2017-2018學(xué)年高中物理 第3章 原子核與放射性 1 原子核結(jié)構(gòu)學(xué)案 魯科版選修3-5

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1、 第1節(jié)　原子核結(jié)構(gòu) [目標定位]　1.了解質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)過程.2.知道原子核的組成，理解核子、同位素的概念.3.了解核反應(yīng)的概念，會書寫核反應(yīng)方程． 一、質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn) 1．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 2．中子的發(fā)現(xiàn) 二、原子核的組成 1．組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，它們統(tǒng)稱為核子． 2．原子核的符號：X，其中X為元素符號，A表示原子核的質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)． 3．基本關(guān)系：核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝原子序數(shù)；質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)＝核子數(shù)． 4．同位素：具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的原子互稱同位素． 5．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． 6．核反應(yīng)方

2、程：用原子核符號描述核反應(yīng)過程的式子．例如：He＋N→O＋H. 7．核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒． 一、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 圖1 1．1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實驗．實驗裝置如圖1所示： T進氣孔、A放射源、F鋁箔、S熒光屏、M顯微鏡、C真空容器．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2．實驗過程：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，適當選取鋁箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透過．在F的后面放一熒光屏S，M是顯微鏡，通過M可以觀察到S是否有閃光． 3．實驗現(xiàn)象：開始，S上無閃光(因為α粒子沒有穿過鋁箔)．打開進氣孔T的

3、閥門，通入氮氣，可以觀察到S上有閃光． 4．實驗分析：容器C中通入氮氣后，用顯微鏡觀察到熒光屏上有閃光，閃光一定是α粒子擊中氮核后產(chǎn)生的新粒子透過鋁箔引起的． 5．新粒子性質(zhì)研究 (1)把這種粒子引進電磁場中，根據(jù)它在電磁場中的偏轉(zhuǎn)，測出了它的質(zhì)量和電荷量，進而確定它就是氫原子核，又叫質(zhì)子．用符號表示為H或p. (2)人們用同樣的辦法從其他元素的原子核中也轟擊出了質(zhì)子． 6．實驗結(jié)論：質(zhì)子是原子核的組成部分． 圖2 【例1】　1919年盧瑟福通過如圖2所示的實驗裝置，第一次完成了原子核的人工轉(zhuǎn)變，并由此發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子．圖中A為放射源發(fā)出的________粒子，B為________

4、氣．寫出該實驗的核反應(yīng)方程：___________. 答案　α　氮　He＋N→O＋H 解析　題圖為α粒子轟擊氮原子核生成質(zhì)子的實驗裝置，放射源A發(fā)出的是α粒子，B為氮氣，其核反應(yīng)方程為：He＋N→O＋H. 二、中子的發(fā)現(xiàn) 1．科學(xué)家在1930年利用Po放出的α射線轟擊鈹原子核時，產(chǎn)生了一種看不見的貫穿能力很強、不受電場和磁場影響的射線． 2．1932年，約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)如果用來自鈹?shù)纳渚€去轟擊石蠟，能從石蠟中打出質(zhì)子，如圖3所示． 圖3 3．1932年，查德威克進一步研究這種射線時發(fā)現(xiàn)，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

5、是原子核的組成部分． 【例2】　如圖4所示為查德威克研究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實驗示意圖，由天然放射性元素釙(Po)放出α射線轟擊鈹時會產(chǎn)生粒子流a，用粒子流a轟擊石蠟后會打出粒子流b，下列說法正確的是(　　) 圖4 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 答案　D 解析　不可見的粒子轟擊石蠟時打出的應(yīng)是質(zhì)子，因為質(zhì)子就是氫核，而石蠟中含有大量氫原子，轟擊石蠟的不可見粒子應(yīng)該是中子，故D正確． 三、原子核的組成 1．原子核的組成：原子核是由質(zhì)子、中子構(gòu)成的，質(zhì)子帶正電，中子不帶電．不同的原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的個數(shù)并

6、不相同．原子核的直徑為10－15～10－14 m. 2．原子核的符號和數(shù)量關(guān)系：(1)符號：X. (2)基本關(guān)系：核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)(Z)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)．質(zhì)量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)． 3．同位素：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子的數(shù)目，進而也決定了元素的化學(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)的原子核互稱為同位素． 4．核反應(yīng)、核反應(yīng)方程 (1)核反應(yīng)：在核物理學(xué)中，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：用原子核符號描述核反應(yīng)過程

7、的式子． 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為He＋N→O＋H (3)核反應(yīng)的規(guī)律：在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒． 【例3】　已知鐳的原子序數(shù)是88，原子核的質(zhì)量數(shù)是226.試問： (1)鐳核中有幾個質(zhì)子？幾個中子？ (2)鐳核所帶電荷量是多少？ (3)若鐳原子呈電中性，它核外有幾個電子？ (4)Ra是鐳的一種同位素，讓Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，它們運動的軌跡半徑之比是多少？ 答案　(1)88　138　(2)1.41×10－17 C　(3)88 (4)113∶114 解析　因為原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、中性原子的核外電子數(shù)都是相等的，原子核的質(zhì)

8、量數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和．由此可得： (1)鐳核中的質(zhì)子數(shù)等于其原子序數(shù)，故質(zhì)子數(shù)為88，中子數(shù)N等于原子核的質(zhì)量數(shù)A與質(zhì)子數(shù)Z之差，即 N＝A－Z＝226－88＝138. (2)鐳核所帶電荷量 Q＝Ze＝88×1.6×10－19C≈1.41×10－17C. (3)鐳原子呈電中性，則核外電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，故核外電子數(shù)為88. (4)帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的向心力由洛倫茲力提供，故有Bqv＝m，兩種同位素具有相同的核電荷數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同，故＝＝. 借題發(fā)揮　對核子數(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)量差別非常微小，二者統(tǒng)稱為核子，所以質(zhì)子數(shù)和中子

9、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，通常用這個數(shù)表示原子核的電荷量，叫做原子核的電荷數(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)量幾乎等于單個核子質(zhì)量的整數(shù)倍，這個倍數(shù)叫做原子核的質(zhì)量數(shù)． 針對訓(xùn)練　據(jù)報道，俄科學(xué)家成功合成了具有極強放射性的117號新元素，該元素目前尚未被命名，是在實驗室人工創(chuàng)造的最新的超重元素．新元素有兩種同位素，其中一種有176個中子，而另一種有177個中子，則： (1)該元素兩種同位素的原子核的核電荷數(shù)各為多少？原子的核外電子數(shù)各為多少？ (2)該元素兩種同

10、位素的原子核的質(zhì)量數(shù)各為多少？ (3)若用X表示117號元素的元素符號，該元素的兩種同位素用原子核符號如何表示？ 答案　(1)均為117　均為117　(2)293　294 (3)X　X 解析　(1)元素的原子序數(shù)等于該元素原子核的核電荷數(shù)，等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)．故117號元素的核電荷數(shù)和核內(nèi)質(zhì)子數(shù)均為117，原子呈中性，故核外電子數(shù)等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，也為117. (2)原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和，故該元素中子數(shù)為176的原子核的質(zhì)量數(shù)為117＋176＝293，中子數(shù)為177的原子核的質(zhì)量數(shù)為117＋177＝294. (3)元素符號一般用X表示，其中A表示質(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)，由

11、前兩問可得該元素的兩種同位素的原子核符號，中子數(shù)為176的原子核的符號為X，中子數(shù)為177的原子核的符號為X. 【例4】　完成下列核反應(yīng)方程，并指出其中______________是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程，______________是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程． (1)N＋n―→C＋________ (2)N＋He―→O＋________ (3)B＋n―→________＋He (4)Be＋He―→________＋n (5)Fe＋H―→Co＋________ 答案　見解析 解析　(1)N＋n―→C＋H (2)N＋He―→O＋H (3)B＋n―→Li＋He (4)Be＋He―→

12、C＋n (5)Fe＋H―→Co＋n 其中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程是(2)． 發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是(4)． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 質(zhì)子與中子的發(fā)現(xiàn) 1．(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)子和中子構(gòu)成 B．質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子 C．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在 D．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了中子，并預(yù)言了質(zhì)子的存在 答案　ABC 解析　原子核內(nèi)存在質(zhì)子和中子，中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，盧瑟福只發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，以后又預(yù)言了中子的存在． 原子核的組成、核反應(yīng)方程 2．(多選)氫有三種同位素，分別是氕(H)、氘(H)、氚(H)，則

13、(　　) A．它們的質(zhì)子數(shù)相等 B．若為中性原子，它們的核外電子數(shù)相等 C．它們的核子數(shù)相等 D．它們的化學(xué)性質(zhì)相同 答案　ABD 解析　氕、氘、氚的核子數(shù)分別為1、2、3，質(zhì)子數(shù)和中性原子核外電子數(shù)均相同，都是1，中子數(shù)等于核子數(shù)減去質(zhì)子數(shù)，故中子數(shù)各不相同，A、B兩項正確；同位素化學(xué)性質(zhì)相同，只是物理性質(zhì)不同，D正確． 3．(多選)鋁箔被α粒子轟擊后發(fā)生了以下核反應(yīng)：Al＋He→X＋n.下列判斷正確的是(　　) A.n是質(zhì)子 B.n是中子 C．X是Si的同位素 D．X是P的同位素 答案　BD 解析　由核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒知，X是P，故選項C錯誤，

14、選項D正確；n是中子，故選項A錯誤，選項B正確． 4．以下是物理學(xué)史上3個著名的核反應(yīng)方程 x＋Li―→2y y＋N―→x＋O y＋Be―→z＋C x、y和z是3種不同的粒子，其中z是(　　) A．α粒子 B．質(zhì)子 C．中子 D．電子 答案　C 解析　把前兩個方程化簡，消去x，即N＋Li＝y(tǒng)＋O，可見y是He，結(jié)合第三個方程，根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知z是中子n.因此選項C正確． (時間：60分鐘) 題組一　對質(zhì)子、中子的理解　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．(多選)關(guān)于原子核結(jié)構(gòu)，下列說法正確的是(　　) A．原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位 B

15、．原子核集中了原子的全部正電荷 C．所有原子核中都有質(zhì)子和中子 D．原子核的電荷數(shù)就等于原子核外的電子數(shù) 答案　BD 解析　原子不是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，原子還可以再分為電子和原子核，A項錯誤；原子核集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質(zhì)量，原子核的電荷數(shù)就等于原子核外的電子數(shù)，故B、D項正確；氫原子核中只有質(zhì)子，故C項錯誤． 2．在垂直于紙面向外的勻強磁場中，從A處垂直于磁場飛出一批速度相同的中子、質(zhì)子、電子、α粒子的粒子流，形成如圖1所示的徑跡，則中子的徑跡是________，質(zhì)子的徑跡是________，電子的徑跡是________，α粒子的徑跡是________． 圖1

16、答案?、凇、邸、佟、? 解析　中子不帶電，在磁場中不偏轉(zhuǎn)，中子的徑跡是②；電子帶負電，在磁場中由左手定則可判斷①為電子的徑跡；質(zhì)子、α粒子帶正電，則粒子流向右偏轉(zhuǎn)，再由qvB＝得R＝＝·，比較得③為質(zhì)子的徑跡，④為α粒子的徑跡． 題組二　對原子核組成及同位素的理解 3．同位素是指(　　) A．質(zhì)子數(shù)相同而核子數(shù)不同的原子 B．核子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子 C．核子數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的原子 D．中子數(shù)相同而核子數(shù)不同的原子 答案　A 解析　原子序數(shù)相同(即核電荷數(shù)、質(zhì)子數(shù)相同)而質(zhì)量數(shù)不同(即核子數(shù)不同)的元素互為同位素，故A對． 4．人類探測月球時發(fā)現(xiàn)，在月球的土壤中含有較豐

17、富的質(zhì)量數(shù)為3的氦，它可作為未來核聚變的重要原料之一，氦的該種同位素應(yīng)表示為(　　) A.He B.He C.He D.He 答案　B 解析　氦的同位素質(zhì)子數(shù)一定相同，質(zhì)量數(shù)為3，故應(yīng)表示為He，因此B正確． 5．兩個同位素原子核符號分別為X和Y，則下列正確的是(　　) A．M＝N B．A＝B C．M－A＝N－B D．M－N＝A－B 答案　B 解析　同位素原子核具有相同的質(zhì)子數(shù)，不同的中子數(shù)，因而質(zhì)量數(shù)也不相同，故選B. 6．(多選)一個原子核為Bi，關(guān)于這個原子核，下列說法中正確的是(　　) A．核外有83個電子，核內(nèi)有127個質(zhì)子 B．核外有83個電子，

18、核內(nèi)有83個質(zhì)子 C．核內(nèi)有83個質(zhì)子，127個中子 D．核內(nèi)有210個核子 答案　CD 解析　根據(jù)原子核的表示方法得質(zhì)子數(shù)為83，質(zhì)量數(shù)為210，故中子數(shù)為210－83＝127個，而質(zhì)子和中子統(tǒng)稱核子，故核子數(shù)為210個，因此C、D正確；由于不知道原子的電性，就不能判斷核外電子數(shù)，故A、B不正確． 7．據(jù)最新報道，放射性同位素鈥Ho，可有效治療癌癥，該同位素原子核內(nèi)中子數(shù)與核外電子數(shù)之差是(　　) A．32 B．67 C．99 D．166 答案　A 解析　由題知該同位素原子核內(nèi)核外電子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝67，中子數(shù)為166－67＝99，故核內(nèi)中子數(shù)與中性原子核外電子數(shù)之差為9

19、9－67＝32，故A對，B、C、D錯． 8．(多選)以下說法中正確的是(　　) A．原子中含有帶負電的電子，所以原子帶負電 B．原子核中的中子數(shù)一定跟核外電子數(shù)相等 C．用α粒子轟擊氮、氟、鈉、鋁等元素的原子核都可以打出質(zhì)子，因此人們斷定質(zhì)子是原子核的組成部分 D．絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量跟質(zhì)子質(zhì)量之比都大于原子核的電荷量跟質(zhì)子的電荷量之比，因而原子核內(nèi)還存在一種不帶電的中性粒子 答案　CD 解析　原子中除了有帶負電的電子外，還有帶正電的質(zhì)子，故A錯；原子核中的中子數(shù)不一定跟核外電子數(shù)相等，故B錯；正是用α粒子轟擊原子核的實驗才發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，故C正確；因為絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量跟質(zhì)子質(zhì)量

20、之比都大于原子核的電荷量跟質(zhì)子的電荷量之比，才確定原子核內(nèi)還有別的中性粒子，故D正確． 9．(多選)法國里昂的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種只由四個中子構(gòu)成的粒子，這種粒子稱為“四中子”，也有人稱之為“零號元素”．下列有關(guān)“四中子”粒子的說法正確的是(　　) A．該粒子不顯電性 B．在周期表中與氫元素占同一位置 C．該粒子質(zhì)量比氫原子小 D．該粒子質(zhì)量數(shù)為4 答案　AD 解析　由題目中信息可得：此粒子是由四個中子構(gòu)成的粒子，所以它的核電荷數(shù)為零，故A對，B錯；而它的質(zhì)量數(shù)為4，故C錯，D對． 10．下列說法正確的是(　　) A.Th為釷核，由此可知，釷核的質(zhì)量數(shù)為90，釷核的質(zhì)子數(shù)為234

21、 B.Be為鈹核，由此可知，鈹核的質(zhì)量數(shù)為9，鈹核的中子數(shù)為4 C．同一元素的兩種同位素具有相同的質(zhì)量數(shù) D．同一元素的兩種同位素具有不同的中子數(shù) 答案　D 解析　A項釷核的質(zhì)量數(shù)為234，質(zhì)子數(shù)為90，所以A錯；B項的鈹核的質(zhì)子數(shù)為4，中子數(shù)為5，所以B錯；由于同位素是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，即質(zhì)量數(shù)不同，因而C錯，D對．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 題組三　核反應(yīng)方程 11．對于核反應(yīng)方程：H＋n―→H，下列說法正確的是(　　) A.H和H是兩種不同的元素 B.H和H具有相同的質(zhì)子數(shù) C.H和H具有相同的中子數(shù) D．核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)不守恒 答案　B 解析　

22、通過以下表格進行逐項分析： 選項 情景與過程分析 判斷 A H和H是同位素，都是氫元素 × B H和H是同位素，都是氫元素，具有相同的質(zhì)子數(shù) √ C 同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)，而具有不同的中子數(shù) × D 在核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)守恒 × 12.在下列四個核反應(yīng)方程中，X1、X2、X3和X4各代表某種粒子 ①H＋X1→He＋n?、贜＋He→O＋X2 ③Be＋He→C＋X3　④Mg＋He→Al＋X4 則以下判斷中正確的是(　　) A．X1是質(zhì)子 B．X2是中子 C．X3是電子 D．X4是質(zhì)子 答案　D 解析　根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒知，X1為H，A

23、錯；X2為H，B錯；X3為n，C錯；X4為H，D對． 13．(多選)一靜止的鋁原子核Al俘獲一速度為1.0×107 m/s的質(zhì)子p后，變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的硅原子核Si.下列說法正確的是(　　) A．核反應(yīng)方程為p＋Al→Si B．核反應(yīng)過程中系統(tǒng)動量守恒 C．核反應(yīng)過程中系統(tǒng)能量不守恒 D．核反應(yīng)前后核子數(shù)相等，所以生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量之和 答案　AB 解析　根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得，核反應(yīng)方程為p＋Al→Si，A正確；核反應(yīng)過程中釋放的核力遠遠大于外力，故系統(tǒng)動量守恒，B正確；核反應(yīng)過程中系統(tǒng)能量守恒，C錯誤；由于反應(yīng)過程中，要釋放大量的能量，即伴隨著質(zhì)量虧損，所以生成物的質(zhì)量小于反應(yīng)物的質(zhì)量之和，D錯誤． 14．一質(zhì)子束入射到靶核Al上，產(chǎn)生核反應(yīng)：H＋Al→X＋n，X代表核反應(yīng)產(chǎn)生的新核．由反應(yīng)式可知，新核X的質(zhì)子數(shù)為________，中子數(shù)為________． 答案　14　13 解析　根據(jù)核反應(yīng)過程電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，新核X的質(zhì)子數(shù)為1＋13－0＝14，質(zhì)量數(shù)為1＋27－1＝27，所以中子數(shù)＝27－14＝13. 10