浙江 成金德

原子物理是人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示物質(zhì)世界本質(zhì)的一門科學(xué)，原子物理學(xué)與化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科緊密聯(lián)系。在高中物理教學(xué)中，原子物理雖然不是教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，但是作為學(xué)習(xí)近代物理學(xué)的基礎(chǔ)，在每年的高考中是必考知識(shí)。為此，為提高復(fù)習(xí)效果，筆者認(rèn)為原子物理復(fù)習(xí)時(shí)必須順著兩條線索，抓住八個(gè)要點(diǎn)，熟悉九種題型。

線索1：原子結(jié)構(gòu)

要點(diǎn)1.湯姆孫模型

(1)1897年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆孫通過對(duì)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(gè)原子球體中，帶負(fù)電的電子則一粒粒均勻地鑲嵌在球體內(nèi)。

要點(diǎn)2.原子的核式結(jié)構(gòu)

(1)α粒子散射實(shí)驗(yàn)。1909年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔，結(jié)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(jìn)，有少數(shù)α粒子發(fā)生了大角度偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)模型。在原子中心有一個(gè)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(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)。

要點(diǎn)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(yùn)動(dòng)，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(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(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。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(jí)

①氫原子能級(jí)。氫原子的能級(jí)圖如圖1所示。

圖1

②氫原子的能級(jí)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(jí)躍遷

②受激躍遷。原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，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(jí)差hν=ΔE；

碰撞、加熱等激發(fā)。可以吸收實(shí)物粒子的部分能量，只要入射粒子能量大于或等于能級(jí)差即可，即E外≥ΔE。

躍遷時(shí)注意兩項(xiàng)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(gè)能級(jí)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(gè)能級(jí)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(shí)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(jí)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(shí)物粒子的碰撞來實(shí)現(xiàn)。吸收光子的能量必須不小于電離能，才會(huì)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(huì)發(fā)生電離。

線索2：原子核

要點(diǎn)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

(2)三種射線

表1

要點(diǎn)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(shí)，產(chǎn)生的新核處于高能級(jí)時(shí)，它向低能級(jí)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(shí)間叫做半衰期。其表達(dá)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(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對(duì)于少數(shù)或個(gè)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(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)。

(4)確定衰變次數(shù)的方法

(5)放射性同位素的應(yīng)用與防護(hù)

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(xué)性質(zhì)相同。

②放射性同位素的應(yīng)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(hù)。過量的射線對(duì)人體組織有破壞作用，所以，在實(shí)際工作中要確保輻射的強(qiáng)度在安全劑量之內(nèi)。

要點(diǎn)6.核力和結(jié)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(diǎn)是：核力是強(qiáng)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(gè)核子只跟鄰近的核子發(fā)生核力作用。

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

(3)平均結(jié)合能。原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，叫做原子的比結(jié)合能，比結(jié)合能也稱平均結(jié)合能。不同原子核的比結(jié)合能不同，原子核的比結(jié)合能越大，表示原子核中核子結(jié)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(guān)系為E=mc2。

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

①根據(jù)ΔE=Δmc2計(jì)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(jì)算，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。

要點(diǎn)7.四種核反應(yīng)

(1)四種核反應(yīng)

表2

(2)核反應(yīng)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(yīng)方程或判斷某個(gè)核反應(yīng)方程是否正確的依據(jù)。因?yàn)楹朔磻?yīng)是不可逆的，所以書寫核反應(yīng)方程式時(shí)只能用“→”表示核反應(yīng)的方向。

(3)區(qū)分質(zhì)量數(shù)和質(zhì)量。在核反應(yīng)中滿足質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，但核反應(yīng)中存在質(zhì)量虧損。要注意核反應(yīng)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(zhuǎn)化為能量了。

要點(diǎn)8.粒子的分類

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

(2)輕子。輕子是不參與強(qiáng)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(qiáng)相互作用。

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

突破九類題型

1.考查物理學(xué)史

【例1】物理學(xué)家通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入觀察和研究，獲得正確的科學(xué)認(rèn)知，推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。下列說法符合事實(shí)的是

( )

A.赫茲通過一系列實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)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(fù)雜結(jié)構(gòu)

D.盧瑟福通過對(duì)陰極射線的研究，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型

【點(diǎn)評(píng)】解答有關(guān)物理學(xué)史問題，關(guān)鍵在于了解相關(guān)的物理學(xué)史，準(zhǔn)確記住有關(guān)重大事件或者重大物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及相關(guān)物理學(xué)家的名字。

2.氫原子能級(jí)

【例2】氫原子的能級(jí)圖如圖2所示，關(guān)于大量氫原子的能級(jí)躍遷，下列說法正確的是(可見光的波長(zhǎng)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(jí)躍遷到基態(tài)時(shí)，會(huì)輻射γ射線

B.氫原子處在n=4能級(jí)，會(huì)輻射可見光

C.氫原子從高能級(jí)向n=3能級(jí)躍遷時(shí)，輻射的光具有顯著的熱效應(yīng)

D.氫原子從高能級(jí)向n=2能級(jí)躍遷時(shí)，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(diǎn)評(píng)】求解氫原子發(fā)生躍遷的問題時(shí)，要注意以下兩點(diǎn)：氫原子發(fā)生躍遷時(shí)，吸收或釋放的光子能量只能等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差，即hν=E高-E低。氫原子發(fā)生電離時(shí)，吸收的能量可以大于或等于某一個(gè)能級(jí)能量的絕對(duì)值，剩余能量轉(zhuǎn)化為自由電子的動(dòng)能。

3.求光譜數(shù)

【例3】處于n=3能級(jí)的大量氫原子，向低能級(jí)躍遷時(shí)，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(yīng)方程

( )

A.質(zhì)子 B.中子 C.電子 D.α粒子

【點(diǎn)評(píng)】有關(guān)考查核反應(yīng)方程的問題，求解時(shí)必須緊緊抓住核反應(yīng)方程的兩個(gè)守恒：質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。

6.核聚變

【例6】我國(guó)核聚變反應(yīng)研究大科學(xué)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(dá)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(shù)基礎(chǔ)。下列關(guān)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(gè)原子核都可以發(fā)生聚變

C.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，總質(zhì)量較聚變前增加

D.兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，核子的比結(jié)合能增加

【分析】核聚變與核裂變相比，核聚變時(shí)核輻射極少，核反應(yīng)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(xiàng)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(gè)原子核不一定能發(fā)生核聚變，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；兩個(gè)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(xiàng)C錯(cuò)誤；兩個(gè)輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí)，其比結(jié)合能增加，故選項(xiàng)D正確。

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

7.比結(jié)合能圖線

【例7】原子核的比結(jié)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(diǎn)評(píng)】考查比結(jié)合能圖像時(shí)，要注意兩點(diǎn)：比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，不容易發(fā)生核反應(yīng)；比結(jié)合能變大的核反應(yīng)，將釋放核能。

8.核能的計(jì)算

( )

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

【點(diǎn)評(píng)】涉及核能計(jì)算的問題，一般通過兩種方法進(jìn)行：其一，直接應(yīng)用ΔE=Δmc2計(jì)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(yīng)用ΔE=Δm×931.5 MeV計(jì)算。

9.綜合問題

【例9】靜止在勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑為R。則

( )

B.核Y的結(jié)合能為(mX-mY-mα)c2

【點(diǎn)評(píng)】求解有關(guān)核反應(yīng)與其他知識(shí)的綜合問題時(shí)，務(wù)必注意知識(shí)的結(jié)合點(diǎn)，熟練運(yùn)用相關(guān)的知識(shí)。如本題中，核反應(yīng)與力學(xué)中的動(dòng)量守恒和能量守恒相結(jié)合，則必須注意對(duì)核反應(yīng)中的相關(guān)帶電粒子正確和熟練應(yīng)用動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

結(jié)束語

在復(fù)習(xí)原子結(jié)構(gòu)和原子核這一專題時(shí)，必須正確掌握八大知識(shí)要點(diǎn)，熟練把握九類高考題型，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確掌握、融會(huì)貫通的目標(biāo)。