2017-2018學(xué)年物理人教版選修3-5講義第十九章原子核19-1

[目標定位]1.知道什么是放射性及放射性元素.2.知道三種射線的特征以及原子核的組成.3.會正確書寫原子核符號．一、天然放射現(xiàn)象1．1896年，法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線．2．物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫做天然放射現(xiàn)象．3．原子序數(shù)大于或等于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數(shù)小于83的元素，有的也能放出射線．4．瑪麗·居里和她的丈夫皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)了兩種放射性更強的新元素，命名為釙(Po)和鐳(Ra)．二、射線到底是什么1．α射線實際上是氦原子核，速度為光速的十分之一，電離作用強，穿透能力很弱，一張紙就能把它擋?。?．β射線是高速電子流，速度很大，可達光速的99%，穿透能力較強，電離作用較弱，很容易穿透黑紙，能穿透幾毫米厚的鋁板．3．γ射線是能量很高的電磁波，波長很短，它的電離作用更小，穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘米厚的混凝土．4．元素的放射性如果一種元素具有放射性，那么不論它是以單質(zhì)還是以某種化合物的形式存在，它放射性的強度不受影響．也就是說，射線來自原子核．這說明原子核內(nèi)部是有結(jié)構(gòu)的．【深度思考】三種射線組成和性質(zhì)不同，若將放射源置于如圖1所示的勻強電場和勻強磁場中，請根據(jù)三種射線的特點，畫出它們的大致軌跡．圖1答案(1)在勻強電場中，γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做勻速直線運動，α粒子和β粒子沿相反方向做類平拋運動，在同樣的條件下，β粒子的偏移大，如圖所示．位移x可表示為x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qE,m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(y0,v)))2∝eq\f(q,mv2)所以，在同樣條件下β粒子與α粒子偏移之比為eq\f(xβ,xα)＝eq\f(e,2e)×eq\f(4,\f(1,1836))×eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,10)c))2,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(99,100)c))2)≈37.(2)在勻強磁場中：γ射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，仍做勻速直線運動，α粒子和β粒子沿相反方向做勻速圓周運動，且在同樣條件下，β粒子的軌道半徑小，如圖所示．根據(jù)qvB＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,qB)∝eq\f(mv,q)所以，在同樣條件下β粒子與α粒子的軌道半徑之比為eq\f(Rβ,Rα)＝eq\f(\f(1,1836),4)×eq\f(\f(99,100)c,\f(c,10))×eq\f(2e,e)≈eq\f(1,371).【例1】如圖2所示，R是一種放射性物質(zhì)，虛線框內(nèi)是勻強磁場，LL′是厚紙板，MM′是熒光屏，實驗時，發(fā)現(xiàn)在熒光屏的O、P兩點處有亮斑，由此可知磁場的方向、到達O點的射線種類、到達P點的射線種類應(yīng)屬于下表中的()圖2選項磁場方向到達O點的射線到達P點的射線A豎直向上βαB豎直向下αβC垂直紙面向里γβD垂直紙面向外γα解析R放射出來的射線共有α、β、γ三種，其中α、β射線垂直于磁場方向進入磁場區(qū)域時將受到洛倫茲力作用而偏轉(zhuǎn)，γ射線不偏轉(zhuǎn)，故打在O點的應(yīng)為γ射線；由于α射線貫穿本領(lǐng)弱，不能射穿厚紙板，故到達P點的應(yīng)是β射線；依據(jù)β射線的偏轉(zhuǎn)方向及左手定則可知磁場方向垂直紙面向里．答案C1．對放射性和射線的理解：(1)一種元素的放射性，與其是單質(zhì)還是化合物無關(guān)，這說明一種元素的放射性和核外電子無關(guān)．(2)射線來自于原子核，說明原子核是可以再分的．2．對三種射線性質(zhì)的理解：(1)α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電．α射線、β射線是實物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種．(2)α射線、β射線都可以在電場或磁場中偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)方向不同，γ射線則不發(fā)生偏轉(zhuǎn)．(3)α射線穿透能力弱，β射線穿透能力較強，γ射線穿透能力最強，而電離本領(lǐng)相反．針對訓(xùn)練1如圖3甲是α、β、γ三種射線穿透能力的示意圖，圖乙是工業(yè)上利用射線的穿透性來檢查金屬內(nèi)部的傷痕的示意圖，請問圖乙中的檢查是利用了哪種射線()圖3A．α射線 B．β射線C．γ射線 D．三種射線都可以答案C解析由題意可知，工業(yè)上需用射線檢查金屬內(nèi)部的傷痕，如題圖甲可知，三種射線中γ射線穿透力最強，而α射線、β射線都不能穿透鋼板，所以答案為C.三、原子核的組成1．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，質(zhì)子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)現(xiàn)盧瑟福猜想原子核內(nèi)存在著一種質(zhì)量與質(zhì)子相同，但不帶電的粒子，稱為中子．查德威克利用云室進行實驗驗證了中子的存在，中子是原子核的組成部分．3．原子核的組成原子核由質(zhì)子和中子組成．4．原子核的符號5．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eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H.【深度思考】原子核的電荷數(shù)與它所帶電荷量，質(zhì)量數(shù)與它的質(zhì)量分別有什么關(guān)系？答案原子核所帶的電荷等于核內(nèi)質(zhì)子電荷的總和，所以原子核所帶電荷總是質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，用這個倍數(shù)表示原子核的電荷數(shù)；原子核的質(zhì)量等于質(zhì)子和中子的質(zhì)量總和，而質(zhì)子和中子質(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)稱為原子核的質(zhì)量數(shù)．可見，電荷數(shù)與質(zhì)量數(shù)是一個純數(shù)字，與電荷量和質(zhì)量是不同的．【例2】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)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)強度為B的勻強磁場中，它們運動的軌跡半徑之比是多少？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)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≈1.41×10－17(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為洛倫茲力，故有Bqv＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB).兩種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)1.41×10－17C(3)88(4)113∶核子數(shù)、電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)的基本關(guān)系：電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝元素的原子序數(shù)＝中性原子核外電子數(shù)質(zhì)量數(shù)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)．針對訓(xùn)練2以下說法正確的是()A.eq\o\al(222,)86Rn為氡核，由此可知，氡核的質(zhì)量數(shù)為86，氡核的質(zhì)子數(shù)為222B.eq\o\al(9,4)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4C．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解析氡核的質(zhì)量數(shù)為222，質(zhì)子數(shù)為86，所以A錯誤；鈹核的質(zhì)量數(shù)為9，中子數(shù)為5，所以B錯誤；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錯誤，D正確．1．(三種射線的特性)(多選)天然放射性物質(zhì)的射線包含三種成分，下列說法中正確的是()A．α射線的本質(zhì)是高速氦核流B．α射線是不帶電的光子流C．三種射線中電離作用最強的是γ射線D．一張厚的黑紙可以擋住α射線，但擋不住β射線和γ射線答案AD解析α射線的本質(zhì)是高速氦核流，β射線是高速電子流，A正確，B錯誤；三種射線中電離作用最強的是α射線，C錯誤；一張厚的黑紙可以擋住α射線，但擋不住β射線和γ射線，D正確．2．(三種射線的特性)(多選)圖4中P為放在勻強電場中的天然放射源，其放出的射線在電場的作用下分成a、b、c三束，以下判斷正確的是()圖4A．a(chǎn)為α射線、b為β射線B．a(chǎn)為β射線、b為γ射線C．b為γ射線、c為α射線D．b為α射線、c為γ射線答案BC解析由題圖可知電場線方向向右，α射線帶正電，所受電場力方向與電場線方向一致，故α射線向右偏轉(zhuǎn)，即c為α射線；β射線帶負電，所受電場力方向與電場線方向相反，故β射線向左偏轉(zhuǎn)，即a為β射線；γ射線不帶電，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即b為γ射線．故選項B、C正確．3．(原子核的組成及同位素)下列說法正確的是()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答案A解析質(zhì)子和中子的質(zhì)量不同，但質(zhì)量數(shù)相同，A對；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，B錯；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，C錯；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，D錯．4．(原子核的組成及同位素)(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()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，A、B正確，C錯誤；同位素化學(xué)性質(zhì)相同，只是物理性質(zhì)不同，D正確．題組一天然放射現(xiàn)象及三種射線的性質(zhì)1．人類認識原子核的復(fù)雜結(jié)構(gòu)并進行研究是從()A．發(fā)現(xiàn)電子開始的B．發(fā)現(xiàn)質(zhì)子開始的C．進行α粒子散射實驗開始的D．發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象開始的答案D解析自從貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，科學(xué)家對放射性元素及射線的組成、產(chǎn)生的原因等進行了大量研究，逐步認識到原子核的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故D正確，A、B、C錯誤．2．下列說法正確的是()A．任何元素都具有放射性B．同一元素，單質(zhì)具有放射性，化合物可能沒有C．元素的放射性與溫度無關(guān)D．放射性就是該元素的化學(xué)性質(zhì)答案C解析原子序數(shù)大于或等于83的所有元素都有放射性，小于83的元素有的就沒有放射性，所以A項錯；放射性是由原子核內(nèi)部因素決定的，與該元素的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，所以C項對，B、D項錯．3.放射性元素放出的射線，在電場中分成A、B、C三束，如圖1所示，其中()圖1A．C為氦原子核組成的粒子流B．B為比X射線波長更長的光子流C．B為比X射線波長更短的光子流D．A為高速電子組成的電子流答案C解析根據(jù)射線在電場中的偏轉(zhuǎn)情況，可以判斷，A射線向電場線方向偏轉(zhuǎn)，應(yīng)為帶正電的粒子組成的射線，所以是α射線，B射線在電場中不偏轉(zhuǎn)，所以是γ射線；C射線在電場中受到與電場方向相反的作用力，應(yīng)為帶負電的粒子，所以是β射線．4．如圖2所示，x為未知放射源，L為薄鋁片，若在放射源和計數(shù)器之間加上L后，計數(shù)器的計數(shù)率大幅度減小，在L和計數(shù)器之間再加豎直向下的勻強磁場，計數(shù)器的計數(shù)率不變，則x可能是()圖2A．α和β的混合放射源 B．純α放射源C．α和γ的混合放射源 D．純γ放射源答案C解析在放射源和計數(shù)器之間加上薄鋁片后，計數(shù)器的計數(shù)率大幅度減小，說明射線中有穿透力很弱的粒子，即α粒子．在薄鋁片和計數(shù)器之間再加豎直向下的勻強磁場，計數(shù)器的計數(shù)率不變，說明穿過鋁片的粒子中無帶電粒子，故只有γ射線．因此，放射源可能是α和γ的混合放射源．5.天然放射性元素放出的三種射線的穿透能力實驗結(jié)果如圖3所示，由此可推知()圖3A．②來自于原子核外的電子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，屬于原子核內(nèi)釋放的光子答案D解析射線均來自于核內(nèi)，A錯；從圖中可看出，一張紙能擋?、偕渚€，則①射線一定是α射線，其貫穿本領(lǐng)最差，電離能力最強，但不是電磁波，而是高速粒子流，B錯；鋁板能擋?、?，而不能擋?、郏f明③一定是γ射線，其電離能力最弱，貫穿本領(lǐng)最強，是一種電磁波，屬于原子核內(nèi)以能量形式釋放出來的以光速運行的高能光子，C錯，D對．題組二原子核的組成及同位素6．原子核中能放出α、β、γ射線，關(guān)于原子核的組成，以下說法中正確的是()A．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有α粒子B．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有β粒子C．原子核中，有質(zhì)子、中子，還有γ粒子D．原子核中，只有質(zhì)子和中子答案D解析在放射性元素的原子核中，2個質(zhì)子和2個中子結(jié)合得較緊密，有時作為一個整體放出，這就是α粒子的來源．說到底它仍是由質(zhì)子和中子組成的，不能據(jù)此認為它是原子核的組成部分．原子核里是沒有電子的，但中子可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，并向核外釋放一個電子，這就是β粒子．原子核發(fā)生衰變后處于高能級，在回到低能級時多余的能量以γ粒子的形式輻射出來，形成γ射線，故原子核里也沒有γ粒子．7．據(jù)報道，放射性同位素鈥eq\o\al(166,67)Ho可以有效治療癌癥，該同位素原子核內(nèi)中子數(shù)是()A．32B．67C．99D．166答案C解析根據(jù)原子核的表示方法得中性原子的核外電子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝67，中子數(shù)為166－67＝99，故C對，A、B、D錯．8．若用x代表一個中性原子中核外的電子數(shù)，y代表此原子的原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，z代表此原子的原子核內(nèi)的中子數(shù)，則對eq\o\al(235,)92U的原子來說()A．x＝92y＝92z＝235B．x＝92y＝92z＝143C．x＝143y＝143z＝92D．x＝235y＝235z＝325答案B解析在eq\o\al(235,)92U中，左下標為質(zhì)子數(shù)，左上標為質(zhì)量數(shù)，則y＝92；中性原子的核外電子數(shù)等于質(zhì)子數(shù)，所以x＝92；中子數(shù)等于質(zhì)量數(shù)減去質(zhì)子數(shù)，z＝235－92＝143，所以B選項正確．9．兩個同位素原子核的符號分別是MAX和NBY，那么()A．M＝N B．A＝BC．M－A＝N－B D．M＋N＝A＋B答案B解析具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)的同一元素互稱同位素，所以A＝B.10．(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，還有帶正電的原子核，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．題組三綜合應(yīng)用11．茫茫宇宙空間存在大量的宇宙射線，對宇航員構(gòu)成了很大的威脅．現(xiàn)有一束射線(含有α、β、γ三種射線)，(1)在不影響β和γ射線的情況下，如何用最簡單的方法除去α射線？(2)余下的這束β和γ射線經(jīng)過如圖4所示的一個使它們分開的磁場區(qū)域，請畫出β和γ射線進入磁場區(qū)域后軌跡的示意圖．(畫在圖上)圖4(3)用磁場可以區(qū)分β和γ射線，但不能把α射線從γ射線束中分離出來，為什么？(已知α粒子的質(zhì)量約是β粒子質(zhì)量的8000倍，α射線速度約為光速的十分之一，β射線速度約為光速)答案(1)用一張紙放在射線前即可除去α射線．(2)見解析圖(3)α射線的圓周運動的半徑很大，幾乎不偏轉(zhuǎn)，故與γ射線無法分離．解析(1)由于α射線貫穿能力很弱，用一張紙放在射線前即可除去α射線．(2)如圖所示．(3)α粒子和電子在磁場中偏轉(zhuǎn)，據(jù)R＝eq\f(mv,Bq)，對α射線有Rα＝eq\f(mαvα,Bqα)，對β射線有Re＝eq\f(meve,Bqe)，故eq\f(Rα,Re)＝eq\f(mαvαqe,meveqα)＝400.α射線穿過此磁場時，半徑很大，幾乎不偏轉(zhuǎn)，故與γ射線無法分離．12．在暗室的真空裝置中做如下實驗：在豎直放置的平行金屬板間的勻強電場中，有一個能產(chǎn)生α、β、γ三