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
第一节：
原子的核式结构、原子核（2课时）
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。
第一课时
一、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。
二、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
第二课时
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）
第二节：
天然放射现象（1课时）
教学目的：
1、知道天然放射现象
2、说出三种射线的特点
3、说明α衰变、β衰变的规律，会写衰变方程。
4、知道半衰期的概念
教学重点:
（1）三种射线的性质；
（2）原子核的衰变方程；
（2）※半衰期及有关计算。
原子核
电子
教学过程：
（一）引入新课：
原子原子核、电子是组成物质的最小微粒？
（二）新授
1、天然放射现象：
物质放射出α射线、β射线、γ射线的性质，叫做放射性，具有放射性的元素叫放射性元素。
1896年法贝克勒耳首先发现天然放射现象，后居里·夫妇发现钋PO和镭Ra。
2、三种射线的本质及特性：
（将射线放入强磁场中的研究）
α射线：
氦核流速度约为光速的1/10。
贯穿本领最小，但有很强的电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光的作用也很强；
β射线:
高速运动的电子流。
速度接近光速，贯穿本领很强。
很容易穿透黑纸，甚至能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱。
γ射线：
为波长极短的电磁波。
性质非常象Ｘ射线，只是它的贯穿本领比Ｘ射线大的多，甚至能穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。
3、放射性元素的衰变：
原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。
常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变叫α衰变，放出β粒子的衰变叫β衰变，γ射线是随着α射线或β射线的放出而产生的。
例：
（α衰变）
（β衰变）
衰变规律：
α衰变：
β衰变：
1、核反应遵从的规律①质量数守恒
②电荷数守恒
2、半衰期：
放射性元素的原子核有半数发生发生衰变需要的时间叫半衰期。
半衰期与放射性元素的物理化学状态无关，只由核的内部因素决定，不同的元素有不同的半衰期。
（三）小结：
天然放射现象的本质是核的衰变，核衰变时遵从衰变规律，且有半衰期。
要记住各种射线的本质。
（四）课堂练习：
练习三：
（1）、（3）
（五）作业：
练习三：
（2）、（4）
第四节、放射性的应用和防护（1课时）
一、核反应
衰变是原子核的自发变化，科学家更希望人工控制原子核的变化。
当初卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，产生了氧的一种同位素－－氧17和一个质子，即
147N＋42He 168O＋11H
那是人类第一次实现的原子核的人工转变。
不仅用α粒子、用质子、中子甚至γ光子去轰击一些原子核，都可以实现原子核的转变，通过这种方式可以研究原子核的结构，发现和制造新元素。
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。
与衰变过程一样，在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒。
二、人工放射性同位素
有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。
1934年，约里奥－居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝中含有放射性磷3015P，即42He＋2713Al 3015P＋10n
自然界没有天然的3015P，它是通过核反应生成的人工放射性同位素。
在这之前人们只知道有铀、镀、镭、钋等天然存在的放射性元素，这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。
天然放射性元素不过四十多种，而今天人工制造的放射性同位素已达1000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。
丰富的放射性同位素资源，使它在国民经济和科学研究的各个领域得到了广泛的应用。
与天然放射性元素相比，人造放射性同位素的放射强度容易控制，还可以制成各种所需的形状。
特别是，它的半衰期比天然放射性物质短得多，因此放射性废料容易处理。
由于这些优点，凡是用到射线时，用的都是人造放射性同位素，而不是天然放射性物质。
三、放射性同位素的应用
工业部门可以使用射线来测厚度。
例如轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪，仪器探测到的γ射线强度和钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。
因此，将射线测厚仪接收到的信号输入计算机。
就可以对钢板的厚度进行自动控制。
有些办公室、酒店的天花板上，安装用来报告火警的“烟雾报警器”。
烟雾报警器的赫兹分为两个小室，一个是密封的，另一个是开放的，与室内空气相同。
放射源置于盒的中央，它会使来两个小室中的空气电离，电离后的空气能够导电。
相同的电压加在两个小室上，通过两个小室的电流相等。
发生火警时，烟雾进入开放的小室，辐射源使其中的离子浓度增加，导电能力变强，两个小室中的电流就失去平衡，继而触发警铃。
在医疗方面，患了癌症的病人可以接收钴60的放射治疗。
为什么射线能够用于治疗癌症呢？
原来人体组织对射线的耐受能力是不同的，细胞分裂越快的组织，它对射线的耐受能力就越弱。
像癌症细胞那样，不断迅速繁殖的、无法控制的细胞组织，在射线照射下破坏得比健康细胞快。
利用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生变异，从而培育出新的优良品种。
用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。
一种放射性元素的原子核，跟这种元素其他同位素的原子核具有相同数量的质子，因此核外电子的数量也相同。
由此可知，一种元素的各种同位素都有相同的化学性质。
这样，我们可以用放射性同位素代替非放射性的同位素来制成各种化合物，这种化合物的原子跟通常的化合物一样参与所有化学反应，但却带有“放射性标记”，可以用仪器探测出来。
这种原子就是示踪原子。
桃花在开花、接桃的时候需要较多的磷肥，把磷肥喷在棉花叶子上，磷肥也能被吸收。
但是，什么时候的吸收率最高、磷在作物内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等，用通常的方法很难研究。
如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花的叶子上，然后每隔一定时间用探测器测量面株各部位的放射性强度，上面的问题就很容易解决。
人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后聚集在甲状腺内。
给人注射碘的同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及临近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的疾病。
四、辐射与安全
人类从来就生活在有放射性的环境之中。
例如，地球上的每个角落都有来自宇宙的射线，我们周围的岩石，其中也有放射性物质。
我们的日常生活中，有的也具有放射性，例如一些夜光表上的荧光粉就含有放射性物质。
平时吃的食盐和有些水晶眼镜片中含有钾40，香烟中含有钋210，这些也是放射性同位素。
体检时还会做X射线透视，这更是剂量比较大的照射。
不过这些辐射的强度都在安全剂量之内，对我们没有伤害。
然而过量的射线对人体组织有破坏作用，这些破坏往往是对细胞核的破坏，有时不能马上察觉。
因此，在使用放射性同位素时，必须注意人身安全，同时要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
五、核反应核能（1课时）
教学目标
1.让学生知道什么是原子核的人工转变，什么是核反应，如何用核反应方程表示核反应。
2.知道质量亏损的概念并会计算。
理解爱因斯坦质能方程的物理意义，并能计算核。
3.培养学生的理解能力、推理能力及数学计算能力。
4.通过学习，让学生体验科学家进行探索实验、抽象概括、推理判断的基本方法。
5.培养学生尊重客观、热爱科学的精神。
6.使学生树立起实践是检验真理的标准、科学理论对实践有着指导和预见的作用的观点。
教学重点、难点分析
核反应方程是本节课的一个重点，教师要引导学生按照质量数守恒和电荷数守恒的规律以及有关原子核与粒子的书写规则正确的写出核反应方程。
在这个知识点的教学中，应当引导学生感受查德威克是怎样发现中子的。
质能方程是本节课的第二个重点，也是难点。
教师可以让学生了解质量亏损的概念与计算方法，然后讨论质能方程的物理意义，教师对此应当作出正确的解释，帮助学生认识质能方程蕴含的物理思想，并通过阅读与训练，指导学生掌握计算核能的基本方法。
其中物理单位也属于一个相对难点，应让学生记住、会用。
教师：
制作如下幻灯片：
①卢瑟福发现质子的实验装置图及操作过程文字说明。
②查德威克发现中子的示意图。
③核反应方程
N+
He→
O+
H
Be+
He→
C+
n
④思考讨论题组<一>、<二>。
⑤质能联系方程
⑥核电站照片与数据。
⑦课堂练习题<一>、<二>。
⑧课堂小结。
学生：
阅读有关核能方面的科普书籍，上网查询或下载一些有关核反应、核研究、核能的开发与利用的资料。
教学过程
○问题情景呈现，导入新课
师：
播放投影1：
大亚湾核电站外观图及核反应堆；数据：
1kg铀235燃烧释放出的原子核能相当于2500吨优质煤燃烧时放出的热量，只需几千克铀235就足够上海市24小时的耗能供应。
播放投影2：
卢瑟福在1919年，首先发现质子的实验装置图，第一次实现了原子核的人工转变。
在原子核的转变中，遵守哪些规律？
如此巨大的核能是从哪里来的呢？
这是我们在本节课将要学习和探究的新问题。
五、核反应核能
○新课教学
师：
请同学们阅读教材，然后回答以下问题。
师：
板书〈一〉核反应，投影简答题组〈一〉
⑴什么是原子核的人工转变？
⑵什么是核反应？
为什么说原子核的人工转变是核反应的一种？
你还知道哪些核反应？
⑶如何用核反应方程表示核反应过程？
在核反应中遵循哪些规律？
⑷试背写出卢瑟福发现质子的核反应方程，查德威克发现中子的核反应方程。
⑸试比较说明核反应与化学反应的本质区别。
生：
阅读有关内容后，先独立思考，然后抽查学生回答问题，互相评价，教师倾听。
点拔强调如下：
核反应是一种客观变化。
它遵守电荷数与质量数守恒两条规律。
核反应方程是对核反应过程的抽象表达。
核反应是原子核的变化，结果是产生了新的元素，“点石问金”的梦想在核反应中得以实现；而化学反应且是原子的重组，原子外层电子的得失，结果是生成了新的分子，并无新元素的产生。
师；投影练习题组<二>。
请同学们指出下列核反应方程的真伪，错误的加以纠正。
A.
N+α→
O+质子
B.
C+
He→
O+
H
C.
Be+
He→
C+γ（光子）
D.
H+
n→
H+γ（光子）
学生观察，相互讨论，指出真伪及错误所在。
同时，请四位不同能力的学生上讲台改正并讲述理由。
师：
质量数和电荷数守恒是判断核反应方程正确与否的必要条件。
但是，人们是否可以用这两个条件来编写核反应方程呢？
如果不可以的话，应该采用什么办法来确定核反应的产物，检验核反应的真伪呢？
下面我们一起体验查德威克（英）在1832年是如何发现并确定“中子”的。
（学生激起悬念，试目以待。
）
师：
投影幻灯片——中子是怎样发现的？
天然放射性元素Po放出α粒子，轰击铍（Be）原子核时，发出了一种未知射线，这种未知射线可以从石蜡（含碳）中打出质子（
H）。
那么我们如何确定这种未知射线的本质特征呢？
即确定它是否带电？
如果带电的话，带的是正电还是负电？
电荷数如何？
质量数如何？
学生分组讨论，提出初步的设想及根据，然后全班同学共同交流和比较，形成一个或几个科学而又可行的方案。
最后，教师评价，肯定、鼓励同学们表现出的热情和智慧。
对不足之处加以引导、点拨、纠正。
教师归纳同学的设计并板书如下内容：
这种未知射线：
①在空气中的速度小于光速c的1/10
不是光子；
②在电场或磁场中不会偏转
不带电；
③与碳核和氢核（或其它核）发生弹性正碰，一定符合动量守恒定律和能量守恒定律。
最终结论：
未知射线是质量近似等于质子质量但不带电的基本粒子——“中子”。
刚才我们研究了核反应中生成新元素和粒子的确定方法及表达形式，下面，我们从能量的角度来分析核反应现象。
教师板书：
<二>核能的释放及计算
师：
朗读教材，板书：
1.核能——核反应中释放的能量。
核能是从哪里来的？
学生阅读教材后，独立思考上述问题，教师倾听、询问、了解学生提出的各种疑问，然后启发讲解，投影如下内容：
爱因斯坦质能方程：
E=mc2中，E表示物体的能量，m表示物体的质量，c表示真空中的光速。
①物体具有的能量与它的质量成正比，物体的能量增大了，质量也增大；能量减小了，质量也减小。
②任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量。
由于c2非常大（9×1016m2/s2），所以对质量很小的物体所包含（或具有）的能量是非常巨大的。
对此，爱因斯坦说过：
“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多。
”所以质量于能量实质上是相象的，它们只不过是同一事物的不同表示。
③在国际单位制中，E、m、c的单位分别取J、kg和m/s。
④由E=mc2得△E=△m·c2，其蕴含着怎样的意义？
△m表示物体的质量亏损，△E表示与△m相当的能量。
如果物体的能量减小了△E，即向外释放△E的能量，它的质量就会亏损△m=
。
理论和实验都表明，只有在核反应中，才可能发生质量亏损，因而伴随着巨大的能量向外辐射。
例如，在中子和质子结合成氘核的过程中，由于发生了质量亏损，从而释放出了2.2MeV的核能。
生：
仔细阅读教材及旁批内容。
师生共同归纳计算核能的思路和步骤。
教师板书如下内容：
2.核能的计算步骤：
首先，写出正确的核反应方程。
其次，计算核反应前后的质量亏损△m。
然后，根据质能方程△E=△m·c2，计算核能。
注意的几个问题：
①记住以下单位换算关系
1MeV=106eV
1eV=1.6022×10-19J
1u（原子质量单位）=1.6606×10-27kg
②1u相当于9351.5MeV的能量（自己证明），这是计算核能经常用导的关系。
③如果在某些核反应中，物体的能量增加了，说明核反应中物体的质量不是亏损，而是增加了。
例如，把氘核分解成独立的中子和质子时，应从外界吸收2.2MeV的能量。
即2.2MeV+
H→
n+
H
④△m实际是物体静止质量的亏损。
在相对论中，当物体的运动速度接近光速时，物体的质量，将随着速度的变化而变化（增大了）。
【教学设计说明】
本节的内容比较抽象，核能及质量亏损的计算繁、难。
但是，教学大纲要求较高，应予重视。
在教学设计上真正体现以学生发展为主的教育理念。
本节内容属于本章的中心内容，承上启下，地位重要。
既要重视基本概念、规律的指导学习，又要通过中子发现等重要实验学习，培养学生的探究意识和人文精神。
采用“问题驱动与探究”的模式可以实现较为满意的效果。
质能方程不仅适用于原子核的人工转变，还适用于衰变、裂变、聚变。
另外，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成的新核和粒子的动能，因而可利用动量守恒和能量守恒定律来计算核能。
六、裂变
学习目标
（1）知道重核的裂变
（2）知道链式反应
（3）知道原子弹原理，知道核反应堆和核电站
知识要点：
1．铀核的裂变：
重核的核子平均质量大于中等质量的核的核子平均质量，因此重核分裂成中等质量的核（叫裂变）时，会有一部分能量放出来。
这种由核结构发生变化而放出的能叫做核能，也叫原子能。
铀核的裂变产物是多样的，在其裂变过程中可以得到多种放射性同位素：
U+
n→
Ba+
Kr+3
n+201MeV
U+
n→
Xe+
Sr+2
n
Xe
Cs
Ba
La
2．链式反应：
使裂变反应不断地进行下去叫链式反应。
3．核反应堆：
原子反应堆不仅可以提供强大的原子能，而且它产生的大量中子，还可以进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素，利用反应堆还可以生产新的燃料。
考点解析：
【例1】一个铀235原子核俘获一个中子后，裂变为氙139和锶94，同时放出三个中子.写出核反应式并算出一个铀核在这次裂变中释放的核能.已知mU=235.04391u，mXe=138.91844u，mSr=93.91547u，mn=1.008665u.
【分析】核反应方程应遵循质量数守恒，电荷数守恒.根据核反应中的质量亏损，由爱因斯坦质能方程即可算出所释放的能量.
【解】裂变反应为
反应中的质量亏损为
△M=（mu+mn）-（mXe+mSr＋3mn）
=（235.043941＋1.008665）u-（138.91844+
93，91547+3×1.008665）u=0.1927u，
所以一个铀核裂变释放的核能为
△E=△mc2=0.1927uc2
=0.1927×931.5MeV
≈180MeV.
【例2】根据上题的数据，如果1kg铀完全裂变可释放多少能量？
相当于多少热值为2.93×107J/kg的煤所释放的能量？
【分析】根据1kg铀中所含铀核的个数，利用上题数据，即可算出共释放的能量.将它除以煤的热值，即得煤的质量数.
【解】1kg铀中含有的铀核数为
所以1kg铀完全裂变共释放的能量为
E=N△E=2.563×1024×180MeV=4.61×1026MeV
=4.61×1026×1.6×10-19×106J
=7.376×1013J
相当于煤的质量为
＝2517t.
【说明】由计算可知，核能十分巨大.开发和利用核能有极为重要的意义.
铀235原子核的摩尔质量为235g/mol.
扩展资料
原子弹
如果铀235的体积超过了它的临界体积，只要中子进入铀块，立即会引起铀核的链式反应，在极短的时间内就会释放出大量的核能，发生猛烈的爆炸．原子弹就是根据这个原理制成的．图中所示弹构造示意图，弹壳里装着分开放置的高浓度铀235，每块的体积小于临界体积，因此不会爆炸，铀块外面包着一层能够反射中子的物质（如铍），叫做中子反射层，以减少跑出铀块的中子，当铀块后面的普通炸药爆炸时，火药燃烧后气体把分开的铀块压到一起，由于空气中有游离的中子，铀核自发裂变也能产生一些中子，这样，超过临界体积的铀块立即发生链式反应产生猛烈爆炸．
第七节、核聚变（1课时）
一、核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应称之为核聚变。
从比结合能的图线中看，聚变后比结合能增加，因此反应中会释放能量。
例如，一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量为3MeV以上，比裂变反应每个核子释放的能量大3－4倍。
这时的核反应方程为：
31H＋21H 42He＋10n＋17.6MeV
要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15m以内，核力才能起作用。
由于原子核都带正电，要使他们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑力。
也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。
什么办法能使大量原子核获得
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