第十九章量子物理指导教学案文档格式.docx
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b．当我们发现了质子，并在很多原子核中打出了质子以后，有什么理由可以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子？
c．如何检测三种射线？
三种射线有什么特性？
d．原子核的组成以及同位素研究的意义。
（3）重点难点扫描
a．认识放射现象：
原子序数大于83的所有天然存在的元素的原子核都不稳定，能自发地变为别种元素的原子核，同时放出射线。
天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。
b．三种射线：
项目
α射线
β射线
γ射线
本质
高速氦核流
高速电子流
（高频）光子
带电情况
2个单位正电荷
1个单位负电荷
不带电
质量
4u
（1/1840）u
≈0
放射速度
0.1c
0.99c
c
贯穿本领
最弱：
纸能档住
较强：
mm级铝板
最强：
cm级铅板
电离本领
最强
较弱
最弱
感光作用
感光
产生机理
核内两个中子和两个质子结合得比较紧密，有时会作用为一个整体从较大的原子核放射出来。
核中的中子可以转化为一个质子和一个电子，产生电子从发射出来，形成β射线。
原子核能量不连续，放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于能级，当它向低能级跃迁时，辐射出γ射线
是否是电磁波
否
是
原子核符号
He
e
hν
c．研究射线的方法：
磁场偏转、电偏转。
三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：
如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；
区别是：
在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。
⑶图中γ肯定打在O点；
如果α也打在O点，则β必打在O点下方；
如果β也打在O点，则α必打在O点下方。
d．原子核组成：
核子：
质子和中子的统称。
质量数（核内核子数）=质子数+中子数。
e．同位素：
①同一种元素的原子，核内质子数相同，核外电子数也相同，具有相同的化学性质。
②核内质子数相同，核内中子数不同的原子。
（4）典型例题
例1α射线、β射线、γ射线、x射线、红外线，关于这5种射线的分类有如下一些说法，其中正确的是（ABC）
A．前两种不是电磁波，后三种是电磁波
B．前三种传播速度较真空中的光速小，后两种与光速相同
C．前三种是原子核发生核反应时放出的，后两种是核外电子发生跃迁时放出的
D．前两种是由实物粒子组成的，不具有波粒二象性，后三种是光子组成的，具有波粒二象性
例2以下说法中正确的是（C）
A．β射线粒子和电子是两种不同的粒子B．红外线的波长比X射线的波长长
C．α粒子不同于氦原子核D．γ射线的贯穿本领比β粒子强
例3有关同位素，下列说法中正确的是（ABC）
A．同位素具有相同的化学性质B．同位素具有相同的核子数
C．同位素具有相同的质子数D．同位素具有相同的中子数
例4α射线中，α粒子的速度约为光速0.1倍，α粒子的质量为β粒子质量的7.3×
103倍，如图所示，在有窄孔的铅盒底上，放有能放出α、β、γ三种射线的放射性元素，放出的三种射线都打在窄孔对面屏上的A点，要使三种射线分开，分别打在屏上的A、B、C三点（B到A的距离大于C到A的距离），可在铅盒和屏之间加上（BC）
A．垂直于纸面向里的匀强磁场B．垂直于纸面向外的匀强磁场
C．水平向右的匀强电场D．水平向左的匀强电场
2．放射性元素衰变
知道天然放射现象的原因是核的衰变；
知道α衰变、β衰变及其衰变规律，会正确书写衰变方程式；
了解半衰其的概念，理解半衰落其的意义并理解其统计含义。
（2）重点难点扫描
a．衰变规律：
生成新核、过程质量数与电荷数守恒、伴随着能量的迁移。
类型
衰变方程
规律
α衰变
新核
β衰变
新核
射线是伴随α、β衰变放射出来的高频光子流。
b．半衰期：
半衰期是描述元素衰变快慢的物理量。
放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。
研究表明，任何放射性元素，其原子核有半数发生衰变的时间是不变的。
放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件都没有关系。
不同元素的半衰期不同，半衰期只对大量原子核才有意义，衰变规律是统计规律。
c．半衰的定量分析：
Nt=N0
、mt=m0
（3）典型例题
例1由原子核的衰变规律可知（C）
A．放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线
B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变
C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制
D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1
例2
（钍）经过一系列α和β衰变，衰变为
（铅），下列说法正确的是（ABD）
A．铅核比钍核少8个质子 B．铅核比钍核少16个中子
C．共经过4次α衰变和6次β衰变D．共经过6次α衰变和4次β衰变
例3为什么说半衰期短，放射性废料就容易处理?
（半衰期短的放射性物质衰变得快，衰变结束所需的时间就短，所谓废料处理就是要求衰变结束前废料不能对人和环境造成污染，常用封闭、深埋的方法，故半衰期短，废料处理就容易。
）
例4A元素的半衰期是4天，B元素的半衰期是5天，相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA：
mB=_____________。
（1：
2）
例5碳14具有放射性，其半衰期τ=5686年，空气中碳12跟碳14的存在量之比约为10：
1.2，活着的生物体中碳的这两种同位素之比与空气中相同，生物死亡后，不再吸收碳，碳14以τ=5686年的半衰期减少，因此测得生物遗骸中的碳12与碳14存量之比，再与空气中比较，可估算出生物死亡年代，现测得一古代遗骸中的碳14与碳12存量之比为空气中的三分之二，试计算古代遗骸距今的时间。
（3326年）
3．探测射线的方法
知道放射线的粒子与其他物质作用时会产生一些现象；
知道用肉眼不能直接看到放射线可以用适当的仪器进行观察；
了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。
a．放射线的粒子与其他物质作用时产生的主要现象：
①粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和气会产生云雾，过热液体会产生气泡；
②使照相底片感光；
③使荧光物质产生荧光。
b．探测射线的常用仪器：
云室、气泡室、计数器。
云室原理：
利用气体的中的离子作用为形成蒸气的凝结中心。
当快速粒子穿过含有过饱和汽的气体空间时，在它的路径上产生许多离子，许多蒸气分子凝结在这些离子上，形成许多小液滴，这样，在粒子所飞过的路线上形成一条狭窄的雾带状痕迹，即粒子径迹。
用很强的光从侧面照射，能够观察到这种痕迹，也可以利用照相机把它拍下来，从而探测到射线的存在并分析其行为。
气泡室原理与云室相同似，不同的气泡室内装的液体，当射线通过过热的液体时，在射线粒子周围形成气泡。
G—M（盖革—米勒）计数器原理：
当某种射线进入盖革管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中被加速，能量越来越大，电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离产生电子，这样一个射线粒子进入管中时，可以产生大量电子。
这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来。
G—M计数器特点：
①放大倍数大，非常灵敏；
②只能用于计数，不能区分射线的种类；
③不适合于极快速的粒子计数；
④对于两个粒子射来的时间间隔小于200μs时，计数器不能将其区分开来。
c．利用传感器探测：
教材中“做一做”用传感器测量放射性可以作为研究性学习课题让学生进行设计与研究。
例1如图所示，x为未知放射源，若将磁铁移开后，计数器所得的计数率保持不变，其后将薄铝片L移开，计数率大幅上升，则x为（D）
A．纯β放射源B．纯γ放射源
C．α、β混合放射源D．α、γ混合放射源
例2如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。
假如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的____________射线对控制厚度起主要作用。
当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调节得____________些。
（β三种射线、大）
4．放射性的应用与防护
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板反应；
知道什么是放射性同位素及人造和天然放射性物质的主要不点；
了解放射性在生产和科研领域的应用；
知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防护措施。
a．核反应：
原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程称之为核反应，核反应过程中满足质量数、电荷数守恒，另外能量与动量也是守恒。
b．人工放射性同位素与天然放射性同位素：
天然放射性同位素约四十多种，可以自发地发生射线。
人工放射性同位素是指通过其他粒子轰击原子核，产生的新核具有放射性，目前人工制造的放射性同位素达1000多种，一般来计，人们在用到射线时，用的都是人造放射性同位素，而不是天然放射性物质。
c．核反应方程式有书写：
d．放射性的应用：
对于放射性同位素放射线的应用应当重点介绍：
①利用放出的γ射线检查金属部件是否存在裂痕等，用γ射线探伤。
②利用射线的穿透本领与物质厚度和密度的关系来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
③利用射线使空气电离把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电等。
④利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌治病等。
e．放射性污染和防护：
对生物体的危害主要表现在穿透力、基因突变；
对环境的危害表现在废料污染、对生物体组织的破坏、对空气、水源的污染等方面。
防护措施：
封存、深埋等。
例1下列关于放射线的说法中不正确的是（D）
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
例2本题中用大写字母代表原子核。
E经衰变成为F，再经衰变成为G，再经衰变成为H。
上述系列衰变可记为下式：
另一系列衰变如下：
已知P是F的同位素，则（B）
A．Q是G的同位素，R是H的同位素B．R是E的同位素，S是F的同位素
C．R是G的同位素，S是H的同位素 D．Q是E的同位素，R是F的同位素
例3用“γ刀”进行手术，可以使病人在清醒状态下经过较短的时间内完成手术，在此过程中，主要利用：
①γ射线具有较强的穿透本领；
②γ射线很容易绕障碍物到达病灶区域；
③γ射线具有很强的电离能力，从而使癌细胞电离而被破坏；
④γ射线具有很高的能量。
上述描述中正确的是（D）
A．①②B．②③C．①②③D．①④
例4下列应用中，把放射性同位素作为示踪原子的是（BD）
A．γ射线探伤仪
B．利用钴60治疗肿瘤等疾病
C．利用含有放射性碘131的油检测地下输油管道的漏油情况
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用以检测确定农作物吸收养分的规律
5．核力与核能
了解四种基本相互作用；
知道核力的性质，能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具不同的比例的原因；
认识原子核结合能，知道质量亏损的概念和质能方程。
a．四种基本相互作用：
引力作用、电磁作用、强作用、弱作用。
b．核力：
①核力是强相互作用的一种表现，在它作用范围内，核力比库力大得多。
②核力是短程力，作用范围在1.5×
10－15m之内。
核力在大于0.8×
10－15m时表现为引力，且随距离增大而减小，超过1.5×
10－15m核急剧下降几乎消失；
在距离小于0.8×
10－15m时表现为斥力，因此核子不会融合在一起。
③每个核子只跟相邻核子发生核力作用（饱和性）。
④原子核中质子与中子的比例受核力与电磁的作用而呈现一定的规律性。
c．结合能：
由于核之间存在着强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，即要提供一定的能量；
反过来，根据能量转化与守恒定律可知，核子在结合成原子核时要放出一定有能量，这个能量称之为结合能。
原子核的结合能与核子数之比叫做比结合能（也叫平均结合能），它反映了一个原子核结合的紧密程度与牢固程度；
平均结合能越大原子核越稳定。
不同的原子比结合能不一样，中等大小的原子的比结合能较大，这些原子核较稳定。
d．质量亏损：
核子在结合成原子核的过程中，质量减少了稳定比为质量亏损。
由a个质子和b个中子结合成质量为mD的原子核其质量亏损为：
Δm=amp+bmn—mD
根据爱因斯坦质能方程式可知，这些核子在结合成原子核过程放出的能量（数值上等于该原子的结合能）：
ΔE=Δmc2=（amp+bmn—mD）c2
例1由核子结合成原子核时（AC）
A．核的质量小于组成它的核子的质量和
B．原子核的质量应该等于组成它的核子的质量和
C．核子结合成原子核时要放出能量
D．核子结合成原子核时要吸收能量
例2一个质子和一个中子结合氘核时，产生γ光子,由此可见（BC）
A．氘核的质量等于质子和中子的质量之和
B．氘核的质量小于质子和中子的质量之和
C．核子结合成原子核时会释放核能
D．原子核分解成核子时会释放核能
例3一个氢原子的质量为1.6736×
10-27kg，一个锂原子的质量为11.6505×
10-27kg，一个氦原子的质量为6.6467×
10-27kg。
一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，⑴写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？
⑵1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能？
（
H+
Li→2
He、ΔE=2.76×
10-12J；
共释放2.37×
108J核能）
例4原来静止的原子核
，经α衰变后变为Y原子核。
（1）写出它的核反应方程。
（2）若测得反冲核的动能为
，则α粒子的动能是多少？
[解：
（1）
（2）根据衰变过程中动量守恒有
又因为
所以有
则
]
6．重核裂变
知道重核的裂变概念及其反应过程中能量变化情况；
知道什么是链式反应，知道核反应堆，了解核电站。
a．核裂变：
质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成向个质量数较小的原子核的过程称之为核裂变。
核裂变的特点：
①裂变过程中能够放出巨大的能量；
②裂变的同时能够放出2～3（或更多个）中子；
③裂变的产物不是唯一的。
对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小
典型的分裂方程：
+
→
+
+3
b．链式反应：
核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。
链式反应的条件是达到临界体积（临界质量），此外还需要减少裂变反应物质中的杂质。
c．核反应堆：
能够有效控制反应个数的装置叫核反应堆。
图示就是核反应堆的示意图。
核燃料：
浓缩铀（能吸收慢中子的铀235占3%至4%）
减速剂：
用石墨或重水（使裂变中产生中子减速，以便被铀235吸收。
铀裂变方程的左边事实上要求的中子的速度不能很大，称为“慢中子”，而右边生成的中子速度却是很大的，称为“快中子”。
因此要保证链式反应顺畅进行，就有一个将中子减速的课题。
控制棒：
用镉做成（镉吸收中子的能力很强。
控制燃料棒—铀棒—和减速剂的位置关系，就可以控制反应速度。
图示中横向的棒就是铀棒，它在石墨中的深度是可以调节的。
除此之外，人们在设置了另外一种吸收中子的介质—镉，图中，纵向的棒就是镉棒，它在石墨中的深度也可以调节：
插入较深时，它吸收的中子多，铀棒吸收中子的概率就小了，裂变反应就随之变慢；
反之，镉棒插入较浅，反应就较快。
冷却剂：
用水或液态钠（把反应堆内的热量传输出去用于发电，同时使反应堆冷却，保证安全）
水泥防护层：
用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。
d．核电站：
将核能转变成热能，再用蒸汽机驱动电动机发电。
主要由核反应堆、热交换器、蒸汽机、发电机等组成。
e．核能利用：
“燃料”开采状况（是煤和石油的15倍左右）、燃料利用状况（只用到铀235的0.7%左右）和改进状况（增殖反应堆的研究）、废料处理的难度。
例1在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。
在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。
核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
（1）核反应方程式
U＋n→
Ba＋
Kr＋aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为_____，a=_____。
以mU、mBa、mKr分别表示
U、
Ba、
Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能△E=__________________。
[n、3、（mU－mBa－mKr－2mn）c2]
（2）有一座发电能力为P=1.00×
106kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%。
假定反应堆中发生的裂变反应全是本题
（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能△E=2.78×
10－11J，
U核的质量mU=390×
10－27kg。
求每年（1年=3.15×
107s）
消耗的
U的质量。
[M=mUPt/η△E=1.10×
103kg]
例2在慢中子反应堆中，用石墨作减速剂，将铀核裂变产生的快中子就成慢中子。
一个中子原来的动能为E0，当它与碳12核相碰时，可看成做完全弹性正碰，若碳核原来是静止的，则：
（1）一次碰撞后，中子损失的能量为多少？
（2）至少经过多少次碰撞，中子动能才小于10－6E0。
（已知lg13=1.114、lg1=1.04）
[△E=48E0/169；
n>
42次]
7．核聚变
知道聚变的概念，了解聚变反应的条件及聚变反应的特点；
了解可控热核反应研究的进展情况。
a．核聚变：
某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程叫做核聚变。
b．核聚变特点：
①聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍。
②聚变反应比裂变反应更剧烈。
③对环境污染较少。
④自然界中聚变反应原料丰富。
c．热核反应：
聚变反应需要轻间距离在10－15m内才能发生，因此聚变反应要求在超高温下才能发生，因此，聚变反应也叫做热核反应。
d．受控热核反应：
利用人工的方法控制热核反应称为可控热核反应。
目前应用较多是磁约束与惯性约束。
e．太阳内部的热核反应：
太阳辐射能量来自太阳内部的热核反应。
例1四个氢核变成一个氦核，同时放出两个正电子，释放出多少能量？
若1g氢完全聚变，能释放多少焦能量？
（氢核质量为1.008142u，氦核质量为4.001509u） [4.47×
10-12J，6.93×
1011J]
例2两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，中子的质量为1.0087u，质子的质量为1.0073u，氦核的质量为4．0026u，试计算用中子和质子生成1kg的氦时，要释放多少核能?
[6.59×
1014J]
例3两个氘核发生了如下核反应：
H+
H
He+
n，其中氘核质量为2.1036u，氢核质量为3.1050u，中子质量为1.0087u。
求：
①核反应中释放的核能。
②在两个氘核以相等的动能0.35MeV进行对心碰撞，并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能。
③假设反应中产生的氦核沿直线向原来静止的碳核（
C）接近，受库仑力的影响，当它们的距离最近时，两个原子核的动能各是多少?
[①释放的核能△E=3.26MeV②EHe=0.99MeV、En=2.97MeV③最近两者动能EHe′=0.04MeV、Ec=0.16MeV]
7．粒子和宇宙
了解科学研究粒子物理的历史过程和科学方法；
了解按照现代粒子理论粒子分类；
了解物理学家是怎样解释宇宙的演化及恒星的演化的。
a．粒子：
能够以自由状态存在的最小物质组分。
最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质组分，于是称之为“基本粒子”。
以后这类粒子发现越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；
此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。
看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成
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