2024-2025学年高中物理第三章原子核1原子核的组成与核力教案教科版选修3-5

PAGE9-1原子核的组成与核力一、原子核的组成1．质子的发觉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，测定了它的电荷和质量，确定它是氢原子核，叫做质子，用eq\o\al(1,1)p或eq\o\al(1,1)H表示，其质量为mp＝1.67×10－27_kg.2．中子的发觉(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)查德威克的发觉：用试验证明白中子的存在，用eq\o\al(1,0)n表示，中子的质量特别接近质子的质量．3．原子核的组成(1)核子数：质子和中子质量差别特别微小，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)eq\a\vs4\al(\o\al(A,Z))Xeq\a\vs4\al(元素符号)eq\a\vs4\al(原子核的质量数A＝质子数Z＋中子数N)核电荷数＝原子核的质子数，即元素的原子序数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.二、核力1．核力(1)核力：核子之间的相互作用力，称为核力，也称强力．(2)核力的特征①在核的线度内，核力比库仑力大得多；②核力是短程力，当两核子中心相距大于核子本身线度时，核力几乎完全消逝；③核力与电荷无关，质子与质子、质子与中子以及中子与中子之间的核力是相等的．2．原子核中质子和中子的比例由于核力是短程力，自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但较重的原子核，中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．原子核是由中子和质子组成的，在原子核狭小的空间里，带正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？提示：组成原子核的相邻核子间存在着核力．三、核反应1．核反应用肯定能量的粒子轰击原子核，变更了核的结构，我们把这样的过程叫做核反应．2．核反应的实质以基本粒子(α粒子、质子、中子等)为“炮弹”去轰击原子核(靶核X)，从而促使原子核发生变更，生成了新原子核(Y)，并放出某种粒子．3．常见的人工转变的核反应有(1)卢瑟福发觉质子：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(2)查德威克发觉中子：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)居里夫妇人工制造同位素：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(30,15)Peq\o\al(30,15)P具有放射性：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e4．遵循规律质量数守恒，电荷数守恒．考点一原子核的组成1．原子核的组成(1)概述原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．不同的原子核内质子和中子的个数并不肯定相同．(2)基本关系：核电荷数＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数．质量数＝核子数＝质子数＋中子数．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．【例1】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)镭核所带的电荷量是多少？(3)若镭原子呈中性，它的核外有几个电子？(4)eq\o\al(228,88)Ra是镭的一种同位素，让eq\o\al(226,88)Ra和eq\o\al(228,88)Ra以相同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？1．原子核的电荷数与核外电子数有何关系？2．原子核的质量数与其质子数、中子数具有怎样的关系？3．互为同位素的两种原子核，它们的质量数、核电荷数、中子数，相同的是哪个？【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)镭核所带的电荷量：Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.408×10－17(3)核外电子数等于核电荷数等于质子数，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的向心力为洛伦兹力，故有qvB＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB)，因为两种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(226,228)＝eq\f(113,114).【答案】(1)88138(2)1.408×10－17(3)88(4)eq\f(113,114)总结提能此处易把核电荷数与原子核所带的电荷量相混淆，而将核电荷数误认为带电荷量导致错解．卢瑟福预想到原子核内除质子外，还有中子的事实依据是(C)A．电子数与质子数相等B．原子核的质量大约是质子质量的整数倍C．原子核的核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解析：卢瑟福发觉中子后，设想原子核只由质子组成，但核电荷数只是质量数的一半或少一些，这与假设相冲突，因此他又设想原子核内除质子外还有不带电的中子存在，所以选项C正确．考点二核力及原子核中质子和中子的比例1．核力的性质(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．(2)核力是短程力．约在10－15m数量级时起作用，距离大于0.8×10－15m时为引力，距离小于0.8×10－15m时为斥力．距离为10×10(3)核力具有饱和性．核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内全部核子发生作用．(4)核力具有电荷无关性．核力与核子电荷无关．2．原子核中质子与中子的比例关系(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多．(2)形成缘由①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快．所以当原子核增大到肯定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也肯定是不稳定的．【例2】关于核力的说法正确的是()A．核力同万有引力没有区分，都是物体间的作用B．核力就是电磁力C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15mD．核力与电荷有关【解析】核力是短程力，超过1.5×10－15m【答案】C关于质子和中子的说法，正确的是(D)A．原子核中质子数和中子数肯定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是特别稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，假如接着增大原子核，形成的核也肯定是不稳定的解析：自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，对于较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多．因此正确答案选D.考点三对核反应方程的相识1．常见的几个核反应方程：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(发觉质子)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(发觉中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e(发觉正电子)2．写核反应方程时应留意的问题(1)核反应过程一般都是不行逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向．(2)核反应方程应以试验事实为基础，不能凭空杜撰．(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变更．【例3】完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发觉质子和中子的．(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()(2)eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()(5)eq\o\al(23,11)Na＋()→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H【解析】(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n此核反应使查德威克首次发觉了中子．(3)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H此核反应使卢瑟福首次发觉了质子．(5)eq\o\al(23,11)Na＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H【答案】见解析总结提能书写核反应方程四条重要原则(1)质量数守恒和电荷数守恒；(2)中间用箭头，不能写成等号；(3)能量守恒(中学阶段不做要求)；(4)核反应必需是试验中能够发生的．以下是物理学史上3个闻名的核反应方程x＋eq\o\al(7,3)Li→2yy＋eq\o\al(14,7)N→x＋eq\o\al(17,8)Oy＋eq\o\al(9,4)Be→z＋eq\o\al(12,6)Cx、y和z是3种不同的粒子，其中z是(C)A．α粒子B．质子C．中子 D．电子解析：把前两个方程化简，消去x，即eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(7,3)Li→y＋eq\o\al(17,8)O，可见y是eq\o\al(4,2)He，结合第三个方程，依据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子eq\o\al(1,0)n.因此选项C正确．1．下列说法正确的是(A)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解析：质子和中子的质量不同，但质量数相同，选项A正确；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数总和，选项B错误；同一种元素的原子核有相同的质子数，但中子数可以不同，选项C错误；中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量之和，选项D错误．2．(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(ABD)A．它们的质子数相等B．若为中性原子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解析：氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和中性原子状态核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，选项A、B正确，C错误；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，选项D正确．3．下列对核力的相识，正确的是(D)A．核力是强相互作用的一种表现，比库仑力大得多B．核力存在于质子和中子、中子和中子之间，质子和质子之间只有库仑斥力C．核力是核子间相互吸引的力，是短程力D．核力只存在于相邻的核子之间，具有饱和性解析：在原子核的尺度内