高三物理集訓(xùn)(五)-原子核

1、普安一中20142015高三物理集訓(xùn)（五） 原子核 基礎(chǔ)知識 一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1、湯姆生的“棗糕”模型（1）1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認(rèn)識到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了研究原子的序幕 (2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里a aaaa粒子源熒光屏金箔真空a粒子束v2、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型（1）粒子散射實驗的結(jié)果：粒子通過金箔時，絕大多數(shù)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍沿原來的方向前進(jìn)，少數(shù)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過900，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到1800（2）核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎

2、全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個原子是呈電中性的電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對它的庫侖引力（3）從粒子散射實驗的數(shù)據(jù)估算出原子核大小的數(shù)量級為1015一1014 m，原子大小的數(shù)量級為 1010 m?！纠?】在盧瑟福的粒子散射實驗中，有少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是（ ） A原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個很小的核上 B正電荷在原子中是均勻分布的 C、原子中存在著帶負(fù)電的電子 D原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中【例2】關(guān)于粒子散射實驗，下列說法中正確的是 （ ） A絕大多數(shù)粒子經(jīng)過重金屬箔后，發(fā)生了角度

3、不太大的偏轉(zhuǎn) B粒子在接近原子核的過程中，動能減少，電勢能減少 C、粒子離開原子核的過程中，動能增大，電勢能增大 D對粒子散射實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以估算出原子核的大小二、天然放射性現(xiàn)象1放射性現(xiàn)象：貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，使人們認(rèn)識到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕通過對天然放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也具有放射性，它們放射出來的射線共有三種：射線、射線、射線2、三種射線的本質(zhì)和特性 1射線：速度約為光速110的氦核流，貫穿作用很弱，電離作用很強 2射線：速度約為光速十分之幾的電子流，貫穿作用

4、很強，電離作用較弱 3射線：波長極短的電磁波，貫穿作用最強，電離作用最弱種 類本 質(zhì)質(zhì) 量（u）電 荷（e）速 度（c）電 離 性貫 穿 性射線氦核4+20.1最強最弱，紙能擋住射線電子1/1840-10.99較強較強，穿幾mm鋁板射線光子001最弱最強，穿幾cm鉛版 O 三種射線在勻強磁場、勻強電場、正交電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況比較： 3、原子核的衰變規(guī)律（1）衰變的一般方程為He·每發(fā)生一次衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數(shù)減小2，質(zhì)量數(shù)減少4衰變的實質(zhì)是某元素的原子核同時放出由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的粒子（即氦核）（核內(nèi)）（2）衰變的一般方程為e每發(fā)生一次衰變，新元素與原元素相

5、比較，核電荷數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變衰變的實質(zhì)是元素的原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子時放射出一個電子（核內(nèi)）， +衰變：（核內(nèi)）（3）射線是伴隨衰變或衰變同時產(chǎn)生的、射線不改變原子核的電行數(shù)和質(zhì)量數(shù)其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生衰變或衰變時，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（4）半衰期A意義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間用希臘字母表示 公式：，B半衰期由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的物理狀態(tài)（如任強、溫度等）或化學(xué)狀態(tài)（如單質(zhì)或化合物）無關(guān)【例3】Th（釷）經(jīng)過一系列和衰變，變成Pb（鉛），下列說法正確的是（ ） A鉛核比釷核少8個質(zhì)子 B鉛核

6、比釷核少16個中子 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【例4】鈾（）經(jīng)過、衰變形成穩(wěn)定的鉛（），問在這一變化過程中，共有多少中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子（ ） A6 ； B14； C22 ； D32【例5】如圖所示，兩個相切的圓表示一個靜止原子核發(fā)生某種核變化后，產(chǎn)生的兩種運動粒子在勻強磁場中的運動軌跡，可能的是（ ） A.原子核發(fā)生了衰變；B原子核發(fā)生了衰變 C原子核放出了一個正電子；D原子核放出了一個中子； 三.原子核的人工轉(zhuǎn)變核能1原子核的組成：質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，原子核的質(zhì)量數(shù)等于其核子數(shù)，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)

7、Z之差，即N=AZ。質(zhì)子質(zhì)量= 1007277u16725×1027kg; 中子質(zhì)量=1008665u16748×10-27kg具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)的原子核互稱為同位素【例6】現(xiàn)在，科學(xué)家們正在設(shè)法探尋“反物質(zhì)”所謂的“反物質(zhì)”是由“反粒子”構(gòu)成的，“反粒子”與其對應(yīng)的正粒子具有相同的質(zhì)量和相同的電量，但電荷的符號相反，據(jù)此，若反的粒子，它的質(zhì)量數(shù)為 ，電荷數(shù)為 【例7】 目前普遍認(rèn)為，質(zhì)子和中子都是由被稱為u夸克和d夸克的兩類夸克組成。u夸克帶電量為e，d夸克帶電量e，e為基元電荷。下列論斷可能正確的是 A質(zhì)子由1個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個

8、d夸克組成B質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和2個d夸克組成C質(zhì)子由1個u夸克和2個d夸克組成，中子由2個u夸克和1個d夸克組成D質(zhì)子由2個u夸克和1個d夸克組成，中子由1個u夸克和1個d夸克組成2原子核的人工轉(zhuǎn)變：用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程，其核反應(yīng)方程的一般形式為：。式中是靶核的符號，為入射粒子的符號，是新生核符號，是放射出的粒子的符號。 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為： 查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程為：。 約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程為：，其中，P是放射性同位素，e為正電子3.放射性同位素的應(yīng)用利用其射線：射線電離性強，

9、用于使空氣電離，將靜電泄出，從而消除有害靜電。射線貫穿性強，可用于金屬探傷，也可用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發(fā)生突變，可用于生物工程，基因工程。作為示蹤原子。用于研究農(nóng)作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類型，研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。進(jìn)行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（種類齊全，半衰期短，可制成各種形狀，強度容易控制）。【例8】 關(guān)于放射性同位素應(yīng)用的下列說法中正確的有 A.放射線改變了布料的性質(zhì)使其不再因摩擦而生電，因此達(dá)到消除有害靜電的目的B.利用射線的貫穿性可以為金屬探傷，也能進(jìn)行人體的透視C.用放射線照射作物種

10、子能使其DNA發(fā)生變異，其結(jié)果一定是成為更優(yōu)秀的品種D.用射線治療腫瘤時一定要嚴(yán)格控制劑量，以免對人體正常組織造成太大的危害四.核力與核能1核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫侖力很大，受到這么大的庫侖斥力卻能是穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起這種力叫做核力核力是很強的力核力作用范圍小，只在20×1015 m短距離內(nèi)起作用每個核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用2核能（1）結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時放出一定的能量，原子核分解成核子時吸收一定能量，這種能量叫結(jié)合能（2）質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量

11、虧損。 也可以認(rèn)為在核反應(yīng)中，參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m/之差： m=m一m/（3）愛因斯坦質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是：E = mc2，這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。質(zhì)能方程的另一個表達(dá)形式是：E=mc2。（4）核能計算：應(yīng)用公式E=mc 2時應(yīng)選用國際單位，即EM的單位為焦耳，m的單位為千克，C的單位為米秒1u相當(dāng)于9315MeV，其中u為原子質(zhì)量單位：1u=1660566×1027kg ，lMev= l06 ev，leV16×1019J應(yīng)用公式E=9315m時，E的單位為兆電子伏（MeV），m的單位

12、為原子質(zhì)量單位例9下面是一核反應(yīng)方程，用表示光速，則（ ） A. X是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘C2B. X是中子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘C2C. X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C2D. X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C2五.重核的裂變與輕核的聚變1重核的裂變所謂重核即為質(zhì)量數(shù)很大的原子核重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量數(shù)的原子核的反應(yīng)過程叫重核的裂變。在裂變的同時，還會放出幾個中子和大量能量 裂變方程式例舉： 鈾235裂變時，同時放出23個中子，如果這些中子再引起其他鈾23

13、5核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，這種反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)鈾235核能夠發(fā)生接式反應(yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積核反應(yīng)堆的構(gòu)造：A.核燃料用鈾棒（含3%-4%的濃縮鈾）。B減速劑用石墨、重水或普通水（只吸收慢中子）。C控制棒用鎘做成（鎘吸收中子的能力很強）。D冷卻劑用水或液態(tài)鈉（把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去）2輕核的聚變所謂輕核是指質(zhì)量數(shù)很小的原子核，如氫核、氘核等某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過程叫做輕核的聚變，同時放出大量的能量 輕核聚變方程例舉 HHHen 經(jīng)核聚變只能發(fā)生在超高溫（需要幾百萬度高溫）條件下，故輕核聚變也叫做熱核反應(yīng)【例10】一個中子以19 ×107 m

14、/s的速度射中一個靜止的氮核,并發(fā)生核反應(yīng)，生成甲、乙兩種新核，它們的運動方向與中子原來的運動方向相同，測得甲核質(zhì)量是中子質(zhì)量的11倍，速度是1×106m/s，乙核垂直進(jìn)入B=2 T的勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑為R=002 m，已知中子質(zhì)量m=16×1027kg，e=16×1019C，求乙核是何種原子核？并寫出核反應(yīng)方程?！纠?1】眾所周知，地球圍繞著太陽做橢圓運動，陽光普照大地，萬物生長。根據(jù)你學(xué)過的知以，試論述隨著歲月的流逝，地球公轉(zhuǎn)的周期，日地的平均距離及地球的表面溫度變化的趨勢。（不考慮流星及外星球與地球發(fā)生碰撞的可能性）。 六.粒子物理學(xué)到19世紀(jì)末

15、，人們認(rèn)識到物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。20世紀(jì)30年代以來，人們認(rèn)識了正電子、子、K介子、介子等粒子。后來又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子（質(zhì)量相同而電荷及其它一些物理量相反）?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種，形成了粒子物理學(xué)。按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強子，其中強子是由更基本的粒子夸克組成。從目前的觀點看，媒介子、輕子和夸克是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點狀”粒子。用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化。規(guī)律方法 1。掌握典型的反應(yīng)方程衰變： 衰變：（核內(nèi)） 衰變：（核內(nèi)） +衰變：（核內(nèi)） 衰變：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷

16、到低能級。人工轉(zhuǎn)變：（發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)） （發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)） （人工制造放射性同位素）重核的裂變： 在一定條件下（超過臨界體積），裂變反應(yīng)會連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。輕核的聚變：（需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng)）【例12】 完成下列核反應(yīng)方程，并指出其中哪個是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，哪個是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程。 + +_ + _+ + _+ + +_【例13】)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)家們在研究某兩個重離子結(jié)合成超重元素的反應(yīng)時，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。由此，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 A1

17、24、259                   B124、265 C112、265                    D112、277【例14】 1956年李政道和楊振寧提出在弱相互作用中宇稱不守恒，并由吳健雄用放射源進(jìn)行了

18、實驗驗證，次年，李、楊二人為此獲得諾貝爾物理獎，的衰變方程是。其中是反中微子，它的電荷為零，靜止質(zhì)量可認(rèn)為是零（1）CO與Fe同周期，它應(yīng)在周期表的第_周期，的核外電子數(shù)為_在上述衰變方程中，衰變產(chǎn)物的質(zhì)量數(shù)A是_，核電荷數(shù)Z是_。（2）在衰變前核靜止，根據(jù)云室照片可以看出，衰變產(chǎn)物Ni和的運動徑跡不在一條直線上，如果認(rèn)為衰變產(chǎn)物只有Ni和e，那么衰變過程將違背_守恒定律。2理解原子核的變化無論天然放射性元素的衰變，還是原子核的人工轉(zhuǎn)變，都遵循電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒（注意：質(zhì)量并不守恒），動量守恒與能量守恒有關(guān)規(guī)律，除去會寫核反應(yīng)過程以外，還需結(jié)合以前學(xué)過的力學(xué)知識、電磁學(xué)知識進(jìn)行有關(guān)計算【例

19、15】 靜止的氡核放出粒子后變成釙核，粒子動能為E。若衰變放出的能量全部變?yōu)榉礇_核和粒子的動能，真空中的光速為c，則該反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為 A. B. 0 C. D.【例16】 靜止在勻強磁場中的一個核俘獲了一個速度為向v =7.3×104m/s的中子而發(fā)生核反應(yīng)，生成粒子與一個新核。測得粒子的速度為2×104 m/s，方向與反應(yīng)前中子運動的方向相同，且與磁感線方向垂直。求：寫出核反應(yīng)方程。畫出核反應(yīng)生成的兩個粒子的運動軌跡及旋轉(zhuǎn)方向的示意圖（磁感線方向垂直于紙面向外）。求粒子與新核軌道半徑之比。求粒子與新核旋轉(zhuǎn)周期之比。 3理解核能與核能的計算凡是釋放核能的核反應(yīng)都有質(zhì)量虧

20、損。核子組成不同的原子核時，平均每個核子的質(zhì)量虧損是不同的，所以各種原子核中核子的平均質(zhì)量不同。核子平均質(zhì)量小的，每個核子平均放的能多。鐵原子核中核子的平均質(zhì)量最小，所以鐵原子核最穩(wěn)定。凡是由平均質(zhì)量大的核，生成平均質(zhì)量小的核的核反應(yīng)都是釋放核能的。核能的計算方法：(1)根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能虧損，用核子結(jié)合成原子核時的質(zhì)量虧損(m)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)，即：E=mc2 (2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5(MeV)能量，用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以931.5MeV，即：E=m×931.5MeV 注意：式m的單位是千克

21、(kg)，E的單位是焦耳(J)；式中m的單位是指原子質(zhì)量單位(u)(1u=1.660566×10-27 kg)，E的單位是兆電子伏(MeV)。 (3)由核能的轉(zhuǎn)化量來計算核能。 在無光子輻射的情況下，核反應(yīng)中釋放的核能轉(zhuǎn)化為生成新核和新粒子的動能，因而在此情況下可應(yīng)用力學(xué)原理動量守恒和能量守恒來計算核能?！纠?7】 一個氫原子的質(zhì)量為1.6736×10-27kg，一個鋰原子的質(zhì)量為11.6505×10-27kg，一個氦原子的質(zhì)量為6.6467×10-27kg。一個鋰核受到一個質(zhì)子轟擊變?yōu)?個粒子，寫出核反應(yīng)方程，并計算該反應(yīng)釋放的核能是多少？1mg鋰原子

22、發(fā)生這樣的反應(yīng)共釋放多少核能？解：H+Li 2He 反應(yīng)前一個氫原子和一個鋰原子共有8個核外電子，反應(yīng)后兩個氦原子也是共有8個核外電子，因此只要將一個氫原子和一個鋰原子的總質(zhì)量減去兩個氦原子的質(zhì)量，得到的恰好是反應(yīng)前后核的質(zhì)量虧損，電子質(zhì)量自然消掉。由質(zhì)能方程E=mc2得釋放核能E=2.76×10-12J1mg鋰原子含鋰原子個數(shù)為10-6÷11.6505×10-27，每個鋰原子對應(yīng)的釋放能量是2.76×10-12J，所以共釋放2.37×108J核能?！纠?8】在其他能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。（1）核反應(yīng)方程式是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種,X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為 ，a 。以mU、mBa、mKr分別表示核的質(zhì)量，mn、mp分