2024-2025学年高中物理第十九章原子核第一节原子核的组成学案新人教版选修3-5

PAGE9-第十九章原子核〔情景切入〕我们已经知道，原子是由原子核和核外电子组成的。自然放射现象让人们相识到小小的原子核也具有困难的结构，原子核内隐藏着巨大的能量。你想了解原子核的奇妙吗？让我们一起走进核世界吧。〔知识导航〕本章从自然放射现象入手，通过探讨三种射线(α射线、β射线、γ射线)的性质及来源，揭示原子核内部是有结构的，卢瑟福揭示了原子核是由质子、中子组成的。本章从内容上可分为三个单元，第一单元(第1～2节)揭示了原子核的组成及衰变，其次单元(第3～4节)介绍了射线的探测及应用与防护，第三单元(第5～8节)主要讲解并描述了原子能及其利用。本章的重点：原子核的组成、自然放射现象、三种射线、衰变和半衰期、核能、裂变、聚变等。难点：对半衰期概念的精确理解及爱因斯坦的质能方程及其应用。〔学法指导〕1．在学习本章前，应首先复习有关磁场的基本学问、爱因斯坦质能方程、四种基本相互作用等学问。2．学好本章要抓住以原子核的结构为核心的学问点的内在联系，驾驭各学问点的详细内容，从现象中总结出规律，提出科学假设，再用试验、理论验证各相关学问的内在联系，这是学习物理学问的科学方法，这样可以全面系统地驾驭本章内容。3．通过干脆感知的现象推想、总结干脆感知的事实，这是物理学中常用的探讨方法，在学习过程中要留意贯彻始终。第一节原子核的组成【素养目标定位】※了解放射性及放射性元素的概念※理解三种射线的形成及其本质※理解同位素的概念，了解原子核的组成【素养思维脉络】课前预习反馈教材梳理·夯基固本·落实新知学问点1自然放射现象1．放射性物质__放射射线__的性质。2．放射性元素具有__放射性__的元素。3．自然放射现象放射性元素自发地__发出射线__的现象。学问点2三种射线的本质及特征1．α射线它是高速__氦核__流，速度约为光速的__eq\f(1,10)__，穿透实力__较差__，电离作用比较强。2．β射线它是高速__电子__流，速度可达光速的__99%__，穿透实力__较强__，电离作用__较弱__。3．γ射线它是能量很高的__电磁波__，穿透实力很强，电离作用__很弱__。学问点3原子核的组成1．质子的发觉2．中子的发觉3．原子核的组成(1)原子核由__质子__和__中子__组成，组成原子核的__质子__和__中子__统称为核子。(2)质子带一个单位的__正__电荷，中子不带电，质子和中子质量几乎__相等__，都等于一个质量单位。(3)核电荷数＝质子数(Z)＝元素的__原子序数__＝核外电子数。4．同位素具有相同的__质子数__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eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。思索辨析『判一判』(1)自然放射现象的发觉揭示了原子核还可再分。(√)(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素。(√)(3)γ射线是光子流，是能量很高的电磁波。(√)(4)同一元素的两种同位素具有相同的质量数。(×)(5)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。(×)(6)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。(√)『选一选』(2024·贵州省思南中学高二下学期检测)如图，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(C)A．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射线解析：α带正电，β带负电，γ不带电，γ射线在磁场中肯定不偏转，②⑤为γ射线；如左图所示的电场中，α射线向右偏，β射线向左偏，①为β射线，③为α射线；在如右图所示磁场中，由左手定则推断，α射线向左偏，β射线向右偏，即④为α射线，⑥为β射线，故正确选项是C。『想一想』氢原子核中只有一个质子，能否认为质子就是氢原子核？答案：不能。质子是原子核的组成部分。课内互动探究细研深究·破疑解难·萃取精华探究自然放射现象┃┃思索探讨1__■如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转说明白什么？提示：说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。┃┃归纳总结__■1．自然放射现象(1)发觉者1896年，法国物理学家贝克勒尔。(2)放射性铀和含铀的矿物质都能够发出看不见的射线，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光。物体放射出射线的性质叫做放射性。(3)放射性元素放射性并不是少数几种元素才有的，探讨发觉，原子序数大于或等于83的全部元素，都能自发地放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性，元素这种自发地放出射线的现象叫做自然放射现象，现在用人工的方法也可以制造放射性同位素。2．三种射线的比较种类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)带电量2e－e0质量4mpmp＝1.67×10－27kgeq\f(mp,1840)静止质量为零速度0.1c0.99cc在电磁场中偏转与α射线反向偏转不偏转贯穿本事最弱用纸能拦住较强穿透几毫米的铝板最强穿透几厘米的铅板对空气的电离作用很强较弱很弱在空气中的径迹粗、短、直细、较长、曲折最长通过胶片感光感光感光特殊提示(1)假如一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着肯定结构。(2)β射线的电子是从原子核中放出来的，并不是从原子核外的电子中放出来的。┃┃典例剖析__■典例1(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，如下图表示射线偏转状况中正确的是(AD)解题指导：处理该类问题的实质是力学规律在电、磁场中的综合运用，解决该类问题的一般步骤是：①明确α、β、γ射线粒子的电性；②分析它们在电场和磁场中受到的力；③结合圆周运动、类平抛运动规律求解。解析：已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，依据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知A、B、C、D四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步推断。带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝eq\f(mv,Bq)，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为：eq\f(rα,rβ)＝eq\f(mα,mβ)·eq\f(vα,vβ)·eq\f(qβ,qα)＝eq\f(4,\f(1,1840))×eq\f(0.1c,0.99c)×eq\f(1,2)≈371.7由此可见，A项正确，B项错误；带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有：x＝v0t，y＝eq\f(1,2)·eq\f(qE,m)t2，消去t可得：y＝eq\f(qEx2,2mv\o\al(2,0))对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为eq\f(yα,yβ)＝eq\f(qα,qβ)·eq\f(mβ,mα)·eq\f(v\o\al(2,β),v\o\al(2,α))＝eq\f(2,1)×eq\f(\f(1,1840),4)×eq\f(0.99c2,0.1c2)＝eq\f(1,37.5)由此可见，C项错误，D项正确。故正确答案是A、D。┃┃对点训练__■1．自然放射性元素放出的三种射线的穿透实力试验结果如图所示，由此可推知(D)A．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，是一种电磁波解析：依据三种射线的贯穿本事，可知①为α射线，②为β射线，③为γ射线，α射线的电离作用最强是高速氦核流，β射线是高速电子流，它不是从原子核外的电子中放出来的，γ射线是光子流(高频电磁波)，综上所述D正确。探究原子核的组成┃┃思索探讨2__■1919年卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子(如图所示)，叫质子。(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明白什么问题？(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明白什么问题？提示：(1)说明质子是原子核的组成部分。(2)说明原子核内除质子外，还有其他粒子存在。┃┃归纳总结__■1．原子核(符号eq\o\al(A,Z)X)eq\a\vs4\al(原,子,核)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(大小：很小，半径为10－15～10－14m,\a\vs4\al(组,成)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子：电量e＝＋1.6×10－19C,质量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：电量q＝0,质量mn＝1.6749286×10－27kg)),同位素：质子数相同，中子数不同的原子核))2．对核子数、电荷数、质量数的理解(1)核子数：质子和中子质量差别特别微小，二者统称为核子，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，这个整数叫做原子核的质量数。3．同位素原子核内的质子数确定了核外电子的数目，进而也确定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同。把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。特殊提示(1)β射线是原子核改变时产生的，电子并不是原子核的组成部分。(2)同位素的化学性质相同，但物理性质不同。┃┃典例剖析__■典例2已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226，试问：(1)镭核中有多少个质子？多少个中子？(2)镭核所带的电荷量是多少？(3)若镭原子呈中性，它核外有多少个电子？解题指导：核电荷数与原子核的电荷量是不同的，要理清他们的关系。解析：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。由此可得：(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。答案：(1)88138(2)1.41×10－17C(3)88┃┃对点训练__■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是不相同的？__B__。A．质子 B．中子C．电子(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__eq\o\al(18,8)O__。(3)三种同位素的化学性质是否相同？__相同__。解析：(1)同位素养子数相同，中子数不同。核外电子数与质子数相同，故不相同的是中子。(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)三种同位素养子数相同，故化学性质相同。核心素养提升易错警示·以题说法·启智培优原子核的“数”与“量”的辨析技巧(1)核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量肯定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。(2)原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。(3)基本关系：核电荷数＝质子数(Z)＝元素