2024-2025學年新教材高中物理第5章原子核與核能第1節(jié)認識原子核學案魯科版選擇性必修3

PAGE10-第1節(jié)相識原子核學習目標：1.[物理觀念]知道自然放射現(xiàn)象及其規(guī)律．2.[科學思維]理解三種射線的本質，以及如何利用磁場區(qū)分它們．3.[科學思維]了解質子和中子的發(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.[科學思維]了解核反應的概念，會書寫核反應方程．一、自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺1．自然放射現(xiàn)象：物質能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象．2．放射性：物質放出射線的性質，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，法國物理學家貝可勒爾發(fā)覺了自然放射現(xiàn)象．二、放射線的本質1．如圖所示，讓放射線通過強磁場，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，為α射線；帶負電的射線向右偏轉，為β射線；不發(fā)生偏轉的射線不帶電，為γ射線．2．α射線是高速運動的氦原子核粒子流，有很強的電離作用，但是穿透實力很弱．一張鋁箔或一張薄紙就能將它攔?。?．β射線是高速運動的電子，穿透實力較強，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，穿透實力很強，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．質子的發(fā)覺(1)試驗：為探測原子核的結構，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)覺了質子．(2)結論：質子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)覺(1)盧瑟福的預想盧瑟福發(fā)覺質子后，預想核內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)覺是很多科學家探討的結晶．①1930年，用釙發(fā)出的α射線轟擊鈹時，會產生一種不受電場和磁場影響、穿透實力很強的射線．②1932年，約里奧—居里夫婦用這種射線轟擊石蠟，能從石蠟中打出質子．③1932年，查德威克對云室中這種射線進行探討，發(fā)覺這種射線是一種不帶電、質量接近質子的粒子流，即為中子．四、原子核的組成1．原子核的組成(1)組成：原子核由質子和中子組成，并將質子和中子統(tǒng)稱為核子．(2)原子核的符號：eq\o\al(A,Z)X，其中X為元素符號；A表示原子核的質量數，Z表示核電荷數．(3)兩個基本關系①核電荷數＝質子數＝原子序數．②質量數＝質子數＋中子數＝核子數．2．同位素具有相同質子數、不同中子數的原子，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．核反應與核反應方程(1)核反應：原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程．(2)核反應方程：用原子核符號描述核反應過程的式子．(3)核反應規(guī)律：在核反應中，質量數和核電荷數均守恒．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(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)覺了質子，并預言了中子的存在． (√)(3)放射性元素發(fā)出的射線的強度可以人工限制． (×)(4)盧瑟福在α粒子散射試驗中發(fā)覺了質子． (×)(5)同位素具有相同的物理、化學性質． (×)2．(多選)關于質子與中子，下列說法正確的是()A．原子核(除氫核外)由質子和中子組成B．質子和中子統(tǒng)稱為核子C．盧瑟福發(fā)覺了質子，并預言了中子的存在D．盧瑟福發(fā)覺了中子，并預言了質子的存在ABC[原子核(除氫核外)由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱為核子，盧瑟福發(fā)覺了質子，并預言了中子的存在，查德威克用α粒子轟擊鈹發(fā)覺了中子，故A、B、C正確，D錯誤．]3．(多選)自然放射性物質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射線后會變成另一種元素的原子核C．三種射線中對氣體電離作用最強的是α射線D．β粒子是電子，但不是原來繞核旋轉的核外電子ACD[由三種射線的本質和特點可知，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，不會使原子核變成新核，故B錯誤；三種射線中α射線電離作用最強，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質量4mpmp＝1.67×10－27kgeq\f(mp,1836)靜止質量為零速度0.1c0.9cc在電場或場中偏轉與α射線反向偏轉不偏轉貫穿本事最弱用紙能攔住較強穿透幾毫米的鋁板最強穿透幾厘米的鉛板對空氣的電離作用很強較弱很弱在空氣中的徑跡粗、短、直細、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磁場和勻強電場，圖中表示射線偏轉狀況正確的是()AD[已知α粒子帶正電，β粒子帶負電，γ射線不帶電，依據正、負電荷在磁場中運動受洛倫茲力方向和正、負電荷在電場中受電場力方向可知，A、B、C、D四幅圖中α、β粒子的偏轉方向都是正確的，但偏轉的程度需進一步推斷．帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，其半徑r＝eq\f(mv,Bq)，將數據代入，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，B錯；帶電粒子垂直進入勻強電場，設初速度為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))，對某一確定的x值，α、β粒子沿電場線偏轉距離之比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，D對．]推斷三種射線性質的方法(1)射線的電性：α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電．α、β是實物粒子，而γ射線是光子流，它是波長很短的電磁波．(2)射線的偏轉：在電場或磁場中，通過其受力及運動軌跡半徑的大小來推斷α和β射線偏轉方向，由于γ射線不帶電，故運動軌跡仍為直線．(3)射線的穿透實力：α粒子穿透實力較弱，β粒子穿透實力較強，γ射線穿透實力最強，而電離作用相反．[跟進訓練]1．如圖所示，放射性元素鐳釋放出α、β、γ三種射線，分別進入勻強電場和勻強磁場中，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射線帶負電，γ射線不帶電，結合在電場與磁場中的偏轉可知②⑤是γ射線，③④是α射線．[答案]③④①⑥②⑤質子和中子的發(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釋放出來的，這表明原子核也有內部結構．原子核內原委是什么結構？原子核又是由什么粒子組成的呢？提示：原子核還可以再分，原子核由質子和中子組成．1．質子的發(fā)覺(1)試驗背景電子的發(fā)覺使人們相識到，原子不再是構成物質的基本單位，進一步探討發(fā)覺，原子的中心有一個原子核，原子核集中了原子的全部正電荷和幾乎全部的質量．原子核的結構如何？1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的試驗．(2)試驗裝置(如圖所示)T進氣孔、A放射源、F鋁箔、S熒光屏、M顯微鏡，C真空容器．(3)試驗過程容器C里放有放射性物質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)試驗現(xiàn)象起先，S上無閃光(因為α粒子沒有穿過鋁箔)．打開進氣孔T的閥門，通入氮氣，可以視察到S上有閃光．(5)試驗分析容器C中通入氮氣后，用顯微鏡視察到熒光屏上有閃光，閃光肯定是α粒子擊中氮核后產生的新粒子透過鋁箔引起的．(6)新粒子性質探討①把這種粒子引進電磁場中，依據它在電磁場中的偏轉，測出了它的質量和電量，進而確定它就是氫原子核，又叫質子．用符號表示為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子．(7)試驗結論質子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)覺(1)科學家在1930年利用Po放出的α射線轟擊鈹原子核時，產生了一種看不見的、貫穿實力很強、不受電場和磁場影響的射線．(2)1932年，約里奧—居里夫婦發(fā)覺假如用來自鈹的射線去轟擊石蠟，能從石蠟中打出質子，如圖所示．(3)1932年，查德威克進一步探討這種射線時發(fā)覺，這種射線是一種不帶電的、質量接近質子的粒子流，即是盧瑟福猜想的中子．(4)結論：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，產生了第一個人工放射性核素X：α＋eq\o\al(27,13)Al→n＋X．X的原子序數和質量數分別為()A．15和28 B．15和30C．16和30 D．17和31B[據α粒子和中子的質量數和電荷數寫出核反應方程：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(A,Z)X，結合質量數守恒和電荷數守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序數等于電荷數，故B正確．]關于核反應方程的兩點留意(1)核反應前后質量數守恒、核電荷數守恒，而不是質量守恒、總電荷量守恒．(2)為便利正確地寫出核反應方程，應記住常見粒子的符號，如質子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．[跟進訓練]2．如圖所示為查德威克探討原子核內部結構的試驗示意圖，由自然放射性元素釙(Po)放出α射線轟擊鈹(Be)時會產生粒子流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()A．a為質子，b為中子 B．a為γ射線，b為中子C．a為中子，b為γ射線 D．a為中子，b為質子D[α粒子轟擊鈹(Be)產生中子，中子轟擊石蠟產生質子，故a為中子，b為質子，D正確．]3．1919年盧瑟福通過如圖所示的試驗裝置，第一次完成了原子核的人工轉變，并由此發(fā)覺了質子．圖中A為放射源發(fā)出的________粒子，B為________氣．寫出該試驗的核反應方程：________．[解析]題圖為α粒子轟擊氮原子核生成質子的試驗裝置，放射源A發(fā)出的是α粒子，B為氮氣，其核反應方程為：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)，叫作質子．(1)人們用α粒子轟擊多種原子核，都打出了質子，說明白什么問題？(2)絕大多數原子核的質量數都大于其質子數，說明白什么問題？提示：(1)說明質子是原子核的組成部分．(2)說明原子核內除質子外，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(質子：電荷量e＝＋1.6×10－19C,質量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：電荷量e＝0,質量mn＝1.6749286×10－27kg)),同位素：質子數相同，中子數不同的原子))2．對核子數、電荷數、質量數的理解(1)核子數：質子和中子質量差別特別微小，二者統(tǒng)稱為核子，所以質子數和中子數之和叫核子數．(2)電荷數(Z)：原子核所帶的電荷等于質子電荷的整數倍，通常用這個數表示原子核的電荷量，叫作原子核的電荷數．(3)質量數(A)：原子核的質量等于核內質子和中子的質量總和，而質子與中子質量幾乎相等，所以原子核的質量幾乎等于單個核子質量的整數倍，這個倍數叫作原子核的質量數．3．同位素：原子核內的質子數確定了核外電子的數目，進而也確定了元素的化學性質，同種元素的質子數相同，核外電子數也相同，所以有相同的化學性質，但它們的中子數可以不同，所以它們的物理性質不同．把具有相同質子數、不同中子數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．它們具有相同的質子數和不同的質量數B．它們具有相同的中子數和不同的原子序數C．它們具有相同的核電荷數和不同的中子數D．它們具有相同的核外電子數和不同的化學性質AC[原子核的原子序數與核內質子數、核電荷數、核外電子數都是相等的，且原子核內的質量數(核子數)等于核內質子數與中子數之和．由此知這兩種鐳的同位素核內的質子數均為88，核子數分別為228和226，中子數分別為140和138；原子的化學性質由核外電子數確定，因為它們的核外電子數相同，所以它們的化學性質也相同．故正確答案為A、C．]原子核的“數”與“量”辨析技巧(1)核電荷數與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量肯定是質子電荷量的整數倍，我們把核內的質子數叫核電荷數，而這些質子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量．(2)原子核的質量數與質量是不同的，也與元素的原子量不同．原子核內質子和中子的總數叫作核的質量數，原子核的質量等于質子和中子的質量的總和．[跟進訓練]4．一個eq\o\al(234,91)Pa原子核內的質子數、中子數、核子數分別為()A．9191234 B．14391234C．91143234 D．23491143C[原子核是由質子和中子組成的，質子和中子統(tǒng)稱為核子．eq\o\al(234,91)Pa的原子序數為91，即質子數為91，核子數為234，中子數等于核子數減去質子數，即234－91＝143，故C正確，A、B、D錯誤．]1．為提出原子核式結構模型供應依據的試驗或現(xiàn)象是()A．α粒子散射試驗 B．電子的發(fā)覺C．質子的發(fā)覺 D．自然放射現(xiàn)象A[盧瑟福依據α粒子散射試驗的現(xiàn)象，提出了原子核式結構模型，故選項A正確；電子的發(fā)覺使人們相識到原子有困難的結構；質子的發(fā)覺說明白原子核是由質子和中子組成的；自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺使人們相識到原子核有困難的結構，故選項B、C、D錯誤．]2．關于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射線的電離實力最強D．γ射線的電離實力最強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錯誤；γ射線是原子核在發(fā)生α衰變和β衰變時產生的能量以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中子轉化成一個質子同時釋放出一個高速電子即β粒子，但電離實力沒有α射線強，故C錯誤；γ射線不帶電，沒有電離實力，故D錯誤．]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，同時放出β射線B．β射線是由原子核外電子受到激發(fā)而產生的C．γ射線是波長很短的電磁波，它的貫穿實力很強D．利用γ射線的電離作用，可檢查金屬內部有無砂眼和裂紋C[α粒子轟擊eq\o\al(9,4)Be核，核