IB物理/原子与核物理

7.1 原子和其组成部分

原子结构

7.1.1 描述原子模型，该模型具有被电子包围的小原子核。

• 原子呈球形，由一个小的、致密的原子核组成。
• 原子核由质子（带正电）和中子（带中性电）组成。
• 原子核被电子“壳层”包围。
• 电子与原子核之间的静电吸引力使原子结合在一起。

7.1.2 概述支持原子核模型的证据。

盖革-马斯登实验支持现行的原子核模型。α粒子散射实验（由卢瑟福/盖革+马斯登进行）涉及向一片非常薄的金箔发射α粒子，并检测它们去了哪里（使用屏幕）。实验结果是，大多数α粒子直线穿过。在那些发生偏转的粒子中，许多偏转角度非常大，甚至直接反弹回源头。这个结果表明，原子主要由空隙组成，有一个带高正电荷的小原子核。

盖革-马斯登实验结果	结果解释
大多数粒子穿过了金箔	原子主要由空间组成
一小部分粒子偏转0º-90º	金原子核是正的。α粒子被原子核排斥，导致其路径发生偏转。
一小部分粒子以大于90º的角度“反弹”回来	α粒子与金原子核碰撞。

7.1.3 概述简单原子核模型的一个局限性

首先，简单原子核模型认为，有一个被轨道电子包围的小原子核（没有电子壳层）。根据电磁理论，加速的电荷应该辐射电磁波，从而损失能量。

卢瑟福的模型是，在小而带高电荷的原子核周围，电子像行星绕太阳运行一样运转。这产生了更多的问题。为什么电子不发射辐射并损失能量？它们如何保持恒定的轨道？因此，简单模型的局限性在于，原子会很快衰变，因为电子会螺旋进入原子核。换句话说，简单模型无法解释物质为什么是稳定的。

7.1.4 概述原子能级存在的证据

当元素获得足够的能量时，会发出光。这种光可以被分析，并且每种元素都有其自己的光谱。这是因为元素不会提供连续的光谱。

发射光谱和吸收光谱

当元素辐射光时，会产生线状光谱。该光谱对应于相同能级跃迁的波长，因此，不同的元素具有不同的光谱。元素只能占据给定的能级，并且被认为是量子化的。当电子在能级之间移动时，它会发射或吸收能量。这种能量以称为光子的“光包”的形式发射或吸收。当电子在发射光谱中发射能量时，它会以特定颜色的光的波长形式释放出来。当电子在吸收光谱中吸收能量时，特定波长的光会显示为黑线。

光子

光不仅仅是连续波，而是以称为光子的“光包”的形式发射。只有能量与电子跃迁能量相同的光子才会被发射。

$E=hf$

其中

E= 光子能量 (J)

h= 普朗克常数 (6.63*10^{-34} Js)

f= 光的频率 (Hz)

核结构

7.1.5 解释核素、同位素和核子的含义。

词语	定义
核素	一种特定的原子种类，包含特定数量的质子和中子。
同位素	包含相同数量的质子但不同数量的中子的原子
核子	原子核中的质子和中子

7.1.6 定义核子数 (A)、质子数 (P) 和中子数 (N)

词语	定义
核子数	核子（质子和中子）的数量
原子/质子数	原子核中质子的数量
中子数	原子中中子的数量 N=A-P

7.1.7 描述原子核中的相互作用

原子核内存在一些力。

力（相互作用）	描述
万有引力	这是质子和中子质量之间存在的吸引力。它是一种相对较弱的力。
电力	原子核中质子的正电荷产生一种排斥力，这种排斥力与万有引力相比相对较强。
强核力	强于排斥电力的吸引强力阻止质子从原子核中飞出。这种力作用范围极短，并且依赖于中子。

7.2 放射性衰变

放射性

7.2.1 描述自然放射性衰变现象

放射性衰变基本上是原子（更具体地说是原子核）自发地断裂出自身的小部分（α、β和γ粒子）。这是由于这些粒子对保存在抽屉里的照相底片的影响而偶然发现的。

这导致了对这些粒子的系统分析，以及产生它们的元素。发现了上述三种不同类型的粒子并将其分离，并检查了经历此过程的原子（将元素从一种类型转变为另一种类型）的影响。

7.2.2 描述α粒子、β粒子以及γ射线的性质

这三种辐射最初是根据它们的电离能力进行区分的。卢瑟福后来通过测量α粒子的发射光谱，证明α粒子是氦原子核。β粒子被发现是自由电子，但由于原子核中发生的改变而从原子核中发射出来。γ射线被发现是一种非常高频的电磁辐射。

7.2.3 描述α粒子、β粒子以及γ射线的电离性质

α衰变和β衰变的产物很容易找到。只需写出并平衡核方程式即可。

^A_ZX -> ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He。然后可以确定由Y表示的特定同位素。

7.2.4 概述电离辐射的生物效应

辐射在穿过气体时往往会使气体电离（剥夺电子的）。盖革计数器利用这一原理来探测辐射。（这里不需要真正详细的知识。）

7.2.5 解释为什么有些原子核是稳定的，而另一些是不稳定的

原子核中中子与质子的比率越大，原子核就越稳定。这是因为中子（和质子）引起的强力将超过由正质子引起的排斥静电力。此外，通过在质子之间加入中子来增加质子之间的距离，也将进一步降低质子所受的静电力，从而使原子核更加稳定。因此，中子与质子比高的原子核将是稳定的，而中子与质子比低的原子核将是不稳定的。

半衰期

7.2.6 说明放射性衰变是一个随机的自发过程，并且衰变速率随时间呈指数下降

人工嬗变：当原子衰变时，它们会转变为不同的原子，这称为人工嬗变。原子通常只会损失α和β粒子（γ只是能量损失，因此在这里不相关）。α粒子是2个质子和2个中子。β粒子是1个负电荷，它将原子核中的中子转变为质子。这些事实可以结合起来预测核方程的结果。在聚变反应中或用α粒子或其他小型核粒子轰击元素时，也会发生原子从一种元素转变为另一种元素的人工嬗变。例如，用氘核轰击铀产生钚。

描述N和He之间的反应如何导致质子的发现：通过用α粒子轰击氮原子核，卢瑟福导致了氢原子核的射出和新的氧原子核的产生。因此，质子被发现了。

7.2.7 定义放射性半衰期的术语

半衰期是指放射性样品的衰变速率下降到其初始值一半所需的时间（平均值，尽管对于大量原子来说是准确的）。对于给定的同位素，这是一个常数。

7.2.8 从衰变曲线确定核素的半衰期

经过n个半衰期后的放射性将是初始值 x (¹/₂)ⁿ。此方程式不在数据手册中，但希望它相当明显。

7.2.9 解决涉及整数个半衰期的放射性衰变问题

放射性衰变对于单个原子来说是一个随机过程，但总体而言，一块放射性原子的衰变速率呈指数下降，最终降至零。衰变速率不受物理或化学条件的影响。对于大量原子，放射性原子的数量将在一个固定的时间段内减半，称为半衰期，这导致了指数性质。

可以通过以下方法从图中确定半衰期：首先在图上取一点，找到其衰变速率。计算衰变速率，使其为原始值的一半，然后找到图上与该一半速率相对应的那一点。半衰期是这两点之间的时间（来自x轴）。

核反应

7.3.3 定义统一原子质量单位术语

统一原子质量单位是碳-12同位素原子核质量的十二分之一。

7.3.4 应用爱因斯坦质量-能量等价关系

$E=mc^{2}$

额外内容

密立根油滴实验的思想是使用非常小的油滴，这些油滴带有一定的电荷，并在两块带电极板之间保持平衡。通过知道极板间电场的强度，可以计算出作用在油滴上的每个电荷的力的大小，如果油滴悬浮，则该力的大小与向下作用的重力大小完全相同。由此，可以找到油滴的荷质比。

然后通过切断电场并测量油滴的终极速度以及使用斯托克斯公式来测量油滴的质量。这使得可以找到油滴上的电荷，并且发现这些电荷之间的最小差异为1.6 × 10^-19 C，即单个电子的电荷。

如果一个物体通过电场悬浮，则mg = qE（质量×重力=电荷×电场强度）。为了计算目的，电场强度可以表示为^V/_d（电压差除以距离）。结果表明，电荷之间的最小差异为1.6 × 10^-19 C，因此这必须是最小的电荷单位。这意味着电荷必须是量子化的（只能以离散的块出现，而不是连续的），并且电荷的量子为1.6 × 10^-19 C。电子枪依赖于热电子发射的原理。在真空中的两块金属板之间产生一个大的电势差。阴极（电子发射的负极）发射出一束电子。它们加速向阳极（正极板）运动，阳极上有一个孔，因此一些电子穿过并形成一种电子束（最初称为阴极射线）。

阴极射线可以通过电场和磁场偏转，并且像带负电荷的粒子在这些场中的行为一样。这两种特性都可以用它们实际上是电子来解释。

汤姆逊的实验涉及使用电场和磁场精确抵消彼此的作用，并使电子不受偏转地通过。然后去除电场并测量曲率半径。然后方程简化为给出^e/_m的表达式，其中所有其他项都是已知的，因此可以准确地找到荷质比。

通过知道电子的电荷（密立根）和荷质比（汤姆逊），可以找到电子的质量。这使得汤姆逊成为电子的发现者（为他欢呼吧）。