第十九章 原子核 学案 -高二下学期物理人教版选修3-5

原子核一、原子的核式结构原子核本节课知识要点●1．原子的核式结构的发现：(1)电子的发现：汤姆生发现电子，电子是原子的组成部分．(2)汤姆生原子模型(枣糕模型)：原子是一个球体，正电荷均匀分布，电子象枣糕里的枣子嵌在原子里．(3)粒子散射实验：实验结果是：①绝大多数的α粒子不发生偏转；②少数α粒子发生了较大偏转．实验结果与汤姆生模型推算出来的结果根本不符合．●2．卢瑟福原子模型(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全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外的空间运动．原子的核式结构学说可完满解释a粒子散射实验．●3．原子和原子核的大小：原子直径的数量级为10－10m，原子核直径的数量级为10－15m．●4．原子核的组成(1)质子的发现：用α粒子轰击氮核获得质子．(2)原子核的组成：原子核由核子(质子和中子)组成．(3)原子核的质子数(Z)：等于原子核的电荷数等于原子序数．(4)原子核的质量数(A)：等于质子数与中子数的总和．(5)原子核的符号表示：X(其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核中的质子数)．●5．同位素：具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素．课堂针对训练(1)对α粒子散射实验装置的叙述，正确的是：A．实验器材有：放射源、金箔、荧光屏、显微镜；B．金箔的厚度对实验结果无影响；C．如果不用金箔而用铝箔就不能发生散射现象；D．实验装置放在空气中和真空中都可以．(2)从α粒子散射实验结果出发推出的下述结论中正确的是：A．说明α粒子的速度很大；B．说明α粒子的质量比金原子质量还大；C．说明金原子的内部大部分是空的；D．说明金原子也是个球体．(3)关于卢瑟福原子核式结构学说的内容，下述正确的是：A．原子是一个质量均匀分布的球体；B．原子的质量几乎全部集中在原子核内；C．原子的正电荷全部集中在一个很小的核内；D．原子核的直径约是10－10m．(4)在α粒子散射实验中，使少数α粒子产生大角度偏转的作用力是原子核对α粒子的：A．万有引力；B．库仑力；C．磁场力；D．核力．(5)原子序数Z可以表示：A．原子在周期表上的顺序编号；B．原子内电子的个数；C．原子核内质子的个数；D．原子内中子的个数．(6)一种元素的几种同位素，它们的：A．中子数一定相同；B．质子数一定相同；C．原子序数一定相同；D．核外电子数一定相同．(7)Pb核的质量数为________，电荷数为________，它有________个质子，________个中子，原子中性时核外有________个电子．(8)卢瑟福预想到原子核内除质子外，还有中子的事实根据是：A．电子数等于质子数；B．原子核的质量大约是质子质量的整数倍；C．原子核的电荷数只是质量数的一半或少一些；D．质子和中子的质量几乎相等．(9)如图22—1所示为α粒子散射实验中粒子穿过某一金原子核附近时的示意图，A、B、C三点分别位于两个等势面上．则以下的说法中正确的是：A．α粒子在A处的速度比在B处的速度小；B．α粒子在B处的速度最大；C．α粒子在A、C处的速度相同；D．α粒子在B处的速度比在C处的速度小．二、天然放射现象衰变本节课知识要点●1．天然放射现象：(1)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性，具有放射性的元素叫放射性元素．(2)天然放射现象：元素自发地放出射线的现象．(3)射线的偏转实验：带正电的为α射线、带负电的为β射线，不带电的为γ射线．●2．放射线的性质：(1)α射线：是速度约为光速十分之一的氦核流．电离本领大，贯穿力小；(2)β射线：是接近光速的高速电子流．电离本领较小，贯穿力较大．(3)γ射线：是波长极短的电磁波．电离作用很小，贯穿能力很大．●3．放射性元素的衰变：(1)衰变：原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称衰变．(2)衰变规律；原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．(3)衰变方程：①α衰变：→(新核比原核质量数减4，电荷数减2)②β衰变：→(新核比原核质量数不变，电荷数加1)b粒子是核内的中子转化成质子时放出的电子．注意：衰变方程中两边的质量数和电荷数都守恒．●4．半衰期：(1)半衰期r：有半数原子核发生了衰变所用的时间，由核内部本身因素所决定与原子所处的物理或化学状态无关．(2)计算公式：N′＝N0()n或m′＝m0()n，其中n＝t／r．(式中：N′、m′为衰变后剩余的原子数量和质量，N0、m0为衰变前原子数量和质量，n为半衰期个数，t是所用时间)．例U衰变为普Rn共发生了________次α衰变和________次β衰变．【分析和解答】根据衰变规律，Rn的质量数比U的质量数减少了：238－222＝16，而天然放射只有α衰变才能使质量数减少，且每次α衰变减少质量数为4，故发生了16÷4＝4次α衰变．因每次α衰变核的电荷数减少2，故由于α衰变核的电荷数应减少4×2＝8．而Rn核的电荷数仅减少了92－86＝6，故说明发生了2次β衰变(即92－8＋2＝86)．所以在分析有关a、b衰变的问题时，应抓住每次a衰变质量数减4，电荷数减2和每次b衰变时质量数不变，电荷数加1这一衰变规律进行分析(即先分析a衰变的次数，后分析b衰变的次数)课堂针对训练(1)α射线的本质是：A．电子流；B．高速电子流；C．光子流；D．高速氦核流．(2)关于β粒子的下面说法中正确的是：A．它是从原子核放射出来的；B．它和电子有相同的性质；C．当它通过空气时电离作用很强；D．它能贯穿厚纸板．(3)关于γ射线的说法中，错误的是：A．γ射线是处于激发状态的原子核放射的；B．γ射线是从原子内层电子放射出未的；C．γ射线是一种不带电的中子流；D．γ射线是一种不带电的光子流．(4)下列关于放射性元素衰变的描述，哪些是错误的：A．在衰变过程中放出的粒子只能是质子、中子和电子；B．原子核放出电子后，它的质量数减少1，而电荷数却增加1；C．核衰变时放出的射线都是由带电的粒子所组成的；D．半衰期表示放射性元素衰变的快慢，它和外界的温度、压强无关．(5)如图22—2所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MM′是荧光屏，实验时发现荧光屏上O、P两点有亮斑．此时磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线可能分别是：A．竖直向上，β、α；B．竖直向下α、γ；C．垂直纸面向里β、γ；D．垂直纸面向外γ、α．(6)某原子核内有核子N个，其中包含质子n个，当核经过一次α衰变和一次β衰变后，它自身变成一个新的原子核，可知这个新原子核内：A．有核子(n－3)个；B．有核子(N－4)个；C．有中子(N－n－1)个；D．有质子(n－1)个．(7)由Ra衰变为背Pb，要经过________次α衰变和________次β衰变．(8)天然放射现象的发现揭示了A．原子不可再分；B．原子的核式结构；C．原子核仍有复杂结构；D．原子核由质子和中子组成．(9)新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O的半衰期为8天，X2O与F2能发生如下反应：2X2O十2F2＝4XF＋O2，XF的半衰期为：A．2天；B．4天；C．8天；D．16天．四、放射性的应用与防护五、核反应核能本节课知识要点●1．放射性同位素(2)放射性同位素：具有放射性的同位素．(2)放射性同位素的应用：①利用它的射线作探测和辐照等；②作为示踪原子．(3)放射性污染和防护．●2．核反应(1)核反应：某种元素的原子核变为另一种元素的原子核的过程．常见的核反应有：衰变、人工转变、裂变等几种类型．(2)原子核的人工转变：原子核在其他高能粒子的轰击下产生新原子核的过程．(3)质子的发现：用α粒子轰击氮，获得氧和质子，核反应方程为：N＋He→O＋H．(4)中子的发现：用β粒子轰击铍，得到中子射线，核反应方程为：Be＋He→C＋n．请思考：以上两个核反应过程中，是否有中子变质子或质子变中子？(答：没有)●3．核能：核能是核子结合成原子核(或原子核分解成核子)时，要放出(吸收)巨大的能量．●4．质量亏损：组成原子核的各个核子的总质量与原子核的质量之差叫核的质量亏损．●5．质能方程：(1)爱因斯坦质能方程E＝mc2．注意：一定质量m总是跟一定的能量mc2相对应，m增大，E也增大，m减小，E也减小．(2)核能的计算：先求出质量亏损，再由质能方程ΔE＝Δmc2计算出对应放出(或吸收)的能量；或根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量，用核子结合或原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5MeV．即ΔE＝Δm×931.5MeV．注意：①ΔE＝Δmc2式中的Δm的单位是“kg”，ΔE单位“J”．②ΔE＝Δm×931.5MeV，式中的Δm的单位是“u”，ΔE单位是“MeV”．课堂针对训练(1)射线探伤是利用了射线的________；消除机器在运转中国摩擦而产生的有害静电是利用了射线的________；通过射线辐照使种子发生变异，培育新的优良品种是利用了γ射线对生物组织的________．(2)关于放射性同位素，下列说法正确的是：A．每一种放射性同位素都有一定的半衰期；B．每一种元素都有放射性同位素；C．放射性都是天然形成的，不能用人工方法得到；D．每一种元素的放射性同位素只有一种．(3)人工放射性元素发生衰变放出一个正电子，这个正电子是；A．核外电子向内层轨道跃过时放出来的；B．核内有正电子受激发后由核内射出来的；C．核内有一个质子转化为中子时放出来的；D．核内中子转化为质子时放出来的．(4)太阳内部发生热核反应，每秒钟辐射出的能量约3.8×1026J，据此估算太阳一年内质量将减少________kg．(保留两位数字)(5)在某恒星内，三个α粒子结合成一个C，已知C的质量为12.0000u，He的质量为4.0026u，这个核反应放出的能量为ΔE＝________J．(6)写出下列各种粒子的符号：质子________，中子________，a粒子________，电子________，正电子________，卢粒子________，光子________．(7)两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，可放出28.30Mev的能量；三个a粒子结合成一个碳核时可放出7.26Mev的能量．由此可以推断：6个中子和6个质子结合成一个碳核时可释放出的能量为________Mev．(8)一个质子以107m／s的速度射入一个原来静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变为硅原子核，已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列判断正确的是：A．核反应方程为Al＋H→Si；B．核反应方程为Al＋P→Si；C．硅原子核速度的数量级为107m／s，方向踉质子的初速度方向一致；D．硅原子核速度的数量级为105m／s，方向跟质子的初速度方向一致．(9)完成下列核反应方程：①N＋He一→()＋H；②Be＋He一→C＋()；③Al＋He一→Pb＋()；④P—→S＋()；⑤Ar＋()—→Ca＋n；⑥N＋()—→C＋He；⑦C—→()＋e；⑧()＋n—→Na＋He；⑨Na—→()＋e；⑩Mn＋H—→()＋H＋n．(10)一个锂核(Li)与某个核子发生反应，生成两个氦核(He)，完成这个过程的核反应方程．已知质子的质量是1.6736×10－27kg，中子质量为1.6750×10－27kg，锂核的质量是11.6505×10－27kg，氦核的质量是6.6466×10－27kg，求释放的能量是多少焦？六裂变七轻核的聚变●1．核子的平均质量(原子核的质量除以核子的个数)与原子序数的关系：铁原子核中核子的平均质量最小；原子序数比铁大的核，原子序数越大，核子的平均质量越大；原子序数比铁小的核，原子序数越小，核子的平均质量也越大．●2．裂变：重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变．●3．铀核的裂变(1)铀核的裂变：铀核俘获一个中子后分裂为两个中等质量的核的反应过程称为铀核裂变．铀核裂变伴随释放大量的核能．(2)链式反应：铀核裂变时放出几个中子，再引起其它铀核裂变而使裂变反应不断进行称为链式反应．●4．核电站(1)核电站的核心设施：核反应堆．反应堆的燃料是：浓缩铀制成的铀棒．(2)减速剂：石墨、重水或普通水(有时叫轻水)，用于减小中子的速度．(3)控制律：锅，用于吸收中子，控制核反应的快慢．●5．轻核的聚变：(1)聚变：轻核结合成质量较大的核的反应过程称为聚变，伴随释放大量的核能：(2)热核反应：在极高温下轻核产生的聚变反应．(氢弹原理)B核俘获一个中子后转变为Li核，并放出一个α粒子，则在这一反应过程中放出的核能为________．(已知B的质量为10.012938u，Li核的质量为7.016004u，中子的质量为1.008665u，氦核的质量为4.002603u)【分析和解答】这一反应的方程为：B＋n→Li＋He．要计算这一反应过程的能量变化，只要能找出反应前后的质量亏损，就能根据质能方程计算出对应的能量变化．∴Δm＝mB＋mn－(mLi＋mHe)＝10.012938u＋1.008665u－7.016004u－4.002603u＝0.002996u．∴ΔE＝Δmc2＝0.002996×1.6606×10－27×(2.9979×108)2＝4.47×10－13(J)．可见，要计算核能的变化，应先找出质量亏损，再由质能方程计算相应的能量变化．由于计算中的数字较为繁锁，常取1u对应于931.5MeV，1eV＝1.6×10－19J的换算方式进行计算．即上述计算可写成ΔE＝0.002996×931.5＝2.79MeV．课堂针对训练(1)下列说法正确的是：A．铀235只要俘获中子就能进行链式反应；B．轻核结合成质量较大的核叫聚变；C．聚变反应又叫热核反应；D．并不是所有铀核俘获中子后都能裂变．(2)下面关于原子核的裂变和聚变的说法正确的是：A．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但都要发生质量亏损；B．目前人类利用核能发电是利用重核裂变放出的能量来发电的；C．要使轻原子核发生聚变，必须使它们间的距离至少接近到10－10m；D．太阳发出的光和热主要来自原子核的聚变反应．(3)1999年9月18日，中共中央、国务院、中央军委在人民大会堂隆重表彰研制“两弹一星”作出突出贡献的科技专家，下列核反应方程中属研究“两弹”的基本的核反应方程式的是：A．N＋He→O＋H；B．U＋n→Sr＋Xe＋10n；C．U→Th＋He；D．H＋H→He＋n．(4)要在短时间内释放巨大的原子能的途径，正确的是：A．只有通过重核裂变反应这一途径；B．唯一途径是通过轻核聚变反应；C．利用天然放射元素的衰变反应；D．只要在短时间内能够完成有质量亏损核反应，都可以在短时间内释放巨大的原子能．(5)平衡下列核反应方程，并说明是属于何种反应：U＋n→Sr＋Xe＋()(属于________)H＋H→He＋()(属于________)(6)核燃料铀233是钍232获中子后形成钍233后再经过两次b衰变后形成的，其核反应过程的方程为：________、________．(7)在下列4个核反应式中，x表示中子的是：A．N＋He→O＋x；B．Al＋He→P＋x；C．H＋H→He＋x；D．U＋x→Sr＋Xe＋10n．(8)下列说法正确的是：A．任何核反应都能释放出能量；B．原子弹的爆炸是利用轻核的聚变释放出的能量；C．镉棒在核反应堆中的作用是控制反应速度，调节反应速度的快慢；D．氢弹是利用链式反应制造的一种大规模杀伤武器．补充训练(1)卢瑟福的α粒子散射实验首次表明了：A．可以用人为的方法产生放射现象；B．电子是原子的组成部分；C．原子中的正电荷集中在一个很小的范围内，原子的质量几乎全部集中在这一范围内；D．α粒子带正电．(2)下面哪个事实能证明原子核具有复杂的结构？A．α粒子的散射实验；B．天然放射性现象的发现；C．阴极射线的发现；D．伦琴射线的发现．(3)下面几个衰变方程中，不正确的是：A．Ra→Pb＋5He＋2e；B．2H→H＋e；C．U→Pb8He＋6e；D．Th→Pa＋e．(4)静止在磁场中的某种放射性原子核放出一个α粒子，α粒子的运动方向与磁场垂直，α粒子和反冲核的轨道半径之比是30∶1，则：A．α粒子与反冲核的动量相同；B．反冲核的原子序数为62；C．原来放射性原子核的原子序数为62；D．反冲核与α粒子的速率之比为1∶60．(5)有关放射性元素磷P的说法，正确的是：A．P与X互为同位素；B．P制成化合物后半衰期变长；C．P与其同位素有相同的化学性质；D．含有P的磷肥能释放正电子．(6)用加速后的氘核(H)去轰击(Be)，变成硼(B)，同时产生的粒子是：A．中子；B．质子；C．α粒子；D．γ光子．(7)1994年11月9日欧洲的一个科学小组在德国达姆塔特由Ni和Pb经核聚合，并紧接着射出一个中子而产生了第110号元素的一种同位素(元素符号暂用X表示)，该过程的核反应方程是________．(8)在匀强电场中逆电场线方向运动的铀核(U)速度减为零时若发生α衰变，衰变时va与电场线垂直，衰变后当α粒子沿E的方向移动位移ΔL时，残核在电场线平行的方向上位移ΔL′为________ΔL．(9)我们用半衰期表示放射性元素衰变的快慢，则关于半衰期的正确说法是：A．放射性元素质量减少一半所需的时间；B．放射性元素全部衰变所需时间的一半；C．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间；D．一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历的时间．(10)质子的质量为mP，中子的质量为mn，氦核的质量为ma，下列关系式正确的是：A．ma＝2mp＋2mn；B．ma＜(2mp＋2mn)；C．ma＞(2mp＋2mn)；D．以上关系式都不正确．(11)U衰变为