2024-2025學(xué)年高中物理第三章原子核1原子核的組成與核力教案教科版選修3-5

PAGE9-1原子核的組成與核力一、原子核的組成1．質(zhì)子的發(fā)覺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，測定了它的電荷和質(zhì)量，確定它是氫原子核，叫做質(zhì)子，用eq\o\al(1,1)p或eq\o\al(1,1)H表示，其質(zhì)量為mp＝1.67×10－27_kg.2．中子的發(fā)覺(1)盧瑟福的預(yù)言：原子核內(nèi)可能還有一種不帶電的粒子，名字叫中子．(2)查德威克的發(fā)覺：用試驗(yàn)證明白中子的存在，用eq\o\al(1,0)n表示，中子的質(zhì)量特別接近質(zhì)子的質(zhì)量．3．原子核的組成(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)：原子核所帶的電荷總是質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，通常用這個(gè)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)子與中子的質(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)叫做原子核的質(zhì)量數(shù)．(4)eq\a\vs4\al(\o\al(A,Z))Xeq\a\vs4\al(元素符號(hào))eq\a\vs4\al(原子核的質(zhì)量數(shù)A＝質(zhì)子數(shù)Z＋中子數(shù)N)核電荷數(shù)＝原子核的質(zhì)子數(shù)，即元素的原子序數(shù)4．同位素具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核，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，分別是eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H.二、核力1．核力(1)核力：核子之間的相互作用力，稱為核力，也稱強(qiáng)力．(2)核力的特征①在核的線度內(nèi)，核力比庫侖力大得多；②核力是短程力，當(dāng)兩核子中心相距大于核子本身線度時(shí)，核力幾乎完全消逝；③核力與電荷無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子以及中子與中子之間的核力是相等的．2．原子核中質(zhì)子和中子的比例由于核力是短程力，自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多．原子核是由中子和質(zhì)子組成的，在原子核狹小的空間里，帶正電的質(zhì)子為什么能擠在一起而不飛散？提示：組成原子核的相鄰核子間存在著核力．三、核反應(yīng)1．核反應(yīng)用肯定能量的粒子轟擊原子核，變更了核的結(jié)構(gòu)，我們把這樣的過程叫做核反應(yīng)．2．核反應(yīng)的實(shí)質(zhì)以基本粒子(α粒子、質(zhì)子、中子等)為“炮彈”去轟擊原子核(靶核X)，從而促使原子核發(fā)生變更，生成了新原子核(Y)，并放出某種粒子．3．常見的人工轉(zhuǎn)變的核反應(yīng)有(1)盧瑟福發(fā)覺質(zhì)子：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(2)查德威克發(fā)覺中子：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)居里夫婦人工制造同位素：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(30,15)Peq\o\al(30,15)P具有放射性：eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e4．遵循規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒．考點(diǎn)一原子核的組成1．原子核的組成(1)概述原子核是由質(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(gè)數(shù)并不肯定相同．(2)基本關(guān)系：核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)．質(zhì)量數(shù)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)．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，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(gè)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(gè)核子質(zhì)量的整數(shù)倍，這個(gè)整數(shù)叫做原子核的質(zhì)量數(shù)．【例1】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(gè)質(zhì)子？幾個(gè)中子？(2)鐳核所帶的電荷量是多少？(3)若鐳原子呈中性，它的核外有幾個(gè)電子？(4)eq\o\al(228,88)Ra是鐳的一種同位素，讓eq\o\al(226,88)Ra和eq\o\al(228,88)Ra以相同速度垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，它們運(yùn)動(dòng)的軌道半徑之比是多少？1．原子核的電荷數(shù)與核外電子數(shù)有何關(guān)系？2．原子核的質(zhì)量數(shù)與其質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)具有怎樣的關(guān)系？3．互為同位素的兩種原子核，它們的質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)、中子數(shù)，相同的是哪個(gè)？【解析】(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)鐳核所帶的電荷量：Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.408×10－17(3)核外電子數(shù)等于核電荷數(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(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力為洛倫茲力，故有qvB＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB)，因?yàn)閮煞N同位素具有相同的核電荷數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同，故eq\f(r226,r228)＝eq\f(226,228)＝eq\f(113,114).【答案】(1)88138(2)1.408×10－17(3)88(4)eq\f(113,114)總結(jié)提能此處易把核電荷數(shù)與原子核所帶的電荷量相混淆，而將核電荷數(shù)誤認(rèn)為帶電荷量導(dǎo)致錯(cuò)解．盧瑟福預(yù)想到原子核內(nèi)除質(zhì)子外，還有中子的事實(shí)依據(jù)是(C)A．電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等B．原子核的質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍C．原子核的核電荷數(shù)只是質(zhì)量數(shù)的一半或少一些D．質(zhì)子和中子的質(zhì)量幾乎相等解析：盧瑟福發(fā)覺中子后，設(shè)想原子核只由質(zhì)子組成，但核電荷數(shù)只是質(zhì)量數(shù)的一半或少一些，這與假設(shè)相沖突，因此他又設(shè)想原子核內(nèi)除質(zhì)子外還有不帶電的中子存在，所以選項(xiàng)C正確．考點(diǎn)二核力及原子核中質(zhì)子和中子的比例1．核力的性質(zhì)(1)核力是四種相互作用中的強(qiáng)相互作用(強(qiáng)力)的一種表現(xiàn)．(2)核力是短程力．約在10－15m數(shù)量級(jí)時(shí)起作用，距離大于0.8×10－15m時(shí)為引力，距離小于0.8×10－15m時(shí)為斥力．距離為10×10(3)核力具有飽和性．核子只對(duì)相鄰的少數(shù)核子產(chǎn)生較強(qiáng)的引力，而不是與核內(nèi)全部核子發(fā)生作用．(4)核力具有電荷無關(guān)性．核力與核子電荷無關(guān)．2．原子核中質(zhì)子與中子的比例關(guān)系(1)較輕的原子核質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對(duì)于較重的原子核中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的原子核，兩者相差越多．(2)形成緣由①若質(zhì)子與中子成對(duì)地人工構(gòu)建原子核，隨原子核的增大，核子間的距離增大，核力和電磁力都會(huì)減小，但核力減小得更快．所以當(dāng)原子核增大到肯定程度時(shí)，相距較遠(yuǎn)的質(zhì)子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個(gè)原子核就不穩(wěn)定了．②若只增加中子，因?yàn)橹凶优c其他核子沒有庫侖斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于維系原子核的穩(wěn)定，所以穩(wěn)定的重原子核中子數(shù)要比質(zhì)子數(shù)多．③由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，若再增大原子核，一些核子間的距離會(huì)大到其間根本沒有核力的作用，這時(shí)候再增加中子，形成的核也肯定是不穩(wěn)定的．【例2】關(guān)于核力的說法正確的是()A．核力同萬有引力沒有區(qū)分，都是物體間的作用B．核力就是電磁力C．核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15mD．核力與電荷有關(guān)【解析】核力是短程力，超過1.5×10－15m【答案】C關(guān)于質(zhì)子和中子的說法，正確的是(D)A．原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)肯定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質(zhì)子數(shù)比中子數(shù)多C．原子核都是特別穩(wěn)定的D．對(duì)于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，假如接著增大原子核，形成的核也肯定是不穩(wěn)定的解析：自然界中較輕的原子核，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)大致相等，對(duì)于較重的原子核，中子數(shù)大于質(zhì)子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多．因此正確答案選D.考點(diǎn)三對(duì)核反應(yīng)方程的相識(shí)1．常見的幾個(gè)核反應(yīng)方程：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(發(fā)覺質(zhì)子)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(發(fā)覺中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e(發(fā)覺正電子)2．寫核反應(yīng)方程時(shí)應(yīng)留意的問題(1)核反應(yīng)過程一般都是不行逆的，核反應(yīng)方程不能用等號(hào)連接，只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向．(2)核反應(yīng)方程應(yīng)以試驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，不能憑空杜撰．(3)核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中，一般會(huì)發(fā)生質(zhì)量的變更．【例3】完成下列各核反應(yīng)方程，并指出哪個(gè)核反應(yīng)是首次發(fā)覺質(zhì)子和中子的．(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()(2)eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()(5)eq\o\al(23,11)Na＋()→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H【解析】(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n此核反應(yīng)使查德威克首次發(fā)覺了中子．(3)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H此核反應(yīng)使盧瑟福首次發(fā)覺了質(zhì)子．(5)eq\o\al(23,11)Na＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H【答案】見解析總結(jié)提能書寫核反應(yīng)方程四條重要原則(1)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒；(2)中間用箭頭，不能寫成等號(hào)；(3)能量守恒(中學(xué)階段不做要求)；(4)核反應(yīng)必需是試驗(yàn)中能夠發(fā)生的．以下是物理學(xué)史上3個(gè)聞名的核反應(yīng)方程x＋eq\o\al(7,3)Li→2yy＋eq\o\al(14,7)N→x＋eq\o\al(17,8)Oy＋eq\o\al(9,4)Be→z＋eq\o\al(12,6)Cx、y和z是3種不同的粒子，其中z是(C)A．α粒子B．質(zhì)子C．中子 D．電子解析：把前兩個(gè)方程化簡，消去x，即eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(7,3)Li→y＋eq\o\al(17,8)O，可見y是eq\o\al(4,2)He，結(jié)合第三個(gè)方程，依據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒可知z是中子eq\o\al(1,0)n.因此選項(xiàng)C正確．1．下列說法正確的是(A)A．質(zhì)子和中子的質(zhì)量不等，但質(zhì)量數(shù)相等B．質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量總和C．同一種元素的原子核有相同的質(zhì)量數(shù)，但中子數(shù)可以不同D．中子不帶電，所以原子核的總電荷量等于質(zhì)子和電子的總電荷量之和解析：質(zhì)子和中子的質(zhì)量不同，但質(zhì)量數(shù)相同，選項(xiàng)A正確；質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，原子核的質(zhì)量數(shù)等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量數(shù)總和，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；同一種元素的原子核有相同的質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)可以不同，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；中子不帶電，所以原子核的總電荷量等于質(zhì)子總電荷量之和，選項(xiàng)D錯(cuò)誤．2．(多選)氫有三種同位素，分別是氕(eq\o\al(1,1)H)、氘(eq\o\al(2,1)H)、氚(eq\o\al(3,1)H)，則(ABD)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)和中性原子狀態(tài)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，選項(xiàng)A、B正確，C錯(cuò)誤；同位素化學(xué)性質(zhì)相同，只是物理性質(zhì)不同，選項(xiàng)D正確．3．下列對(duì)核力的相識(shí)，正確的是(D)A．核力是強(qiáng)相互作用的一種表現(xiàn)，比庫侖力大得多B．核力存在于質(zhì)子和中子、中子和中子之間，質(zhì)子和質(zhì)子之間只有庫侖斥力C．核力是核子間相互吸引的力，是短程力D．核力只存在于相鄰的核子之間，具有飽和性解析：在原子核的尺度內(nèi)