新教材高中物理選擇性學(xué)案第5章第1節(jié)認(rèn)識原子核

第1節(jié)認(rèn)識原子核學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念]知道天然放射現(xiàn)象及其規(guī)律．2.[科學(xué)思維]理解三種射線的本質(zhì)，以及如何利用磁場區(qū)分它們．3.[科學(xué)思維]了解質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)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(xué)思維]了解核反應(yīng)的概念，會書寫核反應(yīng)方程．一、天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1．天然放射現(xiàn)象：物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象．2．放射性：物質(zhì)放出射線的性質(zhì)，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．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1896年，法國物理學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了天然放射現(xiàn)象．二、放射線的本質(zhì)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(zhuǎn)，為α射線；帶負電的射線向右偏轉(zhuǎn)，為β射線；不發(fā)生偏轉(zhuǎn)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，但是穿透能力很弱．一張鋁箔或一張薄紙就能將它擋住．3．β射線是高速運動的電子，穿透能力較強，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，穿透能力很強，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)現(xiàn)1．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)(1)實驗：為探測原子核的結(jié)構(gòu)，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子．(2)結(jié)論：質(zhì)子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)現(xiàn)(1)盧瑟福的預(yù)想盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子后，預(yù)想核內(nèi)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)現(xiàn)是許多科學(xué)家研究的結(jié)晶．①1930年，用釙發(fā)出的α射線轟擊鈹時，會產(chǎn)生一種不受電場和磁場影響、穿透能力很強的射線．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(zhì)子．③1932年，查德威克對云室中這種射線進行研究，發(fā)現(xiàn)這種射線是一種不帶電、質(zhì)量接近質(zhì)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(zhì)子和中子組成，并將質(zhì)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(zhì)量數(shù)，Z表示核電荷數(shù)．(3)兩個基本關(guān)系①核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝原子序數(shù)．②質(zhì)量數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)＝核子數(shù)．2．同位素具有相同質(zhì)子數(shù)、不同中子數(shù)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(yīng)與核反應(yīng)方程(1)核反應(yīng)：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程．(2)核反應(yīng)方程：用原子核符號描述核反應(yīng)過程的式子．(3)核反應(yīng)規(guī)律：在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和核電荷數(shù)均守恒．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)放射性元素發(fā)出的射線可以直接觀察到． (×)(2)盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，并預(yù)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控制． (×)(4)盧瑟福在α粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子． (×)(5)同位素具有相同的物理、化學(xué)性質(zhì)． (×)2．(多選)關(guān)于質(zhì)子與中子，下列說法正確的是()A．原子核(除氫核外)由質(zhì)子和中子組成B．質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子C．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在D．盧瑟福發(fā)現(xiàn)了中子，并預(yù)言了質(zhì)子的存在ABC[原子核(除氫核外)由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，并預(yù)言了中子的存在，查德威克用α粒子轟擊鈹發(fā)現(xiàn)了中子，故A、B、C正確，D錯誤．]3．(多選)天然放射性物質(zhì)的放射線包括三種成分，下列說法正確的是()A．一張厚的黑紙能擋住α射線，但不能擋住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(zhuǎn)的核外電子ACD[由三種射線的本質(zhì)和特點可知，α射線穿透本領(lǐng)最弱，一張黑紙都能擋住，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(zhì)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(zhì)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(zhì)量4mpmp＝1.67×10－27kgeq\f(mp,1836)靜止質(zhì)量為零速度0.1c0.9cc在電場或場中偏轉(zhuǎn)與α射線反向偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)貫穿本領(lǐng)最弱用紙能擋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(zhuǎn)情況正確的是()AD[已知α粒子帶正電，β粒子帶負電，γ射線不帶電，根據(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)的程度需進一步判斷．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(shù)據(jù)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(shè)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．]判斷三種射線性質(zhì)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(zhuǎn)：在電場或磁場中，通過其受力及運動軌跡半徑的大小來判斷α和β射線偏轉(zhuǎn)方向，由于γ射線不帶電，故運動軌跡仍為直線．(3)射線的穿透能力：α粒子穿透能力較弱，β粒子穿透能力較強，γ射線穿透能力最強，而電離作用相反．[跟進訓(xùn)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(jié)合在電場與磁場中的偏轉(zhuǎn)可知②⑤是γ射線，③④是α射線．[答案]③④①⑥②⑤質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)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(nèi)釋放出來的，這表明原子核也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)．原子核內(nèi)究竟是什么結(jié)構(gòu)？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(zhì)子和中子組成．1．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)(1)實驗背景電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到，原子不再是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位，進一步研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量．原子核的結(jié)構(gòu)如何？1919年，盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實驗．(2)實驗裝置(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)實驗過程容器C里放有放射性物質(zhì)A，從A放射出的α粒子射到鋁箔F上，適當(dāng)選取鋁箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透過．在F的后面放一熒光屏S，M是顯微鏡，通過M可以觀察到S是否有閃光．(4)實驗現(xiàn)象開始，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，可以觀察到S上有閃光．(5)實驗分析容器C中通入氮氣后，用顯微鏡觀察到熒光屏上有閃光，閃光一定是α粒子擊中氮核后產(chǎn)生的新粒子透過鋁箔引起的．(6)新粒子性質(zhì)研究①把這種粒子引進電磁場中，根據(jù)它在電磁場中的偏轉(zhuǎn)，測出了它的質(zhì)量和電量，進而確定它就是氫原子核，又叫質(zhì)子．用符號表示為eq\o\al(1,1)H或eq\o\al(1,1)p．②人們用同樣的辦法從其他元素的原子核中也轟擊出了質(zhì)子．(7)實驗結(jié)論質(zhì)子是原子核的組成部分．2．中子的發(fā)現(xiàn)(1)科學(xué)家在1930年利用Po放出的α射線轟擊鈹原子核時，產(chǎn)生了一種看不見的、貫穿能力很強、不受電場和磁場影響的射線．(2)1932年，約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)如果用來自鈹?shù)纳渚€去轟擊石蠟，能從石蠟中打出質(zhì)子，如圖所示．(3)1932年，查德威克進一步研究這種射線時發(fā)現(xiàn)，這種射線是一種不帶電的、質(zhì)量接近質(zhì)子的粒子流，即是盧瑟福猜想的中子．(4)結(jié)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(chǎn)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(shù)和質(zhì)量數(shù)分別為()A．15和28 B．15和30C．16和30 D．17和31B[據(jù)α粒子和中子的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)寫出核反應(yīng)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(jié)合質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序數(shù)等于電荷數(shù)，故B正確．]關(guān)于核反應(yīng)方程的兩點注意(1)核反應(yīng)前后質(zhì)量數(shù)守恒、核電荷數(shù)守恒，而不是質(zhì)量守恒、總電荷量守恒．(2)為方便正確地寫出核反應(yīng)方程，應(yīng)記住常見粒子的符號，如質(zhì)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(xùn)練]2．如圖所示為查德威克研究原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實驗示意圖，由天然放射性元素釙(Po)放出α射線轟擊鈹(Be)時會產(chǎn)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(chǎn)為質(zhì)子，b為中子 B．a(chǎn)為γ射線，b為中子C．a(chǎn)為中子，b為γ射線 D．a(chǎn)為中子，b為質(zhì)子D[α粒子轟擊鈹(Be)產(chǎn)生中子，中子轟擊石蠟產(chǎn)生質(zhì)子，故a為中子，b為質(zhì)子，D正確．]3．1919年盧瑟福通過如圖所示的實驗裝置，第一次完成了原子核的人工轉(zhuǎn)變，并由此發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子．圖中A為放射源發(fā)出的________粒子，B為________氣．寫出該實驗的核反應(yīng)方程：________．[解析]題圖為α粒子轟擊氮原子核生成質(zhì)子的實驗裝置，放射源A發(fā)出的是α粒子，B為氮氣，其核反應(yīng)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(zhì)子．(1)人們用α粒子轟擊多種原子核，都打出了質(zhì)子，說明了什么問題？(2)絕大多數(shù)原子核的質(zhì)量數(shù)都大于其質(zhì)子數(shù)，說明了什么問題？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．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(zhì)子：電荷量e＝＋1.6×10－19C,質(zhì)量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：電荷量e＝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))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)量差別非常微小，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)：原子核所帶的電荷等于質(zhì)子電荷的整數(shù)倍，通常用這個數(shù)表示原子核的電荷量，叫作原子核的電荷數(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，這個倍數(shù)叫作原子核的質(zhì)量數(shù)．3．同位素：原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子的數(shù)目，進而也決定了元素的化學(xué)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(xué)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(zhì)子數(shù)和不同的質(zhì)量數(shù)B．它們具有相同的中子數(shù)和不同的原子序數(shù)C．它們具有相同的核電荷數(shù)和不同的中子數(shù)D．它們具有相同的核外電子數(shù)和不同的化學(xué)性質(zhì)AC[原子核的原子序數(shù)與核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、核電荷數(shù)、核外電子數(shù)都是相等的，且原子核內(nèi)的質(zhì)量數(shù)(核子數(shù))等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和．由此知這兩種鐳的同位素核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)均為88，核子數(shù)分別為228和226，中子數(shù)分別為140和138；原子的化學(xué)性質(zhì)由核外電子數(shù)決定，因為它們的核外電子數(shù)相同，所以它們的化學(xué)性質(zhì)也相同．故正確答案為A、C．]原子核的“數(shù)”與“量”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一定是質(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．[跟進訓(xùn)練]4．一個eq\o\al(234,91)Pa原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)、核子數(shù)分別為()A．9191234 B．14391234C．91143234 D．23491143C[原子核是由質(zhì)子和中子組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子．eq\o\al(234,91)Pa的原子序數(shù)為91，即質(zhì)子數(shù)為91，核子數(shù)為234，中子數(shù)等于核子數(shù)減去質(zhì)子數(shù)，即234－91＝143，故C正確，A、B、D錯誤．]1．為提出原子核式結(jié)構(gòu)模型提供依據(jù)的實驗或現(xiàn)象是()A．α粒子散射實驗 B．電子的發(fā)現(xiàn)C．質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) D．天然放射現(xiàn)象A[盧瑟福根據(jù)α粒子散射實驗的現(xiàn)象，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，故選項A正確；電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到原子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)說明了原子核是由質(zhì)子和中子組成的；天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識到原子核有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，故選項B、C、D錯誤．]2．關(guān)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射線的電離能力最強D．γ射線的電離能力最強B[α射線電離本領(lǐng)最大，貫穿本領(lǐng)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(chǎn)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(zhuǎn)化成一個質(zhì)子同時釋放出一個高速電子即β粒子，但電離能力沒有α射線強，故C錯誤；γ射線不帶電，沒有電離能力，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(chǎn)生的C．γ射線是波長很短的電磁波，它的貫穿能力很強D．利用γ射線的電離作用，可檢查金屬內(nèi)部有無砂眼和裂紋C[α粒子轟擊eq\o\al(9,4)Be核，核反應(yīng)