高三物理集训(五)-原子核

1、普安一中20142015高三物理集训（五） 原子核 基础知识 一、原子的核式结构模型1、汤姆生的“枣糕”模型（1）1897年汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构，揭开了研究原子的序幕 (2)“枣糕”模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里a aaaa粒子源荧光屏金箔真空a粒子束v2、卢瑟福的核式结构模型（1）粒子散射实验的结果：粒子通过金箔时，绝大多数不发生偏转，仍沿原来的方向前进，少数发生较大的偏转，极少数偏转角超过900，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到1800（2）核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎

2、全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是呈电中性的电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力（3）从粒子散射实验的数据估算出原子核大小的数量级为1015一1014 m，原子大小的数量级为 1010 m。【例1】在卢瑟福的粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是（ ） A原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上 B正电荷在原子中是均匀分布的 C、原子中存在着带负电的电子 D原子只能处于一系列不连续的能量状态中【例2】关于粒子散射实验，下列说法中正确的是 （ ） A绝大多数粒子经过重金属箔后，发生了角度

3、不太大的偏转 B粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少 C、粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能增大 D对粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小二、天然放射性现象1放射性现象：贝克勒耳发现天然放射现象，使人们认识到原子核也有复杂结构，揭开了人类研究原子核结构的序幕通过对天然放射现象的研究，人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性，它们放射出来的射线共有三种：射线、射线、射线2、三种射线的本质和特性 1射线：速度约为光速110的氦核流，贯穿作用很弱，电离作用很强 2射线：速度约为光速十分之几的电子流，贯穿作用

4、很强，电离作用较弱 3射线：波长极短的电磁波，贯穿作用最强，电离作用最弱种 类本 质质 量（u）电 荷（e）速 度（c）电 离 性贯 穿 性射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板射线光子001最弱最强，穿几cm铅版 O 三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较： 3、原子核的衰变规律（1）衰变的一般方程为He·每发生一次衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数减小2，质量数减少4衰变的实质是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子（即氦核）（核内）（2）衰变的一般方程为e每发生一次衰变，新元素与原元素相

5、比较，核电荷数增加1，质量数不变衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子（核内）， +衰变：（核内）（3）射线是伴随衰变或衰变同时产生的、射线不改变原子核的电行数和质量数其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子（4）半衰期A意义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间用希腊字母表示 公式：，B半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态（如任强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关【例3】Th（钍）经过一系列和衰变，变成Pb（铅），下列说法正确的是（ ） A铅核比钍核少8个质子 B铅核

6、比钍核少16个中子 C共经过4次衰变和6次衰变 D共经过6次衰变和4次衰变【例4】铀（）经过、衰变形成稳定的铅（），问在这一变化过程中，共有多少中子转变为质子（ ） A6 ； B14； C22 ； D32【例5】如图所示，两个相切的圆表示一个静止原子核发生某种核变化后，产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨迹，可能的是（ ） A.原子核发生了衰变；B原子核发生了衰变 C原子核放出了一个正电子；D原子核放出了一个中子； 三.原子核的人工转变核能1原子核的组成：质子和中子组成原子核。质子和中子统称为核子，原子核的质量数等于其核子数，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的中子数N等于其质量数A与电荷数

7、Z之差，即N=AZ。质子质量= 1007277u16725×1027kg; 中子质量=1008665u16748×10-27kg具有相同的质子数、不同的中子数的原子核互称为同位素【例6】现在，科学家们正在设法探寻“反物质”所谓的“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电量，但电荷的符号相反，据此，若反的粒子，它的质量数为 ，电荷数为 【例7】 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成。u夸克带电量为e，d夸克带电量e，e为基元电荷。下列论断可能正确的是 A质子由1个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个

8、d夸克组成B质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成C质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成D质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和1个d夸克组成2原子核的人工转变：用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，其核反应方程的一般形式为：。式中是靶核的符号，为入射粒子的符号，是新生核符号，是放射出的粒子的符号。 卢瑟福发现质子的核反应方程为： 查德威克发现中子的核反应方程为：。 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：，其中，P是放射性同位素，e为正电子3.放射性同位素的应用利用其射线：射线电离性强，

9、用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程。作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，半衰期短，可制成各种形状，强度容易控制）。【例8】 关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到消除有害静电的目的B.利用射线的贯穿性可以为金属探伤，也能进行人体的透视C.用放射线照射作物种

10、子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种D.用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的危害四.核力与核能1核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能是稳定状态，一定还有另外一种力把各核子紧紧地拉在一起这种力叫做核力核力是很强的力核力作用范围小，只在20×1015 m短距离内起作用每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用2核能（1）结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一定能量，这种能量叫结合能（2）质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量

11、亏损。 也可以认为在核反应中，参加核反应的总质量m和核反应后生成的核总质量m/之差： m=m一m/（3）爱因斯坦质能方程：爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们的关系是：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：E=mc2。（4）核能计算：应用公式E=mc 2时应选用国际单位，即EM的单位为焦耳，m的单位为千克，C的单位为米秒1u相当于9315MeV，其中u为原子质量单位：1u=1660566×1027kg ，lMev= l06 ev，leV16×1019J应用公式E=9315m时，E的单位为兆电子伏（MeV），m的单位

12、为原子质量单位例9下面是一核反应方程，用表示光速，则（ ） A. X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘C2B. X是中子，核反应放出的能量等于质子质量乘C2C. X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与质子的质量和，再乘C2D. X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核的质量和减去氦核与中子的质量和，再乘C2五.重核的裂变与轻核的聚变1重核的裂变所谓重核即为质量数很大的原子核重核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量数的原子核的反应过程叫重核的裂变。在裂变的同时，还会放出几个中子和大量能量 裂变方程式例举： 铀235裂变时，同时放出23个中子，如果这些中子再引起其他铀23

13、5核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫链式反应铀235核能够发生接式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积核反应堆的构造：A.核燃料用铀棒（含3%-4%的浓缩铀）。B减速剂用石墨、重水或普通水（只吸收慢中子）。C控制棒用镉做成（镉吸收中子的能力很强）。D冷却剂用水或液态钠（把反应堆内的热量传递出去）2轻核的聚变所谓轻核是指质量数很小的原子核，如氢核、氘核等某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程叫做轻核的聚变，同时放出大量的能量 轻核聚变方程例举 HHHen 经核聚变只能发生在超高温（需要几百万度高温）条件下，故轻核聚变也叫做热核反应【例10】一个中子以19 ×107 m

14、/s的速度射中一个静止的氮核,并发生核反应，生成甲、乙两种新核，它们的运动方向与中子原来的运动方向相同，测得甲核质量是中子质量的11倍，速度是1×106m/s，乙核垂直进入B=2 T的匀强磁场中做匀速圆周运动的半径为R=002 m，已知中子质量m=16×1027kg，e=16×1019C，求乙核是何种原子核？并写出核反应方程。【例11】众所周知，地球围绕着太阳做椭圆运动，阳光普照大地，万物生长。根据你学过的知以，试论述随着岁月的流逝，地球公转的周期，日地的平均距离及地球的表面温度变化的趋势。（不考虑流星及外星球与地球发生碰撞的可能性）。 六.粒子物理学到19世纪末

15、，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。20世纪30年代以来，人们认识了正电子、子、K介子、介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。规律方法 1。掌握典型的反应方程衰变： 衰变：（核内） 衰变：（核内） +衰变：（核内） 衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁

16、到低能级。人工转变：（发现质子的核反应） （发现中子的核反应） （人工制造放射性同位素）重核的裂变： 在一定条件下（超过临界体积），裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。轻核的聚变：（需要几百万度高温，所以又叫热核反应）【例12】 完成下列核反应方程，并指出其中哪个是发现质子的核反应方程，哪个是发现中子的核反应方程。 + +_ + _+ + _+ + +_【例13】)最近几年，原子核科学家在超重元素岛的探测方面取得重大进展。1996年科学家们在研究某两个重离子结合成超重元素的反应时，发现生成的超重元素的核经过6次衰变后的产物是。由此，可以判定生成的超重元素的原子序数和质量数分别是 A1

17、24、259                   B124、265 C112、265                    D112、277【例14】 1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用放射源进行了

18、实验验证，次年，李、杨二人为此获得诺贝尔物理奖，的衰变方程是。其中是反中微子，它的电荷为零，静止质量可认为是零（1）CO与Fe同周期，它应在周期表的第_周期，的核外电子数为_在上述衰变方程中，衰变产物的质量数A是_，核电荷数Z是_。（2）在衰变前核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni和的运动径迹不在一条直线上，如果认为衰变产物只有Ni和e，那么衰变过程将违背_守恒定律。2理解原子核的变化无论天然放射性元素的衰变，还是原子核的人工转变，都遵循电荷数守恒、质量数守恒（注意：质量并不守恒），动量守恒与能量守恒有关规律，除去会写核反应过程以外，还需结合以前学过的力学知识、电磁学知识进行有关计算【例

19、15】 静止的氡核放出粒子后变成钋核，粒子动能为E。若衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能，真空中的光速为c，则该反应中的质量亏损为 A. B. 0 C. D.【例16】 静止在匀强磁场中的一个核俘获了一个速度为向v =7.3×104m/s的中子而发生核反应，生成粒子与一个新核。测得粒子的速度为2×104 m/s，方向与反应前中子运动的方向相同，且与磁感线方向垂直。求：写出核反应方程。画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图（磁感线方向垂直于纸面向外）。求粒子与新核轨道半径之比。求粒子与新核旋转周期之比。 3理解核能与核能的计算凡是释放核能的核反应都有质量亏

20、损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。核能的计算方法：(1)根据爱因斯坦的质能亏损，用核子结合成原子核时的质量亏损(m)的千克数乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)，即：E=mc2 (2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV，即：E=m×931.5MeV 注意：式m的单位是千克

21、(kg)，E的单位是焦耳(J)；式中m的单位是指原子质量单位(u)(1u=1.660566×10-27 kg)，E的单位是兆电子伏(MeV)。 (3)由核能的转化量来计算核能。 在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能，因而在此情况下可应用力学原理动量守恒和能量守恒来计算核能。【例17】 一个氢原子的质量为1.6736×10-27kg，一个锂原子的质量为11.6505×10-27kg，一个氦原子的质量为6.6467×10-27kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2个粒子，写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？1mg锂原子

22、发生这样的反应共释放多少核能？解：H+Li 2He 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程E=mc2得释放核能E=2.76×10-12J1mg锂原子含锂原子个数为10-6÷11.6505×10-27，每个锂原子对应的释放能量是2.76×10-12J，所以共释放2.37×108J核能。【例18】在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。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）核反应方程式是反应堆中发生的许多核反应中的一种,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