第四课时 单元知识整合
本章知识结构
1．汤姆孙在发现电子后，提出原子模型是枣糕模型，卢瑟福根据著名的α粒子散射实验总结出原子的核式结构模型，他提出原子中心有一个很小的原子核，它集中了原子的所有正电荷和几乎全部的质量，电子绕核旋转，原子核直径的数量级是10-15～10-14m。
2．在玻尔理论中，原子的能量和电子的轨道半径都是量子化的，原子在能级之间跃迁时要吸收或辐射特定频率的光子，且光子能量E=hγ=Em-En。这也解释了氢原子的线状光谱。
3．天然放射现象中的三种射线：α射线是速度约为光速1/10的氦核流，贯穿本领很弱，电离作用很强；β射线是高速电子流，贯穿本领很强，电离作用较弱；γ射线是一种电磁波，贯穿本领极强，电离作用很弱。
4．原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核，我们把这种变化叫衰变。半衰期是放射性原子核有半数发生衰变所需的时间，它是由核内部本身因素决定的；衰变时的质量数和电荷数都是守恒的。
5．具有相同质子数和不同中子数的原子互称同位素，放射性同位素的应用(1) 利用它的射线(2) 作为示踪原子
6．爱因斯坦质能方程为E=mc2，质量亏损△m时所释放的核能为△E=△mc2，获取核能的主要方式有重核裂变和轻核聚变。
1．实验法：研究物理学的重要手段，近代物理中的很多物理规律都是通过实验获取的。
2．假设法：通过对物理实验现象的观察和研究提出假说解释现象，这是物理研究的重要思维方法，如光子说、原子核式结构学说、轨道量子化假设等。假说必须有一定的实验和理论依据，并能成功解释一些物理现象。
3．辩证思想：在宏观世界中波是波，粒是粒，而在微观世界中，光既具有粒子性又具有波动性，是辩证统一的而不是一对矛盾。玻尔模型成功地解释了氢原子线状光谱的形成；而原子吸收高能量光子后又可电离(光电效应)；物体的质量和能量之间存在着简单的正比关系――要用联系的观点看问题。 4．模型法、类比法：光子、物质波、原子核式结构、玻尔模型、原子核(质子、中子)等物理微观模型不能直接看到，需要在头脑中构建一个模型来替代，同时，也要注意与宏观模型的类比，如玻尔模型与人造卫星的圆周运动模型相类比，有很多类似规律，但要注意宏观世界与微观世界的区别。
5．守恒思想：核反应过程中质量数、电荷数守恒；动量守恒定律对宏观世界和微观世界都是成立的；核反应前后的总能量(含核能)也是守恒的。
类型一原子物理知识的综合应用
【例1】（07年江苏省扬州市一模）美国“里根”号核动力航空母舰的动力来自核反应堆，其中主要的核反应方程式是
（1）在括号内填出 前的系数；
（2）用m1、m2、m3均分别表示 核的质量，m表示中子的质量，则上述核反应过程中一个铀235核发生裂变产生的核能ΔE是多少?
（3）假设核反应堆的功率P=6.0×105kW，若一个铀235核裂变产生的能量为2.8×10-11J， 则该航空母舰在海上航行一个月需要消耗多少千克铀235?( 铀235的摩尔质量μ=0.235kg/mol，一月约为t=2.6×106s，阿伏伽德罗常数NA=6.0×1023 mol-1。（计算结果保留两位有效数字）
导示: （1）3
（2） （3）一个月内核反应产生的总能量为E=Pt
同时
所以
类型二原子物理与社会生活及科学技术的结合
【例2】 天文学家测得银河系中氦的含量约为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3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）把氢核取变反应简化为4个氢核 聚变成氦核（ ），同时放出2个正电子 和2个中微子 ，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=3.8×1017s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037J（即P=1×1037J/S）。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量（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做出判断。（可能用到的数据：银河系质量约为M=3×1041kg，原子质量单位1u=1.66×10-27kg，1u相当于1.5×10-10J的能量，电子质量me=0.0005u，氦核质量mα=4.0026u，氢核质量mp=1.0078u，中微子 质量为零。）
导示: （1）
（2）
氦的含量
（3）由估算结果可知， 远小于25%的实际值，所以银河系中的氢重要是宇宙诞生后不久生成的。
类型三原子物理与动量、能量结合的问题
【例3】（07海南卷）一速度为v的高速α粒子（ ）与同方向运动的氖核（ ）发生弹性正碰，碰后α粒子恰好静止。求碰撞前后氖核的速度（不计相对论修正）。
导示: 设α粒子与氖核的质量分别为ma与mNe，氖核在碰撞前后的速度分别为vNe与 。由动量守恒与机械能守恒定律，有
①
②
解得 ③
④
已知 ⑤
将⑤式代入③④式得 ⑥
⑦
1．（07年江苏省扬州市一模）太阳光垂直照射到地面上时，地面上1m2的面积上接受太阳光的功率为1.4kW，其中可见光部分约占45％。
（1）假如认为可见光的波长为0.55μm，日地间距离R=1.5×1011m，普朗克常数为h=6.63×l0-34Js，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少?
（2）若已知地球的半径为6.4×106 m，估算地球接受太阳光的总功率。(计算结果均保留一位有效数字)
2．在能源中，核能具有能量密度大、环境无污染的好处。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
(1)核反应方程 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为 ， a＝ 。以mU、mBa、mKr分别表示 核的质量，mn、mP分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能为ΔE＝ 。
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率为η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是上述核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，235 92U核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的 的质量。
3．一个原来静止的锂核（ ）俘获一个速度为7.7×104m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s，方向与中子的运动方向相反。
（1）试写出核反应方程；
（2）求出氦核的速度；
（3）若让一个氘核和一个氚核发生聚变时，可产生一个氦核同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量。（已知氘核质量为mD=2.014102u，氚核质量为mT=3.016050u，氦核的质量mHe=4.002603u，中子质量mn=1.008665u, 1u=1.6606×10－27kg）
答案：1、（1）5×1044（2）2×1014kW；
2、（1） 、3、(mU－mBa－mKr－2mn)c2
（2）)M＝mUPTηΔE(T为1年的时间)；
3、（1）
（2）2×104m/s
本章知识结构
1．汤姆孙在发现电子后，提出原子模型是枣糕模型，卢瑟福根据著名的α粒子散射实验总结出原子的核式结构模型，他提出原子中心有一个很小的原子核，它集中了原子的所有正电荷和几乎全部的质量，电子绕核旋转，原子核直径的数量级是10-15～10-14m。
2．在玻尔理论中，原子的能量和电子的轨道半径都是量子化的，原子在能级之间跃迁时要吸收或辐射特定频率的光子，且光子能量E=hγ=Em-En。这也解释了氢原子的线状光谱。
3．天然放射现象中的三种射线：α射线是速度约为光速1/10的氦核流，贯穿本领很弱，电离作用很强；β射线是高速电子流，贯穿本领很强，电离作用较弱；γ射线是一种电磁波，贯穿本领极强，电离作用很弱。
4．原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核，我们把这种变化叫衰变。半衰期是放射性原子核有半数发生衰变所需的时间，它是由核内部本身因素决定的；衰变时的质量数和电荷数都是守恒的。
5．具有相同质子数和不同中子数的原子互称同位素，放射性同位素的应用(1) 利用它的射线(2) 作为示踪原子
6．爱因斯坦质能方程为E=mc2，质量亏损△m时所释放的核能为△E=△mc2，获取核能的主要方式有重核裂变和轻核聚变。
1．实验法：研究物理学的重要手段，近代物理中的很多物理规律都是通过实验获取的。
2．假设法：通过对物理实验现象的观察和研究提出假说解释现象，这是物理研究的重要思维方法，如光子说、原子核式结构学说、轨道量子化假设等。假说必须有一定的实验和理论依据，并能成功解释一些物理现象。
3．辩证思想：在宏观世界中波是波，粒是粒，而在微观世界中，光既具有粒子性又具有波动性，是辩证统一的而不是一对矛盾。玻尔模型成功地解释了氢原子线状光谱的形成；而原子吸收高能量光子后又可电离(光电效应)；物体的质量和能量之间存在着简单的正比关系――要用联系的观点看问题。 4．模型法、类比法：光子、物质波、原子核式结构、玻尔模型、原子核(质子、中子)等物理微观模型不能直接看到，需要在头脑中构建一个模型来替代，同时，也要注意与宏观模型的类比，如玻尔模型与人造卫星的圆周运动模型相类比，有很多类似规律，但要注意宏观世界与微观世界的区别。
5．守恒思想：核反应过程中质量数、电荷数守恒；动量守恒定律对宏观世界和微观世界都是成立的；核反应前后的总能量(含核能)也是守恒的。
类型一原子物理知识的综合应用
【例1】（07年江苏省扬州市一模）美国“里根”号核动力航空母舰的动力来自核反应堆，其中主要的核反应方程式是
（1）在括号内填出 前的系数；
（2）用m1、m2、m3均分别表示 核的质量，m表示中子的质量，则上述核反应过程中一个铀235核发生裂变产生的核能ΔE是多少?
（3）假设核反应堆的功率P=6.0×105kW，若一个铀235核裂变产生的能量为2.8×10-11J， 则该航空母舰在海上航行一个月需要消耗多少千克铀235?( 铀235的摩尔质量μ=0.235kg/mol，一月约为t=2.6×106s，阿伏伽德罗常数NA=6.0×1023 mol-1。（计算结果保留两位有效数字）
导示: （1）3
（2） （3）一个月内核反应产生的总能量为E=Pt
同时
所以
类型二原子物理与社会生活及科学技术的结合
【例2】 天文学家测得银河系中氦的含量约为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3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）把氢核取变反应简化为4个氢核 聚变成氦核（ ），同时放出2个正电子 和2个中微子 ，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=3.8×1017s，每秒钟银河系产生的能量约为1×1037J（即P=1×1037J/S）。现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量（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做出判断。（可能用到的数据：银河系质量约为M=3×1041kg，原子质量单位1u=1.66×10-27kg，1u相当于1.5×10-10J的能量，电子质量me=0.0005u，氦核质量mα=4.0026u，氢核质量mp=1.0078u，中微子 质量为零。）
导示: （1）
（2）
氦的含量
（3）由估算结果可知， 远小于25%的实际值，所以银河系中的氢重要是宇宙诞生后不久生成的。
类型三原子物理与动量、能量结合的问题
【例3】（07海南卷）一速度为v的高速α粒子（ ）与同方向运动的氖核（ ）发生弹性正碰，碰后α粒子恰好静止。求碰撞前后氖核的速度（不计相对论修正）。
导示: 设α粒子与氖核的质量分别为ma与mNe，氖核在碰撞前后的速度分别为vNe与 。由动量守恒与机械能守恒定律，有
①
②
解得 ③
④
已知 ⑤
将⑤式代入③④式得 ⑥
⑦
1．（07年江苏省扬州市一模）太阳光垂直照射到地面上时，地面上1m2的面积上接受太阳光的功率为1.4kW，其中可见光部分约占45％。
（1）假如认为可见光的波长为0.55μm，日地间距离R=1.5×1011m，普朗克常数为h=6.63×l0-34Js，估算太阳每秒辐射出的可见光光子数为多少?
（2）若已知地球的半径为6.4×106 m，估算地球接受太阳光的总功率。(计算结果均保留一位有效数字)
2．在能源中，核能具有能量密度大、环境无污染的好处。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
(1)核反应方程 是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为 ， a＝ 。以mU、mBa、mKr分别表示 核的质量，mn、mP分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能为ΔE＝ 。
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106 kW的核电站，核能转化为电能的效率为η＝40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是上述核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，235 92U核的质量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的 的质量。
3．一个原来静止的锂核（ ）俘获一个速度为7.7×104m/s的中子后，生成一个氚核和一个氦核，已知氚核的速度大小为1.0×103m/s，方向与中子的运动方向相反。
（1）试写出核反应方程；
（2）求出氦核的速度；
（3）若让一个氘核和一个氚核发生聚变时，可产生一个氦核同时放出一个中子，求这个核反应释放出的能量。（已知氘核质量为mD=2.014102u，氚核质量为mT=3.016050u，氦核的质量mHe=4.002603u，中子质量mn=1.008665u, 1u=1.6606×10－27kg）
答案：1、（1）5×1044（2）2×1014kW；
2、（1） 、3、(mU－mBa－mKr－2mn)c2
（2）)M＝mUPTηΔE(T为1年的时间)；
3、（1）
（2）2×104m/s
