有效复习原子物理方法探究

浙江 成金德

原子物理是人们认识物质的内部结构，揭示物质世界本质的一门科学，原子物理学与化学、生物学和医学等学科紧密联系。在高中物理教学中，原子物理虽然不是教学重点内容，但是作为学习近代物理学的基础，在每年的高考中是必考知识。为此，为提高复习效果，笔者认为原子物理复习时必须顺着两条线索，抓住八个要点，熟悉九种题型。

线索1：原子结构

要点1.汤姆孙模型

(1)1897年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，说明原子可再分。

(2)枣糕模型(西瓜模型)。带正电荷的物质均匀分布在整个原子球体中，带负电的电子则一粒粒均匀地镶嵌在球体内。

要点2.原子的核式结构

(1)α粒子散射实验。1909年，英国物理学家卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔，结果发现：绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来方向前进，有少数α粒子发生了大角度偏转，偏转的角度甚至大于90°，也就是说它们几乎被“撞”了回来。

(2)核式结构模型。在原子中心有一个很小的核，原子全部的正电荷和几乎全部的质量都集中在核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。

要点3.玻尔模型

(2)玻尔理论

①定态理论。原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些能量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。

②跃迁理论。原子从一种定态跃迁到另一种定态时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这两个定态的能量差决定，即hv=En-Em(h是普朗克常量，h=6.63×10-34J·s)。

③轨道理论：原子的不同能量状态跟电子在不同的圆周轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道也是不连续的。

(3)氢原子能级

①氢原子能级。氢原子的能级图如图1所示。

图1

②氢原子的能级公式。

③氢原子的半径公式。rn=n2r1(n=1，2，3，…)，其中r1为基态半径，其数值为r1=0.53×10-10m。

(4)两类能级跃迁

②受激跃迁。原子由低能级向高能级跃迁时，需要吸收能量。

光照激发。原子吸收光子的全部能量，但光子的能量必须恰好等于能级差hν=ΔE；

碰撞、加热等激发。可以吸收实物粒子的部分能量，只要入射粒子能量大于或等于能级差即可，即E外≥ΔE。

跃迁时注意两项区别：

入射光子和入射电子的区别。若是在光子的激发下引起的原子跃迁，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原子跃迁的，则要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差。

(5)电离

处于基态或激发态的原子中的电子由于受激发而脱离原子核的束缚成为自由电子的过程叫做电离。电离时所需要的最小能量，叫做电离能。

①原子处于各激发态的电离能等于各能级的能量值。量子数越小、电离能越大。

②电离可以通过吸收光子和与实物粒子的碰撞来实现。吸收光子的能量必须不小于电离能，才会发生电离；与外来粒子和原子碰撞，则外来粒子的能量必须不小于电离能才会发生电离。

线索2：原子核

要点4.天然放射现象

(1)天然放射现象。放射性元素自发地发出射线的现象。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。

(2)三种射线

表1

要点5.衰变

(1)衰变。

原子核自发地放出α粒子或β粒子，变成新的原子核的变化称为原子核的衰变。

(2)α衰变、β衰变和γ射线。

γ射线：

放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，产生的新核处于高能级时，它向低能级跃迁，并放出γ光子。因此γ射线经常伴随α射线和β射线产生存在。

(3)半衰期。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做半衰期。其表达式为：

半衰期表示放射性元素衰变的快慢，不同的放射性元素半衰期不一样。半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对于少数或个别原子核的衰变不成立。半衰期取决于原子核内部因素，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。

(4)确定衰变次数的方法

(5)放射性同位素的应用与防护

①放射性同位素。具有相同的质子数而中子数不同的原子互称为同位素。放射性同位素可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素。放射性同位素的化学性质相同。

②放射性同位素的应用。消除静电、工业探伤、作示踪原子等。

③放射性同位素的防护。过量的射线对人体组织有破坏作用，所以，在实际工作中要确保辐射的强度在安全剂量之内。

要点6.核力和结合能

(1)核力。把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核的力叫核力。核力的特点是：核力是强力，比库仑力大得多；核力是短程力，作用范围约10-15m；核力的饱和性，即每个核子只跟邻近的核子发生核力作用。

(2)结合能。核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，也称核能。

(3)平均结合能。原子核的结合能与核子数之比，叫做原子的比结合能，比结合能也称平均结合能。不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核就越稳定。

(4)质能方程。物体的能量与它的质量之间的关系为E=mc2。

由质能方程得到计算核能的公式：ΔE=Δmc2。具体计算核能时有两种方法：

①根据ΔE=Δmc2计算，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。

②根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。

要点7.四种核反应

(1)四种核反应

表2

(2)核反应过程中满足质量数守恒和电荷数守恒。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。因为核反应是不可逆的，所以书写核反应方程式时只能用“→”表示核反应的方向。

(3)区分质量数和质量。在核反应中满足质量数和电荷数守恒，但核反应中存在质量亏损。要注意核反应中有质量亏损并不表示这部分质量消失了，或者这部分质量转化为能量了。

要点8.粒子的分类

(1)强子。强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子，强子分为介子和重子。

(2)轻子。轻子是不参与强相互作用的粒子。电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是轻子。

(3)规范玻色子。规范玻色子是传递各种相互作用的粒子。如光子、中间玻色子、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。

(4)希格斯玻色子。希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。2012年欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。

突破九类题型

1.考查物理学史

【例1】物理学家通过对实验的深入观察和研究，获得正确的科学认知，推动物理学的发展。下列说法符合事实的是

( )

A.赫兹通过一系列实验，证实了麦克斯韦关于光的电磁理论

C.贝克勒尔发现的天然放射性现象，说明原子核有复杂结构

D.卢瑟福通过对阴极射线的研究，提出了原子核式结构模型

【点评】解答有关物理学史问题，关键在于了解相关的物理学史，准确记住有关重大事件或者重大物理规律的发现以及相关物理学家的名字。

2.氢原子能级

【例2】氢原子的能级图如图2所示，关于大量氢原子的能级跃迁，下列说法正确的是(可见光的波长范围为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)

图2

( )

A.氢原子从高能级跃迁到基态时，会辐射γ射线

B.氢原子处在n=4能级，会辐射可见光

C.氢原子从高能级向n=3能级跃迁时，辐射的光具有显著的热效应

D.氢原子从高能级向n=2能级跃迁时，辐射的光在同一介质中传播速度最小的光子能量为1.89 eV

【点评】求解氢原子发生跃迁的问题时，要注意以下两点：氢原子发生跃迁时，吸收或释放的光子能量只能等于两个能级之间的能量差，即hν=E高-E低。氢原子发生电离时，吸收的能量可以大于或等于某一个能级能量的绝对值，剩余能量转化为自由电子的动能。

3.求光谱数

【例3】处于n=3能级的大量氢原子，向低能级跃迁时，辐射光的频率有

( )

A.1种 B.2种 C.3种 D.4种

4.衰变

【例4】已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T，则相同质量的A和B经过2T后，剩有的A和B质量之比为

( )

A.1∶4 B.1∶2 C.2∶1 D.4∶1

5.核反应方程

( )

A.质子 B.中子 C.电子 D.α粒子

【点评】有关考查核反应方程的问题，求解时必须紧紧抓住核反应方程的两个守恒：质量数守恒和电荷数守恒。

6.核聚变

【例6】我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是

( )

图3

A.核聚变比核裂变更为安全、清洁

B.任何两个原子核都可以发生聚变

C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加

D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加

【分析】核聚变与核裂变相比，核聚变时核辐射极少，核反应生成的废物容易处理，所以，核聚变比核裂变更为安全、清洁，选项A正确；自然界中最容易发生核聚变的是氘核和氚核，任意的两个原子核不一定能发生核聚变，选项B错误；两个轻核发生聚变，产生质量较大的原子核，总质量减小，产生了质量亏损现象，选项C错误；两个轻核结合成质量较大的核时，其比结合能增加，故选项D正确。

【点评】求解此类问题时，必须明确核聚变的特点：只有质量较小的“轻核”才有可能发生核聚变，聚变时有质量亏损，释放核能，核子的比结合能增加，而且要发生核聚变，必须使核子的温度达到几百万开尔文以上。

7.比结合能图线

【例7】原子核的比结合能曲线如图4所示。根据该曲线，下列判断正确的有

图4

( )

【点评】考查比结合能图像时，要注意两点：比结合能越大的原子核越稳定，不容易发生核反应；比结合能变大的核反应，将释放核能。

8.核能的计算

( )

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

【点评】涉及核能计算的问题，一般通过两种方法进行：其一，直接应用ΔE=Δmc2计算；其二，若已知质量亏损的数值，但其单位是原子质量单位，即用“u”表示，则可应用ΔE=Δm×931.5 MeV计算。

9.综合问题

【例9】静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y。已知核X的质量数为A，电荷数为Z，核X、核Y和α粒子的质量分别为mX、mγ和mα，α粒子在磁场中运动的半径为R。则

( )

B.核Y的结合能为(mX-mY-mα)c2

【点评】求解有关核反应与其他知识的综合问题时，务必注意知识的结合点，熟练运用相关的知识。如本题中，核反应与力学中的动量守恒和能量守恒相结合，则必须注意对核反应中的相关带电粒子正确和熟练应用动量守恒定律和能量守恒定律。

结束语

在复习原子结构和原子核这一专题时，必须正确掌握八大知识要点，熟练把握九类高考题型，实现准确掌握、融会贯通的目标。