人教版高中物理新教材同步讲义选修第三册 第5章　1　原子核的组成（含解析）

1原子核的组成[学习目标]1.知道什么是放射性、放射性元素及天然放射现象.2.了解三种射线的本质，知道其特点.3.知道原子核的组成，知道原子核的表示方法，理解原子序数、核电荷数、质量数之间的关系.4.了解同位素的概念．一、天然放射现象1．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线．2．物质发出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，放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象．3．原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线．二、射线的本质1．α射线：(1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同．(2)速度可以达到光速的eq\f(1,10).(3)电离作用强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住．2．β射线：(1)是高速电子流．(2)它的速度更大，可达光速的99%.(3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．3．γ射线：(1)是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下．(2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土．三、原子核的组成1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子.2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分.3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.4．原子核的符号5．同位素：核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素氕、氘、氚，符号分别是eq\o\ar(1,1)H、eq\o\ar(2,1)H、eq\o\ar(3,1)H.1．判断下列说法的正误．(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．(×)(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．(√)(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．(×)(4)原子核的电荷数等于核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．(√)2．比较eq\o\ar(16,

8)O、eq\o\ar(17,

8)O、eq\o\ar(18,

8)O三种同位素，回答下列问题：(1)三种同位素中哪一种粒子数是不相同的？______.A．质子B．中子C．核外电子(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__________.(3)三种同位素的化学性质是否相同？__________.答案(1)B(2)eq\o\ar(18,

8)O(3)相同一、射线的本质导学探究如图为三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图．(1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径，这说明什么问题？答案(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．(2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝eq\f(mv,qB)可知，α粒子的eq\f(m,q)大于β粒子的eq\f(m,q)，即α粒子的质量较大．知识深化α、β、γ三种射线的比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)质量4mp(mp＝1.67×10－27kg)eq\f(mp,1836)静止质量为零带电荷量2e－e0速率0.1c0.99cc穿透能力最弱，用一张纸就能挡住较强，能穿透几毫米厚的铝板最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土电离作用很强较弱很弱在磁场中偏转偏转不偏转例1(多选)(2022·奉新一中月考)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，下图表示射线偏转情况中正确的是()答案AD解析在匀强磁场中，由qvB＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,qB)∝eq\f(mv,q)，因α射线是高速氦核流，一个α粒子带两个正电荷，根据左手定则，α射线受到的洛伦兹力向左，因为α粒子质量大，在磁场中做圆周运动的半径大，β射线是高速电子流，带负电荷，受到的洛伦兹力向右，γ射线是光子流，是电中性的，故在磁场中不受磁场的作用力，轨迹不会发生偏转，故A正确，B错误；在匀强电场中，因α射线为氦核流，带正电，且α粒子的质量大，由类平抛运动规律知，偏移量x∝eq\f(q,mv2)，α粒子偏移量小，β射线为电子流，带负电，其偏移量大，γ射线为高频电磁波，根据电荷所受静电力特点可知，向左偏的为β射线，不偏转的为γ射线，向右偏的为α射线，故C错误，D正确．三种射线在磁场中偏转情况的分析1．γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转．2．α射线和β射线在电场中偏转的特点：在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移量大，根据粒子在电场方向做初速度为零的匀加速直线运动，偏移量x可表示为：x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qE,m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(y0,v)))2∝eq\f(q,mv2)所以，在同样条件下β与α粒子偏移量之比为eq\f(xβ,xα)＝eq\f(e,2e)×eq\f(4mp,\f(mp,1836))×eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,10)c))2,0.99c2)≈37＞1.3．α射线和β射线在磁场中偏转的特点：在匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨迹半径小，偏移量大，根据qvB＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,qB)∝eq\f(mv,q).所以，在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为eq\f(Rβ,Rα)＝eq\f(\f(mp,1836),4mp)×eq\f(0.99c,\f(c,10))×eq\f(2e,e)≈eq\f(1,371)＜1.例2如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，则下列关于磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线的判断，与实验相符的是()磁场方向到达O点射线到达P点射线A竖直向上β射线α射线B竖直向下α射线β射线C垂直线面向内γ射线β射线D垂直线面向外β射线γ射线答案C解析由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转，O处亮斑为γ射线，能穿过厚纸板且在磁场中发生偏转的射线为β射线，再根据偏转方向，结合左手定则可知磁场方向垂直纸面向内，正确选项为C.二、原子核的组成导学探究1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图．(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？答案(1)说明质子是原子核的组成部分．(2)说明原子核中除了质子外还有其他粒子．知识深化1．原子核(符号eq\o\ar(A,Z)X)原子核eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(大小：很小，半径的数量级为10－15～10－14m,组成\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子：电荷量e＝＋1.6×10－19C,质量mp＝1.672621898×10－27kg,中子：电荷量为0,质量mn＝1.674927471×10－27kg))))2．基本关系核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数；质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．3．同位素(1)同位素指质子数相同、中子数不同的同一元素的不同原子．(2)原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同．例3已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226，试问：(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是多少？(e＝1.6×10－19C)(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？(4)eq\o\ar(228,

88)Ra是镭的一种同位素，让eq\o\ar(226,88)Ra和eq\o\ar(228,88)Ra以相同的速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？答案(1)88138(2)881.408×10－17C(3)88(4)113∶114解析(1)原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的．原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，镭核中的质子数等于原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即：N＝A－Z＝226－88＝138.(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是：Z＝88Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.408×10－17C.(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提向心力，故有qvB＝meq\f(v2,r)解得r＝eq\f(mv,qB)二者的速度相同，又由于同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故eq\f(r226,r228)＝eq\f(m226,m228)＝eq\f(226,228)＝eq\f(113,114).例4(多选)下列说法正确的是()A.eq\o\ar(n,m)X与eq\o\ar(n,m－1)Y互为同位素B.eq\o\ar(n,m)X与eq\o\ar(n－1,m)X互为同位素C.eq\o\ar(n,m)X与eq\o\ar(n－2,m－2)Y中子数相同D.eq\o\ar(235,92)U核内有92个质子，235个中子答案BC解析A选项中eq\o\ar(n,m)X与eq\o\ar(n,m－1)Y的质子数不同，不是互为同位素，A错误；B选项中nmX与eq\o\ar(n－1,m)X的质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中eq\o\ar(n,m)X内中子数为n－m，eq\o\ar(n－2,m－2)Y内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，C正确；D选项中eq\o\ar(235,92)U核内有235－92＝143个中子，而不是235个中子，D错误．针对训练(2021·三亚市调研)氢有三种同位素，分别是氕(eq\o\ar(1,1)H)、氘(eq\o\ar(2,1)H)、氚(eq\o\ar(3,1)H)()A．它们的质子数相等 B．它们的物理性质和化学性质均不相同C．它们的核子数相等 D．它们的中子数相等答案A解析任意一种元素的几种同位素，具有相同的质子数、核电荷数和核外电子数，且化学性质相同，但质量数(核子数)和中子数都不相等，故选项A正确．考点一天然放射现象射线的本质1．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象．人们从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核的秘密．下列说法正确的是()A．法国物理学家贝克勒尔发现了X射线B．德国物理学家伦琴发现，铀和含铀的矿物能够发出α射线C．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子D．居里夫妇通过实验发现了中子答案C解析德国物理学家伦琴发现了伦琴射线，又叫X射线，A错误；法国物理学家贝克勒尔发现了铀和含铀的矿物能够发出射线，B错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，并预言了中子的存在，C正确；查德威克通过实验发现了中子，D错误．2．(2021·牡丹江市第十五中学高二期中)放射性元素衰变时放出三种射线，按电离能力由弱到强的排列顺序是()A．α射线，β射线，γ射线B．γ射线，β射线，α射线C．γ射线，α射线，β射线D．β射线，α射线，γ射线答案B3．天然放射现象通常会放出三种射线，即α、β、γ射线，关于这三种射线，下列说法正确的是()A．云室中α射线径迹长而粗，这是因为α射线具有较强的穿透能力B．β射线是高速质子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板C．γ射线是能量很高的电磁波，在电场和磁场中都不偏转D．用β射线照射带正电的验电器，则验电器的张角会变大答案C解析由于α粒子的电离本领大，穿透本领小，所以α射线在云室中的径迹粗而短，故A错误；β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板，故B错误；γ射线是能量很高的电磁波，因其不带电，所以在电场和磁场中都不偏转，故C正确；β射线是高速电子流，用β射线照射带正电的验电器，与验电器中的正电荷中和，则验电器的张角会先变小，故D错误．4.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图所示，其中()A．C为氦原子核组成的粒子流B．B为比X射线波长更长的光子流C．B为比X射线波长更短的光子流D．A为高速电子组成的电子流答案C解析A沿电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B在电场中不偏转，所以是γ射线；C在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子流，所以是β射线；γ射线的波长比X射线短，故选C.5.(2021·开封市高二月考)如图所示，铅盒中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向外的匀强磁场(荧光屏足够大)，则下列说法中正确的有()A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B．α射线的轨迹是抛物线，β射线的轨迹是圆弧C．α射线的轨迹是圆弧，β射线的轨迹是抛物线D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b答案D解析由左手定则知正电荷向下偏，负电荷向上偏，所以打在题图中a、b、c三点的依次是β射线、γ射线和α射线，故A错误；α射线和β射线受到的洛伦兹力与粒子速度方向垂直，轨迹都是圆弧，故B、C错误；再加一竖直向下的匀强电场，α和β射线受到竖直方向的作用力的合力均变大，向右移动的最大距离减小，可能打不到屏上，所以亮斑可能只剩下b，故D正确．考点二原子核的组成6．(多选)下列说法中正确的是()A．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电B．原子核中的中子数一定跟核外电子数相等C．用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分D．绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的粒子答案CD解析原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错误；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错误；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还存在一种不带电的粒子，故D正确．7．(多选)(2021·兴庆区高二期末)某种元素的原子核符号为eq\o\ar(A,Z)X，则()A．原子核的质子数为Z，中子数为A－ZB．原子核的质子数为Z，核子数为AC．原子核的质子数为A，中子数为ZD．原子核的质子数为A，中子数为A－Z答案AB解析eq\o\ar(A,Z)X的质量数为A，质子数为Z，故C、D错误；质量数＝质子数＋中子数，所以中子数是A－Z，故A正确；核子数＝质子数＋中子数，则核子数等于质量数，为A，故B正确．8．一个eq\o\al(235,

92)U(铀)原子核中的电荷数和中子数分别为()A．电荷数是92，中子数是235B．电荷数是92，中子数是143C．电荷数是235，中子数是92D．电荷数是143，中子数是235答案B解析eq\o\al(235,

92)U的质量数是235，核电荷数＝质子数＝92，中子数＝质量数－质子数＝235－92＝143，B正确，A、C、D错误．9．(多选)已知eq\o\ar(226,88)Ra是eq\o\ar(228,88)Ra的一种同位素，则下列说法正确的是()A．两者具有相同的质子数和不同的质量数B．两者具有相同的中子数和不同的原子序数C．两者具有相同的核电荷数和不同的中子数D．两者具有相同的核外电子数和不同的化学性质答案AC解析同位素是同一种元素，故质子数、核外电子数及化学性质相同，但中子数不同，故A、C正确，B、D错误．答案C解析同一元素的不同同位素的原子核内质子数是一定的，只是中子数不同，设质子数为Q(Q>0)，则N＋Q＝A，得N＝A－Q，故C正确，A、B、D错误．11．(多选)质子数与中子数互换的核互为镜像核，例如eq\o\ar(3,2)He是eq\o\ar(3,1)H的镜像核，同样eq\o\ar(3,1)H也是eq\o\ar(3,2)He的镜像核．下列说法正确的是()A.eq\o\ar(13,7)N和eq\o\ar(13,6)C互为镜像核B.eq\o\ar(15,7)N和eq\o\ar(16,8)O互为镜像核C.eq\o\ar(15,7)N和eq\o\ar(15,8)O互为镜像核D．互为镜像核的两个核质量数相同答案ACD解析根据镜像核的定义及质量数A等于质子数Z和中子数N之和，可知eq\o\ar(13,7)N和eq\o\ar(13,6)C的质子数与中子数互换了，互为镜像核；eq\o\ar(15,7)N和eq\o\ar(15,8)O的质子数与中子数互换了，互为镜像核，故A、C正确．eq\o\ar(15,7)N的质子数为7，中子数为8；而eq\o\ar(16,8)O的质子数和中子数都为8，没有互换，不是镜像核，故B错误．互为镜像核的质子数与中子数互换，质子数与中子数之和不变，所以互为镜像核的两个核质量数相同，故D项正确．12.如图所示，x为未知放射源，它向右方放出射线，p为一张厚度