原子和原子核（學生版）-2025年高考物理一輪復習（新高考）

第56講原子和原子核

——劃重點之精細講義系列

考點1a粒子散射實驗

考點2原子核與原子核的衰變

考點3衰變粒子在磁場中的運動軌跡

考點4核力與核能計算

考點5核裂變與核聚變

虐基礎知識勤軍疝

一.原子結構

1.湯姆孫原子模型

1898年，J.J.湯姆孫提出了一種原子模型.他認為，原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布

在整個球體內(nèi)，電子鑲嵌其中.有人形象地把J.J.湯姆孫的這個模型稱為“西瓜模型”或“棗糕模型”.

2.原子的核式結構

(1)1909?1911年，英國物理學家盧瑟福進行了a粒子散射實驗，提出了原子的核式結構模

型.

(2)a粒子散射實驗

①實驗裝置：如下圖所示；②實驗結果：a粒子穿過金箔后，絕大多數(shù)沿原方向前進，少數(shù)發(fā)

生較大角度偏轉，極少數(shù)偏轉角度大于90。，甚至被彈回.

(3)核式結構模型：原子中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)

量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉.

(4)1932年，查德威克通過實驗驗證了盧瑟福的猜想，并證實了原子核中確實存在著不帶電、

質(zhì)量幾乎與質(zhì)子相同的中子，用n表示.

二.原子核

1.原子核的組成

(1)原子核由質(zhì)子和中子組成，兩者統(tǒng)稱為核子.

(2)原子核常用ex表示，x為元素符號，上角標/表示核的質(zhì)量數(shù)，下角標z表示核的電荷數(shù)(原

子序數(shù)).

(3)同位素是具有相同的質(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.

2.天然放射現(xiàn)象

(1)天然放射現(xiàn)象：某些元素自發(fā)放射某些射線的現(xiàn)象稱為天然放射現(xiàn)象，這些元素稱為放射性

元素.

(2)三種射線的本質(zhì)：a射線是氫核，p射線是電子，丫射線是光子.

3.原子核的衰變

(1)衰變：原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉變成新核的變化.可分為a衰變、P衰變，并伴隨著丫

射線放出.

(2)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需要的時間.

4.放射性同位素的應用

(1)利用射線：放射性同位素放出的射線應用于工業(yè)、探傷、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等.

(2)作示蹤原子.

5.核反應、核力與核能

(1)核反應規(guī)律：在核反應中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.

(2)核力

①概念：組成原子核的核子之間存在的作用力.

②核力特點

a.核力是強相互作用(強力)的一種表現(xiàn)，在它的作用范圍內(nèi)，核力比庫侖力大得多.

b.核力是短程力，作用范圍在1.5x10-15m之內(nèi).

c.每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生核力作用，這種性質(zhì)稱為核力的飽和性.

(3)質(zhì)量虧損

①愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2.

②質(zhì)量虧損：原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象.

(4)結合能：克服核力束縛，使原子核分解為單個核子時需要的能量，或若干個核子在核力作用

下結合成原子核時需要的能量.

6.核裂變和核聚變

(1)重核裂變

①定義：使重核分裂成幾個質(zhì)量較小的原子核的核反應.

②鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，一種典型的反應是生成領和氟，同時放出三

個中子，核反應方程為：^5U+6n^^4Ba+!^Kr+3An.

③鏈式反應：由重核裂變產(chǎn)生中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程叫做核裂變的鏈式反

應.

④鏈式反應的條件：a.要有足夠濃度的925U;b.鈾塊體積需大于臨界體積，或鈾塊質(zhì)量大于臨

界質(zhì)量.

（2）輕核聚變

①定義：兩個輕核結合成較重的核，這樣的核反應叫聚變.

②聚變發(fā)生的條件：使物體達到幾百萬度的高溫.

而考點榭!析理重點

考點1：“粒子散射實驗

（1）a粒子散射實驗

①實驗裝置:a粒子源R、金箔尸、顯微鏡M和熒光屏S,如圖所示.

②實驗過程

a.a粒子源R是被鉛塊包圍的，它發(fā)射的a粒子經(jīng)過一條細通道，形成很細的一束射線，射到

熒光屏上產(chǎn)生微弱的閃光，通過顯微鏡可以觀察到.

b.放上金箔，觀察a粒子穿過金箔打到熒光屏上發(fā)出的閃光.

c.轉動顯微鏡和熒光屏，在不同角度觀察，可以看到a粒子的散射現(xiàn)象.

③實驗現(xiàn)象

a.絕大多數(shù)的a粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進.（原子內(nèi)部絕大部分是“空”的）

b.少數(shù)a粒子（約占一^）發(fā)生了大角度的偏轉.（原子內(nèi)部有“核”存在）

8000

c.極少數(shù)a粒子的偏轉角大于90。,也就是說它們幾乎被反彈回來.（作用力很大，質(zhì)量很大，電荷

量集中）

④實驗的注意事項

a.整個實驗過程在真空中進行.

b.金箔需要做得很薄，a粒子才能穿過.

c.使用金箔的原因是金的延展性好，可以做得很薄，另外一點就是金的原子序數(shù)大，a粒子與

金原子核間的庫侖斥力大，偏轉明顯，而金原子核不會發(fā)生明顯運動

（2）對a粒子散射實驗的解釋

①當a粒子穿過原子時，如果離正電體較遠，受到的正電體斥力很小，a粒子的運動方向幾乎

不改變，所以絕大多數(shù)a粒子不發(fā)生偏轉。

②當a粒子接近原子核時，電子對它的影響可忽略，極少數(shù)a粒子在穿過原子時距離正電體很

近，因此受到很強的庫侖斥力，發(fā)生大角度散射，J.J.湯姆孫的模型無法解釋這一實驗結果.

（3）J.J.湯姆孫原子模型與盧瑟福原子模型的比較

項目J.J.湯姆孫原子模型盧瑟福原子模塑

原子是充滿了正電荷的球體、電子均原子內(nèi)部是非?？諘绲?、正電荷集中在一

特點

勺鑲嵌在原子球體內(nèi)個很小的核里、電子繞核高速旋轉

a

少數(shù)靠近原子核的a粒子受到的庫侖力

粒a粒子在原子內(nèi)部時，受到的庫侖斥

受力大，而大多數(shù)離核較遠的a粒子受到的庫

子力相互抵消，幾乎為零

侖力較小

散

絕大多數(shù)a粒子運動方向不變，少數(shù)a粒

射

偏轉不會發(fā)生大角度偏轉，更不會被彈回子發(fā)生大角度偏轉，極少數(shù)a粒子偏轉角

實

度超過90°,有的甚至被彈回

驗

分析不符合a粒子散射現(xiàn)象符合a粒子散射現(xiàn)象

4"繆滓

【考向1】1909年，英國物理學家盧瑟福和他的助手蓋革、馬斯登一起進行了著名的七粒子散射實

驗”。如圖所示，某同學描繪了幾個a粒子穿過金箔前后的可能軌跡，下列敘述正確的是（）

A.盧瑟福早于貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了a射線

B.通過盧瑟福的“a粒子散射實驗”可以估算出原子核半徑的數(shù)量級

C.軌跡d的大角度偏轉不可能出現(xiàn)

D.軌跡6、c的大角度偏轉可能出現(xiàn)

【考向2］如圖所示是盧瑟福a粒子散射實驗的實驗裝置圖，以下說法正確的是（）

A.a粒子是電子

B.圖中僅在/點可以觀察到a粒子

C.a粒子發(fā)生大角度偏轉主要是由于a粒子與金箔中電子的相互作用引起的

D.絕大多數(shù)a粒子穿過金箔后基本上仍沿原來方向前進，說明原子內(nèi)部絕大部分是空的

【考向3］（多選）如圖為盧瑟福所做的a粒子散射實驗裝置的示意圖，熒光屏和顯微鏡一起分別

放在圖中的/、B,C、。四個位置時，下述說法中正確的是（）

A.相同時間內(nèi)在/時觀察到屏上的閃光次數(shù)最多

B.放在C、。位置時屏上觀察不閃光

C.該實驗說明原子中正電荷是均勻分布的

D.只有少數(shù)a粒子發(fā)生大角度散射的原因是原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量集中在一個很小

的核上

而考點剖析理重點

考點2：原子核與原子核的衰變

1.三種射線的本質(zhì)及特點

種類a射線丑射線y射線

本質(zhì)高速氫核流（粒子流）高速電子流（粒子流）高頻電磁波（光子流）

帶電情況2e-e不帶電

真空中的傳播

約0.1c約0.99cC

速度

對空氣的電離

很強較弱很弱（幾乎不電離）

作用

穿透本領一張紙就可以擋住，能穿透幾毫米厚的鋁能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘

最弱板，較強米厚的混凝土，最強

在電場或磁場偏轉且與a射線偏轉方

偏轉不偏轉

中的運動向相反

能量很高很高波長很短的光子，能量很高

原子核內(nèi)兩個質(zhì)子原子核內(nèi)中子變成質(zhì)子伴隨著a衰變或/衰變(原子核受

來源

和兩個中子放出的電子激發(fā))而產(chǎn)生

2.衰變規(guī)律及實質(zhì)

(1)兩種衰變的比較

衰變類型a衰變￡衰變

衰變方程：XT4UY+；He筑七丫+卜

2個質(zhì)子和2個中子結合成一個

中子轉化為質(zhì)子和電子

衰變實質(zhì)整體射出

2；H+2；nTHe:nfH+JJe

衰變規(guī)律質(zhì)量數(shù)守恒(不是質(zhì)量守恒)、電荷數(shù)守恒

核子數(shù)減少4核子數(shù)不變

質(zhì)子增加1個，中子減少1

新核的變化質(zhì)子減少2個，中子減少2個

個

元素周期表中位置前移2位元素周期表中位置后移1位

觀察a、p衰變，我們不難發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)的減少是由于a衰變造

成的，所以我們在計算時先計算a衰變的次數(shù)，后計算P衰變

的次數(shù)以義Xf4,Y+m^He+"e為例，算法如下：

衰變次數(shù)的計算第一步計算?衰變的次數(shù)機=；(&—4)

第二步計算/衰變的次數(shù)n=Z?—Z]+2加—2m—(Z1—Z?)

△劃逐點(?)

①B衰變放出的電子是原子核內(nèi)中子轉化成質(zhì)子而放出的，來源于原子核內(nèi)部，而不是核外的

電子.

②Y射線：Y射線經(jīng)常是伴隨著a衰變或P衰變同時產(chǎn)生的.其實質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生a

衰變或P衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子.

劃重盍管

3.原子核的人工轉變

(1)核反應：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或者發(fā)生狀態(tài)變化的過程，稱為核反應.

(2)核反應的條件：用a粒子、質(zhì)子、中子和>光子等其他粒子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉變.

(3)遵循的原則：在核反應中，質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.

(4)核反應的實質(zhì)：用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是將粒子打人

原子核內(nèi)部使核發(fā)生了轉變.

(5)盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應方程為：i；N+；He-10+；H

盧瑟福用a粒子轟擊氮原子核是人類第一次實現(xiàn)的原子核的人工轉變。

(6)查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程為：:Be+；He.1C+；n

中子不帶電，用它轟擊原子核，不受庫侖力的影響，人們用中子轟擊各種原子核，獲得許許多

多人工放射性同位素，用它轟擊鈾核，實現(xiàn)了原子能的利用。

(3)居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應方程為：*Al+：He-

這是人類第一次用人工方法獲得放射性同位素，是磷的放射性同位素，可以像天然放射性

元素一樣發(fā)生衰變，「P.；；Si+：e.

△劃甚點(?)

人工轉變核反應與衰變異同

(1)不同點：原子核的人工轉變，是一種核反應，是其他粒子與原子核相碰撞的結果，需要一定

的裝置和條件才能發(fā)生，而衰變是原子核的自發(fā)變化，它不受物理、化學條件的影響。

(2)相同點：人工轉變與衰變過程一樣，在發(fā)生過程中質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)都守恒，反應前后粒子總

動量守恒.

劃重點干

4.半衰期

(1)公式：N*—N點］一j,m余一m原［一J

(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部自身因素決定的，跟原子所處的物理

狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關.

(3)適用條件：半衰期描述的是統(tǒng)計規(guī)律，不適用于少量原子核的.

壬"繆斯

【考向4］(2024?北京石景山?一模)工業(yè)部門可以使用放射性同位素發(fā)出的射線來測厚度。某軋鋼

廠的熱軋機上安裝的射線測厚裝置如圖所示，讓y射線穿過鋼板，探測器探測到的丫射線強度與鋼

板的厚度有關，將射線強度的信號輸入計算機，可對鋼板的厚度進行自動控制。下列說法正確的是

放射性

同位素射線測厚裝置

A.若鋼板變厚，則探測到丫射線變?nèi)?/p>

B.若鋼板內(nèi)部有裂縫，則探測到丫射線變?nèi)?/p>

C.該裝置主要利用》射線的電離能力

D.若僅把y射線換為a射線，該裝置仍正常運行

【考向5】利用帶電粒子在電磁場中的運動，制作出的質(zhì)譜儀可測量粒子的比荷。在研究放射性元

素射線性質(zhì)的實驗裝置如圖所示，左圖是三類射線在垂直紙面向外的磁場中的偏轉情況的示意圖。

右圖是兩塊平行放置的金屬板A、B分別與電源的兩極°、6連接，放射源發(fā)出的射線從其上方小孔

向外射出。下列說法錯誤的是（）

電源

A.放射源可以打出三類射線，說明同時發(fā)生a、/｝、y衰變

B.a射線穿透能力最弱，速度也最慢，打到A板的是a射線

C.。為電源正極，到達A板的為夕射線，不偏轉的是y射線

D.正負極判斷看射線在兩板間的軌跡，比荷大的偏向A板

【考向6】（2024?北京海淀?三模）2024年4月19日起，日本開始排放第五批福島核污染水，預計

排放19天。核污染水中含有一定量的放射性核素“笳”，該核素可在生物體內(nèi)富集，損害生物體的健

康。己知旅的衰變方程為汨-汩e+X,半衰期約為12年，下列說法正確的是（）

A.瓶核發(fā)生的是a衰變

B.衰變產(chǎn)物X來自旅的核外電子

C.該衰變產(chǎn)生的射線穿透能力比y射線強

D.若立即停止排放，12年后因排污導致的核輻射量會減少50%

【考向7】（2024?安徽?三模）天然放射性元素品2Th（牡）經(jīng)過一系列衰變后變成第8Pb（鉛），下

列說法正確的是（）

A.衰變過程共有6次a衰變和5次/衰變

B.有6個中子轉變?yōu)橘|(zhì)子

C.第8Pb的比結合能比豺2Th的比結合能大

D.在高溫高壓下可縮短羽2Th的半衰期

【考向8]（2024?安徽?二模）2023年12月7日，錦屏大設施正式投入科學運行，是我國又一項“國

之重器”，其主要功能是為前沿物理科學研究提供不受宇宙射線影響的實驗環(huán)境。當宇宙射線中的高

能粒子撞擊地球大氣層中大氣原子核時會產(chǎn)生二次粒子簇射.一宇宙射線中的a粒子與大氣中氮原

子核發(fā)生作用的核反應方程為知e+/N-yO+X。下列說法中正確的是（）

A.該核反應為a衰變B.X粒子由湯姆孫發(fā)現(xiàn)

C.該核反應中X為光子D.該核反應電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)也守恒

【考向9】下列關于原子物理的知識，說法正確的是（）

A.盧瑟福a粒子散射實驗說明原子的棗糕模型理論是正確的

B.在核反應方程,He+尹N-/O+X中，X表示的是中子

C.p射線是高速運動的電子流，經(jīng)過。衰變后原子在周期表中的位置向后移一位

D.氫的半衰期是3.8天，8個氫原子核經(jīng)過7.6天之后，還剩下2個未發(fā)生衰變

而考點剖析理重點

考點3：衰變粒子在磁場中的運動軌跡

在勻強磁場中，靜止的放射性元素的原子核沿垂直于磁場方向放射出一個粒子后，在洛倫茲力

的作用下衰變放出的粒子和新核都做勻速圓周運動。

解答此類問題步驟如下.

（1）衰變過程中質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒.

（2）衰變過程中動量守恒。

（3）帶電粒子的運動方向垂直于磁場方向時，由洛倫茲力提供向心力做勻速圓周運動.

（4）靜止的原子核發(fā)生a衰變或|3衰變時遵循如下規(guī)律。

加V1

①動量守恒：加W/+加2y2=0.②軌跡半徑：R=oc—（動量大小相等）.③運動周期：

qBq

277777TH

T=------oc一.④運動軌跡：夕衰變，內(nèi)切圓；a衰變，外切圓.它們在磁場中運動的軌跡特點如表

qBq

所示:

勻強磁場中軌跡

（X衰變彳X-tlY+；He00兩圓外切，a粒子的軌跡半徑大

勻強磁場中軌跡

夕衰變兩圓內(nèi)切，小粒子的軌跡半徑大

一盒

工串內(nèi)潁冽i

【考向10］如圖所示，靜止的氫原子核（馥2Rn）在垂直于紙面的勻強磁場中，由于衰變放出某種

粒子而生成一個新的原子核，新核和粒子的運動徑跡是兩個在紙面內(nèi)的外切圓。已知大圓與小圓直

徑之比是85:1。則（）

A.該核反應方程是需Rnf與/Fr+B.該核反應方程是需Rn-＞箍?At+?e

C.該核反應方程是能2Rn-38p。+,HeD.大圓軌跡是新核的，磁場方向垂直紙面向里

【考向11］鈉的放射性同位素Na靜止在勻強磁場中，某時刻一個Na原子核發(fā)生核反應，僅產(chǎn)生

的兩新粒子（分別標記為1、2）,沿垂直磁場方向運動，形成的軌跡如圖所示，兩粒子的速率為巧、

生，電荷量為公、外，軌跡半徑為廠八r2,兩軌跡半徑比為勺72=12:1。下列關于該核反應說法正

A.該核反應為裂變反應

B.該核反應為a衰變

C.兩粒子的電荷量之比=1：12

D.兩粒子的速率之比vi：v2=12:1

【考向12］（多選）靜止在勻強磁場中的豺8u核發(fā)生a衰變，產(chǎn)生一個a粒子和一個未知的粒子

X,它們在磁場中的運動軌跡如圖所示，下列說法正確的是（）

A.該核反應方程為豺8u-豺4x+犯e

B.a粒子和X粒子在磁場中做圓周運動時轉動方向相反

C.軌跡1、2分別是a粒子、X粒子的運動軌跡

D.a粒子、X粒子運動軌跡半徑之比為45：1

【考向13】（多選）在勻強磁場中靜止著一個原子核。X,某一時刻發(fā)生了一次衰變放出某種粒子,

放出的粒子與生成的新核在與磁場方向垂直的平面內(nèi)做勻速圓周運動，得到粒子與新核的軌跡是外

切圓，如圖所示，已知磁感應強度大小為3,方向垂直紙面向里，粒子的質(zhì)量為加，電荷量為多粒

子做圓周運動的半徑為凡以下說法正確的是（）

XXXX

A.放出的粒子是￡粒子，對應的軌跡是大圓，粒子和新核繞行的方向均為順時針

B.放出的粒子是a粒子，對應的軌跡是大圓，粒子和新核繞行的方向均為逆時針

C.若新核與粒子的軌道半徑之比為1：43,則X核中的質(zhì)子數(shù)Z=86

D.衰變后產(chǎn)生的新核做圓周運動的速率為〃=

應考點剖析理重點

考點4：核力與核能計算

1.核力及基本相互作用

以有

間都可

中子之

子與

、中

之間

中子

子與

、質(zhì)

之間

質(zhì)子

子與

關.質(zhì)

電無

否帶

子是

與核

核力

(1)

.

荷無關

子的電

，與核

作用

核力

作用

本相互

四種基

(2)

在一起

地結合

子緊密

使得核

力，它

種核

在一

內(nèi)，存

子核

在原

用一

相互作

短「強

四程r

種

起原

，即引

原因

子的

成質(zhì)

轉變

中子

引起

用是

互作

弱相

力-

基n

有

短，只

用的

互作

強相

程比

的力

因，它

的原

衰變

核B

一子

作用

相互

_奧

本J

m

10"

I

相