第二節(jié) 原子核.doc

第二節(jié) 原子核知識(shí)要點(diǎn) （一）原子核的符號(hào) 其中 X元素的符號(hào)； Z原子核的電荷數(shù)； A原子核的質(zhì)量數(shù)。（二）天然放射現(xiàn)象和三種射線(xiàn)能夠自發(fā)地放出射線(xiàn)（可穿透黑紙，使照相底片感光）的元素叫作放射性元素，這種現(xiàn)象叫作天然放射現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的是法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾，研究這種現(xiàn)象的有法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾居里、瑪麗居里夫婦等。射線(xiàn)分成三部分，如圖14-7所示。（1）射線(xiàn)。它是高速的氦原子核（）粒子流。其速度約為光在真空中速度的，貫穿本領(lǐng)很小，電離作用和感光作用很強(qiáng)。（2）射線(xiàn)。它是高速的電子（）流，速度接近光速，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，電離作用較弱。（3）射線(xiàn)。是頻率很高的光子流。貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，電離作用最弱。（三）放射性元素的衰變?cè)有驍?shù)大于83的天然存在的元素的原子核都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地放出射線(xiàn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核，這種變化叫做原子核的衰變。（1）衰變。原子核放出粒子的衰變（2）衰變。原子核放出粒子的衰變 （3）衰變。原子核放出光子，是伴隨a粒子或粒子產(chǎn)生而向外輻射的。（4）衰變規(guī)律。衰變前原子核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)與衰變后生成的新核及放出的粒子的質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)是守恒的。（5）半衰期。半衰期是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間。它是由這種元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定的，與原子所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)。不同元素具有不同的半衰期，有的長(zhǎng)達(dá)幾十億年，有的短到幾萬(wàn)分之一秒。（四）原子核的人工轉(zhuǎn)變（用人工方法使原子核發(fā)生轉(zhuǎn)變的過(guò)程）（1）質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)（盧琵福）方程如下，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)示意圖14-8。 （2）中子的發(fā)現(xiàn)（查德威克）方程如下，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)示意圖14-9。 （五）原子核的組成原子核是由質(zhì)子和中心（統(tǒng)稱(chēng)核子）組成的。質(zhì)子數(shù)就是核電荷數(shù)，也就是原子序數(shù)，中子數(shù)則是核的質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)之差。質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子互稱(chēng)同位素。疑難分析 1.放射性元素衰變的半衰期。半衰期是說(shuō)某元素的大量原子核衰變的平均快慢程度。它是該元素大量的原子核內(nèi)在的自發(fā)產(chǎn)生的一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律。半衰期只適用于大量放射性原子構(gòu)成的樣品。如果放射性元素的原子核數(shù)目極少或者為個(gè)別的原子核，半衰期就沒(méi)有意義了。因?yàn)檫@時(shí)失去了統(tǒng)計(jì)規(guī)律存在的前題。這些極少數(shù)的原子核經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生衰變，以及衰變的快慢程度是受偶然因素支配的，我們無(wú)法預(yù)測(cè)。半衰期的定義是放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間。設(shè)原來(lái)的原子核的數(shù)目為n0，放射后剩余的這元素的原子核的數(shù)目為n，半衰期為T(mén)，衰變的時(shí)間為t，他們之間的關(guān)系式為： 又因?yàn)榉派湫栽氐馁|(zhì)量和它包含的原子核的數(shù)目成正比。因此可以相應(yīng)假設(shè)原來(lái)的元素的質(zhì)量為m0，放射后剩余的這元素的質(zhì)量為m，半衰期為T(mén)，衰變的時(shí)間為t，他們間的關(guān)系公式應(yīng)為 注意，半衰期不是放射性元素平均壽命的一半。放射性元素經(jīng)過(guò)半衰期是其半數(shù)核發(fā)生衰變，而該元素的樣品的總質(zhì)量并非減半。2.放射性元素的衰變是否屬于核反應(yīng)。放射性元素的原子核在發(fā)生衰變后變成新的原子核，從原子核的變化的這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為衰變是核反應(yīng)，所以有些書(shū)上的習(xí)題中把衰變和原子核的人工轉(zhuǎn)變統(tǒng)稱(chēng)為核反應(yīng)。但是，核反應(yīng)是說(shuō)某種微觀(guān)粒子與原子核相互作用時(shí)，使核的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成新核，并放出一個(gè)或幾個(gè)粒子的過(guò)程。這是一個(gè)被動(dòng)的過(guò)程。而衰變是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)放出射線(xiàn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核的現(xiàn)象。這是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。因此，核反應(yīng)就它的定義來(lái)說(shuō)是不包括衰變的，所以放射性元素的衰變不屬于核反應(yīng)。當(dāng)然，我們應(yīng)該強(qiáng)調(diào)：無(wú)論是衰變還是核反應(yīng)，它們都必須遵從能量、動(dòng)量、質(zhì)量(數(shù))和電荷(數(shù))等于恒定律。我們還應(yīng)特別指出，無(wú)論是原子核的衰變還是原子核的人工轉(zhuǎn)變都不能憑空想象，也不能認(rèn)為只要符合電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)守恒的隨意書(shū)寫(xiě)就可以了，而是要根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)決定的。核反應(yīng)通常是不可逆的，方程中只能用箭頭“”連接并指明反應(yīng)方向，而不能用等號(hào)連接。3.在原子核的衰變中，放出射線(xiàn)、射線(xiàn)和正電子的原因。原子核是由質(zhì)子和中子組成的。雖然核子(質(zhì)子、中子)在很小的原子核里緊密地聚集在一起，但是他們還是在不斷地運(yùn)動(dòng)著和變化著。而兩個(gè)質(zhì)子跟兩個(gè)中子常常更緊密地結(jié)合在一起，形成一個(gè)粒子，離開(kāi)原子核成為射線(xiàn)。原子核中是沒(méi)有電子的，但在一定條件下，核內(nèi)的一個(gè)中子可以變成一個(gè)質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子，離開(kāi)原子核，從而形成射線(xiàn)。其方程為 原子核中更是沒(méi)有正電子的，但是粒子轟出鋁箔，新生成的原子核是磷的同位素，具有放射性，像天然放射性元素一樣會(huì)發(fā)生衰變，并且也有一定的半衰期，衰變時(shí)放出正電子，核反應(yīng)與衰變方程是： (正電子)也就是說(shuō)磷的同位素具有這樣的條件，在它的核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子變成一個(gè)中子的同時(shí)，放出一個(gè)正電子。這里我們還應(yīng)該說(shuō)明：物質(zhì)的粒子(電子和正電子)和電磁場(chǎng)輻射(光子)間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。當(dāng)一個(gè)電子和正電子結(jié)合就會(huì)轉(zhuǎn)變成光子輻射，方程為 (光子)但是，大能量(超過(guò)1MeV)的光子和原子核相互作用，也可以產(chǎn)生電子和正電子。例題解析1.要經(jīng)過(guò)幾次衰變和幾次衰變，最后衰變成穩(wěn)定的？解：設(shè)經(jīng)過(guò)X次衰變和Y次衰變，則衰變方程的通式寫(xiě)作為 根據(jù)衰變過(guò)程中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，我們可以分別列出方程 226=206+4X 88=82+2X-Y解得： X=5 Y=4則放射性元素鐳原子核要經(jīng)過(guò)5次衰變和4次衰變后才能變成穩(wěn)定的鉛核。2.鉍的半衰期是5天，32克的鉍經(jīng)過(guò)20天后還剩下多少？如果它的質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)質(zhì)量的，那么需要經(jīng)過(guò)多少天的衰變？解：鉍的半衰期是5天，20天就是四個(gè)半衰期，即把32克減半四次，得2克。如果質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)的，說(shuō)明經(jīng)過(guò)五次減半（32=25），即五個(gè)半衰期，等于25天。列方程解：設(shè)原來(lái)的質(zhì)量為m0，剩余的質(zhì)量為m，半衰期為T(mén)，經(jīng)過(guò)的時(shí)間為t，則 （克）又 （天）3.半衰期為6天的某放射源，第一天和第七天衰變的質(zhì)量之比是多少？解：第一天，即經(jīng)過(guò)了個(gè)半衰期，則 第七天，即經(jīng)過(guò)了半衰期后的第一天，也就是經(jīng)過(guò)了半衰期再經(jīng)過(guò)個(gè)半衰期。 所以 4.鈾238的半衰期是4.5109年。假設(shè)有一聲純鈾238礦石1千克，經(jīng)過(guò)45億年（相當(dāng)于地球的年齡）以后，還剩多少鈾238？假設(shè)發(fā)生衰變的鈾238都變成了鉛206，礦石中會(huì)有多少鉛？這時(shí)鈾鉛的比例是多少？解：已知：鈾238的半衰期T=4.5109年鈾238礦石的衰變時(shí)間 t=4.5109年由衰變的半衰期公式 m衰變=1-0.5=0.5(kg)又由衰變方程： 238:206=0.5:mpb得 mPb=0.433kg則 mU:mPb=0.5:0.433=1.15:1由此我們也應(yīng)該注意到純鈾238衰變后成為含鈾、鉛礦石，礦石的質(zhì)量由1千克變成了(0.5+0.433=)0.933千克。其礦石樣品的總質(zhì)量并沒(méi)有減半。5.分析一古樹(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)它的的含量是活樹(shù)含量的，則此古樹(shù)已死了多少年？（已知：的半衰期是5600年，lg2=0.301,lg5=0.6990）解：地球表面含有，樹(shù)木生長(zhǎng)（未死之前）時(shí)吸引，而且吸收的比例是一定的。樹(shù)木死后則不再吸收，具有放射性，它放出電子和中微子后變成 。設(shè)活樹(shù)的含量為m0，則死樹(shù)中的含量為。也就是說(shuō)，死樹(shù)中的衰變了，還剩余由衰變的半衰期公式 即 所以 （年）古樹(shù)死了約為1800年。6.鈾核內(nèi)有多少個(gè)質(zhì)子，多少個(gè)中子？1克軸（235）有多少個(gè)質(zhì)子，多少個(gè)電子，多少個(gè)中子？解：質(zhì)子數(shù)為92個(gè)，中子數(shù)為（235 -92）即143個(gè)。又，235克軸（235）為1mol,而1mol軸所含的原子個(gè)數(shù)為6.021023個(gè)（阿弗加德羅常數(shù)）。所以，1克軸為mol，其原子數(shù)為6.021023個(gè)。而每個(gè)原子含有92個(gè)質(zhì)子和電子，含有143個(gè)中子。故 質(zhì)子和電子個(gè)數(shù)為 （個(gè)）中子個(gè)數(shù)為 （個(gè)）7.為了測(cè)定水庫(kù)中的存水量，用一瓶含有放射性同位素的溶液倒入水庫(kù)中，已知該瓶同位素的半衰期為2天。這時(shí)瓶?jī)?nèi)同位素每分鐘衰變6107次，衰變后的物質(zhì)無(wú)放射性。經(jīng)過(guò)8天后，該溶液已均勻分布在水庫(kù)中，取出1m3的水進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得每分鐘衰變20次,那么水庫(kù)中的存水量為多少m3?解:已知:半衰期T=2天,衰變時(shí)間t=8天。設(shè)：瓶?jī)?nèi)含有放射性同位素的核子數(shù)為N0，8天衰變后剩下的放射性同位素的核子數(shù)為N由衰變公式 又因每分鐘衰變的次數(shù)與放射性同位素的核子數(shù)成正比，8天后剩下的放射性同位素的每分鐘衰變次數(shù)為n 所以 那么，整水庫(kù)的Vm3水中含有的放射性同位素每分鐘衰變次，而1m3的水中含有的放射性同位素每分鐘僅衰變20次。 得 V=1.875105m3水庫(kù)中的存水量由此測(cè)得為1.875105m3。8.如果把氦的原子核看成是一個(gè)均勻的球，試估算氦原子核的密度約為多少？（兩位有效數(shù)字）解：氦的原子核是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的，查表可知中子質(zhì)量和質(zhì)子質(zhì)量均約為mn=mp=1.6710-27kg。氦的原子核可看成是一個(gè)均勻的球，球的半徑的數(shù)量級(jí)為r=10-14m由密度公式：相當(dāng)于每立方毫米物質(zhì)的質(zhì)量為1600噸。知識(shí)拓寬 1.各種微粒、粒子的直徑的數(shù)量級(jí)。 作布朗運(yùn)動(dòng)的微粒 10-6m 晶體 10-7m-10-15m 分子 10-9m-10-10m 原子 10-10m 原子核 10-14m 質(zhì)子 10-15m 中子 10-15m 電子 小于10-18m 夸克 小于10-18m2.物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元和“基本粒子”。很久以來(lái)，人們一直在探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元。最初人們把元素的最小單元原子看作是不可分的，到20世紀(jì)初，人們認(rèn)識(shí)到原子是原子核和電子構(gòu)成的，后來(lái)又進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到構(gòu)成原子核的是質(zhì)子和中子，它們是最小的不可分的，因而人們把質(zhì)子、中子、電子，看作是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元，把質(zhì)子、中子、電子和光子稱(chēng)之為“基本粒子”。但是，不久又在衰變中發(fā)現(xiàn)了中微子和正電子，接著又在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了介子、介子，K介子和超子等。近年來(lái)又探測(cè)到更多的基本粒子，比較穩(wěn)定、壽命比較長(zhǎng)能探測(cè)的已有35種，此外，壽命很短的也有了大量的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有300多種。基本粒子已經(jīng)這么多，而且這些所謂的“基本粒子”有些還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以基本粒子并不基本。為了探索某些基本粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼等人在1963年提出了夸克模型，目前夸克的模型理論在逐漸的發(fā)展和完善。人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍然在不斷的深入、前進(jìn)。3.射線(xiàn)的探測(cè)器在原子物理學(xué)中的各種物理現(xiàn)象都是微觀(guān)現(xiàn)象，是不能用肉眼直接觀(guān)察的，因而研究原子物理所用的方法就和以往不同，需要特殊的儀器和裝置。這些儀器和裝置是根據(jù)我們所需要觀(guān)察的對(duì)象的特性制作的。我們探測(cè)射線(xiàn)，就是根據(jù)這三種射線(xiàn)的主要特性制造了云室、計(jì)數(shù)器等，來(lái)進(jìn)行觀(guān)察和探測(cè)的。（1）威爾遜云室（如圖14-10所示）。云室是利用射線(xiàn)能使氣體電離的特性制成的，是用來(lái)探測(cè)射線(xiàn)粒子并顯示它們的徑跡的儀器。各種射線(xiàn)都使氣體電離，電離本領(lǐng)的大小與射線(xiàn)荷電的多少、速度的大小和質(zhì)量大小諸條件有關(guān)。a粒子的電離本領(lǐng)最大，粒子次之，粒子最弱。氣體電離后的離子也是看不見(jiàn)的，但在過(guò)飽和的水汽里，它是水汽凝結(jié)的核，水汽在離子上凝為霧珠，通過(guò)霧珠形成霧跡，就可以觀(guān)察到射線(xiàn)的徑跡了。而云室中的過(guò)飽和水汽是利用絕熱膨脹造成的低溫來(lái)獲取的。粒子質(zhì)量大，在氣體中行進(jìn)時(shí)不易改變方向，而且電離本領(lǐng)大，所以霧跡直而粗。粒子質(zhì)量小，與氣體分子碰撞時(shí)易改變方向，而且電離本領(lǐng)小，所以其霧跡細(xì)且有彎曲。粒子電離本領(lǐng)更小，有時(shí)能產(chǎn)生一些細(xì)碎的霧跡，如圖14-11所示。英國(guó)科學(xué)家布拉凱特在充氮的云室里做粒子轟擊氮核的實(shí)驗(yàn)，并且攝取了云室中霧跡的照片，由其他叉情況表明：其中短而粗的是反沖氧核的徑跡，而細(xì)而長(zhǎng)的是質(zhì)子的徑跡。最后才確定其核反應(yīng)方程為 圖14-12是云室照片和徑跡示意圖。（2）計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的主要部分是計(jì)數(shù)管，它是一支玻璃管，里面有一個(gè)導(dǎo)電的圓筒作陰極，一根通過(guò)圓筒軸心的金屬絲作陽(yáng)極（圖14-13所示），管里裝入惰性氣體和少量的乙醇汽或溴氣，氣壓大約是1.3104-2.7104帕。在兩極加上大約800-1500伏的直流電壓，這個(gè)電壓略低于管內(nèi)氣體的擊穿電壓。當(dāng)有射線(xiàn)粒子飛進(jìn)管內(nèi)，使管內(nèi)氣體電離時(shí)，產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極加速運(yùn)動(dòng)。電子在運(yùn)動(dòng)中能量越來(lái)越大，達(dá)到一定值時(shí)，跟氣體分子碰撞，又可使氣體分子電離，再產(chǎn)生電子，于是經(jīng)過(guò)一段很短時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生大量電子。這些電子到達(dá)陽(yáng)極，正郭子到達(dá)陰極，就使計(jì)數(shù)管發(fā)生一次短暫的放電，從而得到一個(gè)脈沖電流，這個(gè)脈沖電流可以用電子設(shè)備記錄下來(lái)。練習(xí)題 一、選擇題1.衰變中放出的電子來(lái)自（A）原子核外軌道上的電子（B）原子核內(nèi)所含有的電子（C）原子核內(nèi)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子時(shí)放出的電子（D）原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r(shí)放出的電子2.如圖14-14所示是放射源放射出的三種射線(xiàn)在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的情況。由圖可知 （ ）（A）射線(xiàn)I電離本領(lǐng)最強(qiáng)（B）射線(xiàn)II電離本領(lǐng)最強(qiáng)（C）射線(xiàn)I貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)（D）射線(xiàn)III貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)3.放射性原子核放出一個(gè)粒子，再放出一個(gè)粒子，衰變成一個(gè)新原子核，則新核比原來(lái)的核 （ ）（A）質(zhì)子減少3個(gè)，中子減少1個(gè) （B）質(zhì)子減少2個(gè)，中子減少1個(gè)（C）質(zhì)子減少4個(gè)，中子減少2個(gè) （D）質(zhì)子減少1個(gè)，中子減少3個(gè)4.元素X和Y是同位素，它們分別進(jìn)行下列衰變過(guò)程 那末，以下說(shuō)法正確的是： （ ）（A）P和R是同位素 （B）R的質(zhì)子數(shù)最多（C）X和R的原子序數(shù)相同 （D）X和R的質(zhì)量數(shù)相同5.經(jīng)一次a衰變后，變成新元素原子核中含有中子數(shù)為 （ ）（A）148 （B）144 （C）142 （D）1406.的半衰期為11.2天，1kg鐳經(jīng)過(guò)56天后還剩下這種元素的質(zhì)量為 （ ）（A）kg （B）kg （C）kg （D）kg7.同位素的原子有（A）相同的核子數(shù)，不同的中子數(shù)（B）相同的中子數(shù)，不同的質(zhì)子數(shù)（C）相同的質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)，不同的中子數(shù)（D）相同的核子數(shù)，不同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)8.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某粒子X(jué)具有下述特點(diǎn)，在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)與a粒子偏轉(zhuǎn)方向相同，它的荷質(zhì)比為質(zhì)子的荷質(zhì)比的。由此，可將此粒子表示為 （ ）（A） （B） （C） （D）9.一放射源發(fā)射某種射線(xiàn)，當(dāng)用一張筆記簿紙放在放射源的前面時(shí)，強(qiáng)度減少為原來(lái)的，而當(dāng)1厘米厚的鋁片，放在放射源和計(jì)數(shù)器之間時(shí)，強(qiáng)度減少到幾乎等于零，放射源所發(fā)射的是： （ ）（A）僅是射線(xiàn) （B）僅是射線(xiàn)（C）是和射線(xiàn) （D）是和射線(xiàn)10.如圖14-15所示為查德威克實(shí)驗(yàn)示意圖，由天然放射性元素釙(Po)放出的射線(xiàn)轟擊鈹(Be)時(shí)會(huì)產(chǎn)生粒子流A，用粒子流轟擊石蠟時(shí)，打出粒子流B，經(jīng)研究知道： （ ）（A）A為中子，B為質(zhì)子 （B）A為質(zhì)子，B為中子（C）A為射線(xiàn)，B為中子 （D）A為中子，B為射線(xiàn)11.一聲氡222放在天平左盤(pán)上，右盤(pán)加444克砝碼，天平處于平衡，氡發(fā)生衰變，經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期時(shí)間后，欲使天平再平衡，應(yīng)從右盤(pán)中取出砝碼的質(zhì)量為 （ ）（A）220克 （B）8克 （C）4克 （D）2克二、填空題1.首先發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象的是法國(guó)物理學(xué)家 ；后來(lái)又刻苦研究這一現(xiàn)象的是法國(guó)科學(xué)家 和 。2.用的符號(hào)形式寫(xiě)出下列各個(gè)元素的原子核。