子的都集中在原子核里,带在核外空间运动。,答案：核几乎全部质量和全部正电荷负电的电子,二、氢原子光谱,1.光谱分析,利用元素的特征谱线(线状谱)分析和确定物质的组成成分即光谱分析。,2.氢原子光谱的实验规律,巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线,其波长公式=R(-)(n=3,4,5,R是里德伯常量,R=1.10107m-1)。,三、玻尔模型,1.玻尔的三条假设,(1)能量量子化:原子只能处于一系列状态中,在这些状态中原子是稳定的,电子虽然绕核运动,但并不向外辐射能量,这些状态叫做。,对氢原子满足:En=E1,其中E1=-13.6eV,答案：不连续定态,相对应。原子的定态是不连续的,因此电子运动的可能轨道的分布也是不连续的。,对氢原子满足:rn=n2r1,其中r1=0.5310-10m。,(3)能级跃迁:原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)时,它一定频率的光子,光子的能量由这两种定态的能量差决定,即h=E2-E1。,(2)轨道量子化:原子的跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动,答案：(2)定态轨道(3)辐射或吸收,2.氢原子能级图:如图所示,1896年,在铀矿石中发现未知的射线,把这些射线称为射线、射线、射线,这就是天然放射现象的发现。天然放射现象的发现,说明原子核。,答案：贝克勒尔具有复杂结构,四、天然放射现象及三种放射线的比较,1.天然放射现象的发现,2.三种射线的比较,3.三种射线在匀强磁场、匀强电场中偏转情况比较:,五、原子核的衰变及衰变规律,1.衰变,原子核由于自发地放出某种粒子而转化为新核的变化。,2.衰变规律,(1)衰变XYHe,实质:H+nHe,(2)衰变XYe,实质nHe,3.半衰期,(1)定义:放射性元素衰变有一定的速率,我们把放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期,用表示。,(2)公式:m=m0(,(3)特点:半衰期由该元素的原子核内部本身的因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强、温度等)或化学状态(如单质、化合物等)无关。另外,半衰期仅是对大量原子核的统计规律。比如研究200个铀的原子核经过一个半衰期后还剩多少个铀的原子核是没有意义的。,六、核能,1.核力,核子间的作用力。核力是短程强力,作用范围在1.510-15m之内,只在的核子间发生作用。,答案：相邻,结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫做原子核的能,亦称核能。,3.质能方程、质量亏损,爱因斯坦质能方程E=,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小,这就是质量亏损m。由质量亏损可求出释放的核能E=。,答案：2.核子结合,3.mc2mc2,2.核能,七、重核的裂变与轻核的聚变,1.裂变,重核分裂成质量较小的核的反应。如:U+XeSr+1n。,2.聚变,轻核结合成质量较大的核的反应。如:HHn。,一、氢原子能级图及原子跃迁的理解,【自主探究1】用频率为0的光照射大量处于基态的氢原子,在所发射的光谱中仅能观测到频率分别为1、2、3的三条谱线,且321,则()。,A.01B.3=2+1,C.0=1+2+3D.=+,思路点拨:氢原子从n能级跃迁到基态能辐射几种频率的光?,答案：B,解析:大量处于基态的氢原子跃迁时只有三条谱线,这说明是从n=3的能级向低能级跃迁,根据能量守恒有,h3=h2+h1,解得:3=2+1,选项B正确。,归纳要点对原子跃迁条件的理解,(1)原子从低能级向高能级跃迁,吸收一定能量的光子,当一个光子的能量满足h=E末-E初时,才能被某一个原子吸收,使原子从低能级E初向高能级E末跃迁,而当光子能量h大于或小于E末-E初时都不能被原子吸收。,(2)原子从高能级向低能级跃迁,以光子的形式向外辐射能量,所辐射,的光子能量恰等于发生跃迁时的两能级间的能量差。,(3)原子跃迁条件h=Em-En只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况。对于光子和氢原子作用而使原子电离时,只要入射光的能量E13.6eV,原子就能吸收。对于实物粒子与原子作用使原子激发时,粒子能量大于或等于能级差即可。,二、核反应的四种类型,【自主探究2】现有5个核反应方程,AHHHen,BUnXSr+n,CNaMge,DNaRnHe,EHeBeCn,(1)是发现中子的核反应方程,是研究核弹的基本核反应方程式。,(2)B项中X的质量数为,中子数为。,(3)以上五个核反应的反应类型是,A.;B.;C.;D.;E.。,答案:(1)EB、A(2)14086,(3)聚变裂变衰变衰变原子核的人工转变,(3)衰变是原子核自发地放出粒子或粒子的反应,C是衰变,D是衰变,E是人工控制的原子核的变化,属人工转变,裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量的核的反应,B是裂变,聚变是几个轻核结合成较大质量的核的反应,A是聚变。,(2)由电荷数守恒和质量数守恒可以判定X质量数为140,电荷数为54,所以中子数为:140-54=86。,解析:(1)E是查德威克发现中子的核反应方程,A是氢弹、B是原子弹的核反应方程。,归纳要点1.熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。如质子H)、中子n)、粒子He)、粒子e)、正电子e)、氘核H)、氚核H)等。,2.核反应方程遵守质量数守恒和电荷数守恒的规律,这是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据。,BeHeCn(查德威克发现中子),(3)重核裂变:例:UnXeSr+1n(可人工控制,缓慢释放能量),UnBaKr+n,(4)轻核聚变:例HHHen(不能人工控制),3.熟悉核反应的四种基本类型,可以帮助我们理清思路,很快写出正确的核反应方程。,(1)衰变:例:UThHe,ThPae,(2)人工转变:例:NHeOH(卢瑟福发现质子),易错辨析,请你判断下列表述正确与否,对不正确的,请予以更正。,1.衰变中的电子来源于原子核外电子。,2.核反应方程的质量数守恒,方程两边的质量也相等。,3.如某放射性元素的半衰期是5天,那么100个该元素的原子核经过10天还剩下25个。,4.电子绕核旋转的半径越大,动能越小,电势能越大,总能量越大。,5.目前核电站多数是采用核聚变反应发电。,3.错误。半衰期是对大量原子核的统计规律,100个太少,不能用半衰期公式计算。,4.正确。,5.错误。现在的核电站利用核裂变释放的能量,不是聚变释放的能量,利用聚变释放的能量是现在努力的方向,虽有突破,但还不能大规模,应用。,答案:1.错误。衰变的实质是中子衰变成质子,放出电子,来源于原子核内部,核反应方程为:He。,2.错误。核反应方程的质量数守恒,但方程两边的质量并不相等,核反应一般要释放能量,反应后的核子的总质量小于反应前的总质量,称为质量亏损。,提升应用技巧的突破口,命题研究一、能级跃迁与光谱线问题,【例1】如图所示为氢原子最低的四个能级,当氢原子在这些能级间跃迁时:,(1)有可能放出多少种能量的光子。,(2)在哪两个能级间跃迁时,所放出光子波长最长?波长是多少?,思路点拨:(1)辐射出的光谱线条数如何求?,(2)用h=Em-En和c=求波长。,由h=E4-E3得:h=E4-E3,所以=m1.8810-6m。,答案:(1)6种(2)见解析,解析:(1)N=种=6种。,(2)氢原子由第4能级向第3能级跃迁时,能级差最小,辐射的光子波长最长。,规律总结(1)一个氢原子和一群氢原子的区别:一个氢原子只有一个电子,在某个时刻电子只能在某一个可能的轨道上,当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道上时,可能情况有种,=,但产生的跃迁只有一种。而如果是大量的氢原子,这些原子的核外电子跃迁时就会出现所有的可能情况。,(2)入射光子和入射电子的区别:若是在光子的激发下引起原子跃迁,则要求光子的能量必须等于原子的某两个能级差;若是在电子的碰撞下引起的跃迁,则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差。,拓展链接1用大量具有一定能量的电子轰击大量处于基态的氢原子,观测到了一定数目的光谱线。调高电子的能量再次进行观测,发现光谱线的数目比原来增加了5条。用n表示两次观测中最高激发态的量子数n之差,E表示调高后电子的能量。根据氢原子的能级图(如图所示)可以判断,n和E的可能值为()。,A.n=1,13.22eVE13.32eV,B.n=2,13.22eVE13.32eV,C.n=1,12.75eVE13.06eV,D.n=2,12.75eVEE4-E1,E-0.85-(-13.60)eV=12.75eV,E-0.54-(-13.60)eV=13.06eV,所以12.75eVE13.06eV,故D项正确。同理当n=1时,使调高后电子的能量满足E6-E1EE7-E1,-0.38-(-13.60)eVE-0.28-(-13.60)eV,所以,13.22eVE13.32eV。故A项正确。,【例2】放射性同位素钍232经、衰变会生成氡,其衰变方程为ThRn+x+y,其中()。,命题研究二、核反应方程,A.x=1,y=3B.x=2,y=3,C.x=3,y=1D.x=3,y=2,思路点拨:由质量数和电荷数守恒能求解吗?,解析:由衰变方程ThRn+He+e,由质量数守恒和电荷数守恒得:232=220+4x,90=86+2x-y可解得x=3、y=2。,答案：D,规律总结根据核反应方程的质量数和电荷数守恒来求解,解二元一次方程组,有时为了确定衰变次数,往往由质量数的改变先确定衰变的次数,因为衰变对质量数无影响,然后再根据衰变规律确定衰变的次数。,种聚变反应可能发生,放出热量。这几种反应的总效果可以表示为HHe+H+n+43.15MeV,由平衡条件可知()。,拓展链接2核聚变有望给人类的未来提供丰富的洁净能源。当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几,A.k=1,d=4B.k=2,d=2,C.k=1,d=6D.k=2,d=3,答案：B解析:根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒得,解得,B对。,【例3】一块含铀的矿石质量为M,其中铀元素的质量为m,铀发生一系列衰变,最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T,那么下列说法中正确的是()。,命题研究三、半衰期的理解与计算,A.经过2个半衰期后,这块矿石中基本不再含有铀,B.经过2个半衰期后,原来所含的铀元素的原子核有发生了衰变,C.经过3个半衰期后,其中铀元素的质量还剩,D.经过1个半衰期后该矿石的质量剩下,思路点拨:解答本题的关键是理解半衰期的概念,注意:经过1个半衰期后是铀元素的质量还有,不是该矿石的质量还剩下。,规律总结:半衰期是大量原子核衰变的统计规律,与外界因素无关,用N0、m0分别表示衰变前的原子核数目和质量,N、m分别表示衰变后剩余的原子核的数目和质量,为半衰期,t表示衰变过程所经历的时间,则N=N0(,m=m0(。,解析:经过2个半衰期后矿石中剩余的铀应该有,经过3个半衰期后矿石中剩余的铀还有。因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中,所以矿石质量没有太大的改变。,答案：C,拓展链接3一个氡核Rn衰变成钋核Po并放出一个粒子,其半衰期为3.8天。1g氡经过7.6天衰变掉氡的质量,以及Rn衰变成Po的过程放出的粒子是()。,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:氡核半衰期为3.8天,7.6天为2个半衰期,所以1g氡7.6天衰变掉的质量为1g+(1g)=0.75g。由RnPoHe知Rn衰变成Po的过程中放出的粒子是He,即粒子,所以B正确。,【例4】天文学家测得银河系中氦的百分含量约为25%,有关研究表明,宇宙中氦生成的途径有两条:一是在宇宙诞生后二分钟左右生成的;二是在宇宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生成的。,(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核H)聚变成氦核He),同时放出2个正电子e)和2个中微子(e),请写出该氢核聚变反应的方程,并计算一次反应释放的能量。,(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.81017s,每秒钟银河系产生的能量约为11037J(即P=11037J/s)。现假定该能量全部来自上述氢核聚,命题研究四、质量亏损与核能的计算,变反应,试估算银河系中氦的百分含量(最后结果保留一位有效数字)。,(3)根据你的估算结果,对银河系中氦的主要生成途径作出判断。,(可能用到的数据:银河系质量约为M=31041kg,原子质量单位1u=1.6610-27kg,1u相当于1.510-10J的能量,电子质量me=0.0005u,氦核质量m=4.0026u,氢核质量mp=1.0078u,中微子e质量为零。),思路点拨:书写核反应方程求出氢核聚变时的质量亏损求出聚变时释放的核能估算银河系中氦的百分含量与已知百分含量对比得出结论。,解析:(1)核反应方程为:HHe+e+2e,其质量亏损:m=4mp-m-2me,其释放的能量:E=mc2,代入数据得:E4.1210-12J。,(2)银河系的总能量E=Pt,到目前为止核反应的次数N=,核聚变反应生成的氦的质量m=Nm,m=m6.11039kg,氦的百分含量k=100%2%。,(3)由估算结果可知,k=2%远小于25%的实际值,所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的。,答案:(1)4.1210-12J(2)2%(3)宇宙诞生后不久生成的,行计算。计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。,(3)有时结合动量守恒和能量守恒进行分析计算,此时要注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用。,规律总结：求核能的方法:,(1)先算出质量亏损m,然后利用E=mc2进行计算。计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。,(2)质量用原子质量单位,计算出质量亏损后,用E=m931.5MeV进,A.核反应方程是HnH+,拓展链接4一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核,同时辐射一个光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3,普朗克常量为h,真空中的光速为c。下列说法正确的是()。,B.聚变反应中的质量亏损m=m1+m2-m3,C.辐射出的光子的能量E=(m3-m1-m2)c,D.光子的波长=,答案：B解析:由HnH+知,A错;质量亏损m=m1+m2-m3,B正确;由E=mc2结合质量亏损知,C错误;mc2=h=h,所以光子的波长=,因此D错误。,本课结束谢谢观看,