高中人教物理选择性必修二专题17 原子核结构-教师版

1、专题17 原子核结构（教师版）一、目标要求目标要求重、难点原子核的组成重点原子核的衰变及半衰期重点核力与结合能重难点核反应方程重难点裂变与聚变重点二、知识点解析1原子核的组成(1)原子核的组成：自卢瑟福发现质子和查德威克发现中子之后，人们对原子核的组成有了如下认知：原子核由质子和中子组成，统称为核子，原子核的质量等于所有组成该原子核的质子和中子质量和，质子和中子的质量几乎相同，因此原子核的质量等于单个核子质量的整数倍，这个倍数称为原子核的质量数，用A表示；由于中子不带电，原子核所带电荷量与核内质子电荷总量相等，所以原子核所带电荷量总是等于质子数的整数倍，这个倍数称为原子核的核电荷数，用Z表示；

2、原子核常用符号表示，X为元素符号；Z表示原子核的核电荷数，即核内的质子数，也即该种元素的原子序数；A表示原子核的质量数，即核内质子数与中子数的总和；自然界中存在相同核电荷数不同质量数的原子核，这类原子核是相同元素但具有不同的中子数，我们把这类元素称为同位素，如与、互为同位素(2)天然放射现象1896年法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光；之后法国物理学家玛丽居里从含铀的矿物中发现了两种新的具有放射性的元素，为纪念她的祖国波兰，她将这两种元素命名为钋(Po)和镭(Ra)；物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，后来发

3、现，原子序数大于82的元素都具有放射性，原子序数小于82的同位素也能具有放射性；放射性元素能够自发放出射线的现象，称为天然放射现象2放射性元素的衰变发现天然放射现象后，科学家们研究了放出的射线的性质(1)三种射线的性质探究：如图1所示，利用电场和磁场对三种射线进行分析，得到了图中的结果；图1特点射线种类组成速度贯穿本领电离能力射线高速氦核()流约0.1c很小，一张薄纸就能挡住很强射线高速电子()流约0.99c较强，能穿透几毫米的铝板较弱射线波长极短的电磁波c最强，能穿透几厘米的铅板很小(2)放射性元素的衰变定义：具有放射性的原子核放出粒子或粒子，其核电荷数发生变化，变成其他元素的现象叫做放射性

4、元素的衰变种类a衰变：放射性元素放出粒子的衰变叫做衰变，衰变过程为：，如铀238发生衰变产生钍234：；b衰变：放射性元素发出粒子的衰变叫做衰变，衰变过程为：，如钍234发生衰变产生镤234：；需要注意的是，原子核内并没有电子，因此衰变的本质是核内一个中子变为了一个质子和一个电子，并将电子放出的过程：c原子核的能量与原子一样，都是量子化、存在能级的，当发生衰变或衰变时，产生的新核具有较高能量，会向低能级跃迁，能量以光子的形式辐射出来，因此无论是发生衰变还是衰变，一般伴随有射线的放出(3)半衰期定义：大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间称为半衰期；表达式：或，其中N、m表示衰变后剩余的

5、原子核数目和质量，N0、m0表示衰变前原子核的数目和质量，T是该元素的半衰期，t是所经历的衰变时间；特点：半衰期的长短不受温度、压强或化学状态影响；半衰期反映了大量原子核衰变过程的统计快慢规律，而单个原子核的衰变时间无法预测3核反应与核能(1)核反应定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应；核反应方程式：，核反应与衰变一样，前后符合质量数守恒，核电荷数守恒；意义a发现新元素和新粒子，如卢瑟福通过原子核人工转变发现质子：，查德威克发现中子：； b制作人工同位素，人工同位素半衰期相比天然放射性元素要更短，因此放射性污染更小，更便于利用；c利用核反应开发核能(2)核能核力：核力是

6、强相互作用的一种表现，在核子尺度范围内，核力远大于库仑力；核力是短程力，作用范围在10-15m左右；每个核子只与相邻的核子之间发生核力作用由于核力只发生在相邻核子之间，且是短程作用力，相隔较远的质子之间会主要体现库仑斥力，因此原子序数越大的元素，其原子核内部含有的中子数越多，这样才能利用核力凝聚原子核结合能：原子核由核子组成，将其分开需要克服核力做功，将核子分开所需要的能量称为原子核的结合能，结合能也等于核子聚集在一起所释放的能量；比结合能：原子序数越大的元素，含有的核子数目越多，其结合能也就越大，原子核的总结合能与核子数的比值称为比结合能，也称平均结合能；比结合能越大，表明原子核内核子结合更

7、紧密，原子核越稳定；核能的计算：原子核的结合能难以测量，爱因斯坦给出物体的能量与质量的关系（质能方程）：E=mc2核反应中会有质量亏损，若能测到反应物和生成物的质量，计算出亏损的质量m，则可利用质能方程计算核反应释放的核能E=mc24重核裂变与轻核聚变(1)重核裂变：使重核分裂成中等质量的原子核的反应，称为重核裂变目前核裂变反应堆主要采用铀235，其核反应方程并不唯一：以上为铀核裂变其中的某个反应方程，通过观察可以看出，裂变时会发出更多的中子，这些释放的中子继续和其他铀核发生反应，使整个核反应不断进行，释放更多的核能，这个过程称为链式反应；有时核反应堆中子数目过多，核反应速率过快，还需要用能吸

8、收中子的镉棒做减速剂；铀核不能捕捉速度较大的中子发生反应，因此需要利用水作慢化剂，使得反应能正常发生(2)轻核聚变：轻核结合成质量较大的原子核的核反应，称为轻核聚变，如太阳内部发生的反应就是轻核聚变：；要使轻核能够聚在一起形成新的原子核，就需要使轻核能够克服巨大的库仑力作用达到相隔10-15m的距离，若将轻核的温度升到几百万开尔文的温度，剧烈的热运动就能使其中一些原子核达到足够的动能，从而克服库仑力的作用聚合在一起，聚合后产生的核能又能使聚变反应持续下去，因此聚变反应又称热核反应目前已利用轻核聚变研制出氢弹，但这是不可控制的，而可控核聚变仍然面临着一些困难，例如如何达到热核反应的温度、能承受如

9、此高温的容器等，这些都是人类未来需要攻克的方向三、考查方向题型1：原子核的组成典例一：如图是三种射线在匀强磁场中的偏转情况的示意图，下列选项正确的是( )Aa是射线，它的速度接近光速Bb是射线，它能穿过几厘米厚的铅板Cc是一种频率很高的电磁波，它的电离本领很强Da、c是从原子核放射出来的，b是核外电子辐射出来的题型2：原子核的衰变及半衰期典例二：关于天然放射现象，以下说法正确的是( )A若使放射性物质的温度升高，其半衰期将变大B衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的C在、，这三种射线中，射线的穿透能力最强D铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，要经过8次衰变和6次衰变题型3：核力与

10、结合能典例三：（2017江苏卷多选）原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的有（ ）A. 核的结合能约为14 MeVB. 核比核更稳定C. 两个核结合成核时释放能量D. 核中核子的平均结合能比核中的大题型4：核反应方程典例四：（2020高考全国理综I多选）下列核反应方程中，X1，X2，X3，X4代表粒子的有（ ）ABCD题型5：核裂变与核聚变典例五：关于核反应，下列说法正确的是A是衰变B目前核电站都采用聚变反应C是核裂变D是核聚变，在任何温度下都能发生四、模拟训练一、基础练习1.如图所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过方向如图所示的匀强磁场、匀强电场共存的区域时，射线的轨

11、迹只出现图示的两条(其中有两种射线的轨迹重合)下列判断中正确的是( )A射到b处的一定是射线B射到b处的一定是射线C射到b处的可能是射线D射到b处的可能是射线2.下列说法中正确的是( )A放射性元素的半衰期随温度的升高而变短B射线是原子被电离后核外电子形成的电子流C同种元素的两种同位素具有相同的核子数D大量处于n=2能级的氢原子自发跃迁发光时只能发出一种频率的光3.下列有关半衰期的说法正确的是( )A放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射

12、性元素的衰变速度D降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减缓衰变速度4.关于原子学物理知识，下列说法正确的是A升高放射性物质的温度，其半衰期变短B发生光电效应现象时，增大照射光的频率，同一金属的逸出功变大C经过7次衰变和5次衰变后变成D根据玻尔理论，氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子5.天然放射现象中可产生、三种射线。下列说法正确的是A射线是由原子核外电子电离产生的B经过两次衰变，变为C射线的穿透能力比射线穿透能力强D放射性元素的半衰期不随温度升高而变化6.氡222经过衰变变成钋218，t=0时氡的质量为m0，任意时刻氡的质量为m，下列四幅图中正确的是 ()AB

13、C D7.关于原子核的结合能和比结合能，下列说法正确的是A原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最大能量B自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能C比结合能越大，原子核越稳定D比结合能大的原子核结合或分解成比结合能小的原子核时释放核能8.下列关于原子物理知识的叙述错误的是A衰变的实质是核内的一个中子转化为一个质子和一个电子B比结合能越大，原子核内核子结合得越牢固，原子核越稳定C两个轻核结合成一个中等质量的核，存在质量亏损D核反应释放的核能，是原子在不同能级间跃迁时释放的能量9.精确的研究表明，不同的原子核，其核子的平均质量（原子核的质量除以核子数）与原子序数有如

14、图所示的关系。根据该图所提供的信息及原子核的聚变、裂变有关知识，下列说法正确的是A从图中可以看出，铁原子核中核子的平均质量最大B原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核和，质量会增加C原子序数较大的重核裂变成原子序数小一些的核和，需要吸收能量D原子序数很小的轻核和结合成一个原子序数大些的核，核的结合能大于、的结合能之和10.一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c下列说法正确的是 ()A核反应方程是H+nH+B聚变反应中的质量亏损m=m3-m1-m2C辐射出的光子的能量E=(m3-m1-m2)cD

15、光子的波长=11.下列说法正确的是A结合能越大，原子中的核子结合的越牢固，原子核越稳定B衰变为，要经过4次衰变及6次衰变C卢瑟福通过实验发现质子的核反应方程为D质子、中子、粒子的质量分别为、，那么质子和中子结合成一个粒子，所释放的核能为12.“嫦娥一号”月球探测卫星于2007年10月24日在西昌卫星发射中心由“长征三号甲”运载火箭发射升空该卫星用太阳能电池板作为携带科研仪器的电源，它有多项科研任务，其中一项是探测月球上氦3的含量，氦3是一种清洁、安全和高效的核融合发电燃料，可以采用在高温高压下用氘和氦3进行核聚变反应发电若已知氘核的质量为，氦3的质量为，氦核的质量为，质子质量为，中子质量为，相

16、当于则下列说法正确的是A氘和氦3的核聚变反应方程式：，其中是中子B氘和氦3的核聚变反应释放的核能约为C一束太阳光相继通过两个偏振片，若以光束为轴旋转其中一个偏振片，则透射光的强度不发生变化D通过对月光进行光谱分析，可知月球上存在氦3元素13.一个氘核与一个氚核结合成一个氦核同时放出中子，释放的能量。已知氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为、和下列说法正确的是A该核反应方程是B该核反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料CD该核反应可以在常温下进行14.在一次研究原子核内部结构的实验中，让一个速度为7.7104 m/s的中子沿着与磁场垂直的方向射入匀强磁场，击中一个原来静止的锂原子核后产生一个氦核和

17、另一个新核，测得氦核的速度是2.0104 m/s，方向与反应前中子的运动方向相同，设中子质量与质子质量相等(1)写出核反应方程式；(2)求出氦核和新核的轨道半径之比；(3)当氦核转6周时，另一新核转了几周？二、提升练习1.（2020高考全国理综II）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为1.01022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1 kg标准煤燃烧释放的热量约为2.9107 J，1 MeV= 1.61013 J，则M约为（ ）A40 kgB100 kgC400 kgD1 000 k

18、g2.(2020高考全国理综III卷多选)1934年，约里奥居里夫妇用粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素X，反应方程为：。X会衰变成原子核Y，衰变方程为，则（ ）AX的质量数与Y的质量数相等BX的电荷数比Y的电荷数少1CX的电荷数比的电荷数多2DX的质量数与的质量数相等3.（2020年7月浙江选考多选）太阳辐射的总功率约为，其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中，一个质量为（c为真空中的光速）的氘核（）和一个质量为的氚核（）结合为一个质量为的氦核（），并放出一个X粒子，同时释放大约的能量。下列说法正确的是（ ）AX粒子是质子BX粒子的质量为C太阳每秒因为辐射损失的质量约为D太阳每秒因为

19、辐射损失的质量约为4.（2019江苏卷）100年前，卢瑟福用粒子轰击氮核打出了质子后来，人们用粒子轰击核也打出了质子：；该反应中的X是 （选填“电子”“正电子”或“中子”）此后，对原子核反应的持续研究为核能利用提供了可能目前人类获得核能的主要方式是 （选填“核衰变”“核裂变”或“核聚变”）。5.（2018高考天津理综）国家大科学过程中国散裂中子源（CSNS）于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台，下列核反应中放出的粒子为中子的是（ ）A俘获一个粒子，产生并放出一个粒子B俘获一个粒子，产生并放出一个粒子C俘获一个质子，产生并放出一个粒子

20、D俘获一个质子，产生并放出一个粒子6.（2018北京）在核反应方程中，表示的是A质子B中子C电子D粒子7.（北京）下列核反应方程中，属于衰变的是ABCD8.（北京）质子、中子和氘核的质量分别为、和当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是表示真空中的光速）ABC D9.（北京）在磁感应强度为的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次衰变。放射出的粒子在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为以、分别表示粒子的质量和电荷量。（1）放射性原子核用表示，新核的元素符号用表示，写出该衰变的核反应方程。（2）粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小。（3）设该衰变过

21、程释放的核能都转为为粒子和新核的动能，新核的质量为，求衰变过程的质量亏损。典例一【答案】B【解析】因射线是高速He流，一个粒子带两个正电荷根据左手定则，射线受到的洛伦兹力向左，因为a粒子质量特别大，磁场中圆周运动半径大，但它的速度是光速的90%，因此a是射线，其电离能力较强；射线是高速电子流，带负电荷根据左手定则，射线受到的洛伦兹力向右，c是射线，其电离能力较弱，射线是光子，是中性的，故在磁场中不受磁场的作用力，轨迹不会发生偏转，且它能穿过几厘米厚的铅板，b是射线故B正确，AC错误；三种射线均是从原子核中辐射出来的，故D错误故选：B典例二【答案】D【解析】半衰期的大小与放射性元素的温度无关，故

22、A错误；衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时产生的，故B错误；在、，这三种射线中，射线的穿透能力最强，故C错误；铀核(U)衰变为铅核(Pb)的过程中，电荷数少10，质量数少32，设经过n次衰变，m次衰变，则有：4n=32，2nm=10，解得n=8，m=6，故D正确故选：D典例三【答案】BC【解析】由图知核的比结合能约为7 MeV，所以结合能约为47=28 MeV，故A错误；核比核的比结合能大，所以核比核更稳定，B正确；两个核结合成核时，即由比结合能小的反应生成比结合能大的释放能量，C正确；由图知核中核子的平均结合能比核中的小，所以D错误典例四【答案】BD 【解析】根据核反应方程满足质量

23、数守恒和电荷数守恒，可知选项B中的X2质量数是4，电荷数是2，代表粒子，B项正确；选项D中的X4质量数是4，电荷数是2，代表粒子， D项正确。根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知选项A中的X1质量数是3，电荷数是2，A项错误；选项C中的X3质量数是1，电荷数是0，代表中子， C项错误。典例五【答案】C【解析】、是人工核反应，不是衰变，故错误。、目前核电站都采用重核裂变反应，故错误。、是核裂变，故正确。、是核聚变，在较高温度下才能发生，故错误。故选：。五、模拟训练一、基础练习1.【答案】D【解析】因为射线不带电，所以射到b点的一定不是射线，射线在电磁场中受到电场力和洛伦兹力：若电场力大

24、于洛伦兹力，说明射线是，若洛伦兹力大于电场力说明是射线故D正确，ABC错误故选：D2.【答案】D【解析】放射性元素的半衰期由原子核内部因素决定，与温度、压强无关，故A错误；衰变时，原子核中的一个中子转化为一个质子和一个电子，释放出来的电子就是粒子，故B错误；同种元素的两种同位素具有相同质子数和不同的核子数，故C错误；大量处于n=2能级的氢原子自发跃迁发光时，都是从n=2跃迁到n=1轨道，所以只能发出一种频率的光，故D正确故选：D3.【答案】A【解析】有半数原子核发生衰变所需的时间叫半衰期，放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快，故A正确；元素的半衰期与放射

25、性元素的质量多少无关，故B错误；原子核的衰变是由原子核内部因素决定的，与外界环境无关，故C错误；半衰期的大小与温度、压强以及化学状态无关，故D错误故选：A4.【答案】D【解析】、半衰期仅仅与放射性元素本身有关，与外界的因素无关，温度升高时，其半衰期不变，故错误；、逸出功由金属本身决定，与入射光的频率无关，故错误；、根据衰变和衰变的特点可知，变成经过次衰变，经过次衰变。故错误；、根据玻尔理论，氢原子向低能级跃迁时只放出符合两能级能量差的光子率，故正确；故选：。5.【答案】D【解析】、射线的实质是衰变中产生的电子，故错误；、衰变过程中，一个原子核释放一个粒子（由两个中子和两个质子形成的氦原子核），

26、并且转变成一个质量数减少4，核电荷数减少2的新原子核。所以经过一次衰变，变为，故错误；、三种射线分别是氦核、电子、电磁波，三种射线的穿透能力逐渐增强，所以射线的穿透能力比射线穿透能力弱，故错误；、半衰期是由原子核内部性质决定的，与温度无关，故正确；故选：。6.【答案】B【解析】每经过一个半衰期有一半元素的质量发生衰变，则剩余质量m=，解得，T为半衰期，可知与t成指数函数关系，故B正确，A、C、D错误故选：B7.【答案】C【解析】解：、原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故错误；、根据质能方程可知，自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故错误；、比

27、结合能的大小反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定，故正确；、比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故错误。故选：。8.【答案】D【解析】衰变的实质是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，故正确；比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，故正确；两个轻核结合生成一个单核，需放出能量，则存在质量亏损，故正确；核反应过程中放出的能量，是因为要将核子拆开需克服核子之间的核力做功，即因为原子核的结合能，故错误；本题选错误的，故选：。9.【答案】D【解析】、分析图可知，铁原子核中核子的平均质量最小，故错误；、原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核和，释放

28、能量，会发生质量亏损，故错误；原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的核和，由于后者的核子平均质量小，故发生质量亏损，故错误。、原子序数很小的轻核和结合成一个原子序数大些的核的过程，平均核子质量变小，结合能变大，所以核的结合能大于、的结合能之和，故正确。故选：。10.【答案】D【解析】根据电荷数守恒、质量数守恒知，该核反应方程为：+，故A错误；聚变反应中的质量亏损m=m1+m2m3，根据爱因斯坦质能方程知，辐射的光子能量，故B错误，C错误；根据E=得，波长=，故D正确故选：D11.【答案】C【解析】、比结合能越大，原子核中的核子结合得越牢固，原子核越稳定，故错误。、发生衰变是放出，发生衰变是放

29、出电子，设发生了次衰变和次衰变，则根据质量数和电荷数守恒有：，解得；，得，故衰变过程中共有4次衰变和2次衰变，故错误；、卢瑟福通过粒子散射实验提出了原子核式结构，还通过粒子轰击氮原子核发现了质子，故正确；、2个质子和2个中子结合成1个粒子，根据质能方程知，故错误；故选：。12.【答案】B【解析】、根据电荷数守恒和质量数守恒知为质子。故错误。、根据质能方程知故正确。、当偏振片与偏振片垂直时，光屏没有亮度，则关于光屏上光的亮度从亮到暗，再由暗到亮。故错误。、月亮本身不发光，不会有发射光谱，月球上没有空气，所以也没有吸收光谱。故错误。故选：。13.【答案】C【解析】、依据质量数与质子数守恒，该核反应

30、方程方程是，故错误；、当前核电站采用的核燃料是铀235，故错误；、聚变反应中的质量亏损，则有，故正确；、只有将原子核加热到很高的温度，达到几百万摄氏度以上的高温时，聚变才会发生，故错误；故选：。14.【答案】(1)核反应方程式是n+LiHe+H；(2)氦核和新核的轨道半径之比是40 : 3；(3)当氦核转6周时，另一新核转了4周【解析】(1)核反应方程式为 n+LiHe+H(2)设中子质量为m0，速度为v0，氦核的质量为4m0，速度为v1，新核质量为3m0，速度v2取中子的速度方向为正方向，由动量守恒定律，得：m0v0=4m0v1+3m0v2解得：，负号表示新核速度方向与中子的速度方向相反由于氦核和新核在磁场中受洛仑兹力做匀速圆周运动，即：qvB=m，解得 r=即氦核轨道半径 ，新核轨道半径 ，所以 =(3)由Bqv=mr得：，所以对于氦核有：T1=对于新核有：T2=，设氦核转6圈时，6T1=nT2，联立解得：n=4二、提升练习1.【答案】C【解析】由1.01022643.151.610-13=2.9107M，解得M=400kg，选项C正确。2.【答案】AC【解析】根据核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒，可知X的质量数为30，电荷数为15，Y的质量数为30，电荷数为14，所以X的质量数与Y的质量数相等，X的电荷数比Y的电荷数多1，选项A正