第二十二章原子核.docx
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第二十二章原子核
第二十二章原子核
一、原子的核式结构原子核
教学目的：
1、使学生掌握α粒子散射实验的结果和由此而提出的原子的核式结构学说。
2、根据α粒子散射实验，否定了汤姆生的原子模型，确立了原子的核式结构学说，使学生更好地理解实验和理论的关系，了解原子物理的研究方法是在实验的基础上进行科学分析。
3、培养学生由现象的分析而归纳结论的逻辑推理能力，提高学生的阅读能力和表达能力。
4、通过对原子结构的认识过程的学习，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断定扩大和加深的，从而进行辩证唯物主义教育。
引入新课
个绍本章的中心内容和学习方法
这章是高二物理的最后一章，包括原子结构、原子核的组成和原子能等内容。
原子是微小的，无法直接观察它的内部结构，实验中研究原子的有效办法是利用高能粒子去碰撞原子，引起某些可能观察到的现象，从分析这些现象的过程中逐步探索认识原子的内部结构和规律。
在这一章中重点讲述了人类是在哪些实验基础上认识原子结构和原子核组成的。
怎样在实验与理论的相互推动下，使认识不断发展不断深入的。
这一章的特点是内容较抽象，缺少实验演示，定性说明多。
同学们学习本章时要发挥想象力，要重视概念和理论的实验基础，以及理论的产生过程。
要掌握有关的计算问题，学习科学家的思维过程。
讲授新课
1、19世纪末以前，人们认为原子是不可再分的。
公元前5世纪，希腊哲学家提出物质是由不可分的微粒（原子）组成的。
不过没有实验根据。
一百多前，人们从化学实验中知道，物质由分子组成，分子由原子组成。
因在化学反应中原子的种类和数目不变，使人们认为原子是组成物质的最小微粒，是不能再分的。
2、电子的发现。
（1）介绍阴极射线：
在封闭的玻璃管内有两个电极，抽出管内的空气（压强在10-2mmHg以下）。
当两极间加高压时，从阴极发出一种射线叫阴极射线，它能使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。
在19世纪70年代已有人提出它是带负电的粒子流，但实验证据不足。
（2）1897年英国科学家汤姆生利用阴极射线在电场中和磁场中的偏转的实验证明了阴极射线是带负的的粒子流。
（3）1897年汤姆生进一步测定了阴极射线粒子的荷质比e/m，发现不同物质组成的阴极发出的射线都有相同的e/m值。
表明这种带电粒子是一切不同元素的原子的共同组成部分，称它为电子。
汤姆生测得电子的荷质比e/m约是氢离子荷质比的二千倍，又测得二者电量基本相同，由此可知电子的质量约是氢离子质量的二千分之一，电子比原子的质量小得多。
电子的发现证明了原子是可分的
后来发现光电效应等都从物质原子中击出了电子。
3、汤姆生原子模型。
原子内有带负电的电子，但原子是中性的，所以原子里必定还有带正电的部分，并且正电荷的总量和电子的总电量必定相等，那么它们是怎样组成的原子的呢？
20世纪初科学家们提出了很多种原子模型。
其中最有影响的是汤姆生模型。
但后来被一个新的实验事实否定了，而卢瑟福却根据这一实验事实提出了原子的核式结构学说。
{让学生阅读课本第九章第一节，汤姆生模型和α粒子散射实验装置和实验结果}
提问学生：
汤姆生模型是什么样的？
让学生在黑板上画出示意图
4、α粒子的散射实验。
（1）1909-1911年英国物理学家卢瑟福和他的助手盖革，学生马斯登等做了用α粒子轰击薄金箔的实验。
α粒子：
带正电，电量是电子电量的2倍，质量约是氢原子的4倍，约是电子质量的7000倍。
从放射性元素中放射出来的α粒子动能很大，射出速度达107米/秒，α粒子打到荧光屏上能产生一个闪烁的亮点，可用显微镜观察。
（2）介绍α粒子散射实验装置各部分的名称和作用。
放射源：
钋放在带小孔的铅盒中，能放射α粒子。
金箔：
厚度极小，可至1微米（虽然很薄但仍有几千层原子）。
显微镜：
能够围绕金箔在水平面内转动。
荧光屏：
玻璃片上涂有荧光物质硫化锌，装在显微镜上。
（3）介绍实验过程：
①、钋放出的α粒子从铅盒小孔射出，形成很细的束射线，射到荧光屏上产生闪光，通过显微镜观察。
②、放上金箔F，观察α粒子穿过金箔打到荧光屏上发出的闪光。
③、转动显微镜和荧光屏，在不同偏转角θ处观察，可看到α粒子的散射现象。
（4）介绍实验结果（可由学生回答）
1、绝大数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转。
2、散射的α粒子的数目随着θ角的增大而很快地减少。
有极少数α粒子的偏转角θ超过了900，有的甚至几乎达到1800，象是被金箔弹回来。
（5）汤姆生原子模型不能解释α粒子的散射实验结果中的大角度散射现象，因而被否定。
（6）为了解释α粒子的散射实验结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：
在原子的中心有一个很的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。
思考：
①用原子的核式结构学说解释：
α粒子的散射实验中为什么绝大多数α粒子仍沿原方向前进，只有极少数发生大角度偏转？
②为什么卢瑟福认为电子一定要绕核旋转？
作业：
P260
（1）
（2）
二、天然放射现象衰变
教学目标
1.了解“天然放射现象”，知道放射现象的实质是原子核的衰变；
2.知道三种天然放射线的基本性质；
3.掌握原子核衰变规律，理解半衰期概念.
4.能够熟练运用核衰变的规律写出核衰变的核反应方程；
5能够利用电场或磁场分离和鉴别三种天然放射线.
6、通过介绍天然放射性的发现过程，以及有关科学家的业绩，对学生进行科学精神与唯物史观的教育.
教学重点：
三种射线的性质及原子核的衰变规律.
教学难点：
半衰期的概念.
教学方法
本节采用学生自学与教师点拨相结合的教学方法，以培养学生的阅读理解、归纳总结能力，进而提高学生的自学能力.
教学用具：
投影仪及投影片.
教学过程
引入新课
既然原子是可分的，是由原子核和核外电子组成.那么原子核呢？
它能否再分呢？
人们是如何认识它的？
这就是本节课要研究的问题——天然放射现象原子核的衰变
新课教学
（一）天然放射现象
阅读本节教材，回答下列问题：
.
1、什么是天然放射现象？
天然放射线有哪几种？
其性质如何？
天然放射现象：
某些物质自发地放射出看不见的射线的现象.
说明：
（1）物质自发放射射线的性质，叫放射性.
（2）放射性是某些物质的天然存在的客观属性，与任何外界因素无关.
（3）具有放射性的元素叫放射性元素.
（4）放射线是直接用肉眼看不见的，必须借助于专门的仪器来观察（第三节专门学习）.
2、利用什么方法可以将天然放射线分离开来，并加以鉴别？
你还能想出与课本上不同的方法吗？
天然放射线的分离及其鉴别
方法一：
利用磁场（图22—5）
方法二：
利用电场（图22—6）
3、试列表比较各种放射线的质量、电荷、贯穿本领和电离本领.
天然放射线的性质及其比较.（投影）
说明电离本领和贯穿本领之间的关系：
α粒子是氦原子核，所以有很强的夺取其他原子的核外电子的能力，但以损失动能为代价换得原子电离，所以电离能力最强的α粒子，贯穿本领最弱；而γ光子不带电，只有激发核外电子跃迁时才会将原子电离，所以电离能力最弱而贯穿本领最强.
介绍或让学生上网查阅法国物理学家贝克勒耳发现天然放射现象的经历，以及贝克勒耳为了试验放射线的性质，用试管装入含铀矿物插在上衣口袋中被射线灼伤，早期核物理学家多死于白血病（放射病）的故事.从而学习科学家为科学而献身的精神.
4、元素的放射性是原子的性质还是原子核的性质？
放射性的发现有何重要意义?
放射性的特点、本质及其意义
特点：
与元素所处的化学状态无关
本质：
是原子核的性质，而不是原子的性质
意义：
表明原子核是可以变化的，原子核也有其内部结构
（二）原子核的衰变
思考：
1、放射性元素的原子核在放出α或β射线后，其自身发生什么样的变化？
举例说明.
原子核的衰变：
某种元素原子核自发地放出射线粒子后，转变成新的元素原子核的现象.
例：
α衰变：
23892U→23490Th+42He
β衰变：
23490Th→23491Pa+0-1e
2、什么叫原子核的衰变？
原子核的衰变有哪几种情况？
原子核衰变过程遵循什么规律？
衰变规律：
电荷数、质量数、能量和动量都守恒
α衰变规律：
MZX→M-4Z-2Y+42He（衰变产生的新核质量数减4，电荷数减2）
说明：
在放射性元素的原子核中，由于两个中子和两个质子结合的比较紧密，往往会作为一个整体从较大的原子核中被放射出来而形成α衰变.
β衰变规律：
MZX→MZ+1Y+0-1e
（衰变产生的新核质量数不变，电荷数加1）
说明：
原子核
内虽然没有电子，但核内的的质子和中子是可以相互转化的.当核内的中子转化为质子时同时要产生一个电子（10n→11H＋0-1e），这个电子从核内释放出来，就形成了β衰变.
3、原子核在放出γ射线的过程中是否会发生衰变？
为什么？
γ辐射不引起原子核衰变
说明：
γ射线是由于原子核在发生α衰变和β衰变时原子核受激发而产生的光（能量）辐射，通常是伴随α射线和β射线而产生.
（三）半衰期
思考：
放射性元素的衰变的快慢有什么规律？
用什么物理量描述？
由大量原子构成的放射性物质，其原子核的衰变应遵从一定的统计规律.实验表明放射性元素衰变的速率（即单位时间发生衰变的核数目）与其核的总数目成正比.随着放射性元素的衰变，其衰变速率越来越慢，但对某一种放射性元素来说，从某一时刻开始其原子核衰变掉一半所用的时间是一定的，物理学上把这个时间叫放射性元素的“半衰期”，用它来表示放射性元素衰变的快慢.
1.定义：
放射性元素的原子核衰变掉一半所用时间，叫放射性元素的半衰期.
2.衰变规律：
m＝（1/2）nm0或m/m0＝（1/2）n
m0－放射性元素的原有质量；m－经过n个半衰期的时间后剩余的放射性元素的质量
如：
氡222（α衰变）→钋218的半衰期为3.8天，即大约每过3.8天就有一半的氡发生了衰变，经过第一个半衰期（3.8天）剩有一半的氡，经过第二个半衰期（3.8天），剩有1/4的氡，再经过第三个半衰期（3.8天）剩有1/8的氡……如图22—7所示
3.决定半衰期的因素：
由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关.
如：
镭226→氡222的半衰期为1620年
铀238→钍234的半衰期为4.5亿年
（四）课堂巩固训练
［例1］平衡下列衰变方程：
23492U→23090Th+（）
23490U→23491Pa+（）
答案：
42He,0-1e
［例2］钍232（23490Th）经过________次α衰变和________次β衰变，最后成为铅208（20882Pb）.
答案：
6，4
小结
本节研究了天然放射现象及其本质，放射性是物质的一种天然属性，其实质是原子核发生衰变.天然放射线有三种：
α射线、β射线和γ射线.其性质分别是高速运动的氦核流、电子流和光子流.原子核衰变的快慢用半衰期表示，它是放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间，完全由原子核自身的性质决定.
布置作业
练习二3，5
四放射线的应用与防护
教学目标
1、放射性同位素有哪些应用
2、简单的放射性防护措施
教材重点及难点：
放射性同位素有哪些应用
简单的放射性防护措施
教法方法：
学生自学：
学生阅读课本，并总结出放射线的各种应用和防护措施．
扩展资料
居里夫妇与放射医学
放射治疗始于19世纪末。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴在他的实验室里偶然发现了X射线，这种射线能穿透可见光不能穿透的物质，并能使照相底片感光，使荷电体放电。
X射线的发现揭开了人类向原子世界进军的序幕。
1896年法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质时，发现了从铀盐中发射出的射线，这种射线与伦琴射线具有相似的性质，从而证实了铀本身亦有放射性。
1898年，法国科学家皮埃尔·居里和夫人玛丽·居里共同发现了外和镭。
居里夫人于1910年分离出金属元素镭。
此后各种放射性物质被不断发现。
由于放射线具有极强的穿透力，人们马上想到它的医学作用，并做了大量的实验性研究。
20世纪前夕，已用放射治疗治愈了浅层癌和各种皮肤病，但由于不了解射线的危险且几乎是迷信于射线的“刺激”性质，因而导致了多年在诊断，治疗和整容方面不加选择地过量照射。
早期的X射线发生装置是简单而粗糙的。
用感应线圈来给X射线管提供能源，后者常常是无防护的，向所有的方向发射线。
美国的丹尼斯医生于1896年4月报道了他的一位同事在照射后发生了脱发。
正是由于这一报道，维也纳的费莱温德医生才首次合理地应用X射线，于1897年治疗了一例良性发痣。
首次应用放射治疗癌症早在1896年1月，当时芝加哥一位物理学家声称他治疗了一例乳腺癌。
1920年200千伏的X射线装置已供使用，开始了深层X射线治疗的时代。
20世纪初已见到镭用于宫颈癌的治疗，以及放在管中植入恶性肿瘤中用于治疗。
同时将由镭释放出的放射性气体氡收集于黄铜管中用于治疗。
1924年由费勒介绍的将含有氡的金粒永久植入的方法，很久以后才被固体放射性金粒所取代。
1934年，皮埃尔·居里的女儿伊莲娜·约里奥·居里和她的丈夫弗雷德里克·约里奥一起发现了人工放射性，放射性疗法才成为放射诊断学的一个独立分科。
消除肿瘤需要足够强的放射线，制造射线发射装置是关键。
第一台发射放射线的装置，用了25万伏的高压电。
1936年，一台100万伏特的放射线发射装置在英国投入使用，它是只有一只X射线管，重达12吨的庞然大物。
后来用直线加速器代替了这个笨重的装置。
现在所使用的同步加速器和磁电感应加速器比直线加速器的加速能力大了15倍。
随着放射装置的改进，运用X射线的透视范围也由原来的骨科检查推广到了呼吸，消化，循环，神经等人体系统，并形成了以X射线透视方法为主要内容的放射学。
随着放射物理学，工程学和技术方面的进展，放射性疗法的应用也在不断地扩大和深入，同时由于放射病理学研究的发展，使这种疗法逐渐变得安全可靠了。
现在，放射性疗法已成为治疗恶性肿瘤的主要手段之一。
主要是X射线治疗和镭治疗，亦有用放射性同位素进行腔内或组织间治疗，还有用高速发射的电子，中子和质子等作为放射源的。
由于放射线对人体有或多或少的损害，使用时须慎重。
人工放射性同位素的发现
1934年，约里奥·居里和伊丽芙·居里在用
粒子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子（
），正电子的质量跟电子相同，所带电荷与电子相反，为一个单位的正电荷，更意外的是，拿走
放射源后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期．原来，铝核被
粒子击中后发生了下面的反应
Al
He
P
反应生成物
P是磷的一种同位素，也有放射性，像天然放射性元素一样发生衰变，衰变时放出正电子，核衰变方程如下：
P
Si
用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现．后来人们用质子、氘核、中子和
光子轰击原子核，也得到了放射性同位素．天然放射性同位素只有40几种，而今人工制造的放射性同位素已达1000多种．最近，我们科学家用人工方法获得四种超重质量的放射性同值素：
铂202，汞208，铪185和可裂变的材料钍237．
放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面都得到了广泛的应用．
探究活动
题目：
怎样利用放射性同位素
组织：
个人
方案：
科技小论文
评价：
论文的科普性
典型例题
——关于放射线的说法
例题：
下列关于放射线的说法中不正确的是
A、放射线可以用来进行工业探伤
B、放射线可以使细胞发生变异
C、放射同位素可以用来做示踪原子
D、放射线对人体无害
答案：
D
五、核反应核能
教学目标
1.知道原子核的人工转变及核反应的概念和规律.
2.理解核能的概念，知道核反应中的质量亏损.
3.知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系.
4、会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能.
5、认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义.
教学重点
核能的概念.爱因斯坦的质能方程.
教学难点
质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解.
教学方法
本节以教师讲授为主，辅之以学生课堂练习.先从原子核的天然衰变引出原子核的人工转变，进而引入核反应的概念，总结出核反应遵从的规律；从核反应中的γ辐射引入核能的概念，再从核反应中的质量亏损引出爱因斯坦质能关系，最后说明在核反应中释放能量与质量亏损密切相关，给出公式ΔE＝mc2再通过学生的课堂练习加以巩固.
教学过程
引入新课
思考：
放射性的本质是什么？
原子核的天然衰变.那能否利用人工方法使原子核发生变化呢？
本节课就来研究原子核人工转变所产生的核反应以及所引起的能量变化——核能.
新课教学
（一）核反应
思考：
如果要人工转变原子核，那用什么办法呢？
用类似于炮弹的东西去轰击它，看能否把它敲开.
尽管α、β、γ粒子的速度很大，但它们的质量很小，能量也较小，它们与原子核作用时一般不能引起原子核的转变，而α粒子由于质量和能量较大，它与原子核作用时很容易使原子核发生转变，因此通常用α粒子作为“炮弹”轰击原子核就可以使原子核实现人工转变.这个过程就是一种核反应.
1.定义
在核物理学中,原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程,称为核反应.
2.原子核的人工转变
（1）卢瑟福发现质子的核反应（1919年）
147N+42He→178O+11H（质子）
（2）查德威克发现中子的核反应（1932年）
94Be+42He→126C+10n（中子）
在上面两个核反应中，反应前后反应物与生成物的核电荷数及质量数有什么关系？
反应物与生成物的核电荷数及质量数总和不变，即守恒.
3.核反应遵循的规律：
质量数和电荷数都守恒
在核反应中虽然质量数守恒，但反应前后原子核的总质量并不守恒.
科学家研究证明，氘核虽然由一个中子和一个质子组成，但氘核的质量并不等于一个中子和一个质子的质量之和，精确计算表明：
氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些，这种现象叫做质量亏损，只有在核反应中才能明显的表现出来.
4.核反应的特点：
存在质量亏损
核反应前后原子核的质量之差叫做质量亏损（用Δm表示）
我们知道，在化学反应中往往要伴随吸热或放热，这引起分子或原子的能量发生变化，这种能量就是我们通常所说的化学能.在核反应中也伴随能量的变化，这种能量就是核能，它要比化学能巨大的多.
例如：
一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出2.2MeV的能量，这个能量以γ光子的形式辐射出去.而两个氢原子结合成氢分子释放的化学能只不过几个电子伏.
（二）核能
1.什么是核能？
与核反应相联系的一种能量.
2.核能的特点：
（1）与原子核的变化相联系，只有在核反应中才能体现出来.
（2）核能是非常巨大的.属于非常规能源.
在核反应中既伴随巨大能量的释放，又伴随一定的质量亏损，这说明质量与能量之间有某种联系，爱因斯坦的相对论回答了这个问题.
3.爱因斯坦质能方程
相对论指出，物体的能量（E）和质量（m）之间存在着密切的关系，即
E＝mc2式中c为真空中的光速
关于质能方程的理解：
这个方程中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量.该方程表明：
物体所具有的能量跟它的质量成正比.由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的、质量为1kg的物体所具有的能量为9×1016J，这一能量相当于一个100万kW的发电厂三年的发电量.对此，爱因斯坦曾说过：
“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多.”
物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？
从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系：
ΔE=Δmc2.
4.核反应中由于质量亏损而释放的能量：
ΔE=Δmc2
［例题］计算2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量
已知：
1个质子的质量mp=1.007277u，1个中子的质量mn=1.008665u.组成氦核的这四个核子的总质量为4.031884u，但氦核的质量为4.001509u.
这里u表示原子质量单位，1u=1.660566×10-27kg.
由上述数值，可以求出氦核的质量亏损Δm=4.031884u-4.001509u=0.030375u.
在原子核物理学中，核子与核的质量通常都是用原子质量单位表示，而核能通常用兆电子伏表示.按质能方程可以求出1u的质量亏损所释放的能量为931.5MeV，所以，2个质子和2个中子结合成氦核时释放的能量为：
ΔE=Δmc2＝0.030375×931.5MeV=28.3MeV.
［练习］（由学生自己完成）：
氘核的质量为2.013553u，由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能.
解：
mn=1.008665u，mp=1.007277u.
中子和质子的质量和：
2.015941u.
质量亏损Δm=2.015941u-2.013553u=0.002388u.
释放核能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5MeV=2.22MeV.
注意：
核能的计算中要注意单位的换算，如原子质量单位和千克的关系，焦耳和电子伏的关系.
小结
原子核既可以天然衰变，也可以人工转变，使原子核发生变化的过程叫核反应.在核反应中存在质量亏损同时伴随巨大能量的释放.这是因为自然界中物体的质量和能量间存在着一定关系：
E=mc2，可见物质世界贮藏着巨大能量.问题是，如何使贮藏的能量释放出来.人类以前利用的是燃料燃烧时释放的化学能.在发生化学反应时，是原子外层电子的得失.这种情况下，人类获取的能量可以说属于原子的“皮能”.在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得了大得多的能量.这里的变化，属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能.由前述二例可以看出，核反应中的质量亏损仍然是十分有限的.换句话说，即物体贮藏的能量是巨大的.迄今为止，人类所利用的能量还只是很小的一部分.如果，人类在探索中，能掌握新的方式，以产生更大的质量亏损，也就必然能够获得更为可观的能量.
布置作业
练习三2、3、4
六、裂变
教学目标：
1．知道重核裂变和链式反应．
2．知道核反应堆和核电站．
教学重点及难点：
重核裂变和链式反应
教学过程：
讲授：
裂变是目前世界上用来获得核能的一条重要的途径，现有的正在运营的核电站都是利用重核的裂变来获得电能的，学习时要弄清核能是经过那些能量转换环节最后转变成电能的．
本节内容主要可概括为：
（一）获得核能的途径
1．重核的裂变：
重核分裂成中等质量的核．
2．轻核的聚变：
轻核结合成质量较大的核．
说明：
衰变和原子核的人工转变（也能释放出核能）不是由于放出能量的功率太小，就是由于高能（事先获得的）粒子轰击原子核发生反应概率太小而不能作为有效的能源．
（二）铀核的裂变
1．一种典型的铀核裂变反应：
.
说明：
铀235核裂变反应的形式有很多种，上式为其中的一种．
2．链式反应：
重核裂变时，同时放出若干个中子，这些中子再引起其他重核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫链式反应．随着链式反应的不断进行，单位时间内裂变的核数目成几何数量级增加，释放能量的功率不断增大，就可获得巨大的能量．
（三）核电站
1．核电站利用核能发电，其核心设施是核反应堆．
2．我国目前运行中的核电站用慢中子反应堆，本世纪初将建立首座商用快中子反应核电站．
3．核反应快慢由
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