选修3-5（高中物理旧教材同步讲义）第19章 1 原子核的组成同步讲义

1原子核的组成[学科素养与目标要求]物理观念：1.了解什么是放射性和天然放射现象.2.知道原子核的组成及三种射线的特征．科学思维：会利用带电粒子在电磁场中的偏转判断射线的电性及种类．一、天然放射现象和三种射线1．对天然放射现象的认识(1)1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质能够发出看不见的射线．(2)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，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象．(3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线．2．对三种射线的认识(1)α射线：是高速粒子流，实际上就是氦原子核，速度可达到光速的eq\f(1,10)，其电离作用强，穿透能力较差，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：是高速电子流，它的速度很大，可达光速的99%，它的电离作用较弱，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：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，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．二、原子核的组成1．质子的发现2．中子的发现(1)卢瑟福的预言：原子核内可能还有一种不带电的粒子，名字叫中子．(2)查德威克的发现：用实验证实了中子的存在，用n表示，中子的质量非常接近质子的质量．3．原子核的组成(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫做原子核的电荷数．(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数．(4)4．同位素具有相同的质子数而中子数不同的原子核，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，分别是eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(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)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．(√)(5)原子核内的核子数与它的核电荷数不可能相等．(×)2．有关eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O三种同位素的比较，试回答下列问题：(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\al(18,8)O(3)相同解析(1)同位素质子数相同、中子数不同，核外电子数与质子数相同，故粒子数不相同的是中子．(2)eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O的质量数分别是16、17、18，故eq\o\al(18,8)O质量最大．(3)三种同位素质子数相同，故化学性质相同．一、对三种射线性质的理解如图为三种射线在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)应大于β粒子的eq\f(m,q)，即α粒子的质量应较大．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电离作用很强较弱很弱在电磁场中偏转与α射线反向偏转不偏转例1一置于铅盒中的放射源可以发射α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后面的空间有一匀强电场．进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来的方向行进，射线b发生了偏转，如图1所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线．图1答案γβ解析放射源可以发射α、β、γ三种射线，α射线的穿透能力弱，不能穿透铝箔，β射线和γ射线的穿透能力强，可以穿透铝箔．由于β射线带负电，经过电场时受到电场力的作用会发生偏转，γ射线不带电，经过电场时不发生偏转，所以图中射线a是γ射线，射线b是β射线．1．对放射性和射线的理解：(1)一种元素的放射性，与其是单质还是化合物无关，这说明一种元素的放射性和核外电子无关．(2)射线来自于原子核，说明原子核是可以再分的．2．对三种射线性质的理解：(1)α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α射线、β射线是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．(2)α射线、β射线都可以在电场或磁场中偏转，但偏转方向不同，γ射线则不发生偏转．(3)α射线穿透能力弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离本领相反．针对训练1天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图2所示，由此可推知()图2A．②来自原子核外的电子B．①的电离作用最强，是一种电磁波C．③的电离作用较强，是一种电磁波D．③的电离作用最弱，是一种电磁波答案D解析①射线能被一张纸挡住，说明它的穿透能力较差，所以①射线是α射线，α射线是高速运动的氦核流，它的穿透能力差，电离作用最强，选项B错误；②射线的穿透能力较强，能穿透纸和几毫米厚的铝板，说明它是β射线，β射线来自原子核，不是来自原子核外的电子，选项A错误；③射线的穿透能力最强，能够穿透几厘米厚的铅板，③射线是γ射线，γ射线的电离作用最弱，穿透能力最强，它是能量很高的电磁波，故选项C错误，D正确．二、原子核的组成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．1．原子核(符号eq\o\al(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＝1.6726231×10－27kg,中子：电荷量为0,质量mn＝1.6749286×10－27kg))))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、中子数不同的原子核．(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2已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：(1)镭核中有几个质子？几个中子？(2)镭核所带电荷量是多少？(保留三位有效数字)(3)呈电中性的镭原子，核外有几个电子？答案(1)88138(2)1.41×10－17C(3)88解析(1)镭核中的质子数等于其原子序数，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)镭核所带电荷量Q＝Ze＝88×1.6×10－19C≈1.41×10－17C.(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.例3(多选)下列说法正确的是()A.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n,m－1)Y互为同位素B.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n－1,m)Y互为同位素C.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n－2,m－2)Y中子数相同D.eq\o\al(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\al(n,m)X与eq\o\al(n,m－1)Y的质子数不同，不是互为同位素；B选项中nmX与eq\o\al(n－1,m)Y的质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素；C选项中eq\o\al(n,m)X内中子数为n－m，eq\o\al(n－2,m－2)Y内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，D选项中eq\o\al(235,92)U核内有143个中子，而不是235个中子．针对训练2人类探测月球时发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核聚变的重要原料之一，氦的该种同位素应表示为()A.eq\o\al(4,3)HeB.eq\o\al(3,2)HeC.eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(3,3)He答案B解析氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故应表示为eq\o\al(3,2)He，因此B正确．1．(三种射线的特性)(多选)天然放射性物质的射线包含三种成分，下列说法中正确的是()A．α射线的本质是高速氦核流B．β射线是不带电的光子C．三种射线中电离作用最强的是γ射线D．一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线答案AD解析α射线的本质是高速氦核流，β射线是高速电子流，A正确，B错误；三种射线中电离作用最强的是α射线，C错误；一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线，D正确．2．(射线的区分)研究放射性元素射线性质的实验装置如图3所示．两块平行放置的金属板A，B分别与电源的两极a，b连接，放射源发出的射线从其上方小孔向外射出．则()图3A．a为电源正极，到达A板的为α射线B．a为电源正极，到达A板的为β射线C．a为电源负极，到达A板的为α射线D．a为电源负极，到达A板的为β射线答案B解析β射线为高速电子流，质量约为质子质量的eq\f(1,1836)，速度接近光速；α射线为氦核流，速度约为光速的eq\f(1,10).在同一电场中，β射线的偏转程度大于α射线的偏转程度，由题图知，向左偏的为β射线；因α粒子带正电，向右偏转，说明电场方向水平向右，a为电源正极，故B正确，A、C、D错误．3．(原子核的组成)在α粒子轰击金箔的散射实验中，α粒子可以表示为eq\o\al(4,2)He，eq\o\al(4,2)He中的4和2分别表示()A．4为核子数，2为中子数B．4为质子数和中子数之和，2为质子数C．4为核外电子数，2为中子数D．4为中子数，2为质子数答案B解析根据eq\o\al(A,Z)X所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的核电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.eq\o\al(4,2)He符号左下角的2表示的是质子数或核外电子数，eq\o\al(4,2)He符号左上角的4表示的是核子数，故选项B正确．4．(原子核的组成及同位素)以下说法正确的是()A.eq\o\al(222,86)Rn为氡核，由此可知，氡核的质量数为86，氡核的质子数为222B.eq\o\al(9,4)Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数答案D解析A项氡核的质量数为222，质子数为86，所以A错误；B项铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；由于质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素，即它们的质量数不同，所以C错误，D正确．一、选择题考点一天然放射现象及三种射线1．(多选)下列哪些现象能说明射线来自原子核()A．三种射线的能量都很高B．射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响C．元素的放射性与所处的化学状态(单质、化合态)无关D．α射线、β射线都是带电的粒子答案BC解析能说明射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关，B、C正确．2．(多选)下列关于放射性元素发出的三种射线的说法中正确的是()A．α粒子就是氢原子核，它的穿透本领和电离本领都很强B．β射线是电子流，其速度接近光速C．γ射线是一种频率很高的电磁波，它可以穿过几厘米厚的铅板D．以上三种说法均不正确答案BC解析α粒子是氦原子核，它的穿透本领很弱而电离本领很强，A项错误；β射线是电子流，其速度接近光速，B项正确；γ射线的频率很高，穿透能力很强，可以穿透几厘米厚的铅板，C项正确，D项错误．3．如图1所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()图1A．①表示γ射线，③表示α射线B．②表示β射线，③表示α射线C．④表示α射线，⑤表示γ射线D．⑤表示β射线，⑥表示α射线答案C解析γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对．4．如图2所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域．调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下列判断正确的是()图2A．射到b点的一定是α射线B．射到b点的一定是β射线C．射到b点的是α射线或β射线D．射到b点的一定是γ射线答案C解析γ射线不带电，在电场和磁场中它都不受力的作用，只能射到a点，选项D错误．调整E和B的大小，既可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qBv.已知α粒子的速度比β粒子的速度小得多，当α粒子沿直线前进时，速度较大的β粒子向右偏转；当β粒子沿直线前进时，速度较小的α粒子也向右偏转，故选项C正确，A、B错误．5．(2018·洛阳一中高二期末)如图3所示为研究某未知元素放射性的实验装置．实验开始时在薄铝片和荧光屏之间有图示方向的匀强电场E，通过显微镜可以观察到在荧光屏的某一位置上每分钟闪烁的亮点数，撤去电场后继续观察，发现每分钟闪烁的亮点数没有变化，再将薄铝片移开，观察到每分钟闪烁的亮点数大大增加．由此可以判断，放射源发出的射线最可能为()图3A．β射线和γ射线 B．α射线和β射线C．β射线和X射线 D．α射线和γ射线答案D解析放射性元素可放射出的射线有三种：α射线、β射线和γ射线，三种射线中α射线和β射线带电，进入电场后会发生偏转，而γ射线不带电，在电场中不偏转．由题述将电场撤去，从显微镜内观察到荧光屏的同一位置上每分钟闪烁的亮点数没有变化，可知穿过薄铝片的射线中只含有γ射线．再将薄铝片移开，则从显微镜内观察到每分钟闪烁的亮点数大大增加，根据α射线的穿透本领最弱，一张纸就能挡住，分析得知放射源发出的射线中还含有α射线．故放射源发出的射线最可能为α射线和γ射线，选项D正确．考点二原子核的组成及同位素6．下列说法正确的是()A．质子和中子的质量不等，但质量数相等B．质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量总和C．同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同D．中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子和电子的总电荷量之和答案A解析质子和中子的质量不等，但质量数相等，A对；质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子数和中子数的总和，B错；同一种元素的原子核有相同的质子数，但中子数可以不同，C错；中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量，D错．7．(2019·宿州市高二检测)据报道，放射性同位素钬eq\o\al(166,67)Ho原子核内中子数与质子数之差是()A．32B．67C．99D．166答案A解析根据原子核的表示方法得质子数为67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与质子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错．8．两个同位素原子核的符号分别是eq\o\al(M,A)X和eq\o\al(N,B)Y，那么()A．M＝N B．A＝BC．M－A＝N－B D．M＋N＝A＋B答案B解析具有相同质子数，不同中子数的同一元素互称同位素，所以A＝B.9．(多选)氢有三种同位素，分别是氕(eq\o\al(1,1)H)、氘(eq\o\al(2,1)H)、氚(eq\o\al(3,1)H)，则()A．它们的质子数相等B．它们的核外电子数相等C．它们的核子数相等D．它们的化学性质相同答案ABD解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数均相等，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相等，A、B正确，C错误；同位素的化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．10．若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对eq\o\al(234,90)Th的原子来说()A．x＝90y＝90z＝234B．x＝90y＝90z＝144C．x＝144y＝1