2024-2025學年高中物理第十九章原子核第一節(jié)原子核的組成學案新人教版選修3-5

PAGE9-第十九章原子核〔情景切入〕我們已經(jīng)知道，原子是由原子核和核外電子組成的。自然放射現(xiàn)象讓人們相識到小小的原子核也具有困難的結(jié)構(gòu)，原子核內(nèi)隱藏著巨大的能量。你想了解原子核的奇妙嗎？讓我們一起走進核世界吧。〔知識導航〕本章從自然放射現(xiàn)象入手，通過探討三種射線(α射線、β射線、γ射線)的性質(zhì)及來源，揭示原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的，盧瑟福揭示了原子核是由質(zhì)子、中子組成的。本章從內(nèi)容上可分為三個單元，第一單元(第1～2節(jié))揭示了原子核的組成及衰變，其次單元(第3～4節(jié))介紹了射線的探測及應用與防護，第三單元(第5～8節(jié))主要講解并描述了原子能及其利用。本章的重點：原子核的組成、自然放射現(xiàn)象、三種射線、衰變和半衰期、核能、裂變、聚變等。難點：對半衰期概念的精確理解及愛因斯坦的質(zhì)能方程及其應用。〔學法指導〕1．在學習本章前，應首先復習有關磁場的基本學問、愛因斯坦質(zhì)能方程、四種基本相互作用等學問。2．學好本章要抓住以原子核的結(jié)構(gòu)為核心的學問點的內(nèi)在聯(lián)系，駕馭各學問點的詳細內(nèi)容，從現(xiàn)象中總結(jié)出規(guī)律，提出科學假設，再用試驗、理論驗證各相關學問的內(nèi)在聯(lián)系，這是學習物理學問的科學方法，這樣可以全面系統(tǒng)地駕馭本章內(nèi)容。3．通過干脆感知的現(xiàn)象推想、總結(jié)干脆感知的事實，這是物理學中常用的探討方法，在學習過程中要留意貫徹始終。第一節(jié)原子核的組成【素養(yǎng)目標定位】※了解放射性及放射性元素的概念※理解三種射線的形成及其本質(zhì)※理解同位素的概念，了解原子核的組成【素養(yǎng)思維脈絡】課前預習反饋教材梳理·夯基固本·落實新知學問點1自然放射現(xiàn)象1．放射性物質(zhì)__放射射線__的性質(zhì)。2．放射性元素具有__放射性__的元素。3．自然放射現(xiàn)象放射性元素自發(fā)地__發(fā)出射線__的現(xiàn)象。學問點2三種射線的本質(zhì)及特征1．α射線它是高速__氦核__流，速度約為光速的__eq\f(1,10)__，穿透實力__較差__，電離作用比較強。2．β射線它是高速__電子__流，速度可達光速的__99%__，穿透實力__較強__，電離作用__較弱__。3．γ射線它是能量很高的__電磁波__，穿透實力很強，電離作用__很弱__。學問點3原子核的組成1．質(zhì)子的發(fā)覺2．中子的發(fā)覺3．原子核的組成(1)原子核由__質(zhì)子__和__中子__組成，組成原子核的__質(zhì)子__和__中子__統(tǒng)稱為核子。(2)質(zhì)子帶一個單位的__正__電荷，中子不帶電，質(zhì)子和中子質(zhì)量幾乎__相等__，都等于一個質(zhì)量單位。(3)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)。4．同位素具有相同的__質(zhì)子數(shù)__而__中子數(shù)__不同的原子，在元素周期表中處于__同一位置__，它們互稱為同位素。例如，氫有三種同位素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。思索辨析『判一判』(1)自然放射現(xiàn)象的發(fā)覺揭示了原子核還可再分。(√)(2)原子序數(shù)大于83的元素都是放射性元素。(√)(3)γ射線是光子流，是能量很高的電磁波。(√)(4)同一元素的兩種同位素具有相同的質(zhì)量數(shù)。(×)(5)質(zhì)子和中子都不帶電，是原子核的組成成分，統(tǒng)稱為核子。(×)(6)原子核的電荷數(shù)就是核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，也就是這種元素的原子序數(shù)。(√)『選一選』(2024·貴州省思南中學高二下學期檢測)如圖，放射性元素鐳衰變過程中釋放出α、β、γ三種射線，分別進入勻強電場和勻強磁場中，下列說法正確的是(C)A．①表示γ射線，③表示α射線B．②表示β射線，③表示α射線C．④表示α射線，⑤表示γ射線D．⑤表示β射線，⑥表示α射線解析：α帶正電，β帶負電，γ不帶電，γ射線在磁場中肯定不偏轉(zhuǎn)，②⑤為γ射線；如左圖所示的電場中，α射線向右偏，β射線向左偏，①為β射線，③為α射線；在如右圖所示磁場中，由左手定則推斷，α射線向左偏，β射線向右偏，即④為α射線，⑥為β射線，故正確選項是C。『想一想』氫原子核中只有一個質(zhì)子，能否認為質(zhì)子就是氫原子核？答案：不能。質(zhì)子是原子核的組成部分。課內(nèi)互動探究細研深究·破疑解難·萃取精華探究自然放射現(xiàn)象┃┃思索探討1__■如圖為三種射線在磁場中的運動軌跡示意圖。α射線向左偏轉(zhuǎn)，β射線向右偏轉(zhuǎn)，γ射線不偏轉(zhuǎn)說明白什么？提示：說明α射線帶正電，β射線帶負電，γ射線不帶電。┃┃歸納總結(jié)__■1．自然放射現(xiàn)象(1)發(fā)覺者1896年，法國物理學家貝克勒爾。(2)放射性鈾和含鈾的礦物質(zhì)都能夠發(fā)出看不見的射線，這種射線可以使包在黑紙里的照相底片感光。物體放射出射線的性質(zhì)叫做放射性。(3)放射性元素放射性并不是少數(shù)幾種元素才有的，探討發(fā)覺，原子序數(shù)大于或等于83的全部元素，都能自發(fā)地放出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也具有放射性，元素這種自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做自然放射現(xiàn)象，現(xiàn)在用人工的方法也可以制造放射性同位素。2．三種射線的比較種類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)帶電量2e－e0質(zhì)量4mpmp＝1.67×10－27kgeq\f(mp,1840)靜止質(zhì)量為零速度0.1c0.99cc在電磁場中偏轉(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特殊提示(1)假如一種元素具有放射性，那么不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是以某種化合物的形式存在，放射性都不受影響。也就是說，放射性與元素存在的狀態(tài)無關，放射性僅與原子核有關。因此，原子核不是組成物質(zhì)的最小微粒，原子核也存在著肯定結(jié)構(gòu)。(2)β射線的電子是從原子核中放出來的，并不是從原子核外的電子中放出來的。┃┃典例剖析__■典例1(多選)將α、β、γ三種射線分別射入勻強磁場和勻強電場，如下圖表示射線偏轉(zhuǎn)狀況中正確的是(AD)解題指導：處理該類問題的實質(zhì)是力學規(guī)律在電、磁場中的綜合運用，解決該類問題的一般步驟是：①明確α、β、γ射線粒子的電性；②分析它們在電場和磁場中受到的力；③結(jié)合圓周運動、類平拋運動規(guī)律求解。解析：已知α粒子帶正電，β粒子帶負電，γ射線不帶電，依據(jù)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(zhuǎn)方向都是正確的，但偏轉(zhuǎn)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)，將其數(shù)據(jù)代入，則α粒子與β粒子的半徑之比為：eq\f(rα,rβ)＝eq\f(mα,mβ)·eq\f(vα,vβ)·eq\f(qβ,qα)＝eq\f(4,\f(1,1840))×eq\f(0.1c,0.99c)×eq\f(1,2)≈371.7由此可見，A項正確，B項錯誤；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(zhuǎn)距離之比為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(1,1840),4)×eq\f(0.99c2,0.1c2)＝eq\f(1,37.5)由此可見，C項錯誤，D項正確。故正確答案是A、D。┃┃對點訓練__■1．自然放射性元素放出的三種射線的穿透實力試驗結(jié)果如圖所示，由此可推知(D)A．②來自原子核外的電子B．①的電離作用最強，是一種電磁波C．③的電離作用較強，是一種電磁波D．③的電離作用最弱，是一種電磁波解析：依據(jù)三種射線的貫穿本事，可知①為α射線，②為β射線，③為γ射線，α射線的電離作用最強是高速氦核流，β射線是高速電子流，它不是從原子核外的電子中放出來的，γ射線是光子流(高頻電磁波)，綜上所述D正確。探究原子核的組成┃┃思索探討2__■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。┃┃歸納總結(jié)__■1．原子核(符號eq\o\al(A,Z)X)eq\a\vs4\al(原,子,核)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(大?。汉苄?，半徑為10－15～10－14m,\a\vs4\al(組,成)\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(質(zhì)子：電量e＝＋1.6×10－19C,質(zhì)量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：電量q＝0,質(zhì)量mn＝1.6749286×10－27kg)),同位素：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子核))2．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)量差別特別微小，二者統(tǒng)稱為核子，質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和叫核子數(shù)。(2)電荷數(shù)(Z)：原子核所帶的電荷總是質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，通常用這個整數(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)量的總和，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，這個整數(shù)叫做原子核的質(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，進而也確定了元素的化學性質(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。特殊提示(1)β射線是原子核改變時產(chǎn)生的，電子并不是原子核的組成部分。(2)同位素的化學性質(zhì)相同，但物理性質(zhì)不同。┃┃典例剖析__■典例2已知鐳的原子序數(shù)是88，原子核質(zhì)量數(shù)是226，試問：(1)鐳核中有多少個質(zhì)子？多少個中子？(2)鐳核所帶的電荷量是多少？(3)若鐳原子呈中性，它核外有多少個電子？解題指導：核電荷數(shù)與原子核的電荷量是不同的，要理清他們的關系。解析：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)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)核外電子數(shù)等于核電荷數(shù)，故核外電子數(shù)為88。答案：(1)88138(2)1.41×10－17C(3)88┃┃對點訓練__■2．有關eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O三種同位素的比較，試回答下列問題：(1)三種同位素中哪一種粒子是不相同的？__B__。A．質(zhì)子 B．中子C．電子(2)三種同位素中，哪一個質(zhì)量最大？__eq\o\al(18,8)O__。(3)三種同位素的化學性質(zhì)是否相同？__相同__。解析：(1)同位素養(yǎng)子數(shù)相同，中子數(shù)不同。核外電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相同，故不相同的是中子。(2)eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O的質(zhì)量數(shù)分別是16、17、18，故eq\o\al(18,8)O質(zhì)量最大。(3)三種同位素養(yǎng)子數(shù)相同，故化學性質(zhì)相同。核心素養(yǎng)提升易錯警示·以題說法·啟智培優(yōu)原子核的“數(shù)”與“量”的辨析技巧(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。(3)基本關系：核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)(Z)＝元素