物理選修3-5教科版全套講義第三章原子核3-1

1原子核的組成與核力[目標定位]1.知道質子、中子的發(fā)現.2.知道原子核的組成，知道核子和同位素的概念.3.會寫核反應方程.4.了解原子核里的核子間存在著相互作用的核力.一、質子、中子的發(fā)現1．質子的發(fā)現：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核獲得了質子．這個實驗表明，可以用人工的方法改變原子核，把一種元素變成另一種元素．2．中子的發(fā)現：盧瑟福的學生查德威克通過實驗證實了中子的存在．在實驗中，他發(fā)現這種射線在磁場中不發(fā)生偏轉，可見它是中性粒子流．他又測得這種射線的速度不到光速的十分之一，這樣就排除了它是γ射線的可能．他還用這種射線轟擊氫原子和氮原子，打出了一些氫核和氮核，通過測量被打出的氫核和氮核的速度，推算出這種射線的粒子的質量跟氫核的質量差不多，并把這種粒子叫做中子．二、原子核的組成1．原子核的組成：由質子和中子組成，因此它們統(tǒng)稱為核子．2．原子核的電荷數：等于原子核的質子數即原子的原子序數．3．原子核的質量數：等于質子數和中子數的總和．4．原子核的符號：eq\o\al(A,Z)X其中X為元素符號，A為原子核的質量數，Z為原子核的電荷數．5．同位素：具有相同的質子數而中子數不同的原子核，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱為同位素，例如氫的同位素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H.三、核力1．核力：原子核里的核子間存在著相互作用的核力．核力把核子緊緊地束縛在核內，形成穩(wěn)定的原子核．2．核力特點：(1)核力是強相互作用的一種表現，在它的作用范圍內，核力比庫侖力大得多．(2)核力是短程力，作用范圍在10－15m(3)核力與電荷無關，質子與質子、質子與中子以及中子與中子之間的核力是相等的．四、核反應方程1．核反應方程的定義：在核反應中，參與反應的原子核內的核子(質子和中子)將重新排列或發(fā)生轉化．用原子核的符號來表示核反應過程的式子稱為核反應方程．2．核反應遵從的規(guī)律：核反應遵從電荷數守恒和質量數守恒，即核反應方程兩邊的質量數和質子數均是守恒的．如盧瑟福發(fā)現質子的人工核反應方程可表示為：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.預習完成后，請把你疑惑的問題記錄在下面的表格中問題1問題2問題3一、原子核的組成1．原子核中的三個整數(1)核子數：質子和中子質量差別非常微小，二者統(tǒng)稱為核子，所以質子數和中子數之和叫核子數．(2)電荷數(Z)：原子核所帶電荷總是質子所帶電荷的整數倍，通常用這個整數表示原子核的電荷數，叫做原子核的電荷數．(3)質量數(A)：原子核的質量等于核內質子和中子的質量的總和，而質子與中子質量幾乎相等，所以原子核的質量幾乎等于單個核子質量的整數倍，這個整數叫做原子核的質量數．2．原子核中的兩個等式(1)核電荷數(Z)＝質子數＝元素的原子序數＝中性原子核外電子數．(2)質量數(A)＝核子數＝質子數＋中子數．【例1】已知鐳的原子序數是88，原子核質量數是226.試問：(1)鐳核中質子數和中子數分別是多少？(2)鐳核的核電荷數和所帶電荷量是多少？(3)若鐳原子呈中性，它核外有多少電子？答案(1)88138(2)881.41×10－17C解析(1)鐳核中的質子數等于其原子序數，故質子數為88，中子數N等于原子核的質量數A與質子數Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138.(2)鐳核的核電荷數和所帶電荷量分別是Z＝88，Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.41×10－17(3)核外電子數等于核電荷數，故核外電子數為88.針對訓練1以下說法正確的是()A.eq\o\al(234,90)Th為釷核，由此可知，釷核的質量數為90，釷核的質子數為234B.eq\o\al(9,4)Be為鈹核，由此可知，鈹核的質量數為9，鈹核的中子數為4C．同一元素的兩種同位素具有相同的質量數D．同一元素的兩種同位素具有不同的中子數答案D解析釷核的質量數為234，質子數為90，所以A錯；鈹核的質量數為9，中子數為5，所以B錯；同位素是指質子數相同而中子數不同，即質量數不同，C錯，D對．二、原子核中質子和中子的比例1．核子比例關系：較輕的原子核質子數與中子數大致相等，但對于較重的原子核中子數大于質子數，越重的元素，兩者相差越多．2．形成原因(1)若質子與中子成對地人工構建原子核，由于核力是短程力．當原子核增大到一定程度時，相距較遠的質子間的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，這個原子核就不穩(wěn)定了．(2)若只增加中子，中子與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要比質子數多．(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大到其間根本沒有核力的作用，這時候再增加中子，形成的核也一定是不穩(wěn)定的．【例2】下列關于原子核中質子和中子的說法，正確的是()A．原子核中質子數和中子數一定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質子數比中子數多C．原子核都是非常穩(wěn)定的D．對于較重的原子核，由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果繼續(xù)增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的答案D解析自然界中較輕的原子核，質子數與中子數大致相等，對于較重的原子核，中子數大于質子數，越重的元素，兩者相差越多．因此正確答案選D.三、對核反應方程的認識1．常見的幾個核反應方程：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)現質子)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)現中子)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)現正電子)2．寫核反應方程時應注意的問題(1)核反應過程一般都是不可逆的，核反應方程不能用等號連接，只能用單向箭頭表示反應方向．(2)核反應方程應以實驗事實為基礎，不能憑空杜撰．(3)核反應方程遵守質量數守恒而不是質量守恒，核反應過程中，一般會發(fā)生質量的變化．【例3】完成下列各核反應方程，并指出哪個核反應是首次發(fā)現質子和中子的．(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答案見解析解析(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此核反應使查德威克首次發(fā)現了中子．(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此核反應使盧瑟福首次發(fā)現了質子．(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借題發(fā)揮書寫核反應方程四條重要原則(1)質量數守恒和電荷數守恒；(2)中間用箭頭，不能寫成等號；(3)能量守恒(中學階段不做要求)；(4)核反應必須是實驗中能夠發(fā)生的．針對訓練2以下是物理學史上3個著名的核反應方程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()A．α粒子B．質子C．中子D．電子答案C解析把前兩個方程化簡，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，結合第三個方程，根據電荷數守恒、質量數守恒可知z是中子eq\o\al(1,0)n.因此選項C正確.原子核的組成與同位素1．若用x代表一個中性原子中核外的電子數，y代表此原子的原子核內的質子數，z代表此原子的原子核內的中子數，則對eq\o\al(234,90)Th的原子來說()A．x＝90y＝90z＝234B．x＝90y＝90z＝144C．x＝144y＝144z＝90D．x＝234y＝234z＝324答案B解析質量數＝質子數＋中子數，中性原子中：質子數＝核外電子數，所以選B項．2．下列說法正確的是()A.eq\o\al(n,m)X與eq\o\al(n,m－1)Y互為同位素B.eq\o\al(n,m)X與eq\o\al(n－1,m)Y互為同位素C.eq\o\al(n,m)X與eq\o\al(n－2,m－2)Y中子數相差2D.eq\o\al(235,92)U核內有92個質子，235個中子答案B解析A選項中，X核與Y核的質子數不同，不是同位素；B選項中，eq\o\al(n,m)X核與eq\o\al(n－1,m)Y核質子數都為m，而質量數不同，所以互為同位素；C選項中，eq\o\al(n,m)X核內中子數為n－m，eq\o\al(n－2,m－2)Y核內中子數為(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子數相同；D選項中，eq\o\al(235,92)U核內有142個中子．3．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．它們的質子數相等B．若為中性原子，它們的核外電子數相等C．它們的核子數相等D．它們的化學性質相同答案ABD解析氕、氘、氚的核子數分別為1、2、3，質子數和中性原子核外電子數均相同，都是1，中子數等于核子數減去質子數，故中子數各不相同，A、B兩項正確；同位素化學性質相同，只是物理性質不同，D正確．核反應方程4．(多選)下列核反應或核衰變方程中，符號“X”表示中子的是()A.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋XB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋XC.eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239,92)U→eq\o\al(239,93)Np＋X答案AC解析根據核反應方程質量數和電荷數守恒可得．5．一質子束入射到靜止靶核eq\o\al(27,13)Al上，產生如下核反應：P＋eq\o\al(27,13)Al→X＋n式中P代表質子，n代表中子，X代表核反應產生的新核．由反應式可知，新核X的質子數為________，中子數為________．答案1413解析根據核反應過程電荷數守恒和質量數守恒，新核X的質子數為1＋13－0＝14，質量數為1＋27－1＝27，所以中子數＝27－14＝13.(時間：60分鐘)題組一原子核的組成1．(多選)關于質子與中子，下列說法正確的是()A．原子核(除氫核外)由質子和中子構成B．質子和中子統(tǒng)稱為核子C．盧瑟福發(fā)現了質子，并預言了中子的存在D．盧瑟福發(fā)現了中子，并預言了質子的存在答案ABC解析原子核內存在質子和中子，中子和質子統(tǒng)稱為核子，盧瑟福只發(fā)現了質子，以后又預言了中子的存在．2．盧瑟福預想到原子核內除質子外，還有中子的事實依據是()A．電子數與質子數相等B．原子核的質量大約是質子質量的整數倍C．原子核的核電荷數只是質量數的一半或少一些D．質子和中子的質量幾乎相等答案C解析本題考查原子核結構的發(fā)現過程．3．據最新報道，放射性同位素鈥eq\o\al(166,67)Ho，可有效治療癌癥，該同位素原子核內中子數與核外電子數之差是()A．32B．67C．99D．166答案A解析根據原子核的表示方法得核外電子數＝質子數＝67，中子數為166－67＝99，故核內中子數與核外電子數之差為99－67＝32，故A對，B、C、D錯．4．(多選)關于原子核eq\o\al(210,83)Bi，下列說法中正確的是()A．核外有83個電子，核內有127個質子B．核外有83個電子，核內有83個質子C．核內有83個質子，127個中子D．核內有210個核子答案CD解析根據原子核的表示方法可知，這種原子核的電荷數為83，質量數為210.因為原子核的電荷數等于核內質子數，等于核外電子數，對于離子則質子數與電子數可不相等，故該核內有83個質子，核外不一定有83個電子，故A、B錯誤．因為原子核的質量數等于核內質子數與中子數之和，即等于核內核子數，故該核核內有210個核子，其中有127個中子，故C、D正確．5．(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．原子核中的中子數一定跟核外電子數相等C．用α粒子轟擊氮、氟、鈉、鋁等元素的原子核都可以打出質子，因此人們斷定質子是原子核的組成部分D．絕大多數原子核的質量跟質子質量之比都大于原子核的電荷量跟質子的電荷量之比，因而原子核內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，還有帶正電的質子，故A錯；原子核中的中子數不一定跟核外電子數相等，故B錯；正是用α粒子轟擊原子核的實驗才發(fā)現了質子，故C正確；因為絕大多數原子核的質量跟質子質量之比都大于原子核的電荷量跟質子的電荷量之比，才確定原子核內還有別的中性粒子，故D正確．題組二同位素6．人類探測月球發(fā)現，在月球的土壤中含有較豐富的質量數為3的氦，它可以作為未來核聚變的重要原料之一．氦的該種同位素應表示為()A.eq\o\al(4,3)HeB.eq\o\al(3,2)HeC.eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(3,3)He答案B解析氦是2號元素，質量數為3的氦同位素為eq\o\al(3,2)He.7．(多選)eq\o\al(228,88)Ra是鐳eq\o\al(226,88)Ra的一種同位素，對于這兩種鐳的原子而言，下列說法正確的有()A．它們具有相同的質子數和不同的質量數B．它們具有相同的中子數和不同的原子序數C．它們具有相同的核電荷數和不同的中子數D．它們具有相同的核外電子數和不同的化學性質答案AC解析原子核的原子序數與核內質子數、核電荷數、核外電子數都是相等的，且原子核內的質量數(核子數)等于核內質子數與中子數之和．由此可知這是鐳的兩種同位素，核內的質子數均為88，核子數分別為228和226，中子數分別為140和138；原子的化學性質由核外電子數決定，由于它們的核外電子數相同，因此它們的化學性質也相同．題組三核力8．(多選)關于核力，下列說法中正確的是()A．核力是一種特殊的萬有引力B．原子核內任意兩個核子間都有核力作用C．核力是原子核能穩(wěn)定存在的原因D．核力是一種短程強作用力答案CD9．下列關于核力的說法正確的是()A．核力同萬有引力沒有區(qū)別，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．核力與電荷有關答案C解析核力是短程力，超過1.5×10－15m題組四核反應方程10．在下列四個核反應方程中，X1、X2、X3和X4各代表某種粒子①eq\o\al(3,1)H＋X1→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋X2③eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋X3④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4則以下判斷中正確的是()A．X1是質子 B．X2是中子C．X3是電子 D．X4是質子答案D解析根據核反應的質量數和電荷數守恒知，X1為eq\o\al(2,1)H，A錯；X2為eq\o\al(1,1)H，B錯；X3為eq\o\al(1,0)n，C錯；X4為eq\o\al(1,1)H，D對．11．用中子轟擊氧原子核的核反應方程式為eq\o\al(16,8)O＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(a,7)N＋eq\o\al(0,b)X，對式中X、a、b的判斷正確的是()A．X代表中子，a＝17，b