IB物理/原子與核物理

7.1 原子和其組成部分

原子結構

7.1.1 描述原子模型，該模型具有被電子包圍的小原子核。

• 原子呈球形，由一個小的、緻密的原子核組成。
• 原子核由質子（帶正電）和中子（帶中性電）組成。
• 原子核被電子“殼層”包圍。
• 電子與原子核之間的靜電吸引力使原子結合在一起。

7.1.2 概述支援原子核模型的證據。

蓋革-馬斯登實驗支援現行的原子核模型。α粒子散射實驗（由盧瑟福/蓋革+馬斯登進行）涉及向一片非常薄的金箔發射α粒子，並檢測它們去了哪裡（使用螢幕）。實驗結果是，大多數α粒子直線穿過。在那些發生偏轉的粒子中，許多偏轉角度非常大，甚至直接反彈回源頭。這個結果表明，原子主要由空隙組成，有一個帶高正電荷的小原子核。

蓋革-馬斯登實驗結果	結果解釋
大多數粒子穿過了金箔	原子主要由空間組成
一小部分粒子偏轉0º-90º	金原子核是正的。α粒子被原子核排斥，導致其路徑發生偏轉。
一小部分粒子以大於90º的角度“反彈”回來	α粒子與金原子核碰撞。

7.1.3 概述簡單原子核模型的一個侷限性

首先，簡單原子核模型認為，有一個被軌道電子包圍的小原子核（沒有電子殼層）。根據電磁理論，加速的電荷應該輻射電磁波，從而損失能量。

盧瑟福的模型是，在小而帶高電荷的原子核周圍，電子像行星繞太陽執行一樣運轉。這產生了更多的問題。為什麼電子不發射輻射並損失能量？它們如何保持恆定的軌道？因此，簡單模型的侷限性在於，原子會很快衰變，因為電子會螺旋進入原子核。換句話說，簡單模型無法解釋物質為什麼是穩定的。

7.1.4 概述原子能級存在的證據

當元素獲得足夠的能量時，會發出光。這種光可以被分析，並且每種元素都有其自己的光譜。這是因為元素不會提供連續的光譜。

發射光譜和吸收光譜

當元素輻射光時，會產生線狀光譜。該光譜對應於相同能級躍遷的波長，因此，不同的元素具有不同的光譜。元素只能佔據給定的能級，並且被認為是量子化的。當電子在能級之間移動時，它會發射或吸收能量。這種能量以稱為光子的“光包”的形式發射或吸收。當電子在發射光譜中發射能量時，它會以特定顏色的光的波長形式釋放出來。當電子在吸收光譜中吸收能量時，特定波長的光會顯示為黑線。

光子

光不僅僅是連續波，而是以稱為光子的“光包”的形式發射。只有能量與電子躍遷能量相同的光子才會被髮射。

$E=hf$

其中

E= 光子能量 (J)

h= 普朗克常數 (6.63*10^{-34} Js)

f= 光的頻率 (Hz)

核結構

7.1.5 解釋核素、同位素和核子的含義。

詞語	定義
核素	一種特定的原子種類，包含特定數量的質子和中子。
同位素	包含相同數量的質子但不同數量的中子的原子
核子	原子核中的質子和中子

7.1.6 定義核子數 (A)、質子數 (P) 和中子數 (N)

詞語	定義
核子數	核子（質子和中子）的數量
原子/質子數	原子核中質子的數量
中子數	原子中中子的數量 N=A-P

7.1.7 描述原子核中的相互作用

原子核記憶體在一些力。

力（相互作用）	描述
萬有引力	這是質子和中子質量之間存在的吸引力。它是一種相對較弱的力。
電力	原子核中質子的正電荷產生一種排斥力，這種排斥力與萬有引力相比相對較強。
強核力	強於排斥電力的吸引強力阻止質子從原子核中飛出。這種力作用範圍極短，並且依賴於中子。

7.2 放射性衰變

放射性

7.2.1 描述自然放射性衰變現象

放射性衰變基本上是原子（更具體地說是原子核）自發地斷裂出自身的小部分（α、β和γ粒子）。這是由於這些粒子對儲存在抽屜裡的照相底片的影響而偶然發現的。

這導致了對這些粒子的系統分析，以及產生它們的元素。發現了上述三種不同型別的粒子並將其分離，並檢查了經歷此過程的原子（將元素從一種型別轉變為另一種型別）的影響。

7.2.2 描述α粒子、β粒子以及γ射線的性質

這三種輻射最初是根據它們的電離能力進行區分的。盧瑟福後來透過測量α粒子的發射光譜，證明α粒子是氦原子核。β粒子被發現是自由電子，但由於原子核中發生的改變而從原子核中發射出來。γ射線被發現是一種非常高頻的電磁輻射。

7.2.3 描述α粒子、β粒子以及γ射線的電離性質

α衰變和β衰變的產物很容易找到。只需寫出並平衡核方程式即可。

^A_ZX -> ^A-4_Z-2Y + ⁴₂He。然後可以確定由Y表示的特定同位素。

7.2.4 概述電離輻射的生物效應

輻射在穿過氣體時往往會使氣體電離（剝奪電子的）。蓋革計數器利用這一原理來探測輻射。（這裡不需要真正詳細的知識。）

7.2.5 解釋為什麼有些原子核是穩定的，而另一些是不穩定的

原子核中中子與質子的比率越大，原子核就越穩定。這是因為中子（和質子）引起的強力將超過由正質子引起的排斥靜電力。此外，透過在質子之間加入中子來增加質子之間的距離，也將進一步降低質子所受的靜電力，從而使原子核更加穩定。因此，中子與質子比高的原子核將是穩定的，而中子與質子比低的原子核將是不穩定的。

半衰期

7.2.6 說明放射性衰變是一個隨機的自發過程，並且衰變速率隨時間呈指數下降

人工嬗變：當原子衰變時，它們會轉變為不同的原子，這稱為人工嬗變。原子通常只會損失α和β粒子（γ只是能量損失，因此在這裡不相關）。α粒子是2個質子和2箇中子。β粒子是1個負電荷，它將原子核中的中子轉變為質子。這些事實可以結合起來預測核方程的結果。在聚變反應中或用α粒子或其他小型核粒子轟擊元素時，也會發生原子從一種元素轉變為另一種元素的人工嬗變。例如，用氘核轟擊鈾產生鈽。

描述N和He之間的反應如何導致質子的發現：透過用α粒子轟擊氮原子核，盧瑟福導致了氫原子核的射出和新的氧原子核的產生。因此，質子被發現了。

7.2.7 定義放射性半衰期的術語

半衰期是指放射性樣品的衰變速率下降到其初始值一半所需的時間（平均值，儘管對於大量原子來說是準確的）。對於給定的同位素，這是一個常數。

7.2.8 從衰變曲線確定核素的半衰期

經過n個半衰期後的放射性將是初始值 x (¹/₂)ⁿ。此方程式不在資料手冊中，但希望它相當明顯。

7.2.9 解決涉及整數個半衰期的放射性衰變問題

放射性衰變對於單個原子來說是一個隨機過程，但總體而言，一塊放射性原子的衰變速率呈指數下降，最終降至零。衰變速率不受物理或化學條件的影響。對於大量原子，放射性原子的數量將在一個固定的時間段內減半，稱為半衰期，這導致了指數性質。

可以透過以下方法從圖中確定半衰期：首先在圖上取一點，找到其衰變速率。計算衰變速率，使其為原始值的一半，然後找到圖上與該一半速率相對應的那一點。半衰期是這兩點之間的時間（來自x軸）。

核反應

7.3.3 定義統一原子質量單位術語

統一原子質量單位是碳-12同位素原子核質量的十二分之一。

7.3.4 應用愛因斯坦質量-能量等價關係

$E=mc^{2}$

額外內容

密立根油滴實驗的思想是使用非常小的油滴，這些油滴帶有一定的電荷，並在兩塊帶電極板之間保持平衡。透過知道極板間電場的強度，可以計算出作用在油滴上的每個電荷的力的大小，如果油滴懸浮，則該力的大小與向下作用的重力大小完全相同。由此，可以找到油滴的荷質比。

然後透過切斷電場並測量油滴的終極速度以及使用斯托克斯公式來測量油滴的質量。這使得可以找到油滴上的電荷，並且發現這些電荷之間的最小差異為1.6 × 10^-19 C，即單個電子的電荷。

如果一個物體透過電場懸浮，則mg = qE（質量×重力=電荷×電場強度）。為了計算目的，電場強度可以表示為^V/_d（電壓差除以距離）。結果表明，電荷之間的最小差異為1.6 × 10^-19 C，因此這必須是最小的電荷單位。這意味著電荷必須是量子化的（只能以離散的塊出現，而不是連續的），並且電荷的量子為1.6 × 10^-19 C。電子槍依賴於熱電子發射的原理。在真空中的兩塊金屬板之間產生一個大的電勢差。陰極（電子發射的負極）發射出一束電子。它們加速向陽極（正極板）運動，陽極上有一個孔，因此一些電子穿過並形成一種電子束（最初稱為陰極射線）。

陰極射線可以透過電場和磁場偏轉，並且像帶負電荷的粒子在這些場中的行為一樣。這兩種特性都可以用它們實際上是電子來解釋。

湯姆遜的實驗涉及使用電場和磁場精確抵消彼此的作用，並使電子不受偏轉地透過。然後去除電場並測量曲率半徑。然後方程簡化為給出^e/_m的表示式，其中所有其他項都是已知的，因此可以準確地找到荷質比。

透過知道電子的電荷（密立根）和荷質比（湯姆遜），可以找到電子的質量。這使得湯姆遜成為電子的發現者（為他歡呼吧）。