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第十八章：原子结构
一、原子核式结构模型
1、电子的发现和汤姆生的原子模型：
⑴电子的发现：1897年英国物理学家汤姆生，对阴极射线进行了一系列研究，从而发现了电子。
电子的发现表明：原子存在精细结构，从而打破了原子不可再分的观念。
⑵汤姆生的原子模型：1903年汤姆生设想原子是一个带电小球，它的正电荷均匀分布在整个球体内，而带负电的电子镶嵌在正电荷中。
2、粒子散射实验和原子核结构模型
⑴粒子散射实验：1909年，卢瑟福及助手盖革和马斯顿完成的。
①装置：如下图
②现象：
a.绝大多数粒子穿过金箔后，仍沿原来方向运动，不发生偏转。
b.有少数粒子发生较大角度的偏转。
c.有极少数粒子的偏转角超过了90°，有的几乎达到180°，即被反向弹回。
⑵原子的核式结构模型：
由于粒子的质量是电子质量的七千多倍，所以电子不会使粒子运动方向发生明显的改变，只有原子中的正电荷才有可能对粒子的运动产生明显的影响。
如果正电荷在原子中的分布，像汤姆生模型那模均匀分布，穿过金箔的粒了所受正电荷的作用力在各方向平衡，粒了运动将不发生明显改变。散射实验现象证明，原子中正电荷不是均匀分布在原子中的。
1911年，卢瑟福通过对粒子散射实验的分析计算提出原子核式结构模型：在原子中心存在一个很小的核，称为原子核，原子核集中了原子所有正电荷和几乎全部的质量，带负电荷的电子在核外空间绕核旋转。
原子核半径约为10-15\(m\)，原子轨道半径约为10-10\(m\)。
⑶光谱
①观察光谱的仪器，分光镜
②光谱的分类，产生和特征
| 连续光谱 | 线状光谱 | 吸收光谱 | |
|---|---|---|---|
| 产生 | 炽热的固体、液体及高压气体的光谱 | 稀薄气体或金属的蒸汽的发射光谱 | 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收 |
| 现象 | 由连续分布的一切波长的光组成 | 光谱中有一条条的亮线 —— 谱线 | 光谱区域存在一条条暗线 |
| 特点 | 整个光谱区域都是亮的 | 特征谱线 | 各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线（线状光谱）相对应。 |
③ 光谱分析：
一种元素，在高温下发出一些特点波长的光，在低温下，也吸收这些波长的光，所以把明线光波中的亮线和吸收光谱中的暗线都称为该种元素的特征谱线，用来进行光谱分析。
二、氢原子光谱
氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。
1885年，巴耳末对当时已知的，在可见光区的14条谱线作了分析，发现这些谱线的波长可以用一个公式表示：
\(1/\lambda=R(1/2^2-1/n^2) n=3，4，5……\)
式中R叫做里德伯常量，这个公式成为巴尔末公式。
除了巴耳末系，后来发现的氢光谱在红外和紫个光区的其它谱线也都满足与巴耳末公式类似的关系式。
氢原子光谱是线状谱，具有分立特征，用经典的电磁理论无法解释。
三、原子的能级
玻尔的原子模型：
1.原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾（两方面）
a.电子绕核作圆周运动是加速运动，按照经典理论，加速运动的电荷，要不断地向周围发射电磁波，电子的能量就要不断减少，最后电子要落到原子核上，这与原子通常是稳定的事实相矛盾。
b.电子绕核旋转时辐射电磁波的频率应等于电子绕核旋转的频率，随着旋转轨道的连续变小，电子辐射的电磁波的频率也应是连续变化，因此按照这种推理原子光谱应是连续光谱，这种原子光谱是线状光谱事实相矛盾。
2.玻尔理论
上述两个矛盾说明，经典电磁理论已不适用原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量了化的概念，提了三个假设：
①定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然做加速运动，但并不向外在辐射能量，这些状态叫定态。
②跃迁假设：原子从一个定态（设能量为Em）跃迁到另一定态（设能量为En）时，它辐射成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\(hv=Em－En\)
③轨道量子化假设，原子的不同能量状态，跟电子不同的运行轨道相对应。原子的能量不连续因而电子可能轨道的分布也是不连续的。
3.玻尔的氢原子模型：
①氢原子的能级公式和轨道半径公式：玻尔在三条假设基础上，利用经典电磁理论和牛顿力学，计算出氢原子核外电子的各条可能轨道的半径，以及电子在各条轨道上运行时原子的能量，（包括电子的动能和原子的热能。）
②氢原子的能级图：氢原子的各个定态的能量值，叫氢原子的能级。按能量的大小用图开像的表示出来即能级图。
其中n=1的定态称为基态。n=2以上的定态，称为激发态。
第十九章：原子核
一、原子核的组成
1、天然放射现象
⑴天然放射现象的发现：1896年法国物理学，贝克勒耳发现铀或铀矿石能放射出某种人眼看不见的射线。这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。
放射性：物质能发射出上述射线的性质称放射性。
放射性元素：具有放射性的元素称放射性元素。
天然放射现象：某种元素自发地放射射线的现象，叫天然放射现象。这表明原子核存在精细结构，是可以再分的。
⑵放射线的成份和性质：用电场和磁场来研究放射性元素射出的射线，在电场中轨迹，如下图
| 成分 | 速度 | 贯穿能力 | 电离能力 | |
|---|---|---|---|---|
| α射线 | 氦原子核 | 1/10光速 | 弱 | 很容易 |
| β射线 | 高速电子流 | 接近光速 | 较强 | 较弱 |
| γ射线 | 高能量电磁波 | 光速 | 很强 | 更小 |
2、原子核的组成
原子核的组成：原子核是由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。
在原子核中有：质子数等于电荷数、核子数等于质量数、中子数等于质量数减电荷数。
二、原子核的衰变；半衰期
- 衰变：原子核由于放出某种粒子而转变成新核的变化称为衰变在原子核的衰变过程中，电荷数和质量数守恒
| 衰变类型 | 衰变方程 | 本质 |
|---|---|---|
| α衰变 | \({^M_Z}X\rightarrow {^{M-4}_{Z-2}}Y+{^4_2} He\) | 原子核内少两个质子和两个中子 |
| β衰变 | \({^M_Z}X\rightarrow {^M_{Z+1}}Y+^0_{-1}e\) | 原子核内的一个中子变成质子， 同时放出一个电子 |
2.γ 辐射：原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此也存在着能级，同样是能级越低越稳定。
放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时，往往蕴藏在核内的能量会释放出来，使产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，因此，γ射线经常是伴随α射线和 β射线产生的，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（没有γ衰变）。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β和γ三种射线。
3.半衰期：放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
三、放射性的应用与防护；放射性同位素
放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。
同位素：具有相同的质子和不同中子数的原子互称同位素，放射性同位素：具有放射性的同位素叫放射性同位素。
正电子的发现：用粒子轰击铝时，发生核反应。
1934年，约里奥—居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放射性磷
，即：
反应生成物P是磷的一种同位素，自然界没有天然的
，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。
与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素：
①放射强度容易控制
②可以制成各种需要的形状
③半衰期更短
④放射性废料容易处理
放射性同位素的应用：
①利用它的射线
A.由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪。
B.利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
C.利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。
D.利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等
②作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等。
棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收。但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。
如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决。
放射性的防护：
①在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄
②用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内，并埋在深海里
③在生活中要有防范意识，尽可能远离放射源
四、核反应方程
1.熟记一些实验事实的核反应方程式。
⑴卢瑟福用α粒子轰击氮核打出质子：
⑵贝克勒耳和居里夫人发现天然放射现象
α衰变：\({^{238}_{92}U}\rightarrow {^{234}_{90} Th}+{^4_2 He}\)
β衰变：\({^{234}_{90} Th}\rightarrow{^{234}_{91}Pa}+{^0_{-1}e}\)
⑶查德威克用α粒子轰击铍核打出中子：
⑷居里夫人发现正电子：
⑸轻核聚变：
⑹重核裂变：
\({^{235}_{92}U}+{^1_0 n}\rightarrow {^{136}_{54}Xe}+10{^1_0 n}+{^{90}_{38}Sr}\)
\({^{235}_{92}U}+{^1_0 n}\rightarrow {^{144}_{56}Ba}+{^{89}_{36} Kr}+3{^1_0 n}\)
2.熟记一些粒子的符号
3.注意在核反应方程式中，质量数和电荷数是守恒的。
处理有关核反应方程式的相关题目时，只要做到了以上几点，即可顺利解决问题。
五、重核裂变；核聚变
释放核能的途径——裂变和聚变
1.裂变反应：
①裂变：重核在一定条件下转变成两个中等质量的核的反应，叫做原子核的裂变反应。例如：
②链式反应：在裂变反应用产生的中子，再被其他铀核浮获使反应继续下去。
链式反应的条件：临界体积，极高的温度。
③
2.聚变反应：
①聚变反应：轻的原子核聚合成较重的原子核的反应，称为聚变反应。例如：
②一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放出17.6\(Mev\)的能量，平均每个核子放出的能量3\(Mev\)以上。比列变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍。
③聚变反应的条件；几百万摄氏度的高温。