高中物理第四章從原子核到夸克.原子核結(jié)構(gòu)探秘教案滬科版選修

1、4.1 原子核結(jié)構(gòu)探秘_1.理解原子的結(jié)構(gòu)、衰變及質(zhì)能方程等知識。 2.學(xué)會(huì)運(yùn)用原子知識及力學(xué)分析和動(dòng)量知識界解決相關(guān)問題。 原子核1. 原子核的組成（1）天然放射現(xiàn)象. 物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象，叫做天然放射現(xiàn)象.（2）三種射線 射線是速度約為十分之一光速的氦核流，穿透本領(lǐng)很弱，電離作用很強(qiáng). 射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，穿透本領(lǐng)很強(qiáng)，電離作用較弱. 射線是能量很高的電磁波，波長很短，它的穿透本領(lǐng)極強(qiáng)，電離作用很弱.（3）原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子，原子核常用符號表示，為元素符號，表示核的質(zhì)量數(shù)，表

2、示核的電荷數(shù).2. 放射性元素的衰變（1）衰變：原子核放出粒子或粒子，核電荷數(shù)發(fā)生改變，變成另外一種原子核，這種變化叫衰變. （2）種類 衰變：原子核放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的粒子（即氦核）， 衰變：原子核內(nèi)的一個(gè)中子變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子并放射出一個(gè)電子， 衰變：放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變時(shí)，產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子（3）衰變規(guī)律：電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒由此可確定衰變次數(shù).（4）半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間 ，其中表示衰變前放射性元素的原子核的個(gè)數(shù)，表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子核的個(gè)數(shù)，表示衰變時(shí)間表示半衰期 半衰期只適用于大量

3、的原子核，對數(shù)量較少的原子核不適用，如10個(gè)原子核經(jīng)過一個(gè)半衰期并不一定恰好有5個(gè)發(fā)生衰變 半衰期由核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的物理或化學(xué)狀態(tài)無關(guān)3. 核力和結(jié)合能（1）核力：核力將核子緊緊束縛在核內(nèi)，形成穩(wěn)定的原子核. 核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)；核力是短程力；每個(gè)核子只與相鄰的核子發(fā)生核力作用，即核力具有飽和性.（2）結(jié)合能：原子核由核子結(jié)合在一起構(gòu)成，要將它們分開需要能量，這個(gè)能量就是原子核的結(jié)合能. 結(jié)合能不是由于核子結(jié)合成原子核而具有的能量，而是為把核子分開而需要的能量.（3）質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)現(xiàn)象叫質(zhì)量虧損.4. 核反應(yīng)（1）原子核在其他粒

4、子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應(yīng).（2）常見的核反應(yīng)有人工轉(zhuǎn)變、重核裂變、輕核聚變可用核反應(yīng)方程來表示核反應(yīng)過程.（3）核反應(yīng)遵循的規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒5. 核能（1）愛因斯坦質(zhì)能方程，若核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損（參加核反應(yīng)的原子核總質(zhì)量與生成新原子核的總質(zhì)量之差）為，釋放的核能.（2）重核裂變和輕核聚變過程中都釋放出核能（3）在無光子輻射的情況下，核反應(yīng)中釋放的核能轉(zhuǎn)化為生成的新核和新粒子的動(dòng)能因而在此情況下可應(yīng)用動(dòng)量守恒和能量守恒來計(jì)算核能類型一：射線問題例1.一置于鉛盒中的放射源發(fā)射的、和射線，由鉛盒的小孔射出，在小孔外放一鋁箔后，鋁箔后的空間有一勻強(qiáng)電場進(jìn)入電場后，射線變?yōu)閍

5、、b兩束，射線a沿原來方向行進(jìn)，射線b發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖所示，則圖中的射線a為_射線，射線b為_射線因粒子無法穿透鋁箔，故打在底片上的只有和兩種射線，因光子不帶電，故在電場中不會(huì)偏轉(zhuǎn)，故a為射線；射線帶負(fù)電，故在電場中會(huì)向正極偏轉(zhuǎn)，故b為射線；答案: ，類型二:核反應(yīng)方程例2下列說法正確的是 ara衰變?yōu)閞u要經(jīng)過1次衰變和1次衰變 bu衰變?yōu)閜a要經(jīng)過1次衰變和1次衰變 cth衰變?yōu)閎要經(jīng)過6次衰變和4次衰變 du衰變?yōu)閞u要經(jīng)過4次衰變和4次衰變解析： 先根據(jù)質(zhì)量數(shù)的變化規(guī)律確定衰變的次數(shù)，然后再確定衰變的次數(shù)答案： bc類型三：綜合應(yīng)用質(zhì)量方程及有關(guān)的力學(xué)規(guī)律分析例3.已知氘核質(zhì)量為2.0

6、136 u，中子質(zhì)量為1.0087 u， he核的質(zhì)量為3.0150 u（1）寫出兩個(gè)氘核聚變成he的核反應(yīng)方程（2）計(jì)算上述核反應(yīng)中釋放的核能（3）若兩氘核以相等的動(dòng)能0.35 mev做對心碰撞即可發(fā)生上述核反應(yīng)，且釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，則反應(yīng)中生成的he核和中子的動(dòng)能各是多少?解析： 應(yīng)用質(zhì)量數(shù)守恒和核電荷數(shù)守恒不難寫出核反應(yīng)方程為： hhhen由題給條件可求出質(zhì)量虧損為：m2.0136 u2（3.01501.0087）u0.0035 u所以釋放的核能為em c2931.50.0035 mev3.26 mev因?yàn)樵摲磻?yīng)中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能即轉(zhuǎn)化為he核和中子的動(dòng)能若設(shè)he核和

7、中子的質(zhì)量分別為m1、m2，速度分別為v1、v2，則由動(dòng)量守恒及能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，得m1v1m2v20ek1ek22ek0e解方程組，可得：ek1（2ek0e）（20.353.26）mev0.99 mev，ek2（2ek0e）（20.353.26）mev2.97 mev類型四：氫原子能及問題例4欲使處于基態(tài)的氫原子激發(fā)，下列措施可行的是 用10.2 ev的光子照射 用11 ev的光子照射 用14 ev的光子照射 用11 ev的電子碰撞 abcd解析: 由原子的躍遷條件知對，基本氫原子的電離能為13.6 ev，只要大于或等于13.6 ev的光子都能被氫原子吸收而發(fā)生電離，只不過入射光子能量越大

8、，原子電離后的自由電子的動(dòng)能越大，故對對于入射粒子和原子碰撞情況，只要入射粒子的動(dòng)能大于或等于原子某兩定態(tài)能量之差，也可以使原子受激發(fā)而向較高能級躍遷，故對，應(yīng)選c答案: c基礎(chǔ)演練1下面列出的是一些核反應(yīng)方程psixbehbyheheliz其中ax是質(zhì)子，y是中子，z是正電子 bx是正電子，y是質(zhì)子，z是中子cx是中子，y是正電子，z是質(zhì)子 dx是正電子，y是中子，z是質(zhì)子答案： d2盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容有a原子的中心有個(gè)核，叫原子核b原子的正電荷均勻分布在整個(gè)原子中c原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里d帶負(fù)電的電子在核外繞著核旋轉(zhuǎn)答案： acd3下列說法中正確的是

9、a盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的 b射線比射線的電離本領(lǐng)強(qiáng) c四個(gè)核子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的過程釋放的核能等于四個(gè)核子的質(zhì)量之和與光速平方（c2）的乘積 d質(zhì)量為m的鈾238經(jīng)過2個(gè)半衰期的時(shí)間，鈾238衰變了的質(zhì)量為m答案：b4按照玻爾理論，下列關(guān)于氫原子的論述正確的是 a第m個(gè)定態(tài)和第n個(gè)定態(tài)的軌道半徑rm和rn之比為rmrnm2n2 b第m個(gè)定態(tài)和第n個(gè)定態(tài)的能量em和en之比為emenn2m2 c電子沿某一軌道繞核運(yùn)動(dòng)，若其圓周運(yùn)動(dòng)的頻率是，則其發(fā)光頻率也是 d若氫原子處于能量為e的定態(tài)，則其發(fā)光頻率為答案： ab5目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克

10、的兩類夸克組成u夸克帶電量為e，d夸克帶電量為e，e為基元電荷下列論斷可能正確的是 a質(zhì)子由1個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 b質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成 c質(zhì)子由1個(gè)u夸克和2個(gè)d夸克組成，中子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成 d質(zhì)子由2個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成，中子由1個(gè)u夸克和1個(gè)d夸克組成答案： b6如圖中p為放在勻強(qiáng)電場中的天然放射源，其放出的射線在電場的作用下分成 a、b、c三束，以下判斷正確的是 aa為射線，b為射線 ba為射線，b為射線 cb為射線，c為射線 db為射線，c為射線答案： bc7下列核反應(yīng)過程中正確的

11、是 authh b beheu cthpae dsie答案： b8下面是一核反應(yīng)方程hhhex用c表示光速，則 ax是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘c2 bx是中子，核反應(yīng)放出的能量等于中子質(zhì)量乘c2 cx是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和，再乘c2 dx是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與中子的質(zhì)量和，再乘c2答案： d9秦山核電站是我國第一座自主研究、設(shè)計(jì)和建造的核電站，它為中國核電事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。秦山核電站的能量來自于 a天然放射性元素衰變放出的能量 b人工放射性同位素衰變放出的能量 c重核裂變放出的能量 d輕核聚變放出的

12、能量答案：c10完成核反應(yīng)方程：thpa_th衰變?yōu)閜a的半衰期是1.2 min，則64 g90th經(jīng)過6 min還有_g 尚未衰變答案： e；2 鞏固提高1.下列現(xiàn)象中，與原子核內(nèi)部變化有關(guān)的是（ ） a粒子散射現(xiàn)象 b天然放射現(xiàn)象 c光電效應(yīng)現(xiàn)象 d原子發(fā)光現(xiàn)象答案：b2.下列說法正確的是（ ） a太陽輻射的能量主要來自太陽內(nèi)部的核裂變反應(yīng) b湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，表明原子具有核式結(jié)構(gòu) c一束光照射到某種金屬上不能發(fā)生光電效應(yīng)，是因?yàn)樵撌獾牟ㄩL太短 d按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時(shí)，電子的動(dòng)能減小，原子總能量增大答案：d3.一置于鉛盒中的放射源發(fā)射的和射線，

13、由鉛盒的小孔射出，在小孔外放一鋁箔，鋁箔右側(cè)的空間有一勻強(qiáng)電場. 射線進(jìn)入電場后，變?yōu)閮墒渚€沿原來方向行進(jìn)，射線發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，如圖所示，則圖中的（ ） a射線為射線，射線為射線 b射線為射線，射線為射線 c射線為射線，射線為射線 d射線為射線，射線為射線答案：d4.有關(guān)氫原子光譜的說法正確的是（ ） a氫原子的發(fā)射光譜是連續(xù)譜 b氫原子光譜說明氫原子只發(fā)出特定頻率的光 c氫原子光譜說明氫原子能級是連續(xù)的 d氫原子光譜的頻率與氫原子能級的能量差無關(guān)答案：bc5.原子核聚變有望給人類未來提供豐富的潔凈能源當(dāng)氘等離子體被加熱到適當(dāng)高溫時(shí)，氘核參與的幾種聚變反應(yīng)可能發(fā)生，放出能量這幾種反應(yīng)的總效果可

14、以表示為，由平衡條件可知（ ） a，b， c，d答案：b6.在下列4個(gè)核反應(yīng)方程中，表示質(zhì)子的是（ ） a. b. c. d. 答案：c7.用中子轟擊硼核發(fā)生的核反應(yīng)是：其中的x粒子應(yīng)是（ ） a粒子b粒子c質(zhì)子d中子答案：a8在下列四個(gè)方程中，x1、x2、x3和x4各代表某種粒子 usrxe3x1 hx2heu uthx3 mghealx4 以下判斷中正確的是 ax1是中子bx2是質(zhì)子 cx3是粒子dx4是氘核答案： ac9最近幾年，原子核科學(xué)家在超重元素島的探測方面取得重大進(jìn)展1996年科學(xué)家們在研究某兩個(gè)重離子結(jié)合成超重元素的反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)生成的超重元素的核經(jīng)過6次衰變后的產(chǎn)物是fm由此，

15、可以判定生成的超重元素的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別是 a124、259b124、265 c112、265d112、277答案： d10裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng)以原子核u為燃料的反應(yīng)堆中，當(dāng)u俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式，其中一種可表示為unxesr3n235.04391.0087138.917893.9154反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量（以原子質(zhì)量單位u為單位）已知1 的質(zhì)量對應(yīng)的能量為9.3102mev，此裂變反應(yīng)釋放出的能量是_mev答案： 1.81021.下列對粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置的敘述,正確的是() a.實(shí)驗(yàn)器材有放射源、金箔、熒光屏、顯微鏡. b.金箔

16、的厚度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果無影響. c.如果不用金箔而用鉛箔,就不能發(fā)生散射現(xiàn)象. d.實(shí)驗(yàn)裝置放在空氣中和真空中都可以.答案：a2.關(guān)于盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)的內(nèi)容,下列說法中正確的是() a.原子是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的球體. b.原子質(zhì)量幾乎全部集中在原于核內(nèi). c.原子的正電荷全部集中在一個(gè)很小的核內(nèi). d.原子核的半徑約為10-10m.答案：bc3.下列關(guān)于粒子的蛻法中,正確的是() a.它是原子核放射出來的. b.它和電子具有相同的性質(zhì). c.當(dāng)它通過空氣時(shí),電離作用很強(qiáng). d.它能貫穿厚紙板.答案：abd4.有三個(gè)核反應(yīng)方稗,分別是：411h42he+201e,22688ra22286rn+42h

17、e,23592u+10n9034se+13658sr+1010n它們的核反應(yīng)類型分別是() a.裂變、裂變、衰變 b.衰變、衰變、人工轉(zhuǎn)變 c.人工轉(zhuǎn)變、裂變、裂變 d.聚變、衰變、裂變答案：d5.太陽輻射能量住要來自太陽內(nèi)部的() a.化學(xué)反應(yīng)b.放射性衰變c.裂變反應(yīng)d熱核反應(yīng)答案：d6.623290th(釷)經(jīng)過一系列和衰變,成為20882pb(鉛),則() a.鉛比釷少了8個(gè)質(zhì)子. b.鉛比釷少了16個(gè)中子. c.共經(jīng)過4次衰變和6次衰變. d.共經(jīng)過6次衰變和4次衰變.答案：abd7.鐳核在衰變中放出能量為4.78mev的粒子和能量為o19mev的光子,鐳核在一次衰變中的質(zhì)量虧損是(

18、1u=931.5mev)() a.等于個(gè)粒子的質(zhì)量 b.等于0005335u c.等于86410-24kg d.等于66410-27kg答案：bc8關(guān)于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是（ ） a射線是由氦原子核衰變產(chǎn)生 b射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生 c射線是由原子核外的內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生 d通過化學(xué)反應(yīng)不能改變物質(zhì)的放射答案：d9在科學(xué)技術(shù)研究中，關(guān)于原子定態(tài)、原子核變化的過程中，下列說法正確的是（ ） a采用物理或化學(xué)方法可以有效地改變放射性元素的半衰期 b由玻爾理論知道氫原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)會(huì)放出光子 c從高空對地面進(jìn)行遙感攝影是利用紫外線良好的穿透能力 d原子核所含核子單獨(dú)存在時(shí)的總質(zhì)

19、量小于該原子核的質(zhì)量答案：b10.一個(gè)氡核衰變成釙核并放出一個(gè)粒子，其半衰期為3.8天. 氡經(jīng)過7.6天衰變掉氡的質(zhì)量，以及衰變成的過程放出的粒子是（ ） a. ，粒子b. ，粒子 c. ，粒子d. ，粒子答案：b11.關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下敘述正確的是（ ） a若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將減小 b衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)所產(chǎn)生的 c在、這三種射線中，射線的穿透能力最強(qiáng)，射線的電離能力最強(qiáng) d鈾核衰變?yōu)殂U核的過程中，要經(jīng)過8次衰變和l0次衰變答案：bc_1在下列四個(gè)核反應(yīng)方程中x代表粒子的是（ ）答案：a2下列關(guān)于粒子的說法正確的是（ ） a. 物理學(xué)家盧瑟福通過粒

20、子散射實(shí)驗(yàn)說明了原子核內(nèi)部有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) b. 原子核放出粒子即衰變，衰變的核反應(yīng)方程式為 c. 原子核放出粒子即衰變，衰變的實(shí)質(zhì)是一個(gè)中子轉(zhuǎn)化一個(gè)質(zhì)子和電子 d. 比較、三種射線，由粒子組成的射線，電離能力最弱、穿透能力最強(qiáng)答案：b3.是一種半衰期為5 730年的放射性同位素若考古工作者探測到某古木中的含量為原來的，則該古樹死亡的時(shí)間距今大約（ ） a22 920年 b11 460年 c5 730年d2 865年答案：b4.氦氖激光器能產(chǎn)生三種波長的激光，其中兩種波長分別為已知波長為的激光是氖原子在能級間隔為的兩個(gè)能級之間躍遷產(chǎn)生的用表示產(chǎn)生波長為的激光所對應(yīng)的躍遷的能級間隔，則的近似值為（

21、） a b c d答案：d5.氫原子的能級如圖所示，已知可見光的光子能量范圍約為.下列說法錯(cuò)誤的是（ ） a處于能級的氫原子可以吸收任意頻率的紫外線，并發(fā)生電離 b大量氫原子從高能級向能級躍遷時(shí)，發(fā)出的光具有顯著的熱效應(yīng) c大量處于能級的氫原子向低能級躍遷時(shí)，可能發(fā)出6種不同頻率的光 d大量處于能級的氫原子向低能級躍遷時(shí)，可能發(fā)出3種不同頻率的可見光答案：d6物理學(xué)家在微觀領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了“電子偶素”這一現(xiàn)象。所謂“電子偶素”就是由一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)正電子繞它們連線的中點(diǎn)，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)形成相對穩(wěn)定的系統(tǒng)。類比玻爾的原子量子化模型可知：兩電子做圓周運(yùn)動(dòng)的可能軌道半徑的取值是不連續(xù)的，所以“電子偶素”系

22、統(tǒng)對應(yīng)的能量狀態(tài)（能級）也是不連續(xù)的。若規(guī)定兩電子相距無限遠(yuǎn)時(shí)該系統(tǒng)的引力勢能為零，則該系統(tǒng)的最低能量值為e（e0），稱為“電子偶素”的基態(tài)，基態(tài)對應(yīng)的電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為r。已知正、負(fù)電子的質(zhì)量均為m，電荷量大小均為e，靜電力常量為k，普朗克常量為h。錯(cuò)誤！未找到引用源。則下列說法中正確的是（ ） a“電子偶素”系統(tǒng)處于基態(tài)時(shí)，一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能為 b“電子偶素”系統(tǒng)吸收特定頻率的光子發(fā)生能級躍遷后，電子做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能增大 c處于激發(fā)態(tài)的“電子偶素”系統(tǒng)向外輻射光子的最大波長為 d處于激發(fā)態(tài)的“電子偶素”系統(tǒng)向外輻射光子的最小頻率為答案：a7.處于基態(tài)的一群氫原子受某種單色光的照射只發(fā)射波長為的三種單色光，且，則照射光的波長為（ ） abcd答案：d8.如圖所示為氫原子的四個(gè)能級，其中為基態(tài)，若氫原子處于激發(fā)態(tài)，氫原子處于激發(fā)態(tài)，則下列說法正確的是（ ） a. 原子可能輻射出3種頻率的光子 b. 原子可能輻射出3種頻率的光子 c. 原子能夠吸收原子發(fā)出的光子并躍遷到能級 d. 原子能夠吸收原子發(fā)出的光子并躍遷到能級答案：b9.現(xiàn)有l(wèi) 200個(gè)氫原子被激發(fā)到一量子數(shù)為4的能