高中物理原子知识点总结

高中物理原子知识点总结！天然放射现象、射线、原子核的组成、原子核的表示方法、同位素、原子核的衰变等内容都可以在下图中找到相对应的知识要点。赶快收藏学起来吧！

原子核

• 天然放射现象
  • 物质发射射线的性质称为放射性
  • 具有发射性的元素称为放射性元素
  • 元素这种自发的发出射线的现象叫做天然放射现象
  • 原子序数≥83的元素都能自发的发出射线 原子序数＜83的元素有的也能放出射线
• 射线
  • α射线(高速粒子流)
    • 氦原子核He上4下2
    • 带正电
    • 速度为十分之一光速
    • 电荷量是电子的二倍质量是氢原子的四倍电子质量的7300倍
    • 电离能力强
    • 穿透能力较差 用一张纸就能把它挡住
  • β射线(高速电子流)
    • 电荷数(质子数)为－1 中子数为0
    • 带负电
    • 速度接近光速
    • 电离能力较弱
    • 穿透能力较强 很容易穿透黑纸也能穿透几毫米厚的铝板
  • γ射线(高能量电磁波)
    • 不带电
    • 速度为光速
    • 能量很高 波长很短
    • 电离能力更弱
    • 穿透能力更强 甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
  • 都是从原子核内部释放出来的
• 原子核的组成
  • 若一种元素具有放射性那么无论他是以单质的形式存在还是以某种化合物的形式存在放射性都不受影响即放射性与元素所处的化学状态无关
  • 放射性的强度也不瘦温度，外界压强的影响，即放射性与元素存在的状态无关，是原子核的性质而不是原子的性质
  • 表明原子核也有内部结构而且原子核还可以发生变化成为另一种原子核
  • 质子的发现
    • 卢瑟福
    • α粒子轰击氮核，得到了质子p
    • 实验表明:质子的性质和氢原子核的性质完全相同所以质子就是氢原子核
  • 中子的发现
    • 查德威克
    • α粒子轰击铍，发现了中子n
    • 实验表明:中子的质量和质子的质量基本相同但是不带电是中性粒子
  • 质子＋中子=核子
• 原子核的表示方法
  • 两个等式
    • 核电荷数=质子数=原子序数=核外电子数
    • 核子数=质量数=质子数＋中子数
• 同位素
  • 质子数相同，中子数不同的原子，互为同位素
    • 例:氕氘氚
  • 具有相同质子数，中子数不同的原子核 在元素周期表中处于同一位置
• 原子核的衰变
  • 原则
    • 质量数守恒，电荷数守恒
  • 说明
    • 中间用单箭头不用等号
    • 是质量数守恒不是质量守恒
    • 方程及生成物要以实验为基础不能杜撰
    • 当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变有的发生β衰变同时就会伴随着γ辐射，这时放射性物质发出的射线中就会同时具有α，β，γ三种射线
  • 分类
    • α衰变
      • 原子核放出一个α粒子后变成另一个新的原子核
      • 原子核内少两个质子和两个中子
    • β衰变
      • 原子核放出一个贝塔粒子后变成一个新的原子核
      • 原子核内的一个中子变成质子同时放出一个电子
    • γ辐射
      • 放射性的原子核在发生α衰变和β衰变时，蕴藏在核内的能量会释放出来时产生的新核处于高能级在新核向低能级越迁时，能量以γ光子的形式辐射出来
      • γ射线经常是伴随α衰变和β衰变产生的
  • 半衰期
    • 定义
      • 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间
      • 表示放射性元素衰变快慢的物理量
    • 公式
      • 经过n个半衰期其剩余未衰变的质量
        • m=1/2n次方m0
      • 质量与原子个数相对应，经过n个半衰期后剩余的未衰变的个数为
        • N=1/2n次方N0
    • 注意
      • 不同的放射性元素半衰期不同差别会很大
      • 半衰期的长短是由原子核内部自身的因素决定的 与原子所处的物理化学状态无关
      • 半衰期是一个统计规律只对大量的原子核才适用 对少数原子核是不适用的
• 探测射线的方法
  • 威尔逊云室
    • 原理
      • 利用射线的电离本领
      • 利用过饱和蒸汽能以离子为核心凝结成雾滴显示气体离子的存在
    • 实验过程
      • 先往云室里加少量酒精，使室内充满酒精的饱和蒸汽然后迅速向下拉动活塞，室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态，这时如果有粒子在室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸汽就会以这些离子为核心结成雾滴，于是显示出射线的径迹。
    • 实验结果
      • α射线在云室中的径迹
        • 直而粗
        • 原因
          • α粒子质量大，不易改变方向
          • 电离本领大，沿途产生的粒子多
      • β射线在云室中的径迹
        • 比较细而且常常弯曲
        • 原因
          • 粒子质量小，跟气体碰撞易改变方向
          • 电离本领小，沿途产生的离子少
      • γ射线电离本领很小，一般看不到它的径迹
    • 用途
      • 可以知道不同粒子的轨迹，知道粒子的性质，粒子所带电荷正负
  • 气泡室
    • 原理
      • 粒子通过过热液体时，在它的周围产生气泡而形成粒子的径迹
    • 用途
      • 根据径迹分析粒子的动量，能量，及带电情况
  • 盖革—米勒计数器
    • 概括
      • 一种能自动把放射微粒计数出来的仪器 利用了射线的电离本领
    • 基本原理
      • 当射线粒子进入管内时，它使试管内的气体电离，产生的电子在电场中加速，电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离，产生电子，这样个粒子进入管中可以产生大量电子，这些电子到达阳极，正离子到达阴极，在电路中就产生一次脉冲放电，利用电予仪器可以把放电次数记录下来
    • 优点
      • 盖革—米勒计数器非常灵敏，用它检测射线十分方便
    • 缺点
      • 不同射线在计数器中产生的现象相同因此只能用来计数不能区分射线种类
      • 如果同时有大量粒子，或两个粒子向来的时间间隔<200μs，计数器也不能区分
    • 用途
      • 只能用来计数，不能区分射线种类
• 放射性的应用与防护
  • 核反应
    • 核自发衰变(不可控)
      • α衰变 : α射线的实质就是高速运动的氦核流
      • β衰变 : β射线的实质就是高速运动的电子流
    • 人工转变(可控)
      • 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程
        • 其他粒子 : α粒子，质子，中子，光子等
    • 质量数，电荷数守恒
  • 人工放射性同位素
    • 概念
      • 与天然放射性同位素共称为“放射性同位素”
    • 优点
      • 放射度容易控制
      • 可以制成各种需要的形状
      • 半衰期更短
      • 放射性废料容易处理
    • 凡是用到射线时，都用人工放射性同位素
  • 放射性同位素的应用
    • 工业部门可以使用射线来测厚度——利用γ射线的穿透性强
    • 利用射线的照相机可以拍出病人骨骼的照片
    • 放疗 ——利用细胞对射线承受力不同
    • 利用钴60的γ射线治疗癌症
    • 选种和保鲜
      • 利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，经过筛选可以培育出优良品种
      • 用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期
    • 示踪原子
      • 一种元素的各种同位素都有相同的化学性质 可以用放射性同位素代替非放射性同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，但却带有放射性标记，可以用仪器检测出来，这种原子就是失踪原子
      • 用于棉花对磷肥的吸收甲状腺疾病的诊断和生物研究
  • 辐射与安全
    • 人类一直生活在放射性的环境中，不过这些射的强度都在安全剂量之内对我们没有伤害 然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这种破坏往往是对细胞核的破坏，有时不会马上察觉
• 核力与结合能
  • 核力的特点
    • 在原子核尺度内，核力比库仑力大得多
    • 存在于质子与质子间，中子与中子间，质子与中子间
    • 核力具有电荷无关性，即与是否带电无关
    • 核力具有饱和性，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用
    • 核力是短程力 约在十的负十五米量级时其作用距离>0点8×10的负十五次方米时为引力距离为10×10的负十五次方米时合力消失距离<0点8×10的负十五次方米时为斥力因此核子不会融合在一起
  • 自然界四种基本相互作用
    • 强相互作用(核力)
      • 在原子核内，强力将核子束缚在一起
    • 电磁相互作用(电磁力)
      • 在原子核外，电磁力是电子结合成分子，使分子结合成液体与固体
    • 弱相互作用(弱力)
      • 弱相互作用是引起原子核β衰变的原因 即引起中子质子转变的原因
    • 引力相互作用(万有引力)
      • 引力主要在宏观和宇宙尺度上独领风骚，是引力使行星绕恒星转动并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来
    • 【电磁力和万有引力都是长程力】 它们可以作用到无限远的距离，距离越远，力就越小 【弱相互作用是短程力】 其力程比强力更短，为十的负十八次方米 作用强度则比电磁力小
  • 拓展
    • 核反应和化学反应的比较
      • 核反应涉及强相互作用和弱相互作用 化学反应涉及电磁相互作用
      • 核反应改变了原子核 化学反应改变核外电子排列，从而改变分子结构
    • 原子核中质子数与中子数相等吗
      • 轻核
        • 原子序数<20，质子数，中子数大致相等
        • 盒子数量相对较小核子间距处于合力作用范围之内
        • 由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地在束缚在一起，形成稳定的原子核
      • 重核
        • 原子序数>20，中子数比质子数多
        • 核子数量大，核子间距也大
        • 由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小 甚至小于电磁力
        • 如果质子和中子在成对出现，原子核不稳定
        • 如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数
      • 若不断增大原子核的中子数 能不断增大原子核吗
        • 【不能】由于核的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也是不稳定的
    • 排在83号元素铋之后的原子核都不稳定，他们自动分解或衰变成更轻的原子核 排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在，如地94号元素钚是人工制造出来的，主要用于核武器，在宇宙中尚无法找到
  • 结合能
    • 概括
      • 原子核是核子结合在一起构成的 要把它们分开需要吸收能量 这就是原子核的结合能
      • 核子分开，吸收能量 核子结合，放出能量
      • 结合能并不是由于原子结合成原子核而具有的能量 而是为把核子分开而需要的能量
      • 两个分子发生化学反应放出能量才几eV，相比而言结合能是巨大的
      • 原子序数越大，组成原子核的核子越多，结合能越大
    • 比结合能
      • 比结合能=结合能/核子数
      • 比结合能越大，要想拆开所需要的能量越大，越不容易拆开 说明原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定
      • 随着原子序数增大，中等核的比结合能最大 Fe的比结合能最大，其原子核最稳定
  • 质量亏损
    • 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和
    • 质能方程 E=mc²
      • 爱因斯坦
      • 一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比
      • 物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系 物体的能量越大质量也增大 物体的能量减少质量也减少 即ΔE=Δmc²
    • 原子质量单位与对应的能量
      • 1原子质量单位叫1u
      • 1原子质量的能量=931.5Mev
    • 没有违反能量守恒定律
      • 减小的这部分能量以γ光子的形式释放出去，即转化成γ光子的能量
    • 没有违反质量守恒定律
      • 减小的那部分质量=γ光子的质量
    • 质量数是指的核子数，光子不是核子，所以质量数为0，光子也没有静止质量，但在光子的辐射过程中具有能量E=hv，所以运动的光子具有一定的质量叫动质量
  • 核能与结合能的关系
    • 核能(原子能)是通过原子核内部结构发生变化释放的能量 实际问题中不止一个核反应也不一定是拆成单个核子 如原子核衰变，裂变，聚变都会释放核能
    • 自由核子结合成原子核的过程中释放出来的能量或者 将原子核分解成自由核子时所需要的最小的能量 叫做该原子核的结合能
    • 核能的特点
      • 与原子核的变化相联系，只有在核反应中才能体现出来
      • 核能是非常巨大的，属于非常规能源
    • 核能的计算方法
      • 根据E=mc²计算，计算时m的单位是kg，c的单位是m/s e的单位是J
      • 根据核子比结合能来计算核能
      • 根据E=m×931.5Mev计算
• 核能的利用---核裂变
  • 核裂变
    • 核裂变
      • 重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核并放出能量的过程
    • 链式反应
      • 当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫做核裂变的链式反应
    • 链式反应的条件
      • 铀块的体积≥临界体积，铀块的质量≥临界质量
      • 有足够数量的慢中子
    • 中子增殖系数
      • ＞1
        • 超临界状态
          • 具有正的反应度
      • =1
        • 临界状态
          • 反应度为零
      • ＜1
        • 未临界状态
          • 具有负的反应度
    • 例:用一个中子轰击铀235原子使其分裂成Kr92，Ba141和三个中子并释放大量能量(质量亏损)，这三个中子又去轰击其他铀原子，以此类推。
  • 核电站
    • 利用核能发电，核心设施是反应堆
    • 组成部分
      • 核燃料
        • 铀235
          • 自然界中铀235的浓度较低，提纯到一定浓度非常困难
        • 钚239
          • 铀238可以通过吃掉中子的方式(中子捕获)，使自身的相对原子质量加1变成铀239，铀239不稳定会发生两次β衰变，先放出一个电子变成镎239，后放出一个电子变成钚239
      • 中子慢化剂
        • 重水
        • 石墨
        • 轻水
      • 控制棒
        • 碳化硼做成的一个棒
        • 插入的越深，吸收的中子越多，反应性就会降低
        • 插入的越浅，吸收的中子越少，反应性就会升高
      • 冷却剂
        • 水
    • 工作原理
    • 核污染的处理
  • 计算问题
    • 重核裂变中核能的计算
      • 根据爱因斯坦质能方程计算
      • 根据原子质量单位计算
      • 根据能量守恒定律计算
    • 计算核电站向外输送的能量需要多少核燃料思路
      • 计算一个核反应释放的核能
      • 计算需要输送的能量
      • 计算出需要的核燃料质量
• 核聚变
  • 两个氢核合成质量较大的核，释放大量能量这样的反应叫作核聚变
  • 聚变与裂变相比具有的优点
    • 氢核聚变产能效率高
    • 地球上聚变燃料的储量丰富，可以用锂来代替氢，以满足聚变的需要
    • 氢核聚变更为安全清洁
• 中子n为0下上1
• 备注
  • 若一个原子核放出一个α粒子和另一个原子核 则这两个粒子在核外做匀速圆周运动轨迹根据左手定则 这两个粒子动量等大反向,根据R=mv/bq得出q越大R越小 则可以得出α粒子和新原子核的轨迹为外切圆
  • 若一个原子核放出一个β粒子和另一个新原子核 这两个粒子在核外做匀速圆周运动轨迹根据左手定则 这两个粒子动量等大反向，根据R=mv/bq得出q越大R越小 则可以得出β粒子和新原子核的轨迹为内切圆