高中物理第十九章原子核第1节原子核的组成教学案新人教版选修35.docx
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高中物理第十九章原子核第1节原子核的组成教学案新人教版选修35
第1节原子核的组成
1．物质发射射线的性质称为放射性。
放射性元素自发地发出射线的现象，叫做天然放射现象。
2．α射线是高速氦核流，β射线是高速电子流，γ射线是光子流。
3．原子核由质子和中子组成。
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子，1932年查德威克证实了中子的存在。
4．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现天然放射现象，揭开了人们研究原子核结构的序幕。
一、天然放射现象
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性。
2．物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。
3．原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
4．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋（Po）和镭（Ra）。
二、三种射线
1．α射线：
实际上就是氦原子核，速度可达到光速的
，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2．β射线：
是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3．γ射线：
呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。
三、原子核的组成
1．质子的发现
卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子。
2．中子的发现
（1）卢瑟福预言：
原子核内可能还存在另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫做中子。
（2）查德威克用α粒子轰击铍（
Be）原子核获得了中子。
3．原子核的组成
原子核由质子、中子组成，它们统称为核子。
4．原子核的电荷数（Z）
等于原子核的质子数，等于原子序数。
5．原子核的质量数（A）
等于质子数与中子数的总和。
6．原子核的符号表示
X，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数。
7．同位素
具有相同的质子数而中子数不同的原子互称同位素。
1．自主思考——判一判
（1）放射性元素发出的射线可以直接观察到。
（×）
（2）放射性元素发出的射线的强度可以人工控制。
（×）
（3）放射性元素的放射性都是自发的现象。
（√）
（4）α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速。
（×）
（5）β射线能穿透几毫米厚的铅板。
（×）
（6）γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱。
（√）
2．合作探究——议一议
（1）是否所有的元素都具有放射性？
提示：
原子序数大于或等于83的元素都具有放射性，原子序数小于83的元素很少具有放射性。
（2）要判断三种射线是否带电以及带正电荷还是负电荷，可以用什么方法？
提示：
方法一：
让射线垂直磁场方向射入磁场，发生偏转的带电，不偏转的不带电。
对于发生偏转的射线，根据偏转方向与磁场方向和速度方向的关系，依据左手定则可以判断带正电荷还是带负电荷。
方法二：
让射线垂直电场方向射入电场，发生偏转的带电，不偏转的不带电。
对于发生偏转的射线，根据偏转方向与电场方向的关系，依据电荷受力方向与电场强度方向的关系，可以判断带正电荷还是带负电荷。
（3）同一种元素的几种同位素，它们的化学性质相同吗？
为什么？
提示：
相同。
因为同位素具有相同的质子数，所以具有相同的核外电子数，元素的化学性质取决于核外电子，所以同位素的化学性质相同。
对三种射线的研究
1．α、β、γ射线性质、特征比较
射线种类
组成
速度
贯穿本领
电离作用
α射线
α粒子是氦原子核
He
约
c
很小，一张薄纸就能挡住
很强
β射线
β粒子是高速电子流
e
接近c
很大，能穿过几毫米厚的铝板
较弱
γ射线
波长很短的电磁波
等于c
最大，能穿过几厘米厚的铅板
很小
2．三种射线在电场和磁场中的偏转
1911
（1）在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图1911所示。
位移x可表示为x＝
at2＝
·
2∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
＝
×
×
＝37。
（2）在匀强磁场中：
γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图1912所示。
图1912
根据qvB＝
得R＝
∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
＝
×
×
＝
。
3．元素的放射性
如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。
也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。
因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着一定结构。
[典例] 如图1913所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的（ ）
图1913
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
[思路点拨] 解答此题应注意以下两点：
（1）能够穿过厚纸板的只有β和γ射线，α射线无法穿过。
（2）γ射线不偏转，β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则。
[解析] R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
[答案] C
三种射线的比较方法
（1）知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。
α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种。
（2）在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。
（3）α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强。
1.如图1914所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是（ ）
图1914
A．α和β的混合放射源 B．纯α放射源
C．α和γ的混合放射源D．纯γ放射源
解析：
选C 在放射源和计数器之间加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即α粒子；在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有γ射线。
因此放射源可能是α和γ的混合放射源。
2．如图1915所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是（ ）
图1915
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
解析：
选C γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对。
3.如图1916所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域（方向如图所示）。
调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下面判断正确的是（ ）
图1916
A．射到b点的一定是α射线
B．射到b点的一定是β射线
C．射到b点的一定是α射线或β射线
D．射到b点的一定是γ射线
解析：
选C γ射线不带电，在电场和磁场中它都不受力的作用，只能射到a点，选项D错误。
调整E和B的大小，既可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qBv。
已知α粒子的速度比β粒子的速度小得多，当α粒子沿直线前进时，速度较大的β粒子向右偏转；当β粒子沿直线前进时，速度较小的α粒子也向右偏转，故选项C正确，A、B错误。
原子核的组成与数量关系
1．原子核的大小、组成和同位素
原子核
2．原子核的符号和数量关系
（1）符号：
X。
（2）基本关系：
核电荷数＝质子数（Z）＝元素的原子序数＝核外电子数。
质量数（A）＝核子数＝质子数＋中子数。
3．对核子数、电荷数、质量数的理解
（1）核子数：
质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数。
（2）电荷数（Z）：
原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数。
（3）质量数（A）：
原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作原子核的质量数。
4．同位素：
原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同。
把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。
[典例] 已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。
试问：
（1）镭核中有多少个质子？
多少个中子？
（2）镭核所带的电荷量是多少？
（3）呈中性的镭原子，核外有多少个电子？
[思路点拨]
（1）原子核的核电荷数、质子数、核外电子数具有相等的关系。
（2）原子核的质量数等于核子数。
[解析]
（1）镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138。
（2）镭核所带电荷量：
Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.41×10－17C。
（3）核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88。
[答案]
（1）88 138
（2）1.41×10－17C （3）88
原子核的“数”与“量”辨析
（1）核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。
（2）原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同。
原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
1．某种元素的原子核用
X表示，下列说法中正确的是（ ）
A．原子核的质子数为Z，中子数为A
B．原子核的质子数为Z，中子数为A－Z
C．原子核的质子数为A，中子数为Z
D．原子核的质子数为A－Z，中子数为Z
解析：
选B 根据原子核的符号的含义：
A表示质量数，Z表示质子数，则中子数为A－Z，所以B正确。
2．据最新报道，放射性同位素钬
Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是（ ）
A．32B．67
C．99D．166
解析：
选A 根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故选A。
3．（多选）下列说法正确的是（ ）
A.
X与
Y互为同位素
B.
X与
Y互为同位素
C.
X与
Y中子数相同
D.
U核内有92个质子，235个中子
解析：
选BC A选项中，X核与Y核的质子数不同，不能互为同位素；B选项中
X核与
Y核质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素；C选项中
X核内中子数为n－m，
Y核内中子数为（n－2）－（m－2）＝n－m，所以中子数相同；D选项中
U核内有143个中子，而不是235个中子。
1．关于γ射线，下列说法不正确的是（ ）
A．它是处于激发状态的原子核放射的
B．它是原子内层电子受到激发时产生的
C．它是一种不带电的光子流
D．它是波长极短的电磁波
解析：
选B γ射线是激发状态的原子核发出的波长极短的电磁波，是一种光子，故B错误。
2．两个同位素原子核的符号分别是
X和
Y，那么（ ）
A．M＝N B．A＝B
C．M－A＝N－BD．M＋N＝A＋B
解析：
选B 具有相同质子数不同中子数的同一元素互称同位素，所以A＝B。
3．原子核中能放出α、β、γ射线，关于原子核的组成，下列说法正确的是（ ）
A．原子核中有质子、中子、还有α粒子
B．原子核中有质子、中子、还有β粒子
C．原子核中有质子、中子、还有γ粒子
D．原子核中只有质子和中子
解析：
选D 在放射性元素的原子核中，2个质子和2个中子结合得较紧密，有时作为一个整体放出，这就是α粒子的来源，不能据此认为α粒子是原子核的组成部分。
原子核里是没有电子的，但中子可以转化成质子，并向核外释放一个电子，这就是β粒子。
原子核发出射线后处于高能级，再回到低能级时多余的能量以γ光子的形式辐射出来，形成γ射线，故原子核里也没有γ粒子，故D正确。
4．（多选）在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。
下列说法符合历史事实的是（ ）
A．密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B．贝可勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核
C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋（Po）和镭（Ra）两种新元素
D．卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子
解析：
选AC 密立根通过油滴实验测出了元电荷即基本电荷的数值，A项正确；贝可勒尔发现了天然放射现象，说明原子核具有复杂的结构，卢瑟福通过α粒子散射实验确定了原子的核式结构模型，B项错误；居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素，C项正确；卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮的原子核，从中找出了新的粒子，通过测定其质量和电荷，确定该粒子为氢的原子核，证实了原子核内部存在质子，D项错误。
5.（多选）如图1所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有（ ）
图1
A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B．α射线和β射线的轨迹是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
解析：
选AC 由于γ射线不带电，故不偏转，打在b点。
由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧，A、C正确，B错误；由于α粒子速度约是光速的
，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方），D错误。
6．
（1）（多选）下列描述中正确的是（ ）
A．卢瑟福的原子核式结构学说能很好地解释α粒子散射实验事实
B．放射性元素发射β射线时所释放的电子来源于原子的核外电子
C．氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后，再向低能级跃迁时放出光子的频率一定等于入射光子的频率
D．分别用X射线和紫光照射同一金属表面都能发生光电效应，则用X射线照射时光电子的最大初动能较大
（2）α射线、β射线和γ射线它们具有不同的特点，穿透能力最强的是________，电离能力最强的是________。
互称为同位素的原子核具有相同的________数而________数不同。
解析：
（1）卢瑟福的原子核式结构学说能很好地解释α粒子散射实验事实，A正确；放射性元素发射β射线时所释放的电子来源于中子转化为质子后产生的电子，B错误；氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后，再向低能级跃迁时放出光子的频率有多种，C错误；分别用X射线和紫光照射同一金属表面都能发生光电效应，X射线的频率大，则用X射线照射时光电子的最大初动能较大，D正确。
（2）α射线、β射线和γ射线中穿透能力最强的是γ射线，电离能力最强的是α射线。
质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素。
答案：
（1）AD
（2）γ射线 α射线 质子 中子
7.（多选）静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1，如图2所示，则（ ）
图2
A．α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B．原来放射性元素的核电荷数为90
C．反冲核的核电荷数为88
D．α粒子和反冲核的速度大小之比为1∶88
解析：
选ABC 由于微粒之间相互作用的过程中动量守恒，初始总动量为零，则最终总动量也为零，即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反，A正确；由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动，由qvB＝
得R＝
，若原来放射性元素的核电荷数为Q，则
对α粒子：
R1＝
对反冲核：
R2＝
由p1＝p2，R1∶R2＝44∶1，得Q＝90，B、C正确；它们的速度大小与质量成反比，故D错误。
8．（多选）质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，如图3所示为某种质谱仪的原理图，现利用这种质谱仪对氢元素进行测量。
氢元素的三种同位素从容器A的下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条光谱线。
关于三种同位素进入磁场时速度大小的排列顺序和三条光谱的排列顺序，下列判断正确的是（ ）
图3
A．进入磁场时速度从大到小的排列顺序是氚、氘、氕
B．进入磁场时速度从大到小的排列顺序是氕、氘、氚
C．a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚
D．a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕
解析：
选BD 加速过程中由动能定理得qU＝
mv2，则有v＝
，三种同位素电荷量q相同，速度的大小取决于质量的倒数，所以速度从大到小的排列顺序是氕、氘、氚，A错误，B正确；进入磁场后粒子做匀速圆周运动，由qvB＝m
，并把v代入，得r＝
，由于它们的电荷量均相同，那么氚核的偏转半径最大，所以a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕，故C错误，D正确。
9.茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁。
现有一束射线（含有α、β、γ三种射线）
图4
（1）在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线？
（2）余下的这束β和γ射线经过如图4所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。
（画在图上）
（3）用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？
（已知α粒子的质量约是β粒子质量的8000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速）。
解析：
（1）由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线。
（2）如图所示。
（3）由r＝
和题设条件可知：
α射线粒子的圆周运动半径很大，比β射线粒子大得多，在磁场中偏转量很小，几乎不偏转，故与γ射线无法分离。
答案：
（1）用一张纸放在射线前即可除去α射线
（2）见解析 （3）α粒子的圆周运动半径很大，几乎在磁场中不偏转，故与γ射线无法分离。
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