2024-2025學(xué)年新教材高中物理第5章原子核與核能第1節(jié)認(rèn)識(shí)原子核學(xué)案魯科版選擇性必修3

PAGE10-第1節(jié)相識(shí)原子核學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道自然放射現(xiàn)象及其規(guī)律．2.[科學(xué)思維]理解三種射線的本質(zhì)，以及如何利用磁場區(qū)分它們．3.[科學(xué)思維]了解質(zhì)子和中子的發(fā)覺過程．4.[物理觀念]知道原子核的組成，理解核子、同位素的概念．5.[科學(xué)思維]了解核反應(yīng)的概念，會(huì)書寫核反應(yīng)方程．一、自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺1．自然放射現(xiàn)象：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象．2．放射性：物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，叫作放射性．3．放射性元素：具有放射性的元素，叫作放射性元素．4．自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺：1896年，法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)覺了自然放射現(xiàn)象．二、放射線的本質(zhì)1．如圖所示，讓放射線通過強(qiáng)磁場，在磁場的作用下，放射線能分成三束，這表明有三種射線，且它們電性不同．帶正電的射線向左偏轉(zhuǎn)，為α射線；帶負(fù)電的射線向右偏轉(zhuǎn)，為β射線；不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的射線不帶電，為γ射線．2．α射線是高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核粒子流，有很強(qiáng)的電離作用，但是穿透實(shí)力很弱．一張鋁箔或一張薄紙就能將它攔住．3．β射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子，穿透實(shí)力較強(qiáng)，但電離作用較弱．能穿透幾毫米厚的鋁板．4．γ射線是波長很短的電磁波，穿透實(shí)力很強(qiáng)，但電離作用很弱．能穿透幾厘米的鉛板．三、原子和中子的發(fā)覺1．質(zhì)子的發(fā)覺(1)試驗(yàn)：為探測原子核的結(jié)構(gòu)，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)覺了質(zhì)子．(2)結(jié)論：質(zhì)子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)覺(1)盧瑟福的預(yù)想盧瑟福發(fā)覺質(zhì)子后，預(yù)想核內(nèi)還有一種不帶電的中性粒子，并給這種“粒子”起名為中子．(2)中子的發(fā)覺是很多科學(xué)家探討的結(jié)晶．①1930年，用釙發(fā)出的α射線轟擊鈹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種不受電場和磁場影響、穿透實(shí)力很強(qiáng)的射線．②1932年，約里奧—居里夫婦用這種射線轟擊石蠟，能從石蠟中打出質(zhì)子．③1932年，查德威克對(duì)云室中這種射線進(jìn)行探討，發(fā)覺這種射線是一種不帶電、質(zhì)量接近質(zhì)子的粒子流，即為中子．四、原子核的組成1．原子核的組成(1)組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，并將質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子．(2)原子核的符號(hào)：eq\o\al(A,Z)X，其中X為元素符號(hào)；A表示原子核的質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)．(3)兩個(gè)基本關(guān)系①核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝原子序數(shù)．②質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)＝核子數(shù)．2．同位素具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子，如氫的三種同位素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H．3．核反應(yīng)與核反應(yīng)方程(1)核反應(yīng)：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程．(2)核反應(yīng)方程：用原子核符號(hào)描述核反應(yīng)過程的式子．(3)核反應(yīng)規(guī)律：在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)均守恒．1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)放射性元素發(fā)出的射線可以干脆視察到． (×)(2)盧瑟福發(fā)覺了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在． (√)(3)放射性元素發(fā)出的射線的強(qiáng)度可以人工限制． (×)(4)盧瑟福在α粒子散射試驗(yàn)中發(fā)覺了質(zhì)子． (×)(5)同位素具有相同的物理、化學(xué)性質(zhì)． (×)2．(多選)關(guān)于質(zhì)子與中子，下列說法正確的是()A．原子核(除氫核外)由質(zhì)子和中子組成B．質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子C．盧瑟福發(fā)覺了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在D．盧瑟福發(fā)覺了中子，并預(yù)言了質(zhì)子的存在ABC[原子核(除氫核外)由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，盧瑟福發(fā)覺了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在，查德威克用α粒子轟擊鈹發(fā)覺了中子，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤．]3．(多選)自然放射性物質(zhì)的放射線包括三種成分，下列說法正確的是()A．一張厚的黑紙能攔住α射線，但不能攔住β射線和γ射線B．某原子核在放出γ射線后會(huì)變成另一種元素的原子核C．三種射線中對(duì)氣體電離作用最強(qiáng)的是α射線D．β粒子是電子，但不是原來繞核旋轉(zhuǎn)的核外電子ACD[由三種射線的本質(zhì)和特點(diǎn)可知，α射線穿透本事最弱，一張黑紙都能攔住，而擋不住β射線和γ射線，故A正確；γ射線是一種波長很短的光子，不會(huì)使原子核變成新核，故B錯(cuò)誤；三種射線中α射線電離作用最強(qiáng)，故C正確；β粒子是電子，來源于原子核，故D正確．]三種射線的本質(zhì)特征在放射性現(xiàn)象中放出的射線是什么呢？它們除了有能穿透黑紙使照相底片感光的性質(zhì)以外，這些射線帶不帶電呢？提示：α射線、β射線、γ射線；α射線帶正電，β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電．三種射線的比較如下表種類α射線β射線γ射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)帶電荷量2e－e0質(zhì)量4mpmp＝1.67×10－27kgeq\f(mp,1836)靜止質(zhì)量為零速度0.1c0.9cc在電場或場中偏轉(zhuǎn)與α射線反向偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)貫穿本事最弱用紙能攔住較強(qiáng)穿透幾毫米的鋁板最強(qiáng)穿透幾厘米的鉛板對(duì)空氣的電離作用很強(qiáng)較弱很弱在空氣中的徑跡粗、短、直細(xì)、較長、曲折最長通過膠片感光感光感光【例1】(多選)將α、β、γ三種射線分別射入勻強(qiáng)磁場和勻強(qiáng)電場，圖中表示射線偏轉(zhuǎn)狀況正確的是()AD[已知α粒子帶正電，β粒子帶負(fù)電，γ射線不帶電，依據(jù)正、負(fù)電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)受洛倫茲力方向和正、負(fù)電荷在電場中受電場力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉(zhuǎn)方向都是正確的，但偏轉(zhuǎn)的程度需進(jìn)一步推斷．帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑r＝eq\f(mv,Bq)，將數(shù)據(jù)代入，則α粒子與β粒子的半徑之比eq\f(rα,rβ)＝eq\f(mα,mβ)·eq\f(vα,vβ)·eq\f(qβ,qα)＝eq\f(4,\f(1,1836))×eq\f(0.1c,0.99c)×eq\f(1,2)＝371，A對(duì)，B錯(cuò)；帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場，設(shè)初速度為v0，垂直電場線方向位移為x，沿電場線方向位移為y，則有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))，對(duì)某一確定的x值，α、β粒子沿電場線偏轉(zhuǎn)距離之比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(1,1836),4)×eq\f(0.99c2,0.1c2)＝eq\f(1,37.5)，C錯(cuò)，D對(duì)．]推斷三種射線性質(zhì)的方法(1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負(fù)電、γ射線不帶電．α、β是實(shí)物粒子，而γ射線是光子流，它是波長很短的電磁波．(2)射線的偏轉(zhuǎn)：在電場或磁場中，通過其受力及運(yùn)動(dòng)軌跡半徑的大小來推斷α和β射線偏轉(zhuǎn)方向，由于γ射線不帶電，故運(yùn)動(dòng)軌跡仍為直線．(3)射線的穿透實(shí)力：α粒子穿透實(shí)力較弱，β粒子穿透實(shí)力較強(qiáng)，γ射線穿透實(shí)力最強(qiáng)，而電離作用相反．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．如圖所示，放射性元素鐳釋放出α、β、γ三種射線，分別進(jìn)入勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場中，其中________是α射線，________是β射線，________是γ射線．[解析]由放射現(xiàn)象中α射線帶正電，β射線帶負(fù)電，γ射線不帶電，結(jié)合在電場與磁場中的偏轉(zhuǎn)可知②⑤是γ射線，③④是α射線．[答案]③④①⑥②⑤質(zhì)子和中子的發(fā)覺放射性現(xiàn)象中放出的三種射線都是從放射性元素的原子核內(nèi)釋放出來的，這表明原子核也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)．原子核內(nèi)原委是什么結(jié)構(gòu)？原子核又是由什么粒子組成的呢？提示：原子核還可以再分，原子核由質(zhì)子和中子組成．1．質(zhì)子的發(fā)覺(1)試驗(yàn)背景電子的發(fā)覺使人們相識(shí)到，原子不再是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，進(jìn)一步探討發(fā)覺，原子的中心有一個(gè)原子核，原子核集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量．原子核的結(jié)構(gòu)如何？1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的試驗(yàn)．(2)試驗(yàn)裝置(如圖所示)T進(jìn)氣孔、A放射源、F鋁箔、S熒光屏、M顯微鏡，C真空容器．(3)試驗(yàn)過程容器C里放有放射性物質(zhì)A，從A放射出的α粒子射到鋁箔F上，適當(dāng)選取鋁箔的厚度，使α粒子恰好被它完全汲取，而不能透過．在F的后面放一熒光屏S，M是顯微鏡，通過M可以視察到S是否有閃光．(4)試驗(yàn)現(xiàn)象起先，S上無閃光(因?yàn)棣亮Ｗ記]有穿過鋁箔)．打開進(jìn)氣孔T的閥門，通入氮?dú)?，可以視察到S上有閃光．(5)試驗(yàn)分析容器C中通入氮?dú)夂螅蔑@微鏡視察到熒光屏上有閃光，閃光肯定是α粒子擊中氮核后產(chǎn)生的新粒子透過鋁箔引起的．(6)新粒子性質(zhì)探討①把這種粒子引進(jìn)電磁場中，依據(jù)它在電磁場中的偏轉(zhuǎn)，測出了它的質(zhì)量和電量，進(jìn)而確定它就是氫原子核，又叫質(zhì)子．用符號(hào)表示為eq\o\al(1,1)H或eq\o\al(1,1)p．②人們用同樣的方法從其他元素的原子核中也轟擊出了質(zhì)子．(7)試驗(yàn)結(jié)論質(zhì)子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)覺(1)科學(xué)家在1930年利用Po放出的α射線轟擊鈹原子核時(shí)，產(chǎn)生了一種看不見的、貫穿實(shí)力很強(qiáng)、不受電場和磁場影響的射線．(2)1932年，約里奧—居里夫婦發(fā)覺假如用來自鈹?shù)纳渚€去轟擊石蠟，能從石蠟中打出質(zhì)子，如圖所示．(3)1932年，查德威克進(jìn)一步探討這種射線時(shí)發(fā)覺，這種射線是一種不帶電的、質(zhì)量接近質(zhì)子的粒子流，即是盧瑟福猜想的中子．(4)結(jié)論：中子是原子核的組成部分．【例2】1934年，約里奧—居里夫婦用α粒子轟擊鋁核eq\o\al(27,13)Al，產(chǎn)生了第一個(gè)人工放射性核素X：α＋eq\o\al(27,13)Al→n＋X．X的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為()A．15和28 B．15和30C．16和30 D．17和31B[據(jù)α粒子和中子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)寫出核反應(yīng)方程：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(A,Z)X，結(jié)合質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序數(shù)等于電荷數(shù)，故B正確．]關(guān)于核反應(yīng)方程的兩點(diǎn)留意(1)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、核電荷數(shù)守恒，而不是質(zhì)量守恒、總電荷量守恒．(2)為便利正確地寫出核反應(yīng)方程，應(yīng)記住常見粒子的符號(hào)，如質(zhì)子eq\o\al(1,1)H、中子eq\o\al(1,0)n、電子eq\o\al(0,－1)e、α粒子eq\o\al(4,2)He等．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖所示為查德威克探討原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)示意圖，由自然放射性元素釙(Po)放出α射線轟擊鈹(Be)時(shí)會(huì)產(chǎn)生粒子流a，用粒子流a轟擊石蠟后會(huì)打出粒子流b，下列說法正確的是()A．a(chǎn)為質(zhì)子，b為中子 B．a(chǎn)為γ射線，b為中子C．a(chǎn)為中子，b為γ射線 D．a(chǎn)為中子，b為質(zhì)子D[α粒子轟擊鈹(Be)產(chǎn)生中子，中子轟擊石蠟產(chǎn)生質(zhì)子，故a為中子，b為質(zhì)子，D正確．]3．1919年盧瑟福通過如圖所示的試驗(yàn)裝置，第一次完成了原子核的人工轉(zhuǎn)變，并由此發(fā)覺了質(zhì)子．圖中A為放射源發(fā)出的________粒子，B為________氣．寫出該試驗(yàn)的核反應(yīng)方程：________．[解析]題圖為α粒子轟擊氮原子核生成質(zhì)子的試驗(yàn)裝置，放射源A發(fā)出的是α粒子，B為氮?dú)?，其核反?yīng)方程為：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H．[答案]α氮eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H原子核的組成1919年盧瑟福用鐳放射出的α粒子轟擊氮原子核，從氮核中打出了一種新的粒子(如圖所示)，叫作質(zhì)子．(1)人們用α粒子轟擊多種原子核，都打出了質(zhì)子，說明白什么問題？(2)絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)都大于其質(zhì)子數(shù)，說明白什么問題？提示：(1)說明質(zhì)子是原子核的組成部分．(2)說明原子核內(nèi)除質(zhì)子外，還有其他粒子存在．1．原子核的大小和組成原子核eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(半徑：10－15～10－14m,組成\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(質(zhì)子：電荷量e＝＋1.6×10－19C,質(zhì)量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：電荷量e＝0,質(zhì)量mn＝1.6749286×10－27kg)),同位素：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子))2．對(duì)核子數(shù)、電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)的理解(1)核子數(shù)：質(zhì)子和中子質(zhì)量差別特別微小，二者統(tǒng)稱為核子，所以質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和叫核子數(shù)．(2)電荷數(shù)(Z)：原子核所帶的電荷等于質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，通常用這個(gè)數(shù)表示原子核的電荷量，叫作原子核的電荷數(shù)．(3)質(zhì)量數(shù)(A)：原子核的質(zhì)量等于核內(nèi)質(zhì)子和中子的質(zhì)量總和，而質(zhì)子與中子質(zhì)量幾乎相等，所以原子核的質(zhì)量幾乎等于單個(gè)核子質(zhì)量的整數(shù)倍，這個(gè)倍數(shù)叫作原子核的質(zhì)量數(shù)．3．同位素：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)確定了核外電子的數(shù)目，進(jìn)而也確定了元素的化學(xué)性質(zhì)，同種元素的質(zhì)子數(shù)相同，核外電子數(shù)也相同，所以有相同的化學(xué)性質(zhì)，但它們的中子數(shù)可以不同，所以它們的物理性質(zhì)不同．把具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子互稱為同位素．【例3】(多選)已知eq\o\al(228,88)Ra是eq\o\al(226,88)Ra的一種同位素，則下列說法正確的是()A．它們具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的質(zhì)量數(shù)B．它們具有相同的中子數(shù)和不同的原子序數(shù)C．它們具有相同的核電荷數(shù)和不同的中子數(shù)D．它們具有相同的核外電子數(shù)和不同的化學(xué)性質(zhì)AC[原子核的原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、核外電子數(shù)都是相等的，且原子核內(nèi)的質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和．由此知這兩種鐳的同位素核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)均為88，核子數(shù)分別為228和226，中子數(shù)分別為140和138；原子的化學(xué)性質(zhì)由核外電子數(shù)確定，因?yàn)樗鼈兊暮送怆娮訑?shù)相同，所以它們的化學(xué)性質(zhì)也相同．故正確答案為A、C．]原子核的“數(shù)”與“量”辨析技巧(1)核電荷數(shù)與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質(zhì)子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量肯定是質(zhì)子電荷量的整數(shù)倍，我們把核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)叫核電荷數(shù)，而這些質(zhì)子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量．(2)原子核的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是不同的，也與元素的原子量不同．原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)叫作核的質(zhì)量數(shù)，原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量的總和．[跟進(jìn)訓(xùn)練]4．一個(gè)eq\o\al(234,91)Pa原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)、核子數(shù)分別為()A．9191234 B．14391234C．91143234 D．23491143C[原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子．eq\o\al(234,91)Pa的原子序數(shù)為91，即質(zhì)子數(shù)為91，核子數(shù)為234，中子數(shù)等于核子數(shù)減去質(zhì)子數(shù)，即234－91＝143，故C正確，A、B、D錯(cuò)誤．]1．為提出原子核式結(jié)構(gòu)模型供應(yīng)依據(jù)的試驗(yàn)或現(xiàn)象是()A．α粒子散射試驗(yàn) B．電子的發(fā)覺C．質(zhì)子的發(fā)覺 D．自然放射現(xiàn)象A[盧瑟福依據(jù)α粒子散射試驗(yàn)的現(xiàn)象，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，故選項(xiàng)A正確；電子的發(fā)覺使人們相識(shí)到原子有困難的結(jié)構(gòu)；質(zhì)子的發(fā)覺說明白原子核是由質(zhì)子和中子組成的；自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺使人們相識(shí)到原子核有困難的結(jié)構(gòu)，故選項(xiàng)B、C、D錯(cuò)誤．]2．關(guān)于α、β、γ三種射線，下列說法正確的是()A．α射線是一種波長很短的電磁波B．γ射線是一種波長很短的電磁波C．β射線的電離實(shí)力最強(qiáng)D．γ射線的電離實(shí)力最強(qiáng)B[α射線電離本事最大，貫穿本事最小，但不屬于電磁波，故A錯(cuò)誤；γ射線是原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時(shí)產(chǎn)生的能量以γ光子的形式釋放，是高頻電磁波，波長很短，故B正確；β射線是具有放射性的元素的原子核中的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化成一個(gè)質(zhì)子同時(shí)釋放出一個(gè)高速電子即β粒子，但電離實(shí)力沒有α射線強(qiáng)，故C錯(cuò)誤；γ射線不帶電，沒有電離實(shí)力，故D錯(cuò)誤．]3．下列說法正確的是()A．用α粒子轟擊鈹核eq\o\al(9,4)Be，鈹核變?yōu)樘己薳q\o\al(12,6)C，同時(shí)放出β射線B．β射線是由原子核外電子受到激發(fā)而產(chǎn)生的C．γ射線是波長很短的電磁波，它的貫穿實(shí)力很強(qiáng)D．利用γ射線的電離作用，可檢查金屬內(nèi)部有無砂眼和裂紋C[α粒子轟擊eq\o\al(9,4)Be核，核