高中人教物理選擇性必修二專題17 原子核結(jié)構(gòu)-學(xué)生版

1、專題17 原子核結(jié)構(gòu)（教師版）一、目標(biāo)要求目標(biāo)要求重、難點(diǎn)原子核的組成重點(diǎn)原子核的衰變及半衰期重點(diǎn)核力與結(jié)合能重難點(diǎn)核反應(yīng)方程重難點(diǎn)裂變與聚變重點(diǎn)二、知識(shí)點(diǎn)解析1原子核的組成(1)原子核的組成：自盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和查德威克發(fā)現(xiàn)中子之后，人們對(duì)原子核的組成有了如下認(rèn)知：原子核由質(zhì)子和中子組成，統(tǒng)稱為核子，原子核的質(zhì)量等于所有組成該原子核的質(zhì)子和中子質(zhì)量和，質(zhì)子和中子的質(zhì)量幾乎相同，因此原子核的質(zhì)量等于單個(gè)核子質(zhì)量的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)稱為原子核的質(zhì)量數(shù)，用A表示；由于中子不帶電，原子核所帶電荷量與核內(nèi)質(zhì)子電荷總量相等，所以原子核所帶電荷量總是等于質(zhì)子數(shù)的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)稱為原子核的核電荷數(shù)，用Z表示；

2、原子核常用符號(hào)表示，X為元素符號(hào)；Z表示原子核的核電荷數(shù)，即核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，也即該種元素的原子序數(shù)；A表示原子核的質(zhì)量數(shù)，即核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的總和；自然界中存在相同核電荷數(shù)不同質(zhì)量數(shù)的原子核，這類原子核是相同元素但具有不同的中子數(shù)，我們把這類元素稱為同位素，如與、互為同位素(2)天然放射現(xiàn)象1896年法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，鈾和含鈾的礦物能發(fā)出看不見的射線，這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光；之后法國(guó)物理學(xué)家瑪麗居里從含鈾的礦物中發(fā)現(xiàn)了兩種新的具有放射性的元素，為紀(jì)念她的祖國(guó)波蘭，她將這兩種元素命名為釙(Po)和鐳(Ra)；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，后來(lái)發(fā)

3、現(xiàn)，原子序數(shù)大于82的元素都具有放射性，原子序數(shù)小于82的同位素也能具有放射性；放射性元素能夠自發(fā)放出射線的現(xiàn)象，稱為天然放射現(xiàn)象2放射性元素的衰變發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象后，科學(xué)家們研究了放出的射線的性質(zhì)(1)三種射線的性質(zhì)探究：如圖1所示，利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)三種射線進(jìn)行分析，得到了圖中的結(jié)果；圖1特點(diǎn)射線種類組成速度貫穿本領(lǐng)電離能力射線高速氦核()流約0.1c很小，一張薄紙就能擋住很強(qiáng)射線高速電子()流約0.99c較強(qiáng)，能穿透幾毫米的鋁板較弱射線波長(zhǎng)極短的電磁波c最強(qiáng)，能穿透幾厘米的鉛板很小(2)放射性元素的衰變定義：具有放射性的原子核放出粒子或粒子，其核電荷數(shù)發(fā)生變化，變成其他元素的現(xiàn)象叫做放射性

4、元素的衰變種類a衰變：放射性元素放出粒子的衰變叫做衰變，衰變過(guò)程為：，如鈾238發(fā)生衰變產(chǎn)生釷234：；b衰變：放射性元素發(fā)出粒子的衰變叫做衰變，衰變過(guò)程為：，如釷234發(fā)生衰變產(chǎn)生鏷234：；需要注意的是，原子核內(nèi)并沒(méi)有電子，因此衰變的本質(zhì)是核內(nèi)一個(gè)中子變?yōu)榱艘粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，并將電子放出的過(guò)程：c原子核的能量與原子一樣，都是量子化、存在能級(jí)的，當(dāng)發(fā)生衰變或衰變時(shí)，產(chǎn)生的新核具有較高能量，會(huì)向低能級(jí)躍遷，能量以光子的形式輻射出來(lái)，因此無(wú)論是發(fā)生衰變還是衰變，一般伴隨有射線的放出(3)半衰期定義：大量放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間稱為半衰期；表達(dá)式：或，其中N、m表示衰變后剩余的

5、原子核數(shù)目和質(zhì)量，N0、m0表示衰變前原子核的數(shù)目和質(zhì)量，T是該元素的半衰期，t是所經(jīng)歷的衰變時(shí)間；特點(diǎn)：半衰期的長(zhǎng)短不受溫度、壓強(qiáng)或化學(xué)狀態(tài)影響；半衰期反映了大量原子核衰變過(guò)程的統(tǒng)計(jì)快慢規(guī)律，而單個(gè)原子核的衰變時(shí)間無(wú)法預(yù)測(cè)3核反應(yīng)與核能(1)核反應(yīng)定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過(guò)程，稱為核反應(yīng)；核反應(yīng)方程式：，核反應(yīng)與衰變一樣，前后符合質(zhì)量數(shù)守恒，核電荷數(shù)守恒；意義a發(fā)現(xiàn)新元素和新粒子，如盧瑟福通過(guò)原子核人工轉(zhuǎn)變發(fā)現(xiàn)質(zhì)子：，查德威克發(fā)現(xiàn)中子：； b制作人工同位素，人工同位素半衰期相比天然放射性元素要更短，因此放射性污染更小，更便于利用；c利用核反應(yīng)開發(fā)核能(2)核能核力：核力是

6、強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，在核子尺度范圍內(nèi)，核力遠(yuǎn)大于庫(kù)侖力；核力是短程力，作用范圍在10-15m左右；每個(gè)核子只與相鄰的核子之間發(fā)生核力作用由于核力只發(fā)生在相鄰核子之間，且是短程作用力，相隔較遠(yuǎn)的質(zhì)子之間會(huì)主要體現(xiàn)庫(kù)侖斥力，因此原子序數(shù)越大的元素，其原子核內(nèi)部含有的中子數(shù)越多，這樣才能利用核力凝聚原子核結(jié)合能：原子核由核子組成，將其分開需要克服核力做功，將核子分開所需要的能量稱為原子核的結(jié)合能，結(jié)合能也等于核子聚集在一起所釋放的能量；比結(jié)合能：原子序數(shù)越大的元素，含有的核子數(shù)目越多，其結(jié)合能也就越大，原子核的總結(jié)合能與核子數(shù)的比值稱為比結(jié)合能，也稱平均結(jié)合能；比結(jié)合能越大，表明原子核內(nèi)核子結(jié)合更

7、緊密，原子核越穩(wěn)定；核能的計(jì)算：原子核的結(jié)合能難以測(cè)量，愛因斯坦給出物體的能量與質(zhì)量的關(guān)系（質(zhì)能方程）：E=mc2核反應(yīng)中會(huì)有質(zhì)量虧損，若能測(cè)到反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量，計(jì)算出虧損的質(zhì)量m，則可利用質(zhì)能方程計(jì)算核反應(yīng)釋放的核能E=mc24重核裂變與輕核聚變(1)重核裂變：使重核分裂成中等質(zhì)量的原子核的反應(yīng)，稱為重核裂變目前核裂變反應(yīng)堆主要采用鈾235，其核反應(yīng)方程并不唯一：以上為鈾核裂變其中的某個(gè)反應(yīng)方程，通過(guò)觀察可以看出，裂變時(shí)會(huì)發(fā)出更多的中子，這些釋放的中子繼續(xù)和其他鈾核發(fā)生反應(yīng)，使整個(gè)核反應(yīng)不斷進(jìn)行，釋放更多的核能，這個(gè)過(guò)程稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；有時(shí)核反應(yīng)堆中子數(shù)目過(guò)多，核反應(yīng)速率過(guò)快，還需要用能吸

8、收中子的鎘棒做減速劑；鈾核不能捕捉速度較大的中子發(fā)生反應(yīng)，因此需要利用水作慢化劑，使得反應(yīng)能正常發(fā)生(2)輕核聚變：輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的原子核的核反應(yīng)，稱為輕核聚變，如太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)就是輕核聚變：；要使輕核能夠聚在一起形成新的原子核，就需要使輕核能夠克服巨大的庫(kù)侖力作用達(dá)到相隔10-15m的距離，若將輕核的溫度升到幾百萬(wàn)開爾文的溫度，劇烈的熱運(yùn)動(dòng)就能使其中一些原子核達(dá)到足夠的動(dòng)能，從而克服庫(kù)侖力的作用聚合在一起，聚合后產(chǎn)生的核能又能使聚變反應(yīng)持續(xù)下去，因此聚變反應(yīng)又稱熱核反應(yīng)目前已利用輕核聚變研制出氫彈，但這是不可控制的，而可控核聚變?nèi)匀幻媾R著一些困難，例如如何達(dá)到熱核反應(yīng)的溫度、能承受如

9、此高溫的容器等，這些都是人類未來(lái)需要攻克的方向三、考查方向題型1：原子核的組成典例一：如圖是三種射線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況的示意圖，下列選項(xiàng)正確的是( )Aa是射線，它的速度接近光速Bb是射線，它能穿過(guò)幾厘米厚的鉛板Cc是一種頻率很高的電磁波，它的電離本領(lǐng)很強(qiáng)Da、c是從原子核放射出來(lái)的，b是核外電子輻射出來(lái)的題型2：原子核的衰變及半衰期典例二：關(guān)于天然放射現(xiàn)象，以下說(shuō)法正確的是( )A若使放射性物質(zhì)的溫度升高，其半衰期將變大B衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r(shí)產(chǎn)生的C在、，這三種射線中，射線的穿透能力最強(qiáng)D鈾核(U)衰變?yōu)殂U核(Pb)的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)8次衰變和6次衰變題型3：核力與

10、結(jié)合能典例三：（2017江蘇卷多選）原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示，根據(jù)該曲線，下列判斷中正確的有（ ）A. 核的結(jié)合能約為14 MeVB. 核比核更穩(wěn)定C. 兩個(gè)核結(jié)合成核時(shí)釋放能量D. 核中核子的平均結(jié)合能比核中的大題型4：核反應(yīng)方程典例四：（2020高考全國(guó)理綜I多選）下列核反應(yīng)方程中，X1，X2，X3，X4代表粒子的有（ ）ABCD題型5：核裂變與核聚變典例五：關(guān)于核反應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是A是衰變B目前核電站都采用聚變反應(yīng)C是核裂變D是核聚變，在任何溫度下都能發(fā)生四、模擬訓(xùn)練一、基礎(chǔ)練習(xí)1.如圖所示，一天然放射性物質(zhì)發(fā)出三種射線，經(jīng)過(guò)方向如圖所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)共存的區(qū)域時(shí)，射線的軌

11、跡只出現(xiàn)圖示的兩條(其中有兩種射線的軌跡重合)下列判斷中正確的是( )A射到b處的一定是射線B射到b處的一定是射線C射到b處的可能是射線D射到b處的可能是射線2.下列說(shuō)法中正確的是( )A放射性元素的半衰期隨溫度的升高而變短B射線是原子被電離后核外電子形成的電子流C同種元素的兩種同位素具有相同的核子數(shù)D大量處于n=2能級(jí)的氫原子自發(fā)躍遷發(fā)光時(shí)只能發(fā)出一種頻率的光3.下列有關(guān)半衰期的說(shuō)法正確的是( )A放射性元素的半衰期越短，表明有半數(shù)原子核發(fā)生衰變所需的時(shí)間越短，衰變速度越快B放射性元素的樣品不斷衰變，隨著剩下未衰變的原子核的減少，元素的半衰期也變短C把放射性元素放在密封的容器中，可以減慢放射

12、性元素的衰變速度D降低溫度或增大壓強(qiáng)，讓該元素與其他物質(zhì)形成化合物，均可減緩衰變速度4.關(guān)于原子學(xué)物理知識(shí)，下列說(shuō)法正確的是A升高放射性物質(zhì)的溫度，其半衰期變短B發(fā)生光電效應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，增大照射光的頻率，同一金屬的逸出功變大C經(jīng)過(guò)7次衰變和5次衰變后變成D根據(jù)玻爾理論，氫原子向低能級(jí)躍遷時(shí)只放出符合兩能級(jí)能量差的光子5.天然放射現(xiàn)象中可產(chǎn)生、三種射線。下列說(shuō)法正確的是A射線是由原子核外電子電離產(chǎn)生的B經(jīng)過(guò)兩次衰變，變?yōu)镃射線的穿透能力比射線穿透能力強(qiáng)D放射性元素的半衰期不隨溫度升高而變化6.氡222經(jīng)過(guò)衰變變成釙218，t=0時(shí)氡的質(zhì)量為m0，任意時(shí)刻氡的質(zhì)量為m，下列四幅圖中正確的是 ()AB

13、C D7.關(guān)于原子核的結(jié)合能和比結(jié)合能，下列說(shuō)法正確的是A原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最大能量B自由核子組成原子核時(shí)，其質(zhì)量虧損所對(duì)應(yīng)的能量大于該原子核的結(jié)合能C比結(jié)合能越大，原子核越穩(wěn)定D比結(jié)合能大的原子核結(jié)合或分解成比結(jié)合能小的原子核時(shí)釋放核能8.下列關(guān)于原子物理知識(shí)的敘述錯(cuò)誤的是A衰變的實(shí)質(zhì)是核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子B比結(jié)合能越大，原子核內(nèi)核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定C兩個(gè)輕核結(jié)合成一個(gè)中等質(zhì)量的核，存在質(zhì)量虧損D核反應(yīng)釋放的核能，是原子在不同能級(jí)間躍遷時(shí)釋放的能量9.精確的研究表明，不同的原子核，其核子的平均質(zhì)量（原子核的質(zhì)量除以核子數(shù)）與原子序數(shù)有如

14、圖所示的關(guān)系。根據(jù)該圖所提供的信息及原子核的聚變、裂變有關(guān)知識(shí)，下列說(shuō)法正確的是A從圖中可以看出，鐵原子核中核子的平均質(zhì)量最大B原子序數(shù)較大的重核分裂成原子序數(shù)小一些的核和，質(zhì)量會(huì)增加C原子序數(shù)較大的重核裂變成原子序數(shù)小一些的核和，需要吸收能量D原子序數(shù)很小的輕核和結(jié)合成一個(gè)原子序數(shù)大些的核，核的結(jié)合能大于、的結(jié)合能之和10.一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子聚變結(jié)合成一個(gè)氘核，同時(shí)輻射一個(gè)光子已知質(zhì)子、中子、氘核的質(zhì)量分別為m1、m2、m3，普朗克常量為h，真空中的光速為c下列說(shuō)法正確的是 ()A核反應(yīng)方程是H+nH+B聚變反應(yīng)中的質(zhì)量虧損m=m3-m1-m2C輻射出的光子的能量E=(m3-m1-m2)cD

15、光子的波長(zhǎng)=11.下列說(shuō)法正確的是A結(jié)合能越大，原子中的核子結(jié)合的越牢固，原子核越穩(wěn)定B衰變?yōu)?，要?jīng)過(guò)4次衰變及6次衰變C盧瑟福通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為D質(zhì)子、中子、粒子的質(zhì)量分別為、，那么質(zhì)子和中子結(jié)合成一個(gè)粒子，所釋放的核能為12.“嫦娥一號(hào)”月球探測(cè)衛(wèi)星于2007年10月24日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由“長(zhǎng)征三號(hào)甲”運(yùn)載火箭發(fā)射升空該衛(wèi)星用太陽(yáng)能電池板作為攜帶科研儀器的電源，它有多項(xiàng)科研任務(wù)，其中一項(xiàng)是探測(cè)月球上氦3的含量，氦3是一種清潔、安全和高效的核融合發(fā)電燃料，可以采用在高溫高壓下用氘和氦3進(jìn)行核聚變反應(yīng)發(fā)電若已知氘核的質(zhì)量為，氦3的質(zhì)量為，氦核的質(zhì)量為，質(zhì)子質(zhì)量為，中子質(zhì)量為，相

16、當(dāng)于則下列說(shuō)法正確的是A氘和氦3的核聚變反應(yīng)方程式：，其中是中子B氘和氦3的核聚變反應(yīng)釋放的核能約為C一束太陽(yáng)光相繼通過(guò)兩個(gè)偏振片，若以光束為軸旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)偏振片，則透射光的強(qiáng)度不發(fā)生變化D通過(guò)對(duì)月光進(jìn)行光譜分析，可知月球上存在氦3元素13.一個(gè)氘核與一個(gè)氚核結(jié)合成一個(gè)氦核同時(shí)放出中子，釋放的能量。已知氘核、氚核、氦核和中子的質(zhì)量分別為、和下列說(shuō)法正確的是A該核反應(yīng)方程是B該核反應(yīng)中的核燃料是當(dāng)前核電站采用的核燃料CD該核反應(yīng)可以在常溫下進(jìn)行14.在一次研究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中，讓一個(gè)速度為7.7104 m/s的中子沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，擊中一個(gè)原來(lái)靜止的鋰原子核后產(chǎn)生一個(gè)氦核和

17、另一個(gè)新核，測(cè)得氦核的速度是2.0104 m/s，方向與反應(yīng)前中子的運(yùn)動(dòng)方向相同，設(shè)中子質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量相等(1)寫出核反應(yīng)方程式；(2)求出氦核和新核的軌道半徑之比；(3)當(dāng)氦核轉(zhuǎn)6周時(shí)，另一新核轉(zhuǎn)了幾周？二、提升練習(xí)1.（2020高考全國(guó)理綜II）氘核可通過(guò)一系列聚變反應(yīng)釋放能量，其總效果可用反應(yīng)式表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核約為1.01022個(gè)，若全都發(fā)生聚變反應(yīng)，其釋放的能量與質(zhì)量為M的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒時(shí)釋放的熱量相等；已知1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒釋放的熱量約為2.9107 J，1 MeV= 1.61013 J，則M約為（ ）A40 kgB100 kgC400 kgD1 000 k

18、g2.(2020高考全國(guó)理綜III卷多選)1934年，約里奧居里夫婦用粒子轟擊鋁箔，首次產(chǎn)生了人工放射性同位素X，反應(yīng)方程為：。X會(huì)衰變成原子核Y，衰變方程為，則（ ）AX的質(zhì)量數(shù)與Y的質(zhì)量數(shù)相等BX的電荷數(shù)比Y的電荷數(shù)少1CX的電荷數(shù)比的電荷數(shù)多2DX的質(zhì)量數(shù)與的質(zhì)量數(shù)相等3.（2020年7月浙江選考多選）太陽(yáng)輻射的總功率約為，其輻射的能量來(lái)自于聚變反應(yīng)。在聚變反應(yīng)中，一個(gè)質(zhì)量為（c為真空中的光速）的氘核（）和一個(gè)質(zhì)量為的氚核（）結(jié)合為一個(gè)質(zhì)量為的氦核（），并放出一個(gè)X粒子，同時(shí)釋放大約的能量。下列說(shuō)法正確的是（ ）AX粒子是質(zhì)子BX粒子的質(zhì)量為C太陽(yáng)每秒因?yàn)檩椛鋼p失的質(zhì)量約為D太陽(yáng)每秒因?yàn)檩椛鋼p失的質(zhì)量約為4.（2019江蘇卷）100年前，盧瑟福用粒子轟擊