高中物理第十九章原子核教案设计与例题解析.docx
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高中物理第十九章原子核教案设计与例题解析
高中物理第十九章（原子核）教案设计与例题解析
19.1原子核的组成
新课标要求
1、知识与技能
（1）了解天然放射现象及其规律；
（2）知道三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们；
（3）知道原子核的组成，知道核子和同位素的概念。
2、过程与方法
（1）通过观察，思考，讨论，初步学会探究的方法；
（2）通过对知识的理解，培养自学和归纳能力。
3、情感、态度与价值观
（1）树立正确的，严谨的科学研究态度；
（2）树立辨证唯物主义的科学观和世界观。
教学重点：
天然放射现象及其规律，原子核的组成。
教学难点：
知道三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们
教学方法：
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
投影片，多媒体辅助教学设备
教学过程：
第一节原子核的组成
（一）引入新课
本节课我们来学习新的一章：
原子核。
本章主要介绍了核物理的一些初步知识，核物理研究的是原子核的组成及其变化规律，是微观世界的现象。
让我们走进微观世界，一起探索其中的奥秘！
我们已经知道原子由原子核与核外电子组成。
那原子核内部又是什么结构呢？
原子核是否可以再分呢？
它是由什么微粒组成？
用什么方法来研究原子核呢？
人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律，是从发现天然放射现象开始的，1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。
居里和居里夫人在贝克勒尔的建议下，对铀和铀的各种矿石进行了深入研究，又发现了发射性更强的新元素。
其中一种，为了纪念她的祖国波兰而命名为钋（Po），另一种命名为镭（Ra）。
（二）进行新课
1、天然放射现象
（1）物质发射射线的性质称为放射性（radioactivity）。
元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象，具有放射性的元素称为放射性元素。
（2）放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。
2、射线到底是什么
那这些射线到底是什么呢？
把放射源放入由铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。
在射线经过的空间施加磁场，发现射线如图所示：
（投影）
思考与讨论：
①你观察到了什么现象？
为什么会有这样的现象？
②如果
射线，
射线都是带电粒子流的话，根据图判断，他们分别带什么电荷。
③如果不用磁场判断，还可以用什么方法判断三种射线的带电性质？
①射线分成三束，射线在磁场中发生偏转，是受到力的作用。
这个力是洛伦兹力，说明其中的两束射线是带电粒子。
②根据左手定则，可以判断
射线都是正电荷，
射线是负电荷。
③带电粒子在电场中要受电场力作用，可以加一偏转电场，也能判断三种射线的带电性质，如图：
我们已经研究了这三种射线的带电性质，那么这些射线还有哪些性质呢？
请同学们阅读课文后填写表格。
看书总结。
小结：
①实验发现：
元素具有放射性是由原子核本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关。
不管该元素是以单质的形式存在，还是和其他元素形成化合物，或者对它施加压力，或者升高它的温度，它都具有放射性。
②三种射线都是高速运动的粒子，能量很高，都来自于原子核内部，这也使我们认识到原子核蕴藏有巨大的核能，原子核内也有其复杂的结构。
3、原子核的组成
问提：
质子：
由谁发现的？
怎样发现的？
中子：
发现的原因是什么？
由谁发现的？
（卢瑟福用
粒子轰击氮核，发现质子。
查德威克发现中子。
发现原因：
如果原子核中只有质子，那么原子核的质量与电荷量之比应等于质子的质量与电荷量之比，但实际却是，绝大多数情况是前者的比值大些，卢瑟福猜想核内还有另一种粒子）
小结：
①质子（proton）带正电荷，电荷量与一个电子所带电荷量相等，
中子（nucleon）不带电，
②数据显示：
质子和中子的质量十分接近，统称为核子，组成原子核。
提问：
③原子核的电荷数是不是电荷量？
④原子荷的质量数是不是质量？
提示：
③不是，原子核所带的电荷量总是质子电荷的整数倍，那这个倍数就叫做原子核的电荷数。
④原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，那这个倍数叫做原子核的质量数。
小结：
③原子核的电荷数=质子数=核外电子数=原子序数
④原子核的质量数=核子数=质子数+中子数
⑤符号
表示原子核，X：
元素符号；A：
核的质量数；Z：
核电荷数
一种铀原子核的质量数是235，问：
它的核子数，质子数和中子数分别是多少？
（核子数是235，质子数是92，中子数是143）
4、同位素（isotope）
（1）定义：
具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。
（2）性质：
原子核的质子数决定了核外电子数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质，因而同种元素的同位素具有相同的化学性质。
提问：
列举一些元素的同位素？
提示：
氢有三种同位素：
氕（通常所说的氢），氘（也叫重氢），氚（也叫超重氢），符号分别是：
。
碳有两种同位素，符号分别是
。
例题：
下列说法正确的是（）
A．
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．
粒子不同于氦原子核D．
射线的贯穿本领比
粒子强
点评：
本题考查了粒子的性质及电磁波波长的比较等基本知识。
19世纪末20世纪初，人们发现X，
，
，
射线，经研究知道，X，
射线均为电磁波，只是波长不同。
可见光，红外线也是电磁波，波长从短到长的电磁波波谱要牢记。
另外，
射线是电子流，
粒子是氦核。
从
，
，
三者的穿透本领而言：
射线最强，
射线最弱，这些知识要牢记。
19.2放射性元素的衰变
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道放射现象的实质是原子核的衰变；
（2）知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律；
（3）理解半衰期的概念。
2、过程与方法
（1）能够熟练运用核衰变的规律写出核的衰变方程式；
（2）能够利用半衰期来进行简单计算（课后自学）。
3、情感、态度与价值观：
通过传说的引入，对学生进行科学精神与唯物史观的教育，不断的设疑培养学生对科学孜孜不倦的追求，从而引领学生进入一个美妙的微观世界。
教学重点：
原子核的衰变规律及半衰期。
教学难点：
半衰期描述的对象。
教学方法：
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
投影片，多媒体辅助教学设备。
教学过程：
第二节放射性元素的衰变
（一）引入新课
同学们有没有听说过点石成金的传说，或者将一种物质变成另一种物质。
那有没有真的（科学的）能将一种物质变成另一种物质呢？
有（大声，肯定地回答）这就是我们今天要学习的放射性元素的衰变。
（二）进行新课
1、原子核的衰变
（1）原子核的衰变
原子核放出α或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。
我们把这种变化称为原子核的衰变。
一种物质变成另一种物质。
（2）α衰变
铀238核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，核电荷数减少2，变成新核--钍234核。
那这种放出α粒子的衰变叫做α衰变。
这个过程可以用衰变方程式来表示：
23892U→23490Th+42He
（3）衰变方程式遵守的规律
第一、质量数守恒
第二、核电荷数守恒
α衰变规律：
AZX→A-4Z-2Y+42He
（4）β衰变
钍234核也具有放射性，它能放出一个β粒子而变成23491Pa（镤），那它进行的是β衰变，请同学们写出钍234核的衰变方程式？
β粒子用0-1e表示。
钍234核的衰变方程式：
23490Th→23491Pa+0-1e
衰变前后核电荷数、质量数都守恒，新核的质量数不会改变但核电荷数应加1
β衰变规律：
AZX→AZ+1Y+0-1e
提问：
β衰变如果按衰变方程式的规律来写的话应该没有问题，但并不象α衰变那样容易理解，因为核电荷数要增加，学生会问为什么会增加？
哪来的电子？
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。
可以看出新核少了一个中子，却增加了一个质子，并放出一个电子。
（5）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。
γ射线的本质是能量。
理解γ射线的本质，不能单独发生。
2、半衰期
提问：
阅读教材半衰期部分放射性元素的衰变的快慢有什么规律？
用什么物理量描述？
这种描述的对象是谁？
氡的衰变图的投影：
m/m0＝（1/2）n
学生交流阅读体会：
（1）氡每隔3.8天质量就减少一半。
（2）用半衰期来表示。
（3）大量的氡核。
总结：
半衰期表示放射性元素的衰变的快慢；放射性元素的原子核，有半数发生衰变所需的时间，叫做这种元素的半衰期；半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。
例如：
数学上的概率问题
（抛硬币）将1万枚硬币抛在地上，那正反两面的个数大概为5000对5000，但就某个硬币来看要么是正面，要么是反面。
这个事实告诉我们统计规律的对象仅仅对大量事实适用，对个别不适用。
元素的半衰期反映的是原子核内部的性质，与原子所处的化学状态和外部条件无关。
简单介绍：
镭226→氡222的半衰期为1620年
铀238→钍234的半衰期为4.5亿年
说明：
一种元素的半衰期与这种元素是以单质形式还是以化合物形式存在，或者加压，增温均不会改变。
教师给出课堂巩固练习题
例1：
配平下列衰变方程
23492U→23090Th+（42He）
23490U→23491Pa+（0-1e）
例2：
钍232（23290Th）经过________次α衰变和________次β衰变，最后成为铅208（20882Pb）
分析：
因为α衰变改变原子核的质量数而β衰变不能，所以应先从判断α衰变次数入手：
α衰变次数=
=6
每经过1次α衰变，原子核失去2个基本电荷，那么，钍核经过6次α衰变后剩余的电荷数与铅核实际的电荷数之差，决定了β衰变次数：
β衰变次数=
=4
19.3探测射线的方法
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象；
（2）知道用肉眼不能直接看到的放射线可以用适当的仪器探测到；
（3）了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。
2、过程与方法
（1）能分析探测射线过程中的现象；
（2）培养学生运用已知结论正确类比推理的能力。
3、情感、态度与价值观
（1）培养学生认真严谨的科学分析问题的品质；
（2）从知识是相互关联、相互补充的思想中，培养学生建立事物是相互联系的唯物主义观点；
（3）培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。
教学重点：
根据探测器探测到的现象分析、探知各种运动粒子。
教学难点
（1）探测器的结构与基本原理。
（2）如何观察实验现象,并根据实验现象，分析粒子的带电、动量、能量等特性，从而判断是何种射线，区分射线的本质是何种粒子。
教学方法：
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
（1）挂图，实验器材模型，课件等；
（2）多媒体教学设备一套：
可供实物投影、放像、课件播放等。
教学过程：
第三节探测射线的方法
（一）引入新课
提问：
前面我们学习了天然放射现象，知道了三种射线的本质。
α、β、γ射线的本质是什么？
各有那些特征？
通过学生回忆三种放射线的本质以及三种粒子的基本特征，既用引导新课，也为后分析探测器探测到的现象提供理论依据。
放射线是看不见的，我们是如何探知放射线的存在的呢？
这节课，我们来学习几种常用的探测射线的方法。
（二）进行新课
阅读教材83页的第一部分，思考并讨论：
放射线虽然看不见，但我们根据什么来探知放射线的存在呢？
（根据放射线的粒子与其他物质作用时产生的一些现象来探知放射线的存在）这些现象主要有哪些呢？
（使气体电离，这些离子可使过饱和汽产生云雾或使过热液体产生气泡；使照相底片感光；使荧光物质产生荧光）
学习三种核物理研究中常用的探测射线的方法。
1、威耳逊云室
阅读教材“威耳逊云室”部分的内容，并组织学生对课文内容进行讨论。
提问：
（1）构造是什么？
（2）基本原理是什么？
（3）怎样才能观察到射线的径迹？
威耳逊云室主要部分是一个圆筒状容器，下部是一个可以上下移动的活塞，上盖是透明的，可以通过它来观察和拍摄粒子运动的径迹，室内由光源通过旁边的窗子照明。
少量放射性物质（放射源）放在室内侧壁附近（或放在室外，让放射线从侧壁的窗口射入）
实验时，先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态，这时如果有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴，这些雾滴沿射线经过的路线排列，于是就显示出了射线的径迹。
说明：
这种云室是英国物理学家威耳逊（1869～1959）在1912年发明的，故叫做威耳逊云室。
在云室看到的只是成串的小液滴，它描述的是射线粒子运动的径迹，而不是射线本身。
观察α、β射线在云室中的径迹，比较两种径迹的特点，并分析其原因。
提示：
α粒子的质量比较大，在气体中飞行不易改变方向，并且电离本领大，沿途产生的离子多，所以它在云室中的径迹直而粗。
β粒子的质量小，跟气体碰撞时容易改变方向，并且电离本领小，沿途产生的离子少，所以它在云室中的径迹比较细，且常常发生弯曲。
γ粒子的电离本领更小，一般看不到它的径迹。
点评：
我们根据径迹的长短和粗细，可以知道粒子的性质，把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，可以知道粒子所带电荷的正负；根据径迹的曲率半径的大小，还可以知道粒子的动量的大小。
例1：
在云室中，为什么α粒子显示的径迹直而粗、β粒子显示的径迹细而曲？
提示：
因为α粒子带电量多，它的电离本领强，穿越云室时，在1cm路程上能使气体分子产生104对离子，过饱和酒精蒸汽凝结在这些离子上，形成很粗的径迹.且由于α粒子质量大，穿越云室时不易改变方向，所以显示的径迹很直。
β粒子带电量少，电离本领较小，在1cm路程上仅产生几百对离子，且β粒子质量小，容易改变运动状态，所以显示的径迹细而弯曲。
2、气泡室
学生阅读课文，学习气泡室的基本原理。
提问：
比较气泡室的原理同云室的原理。
控制气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点，当气泡室内压强降低时，液体的沸点变低，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成，气泡室在观察比较稀少的碰撞事件时是有很大优点的。
液体中原子挤得很紧，可以发生比气体中多得多的核碰撞，而我们将有比用云室好得多的机会来摄取所寻找的事件。
3、盖革—弥勒计数器
阅读教材“盖革—弥勒计数器”部分的内容，并组织学生对课文内容进行讨论。
提问：
（1）盖革—弥勒计数管的构造如何？
管外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝，管中装有低压的惰性气体（如氩、氖等，压强约为10kPa～20kPa）和少量的酒精蒸气或溴蒸气，在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压（约1000V），这个电压稍低于管内气体的电离电压。
（2）盖革—弥勒计数管的基本原理是什么？
盖革管的原理是某种射线粒子进入管内时，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后可以产生大量电子。
这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中就产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来。
（3）G—M计数器的特点是什么？
①G－M计数器放大倍数很大，非常灵敏，用它来检测放射性是很方便的。
②G－M计数器只能用来计数，而不能区分射线的种类。
③G－M计数器不适合于极快速的计数。
④G－M计数器较适合于对β、γ粒子进行计数。
另外，还有如闪烁计数器、乳胶照相、火花室和半导体探测器等探测器装置，利用这些装置能更精确地测定粒子的各种性质，感兴趣的同学可以查找这方面的资料阅读。
随着科学技术的发展，探测射线的手段不断改进，近年来，由于探测仪器大都和电子计算机直接连接，实现了对实验全过程电子计算机控制、计算、数据处理，已经使实验方法高度自动化。
19.4放射性的应用与防护
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道什么是核反应，会写出人工转变方程；
（2）知道什么是放射性同位素，人造和天然放射性物质的主要不同点；
（3）了解放射性在生产和科学领域的应用；
（4）知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防范放射线的措施，建立防范意识。
2、过程与方法：
渗透和安全地开发利用自然资源的教育。
3、情感、态度与价值观：
培养学生收集信息、应用已有知识、处理加工信息、探求新知识的能力。
教学重点：
人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律。
教学难点：
人工转变的两个核反应方程及反应过程中遵循的规律
教学方法：
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
（1）挂图，实验器材模型，课件等；
（2）多媒体教学设备一套：
可供实物投影、放像、课件播放等。
教学过程：
第四节放射性的应用与防护
（一）引入新课
前面已经学习了核反应的一种形式：
衰变。
本节课我们要学习核反应的另一种形式：
人工转变以及人工转变产生的放射性同位素的应用和核辐射的防护。
（二）进行新课
1、核反应：
原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。
在核反应中质量数守恒、电荷数守恒。
人工转变核反应方程：
例如：
写出下列原子核人工转变的核反应方程。
（1）1123Na俘获1个α粒子后放出1个质子
（2）1327Al俘获1个α粒子后放出1个中子
（3）816O俘获1个中子后放出1个质子
（4）1430Si俘获1个质子后放出1个中子
理解并记住核反应方程，通过方程理解核反应中遵循的规律。
2、人工放射性同位素
（1）放射性同位素：
有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。
放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同。
（2）人工放射性同位素
Al
He
P
（3）人工放射性同位素的优点：
放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。
（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素。
3、放射性同位素的应用：
（1）利用射线：
射线测厚装置：
烟雾报警器；放射治疗；培育新品种，延长保质期。
作为示踪原子：
棉花对磷肥的吸收；甲状腺疾病的诊断。
4、辐射与安全
通过看书与上网查找资料，了解放射性辐射的用处以及危害，知道只要控制好辐射量，我们就可以利用它的射线，知道身边的一些放射性物质，以及如何防护一些有害的放射性物质。
19.5核力与结合能
三维教学目标
1、知识与技能
（1）知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用；
（2）知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小；
（3）理解结合能的概念，知道核反应中的质量亏损；
（4）知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。
2、过程与方法
（1）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；
（2）培养学生的理解能力、推理能力、及数学计算能力。
3、情感、态度与价值观
（1）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作用的能力；
（2）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：
质量亏损及爱因斯坦的质能方程的理解。
教学难点：
结合能的概念、爱因斯坦的质能方程、质量与能量的关系。
教学方法：
教师启发、引导，学生讨论、交流。
教学用具：
多媒体教学设备一套：
可供实物投影、放像、课件播放等。
教学过程：
第五节核力与结合能
（一）引入新课
提问1：
氦原子核中有两个质子，质子质量为mp=1.67×10-27kg，带电量为元电荷e=1.6×10-19C，原子核的直径的数量级为10-15m，那么两个质子之间的库仑斥力与万有引力两者相差多少倍?
（两者相差1036倍）
提问2：
在原子核那样狭小的空间里，带正电的质子之间的库仑斥力为万有引力的1036倍，那么质子为什么能挤在一起而不飞散？
会不会在原子核中有一种过去不知道的力，把核子束缚在一起了呢？
今天就来学习这方面的内容。
（二）进行新课
1、核力与四种基本相互作用
提示：
20世纪初人们只知道自然界存在着两种力：
一种是万有引力，另一种是电磁力（库仑力是一种电磁力）。
在相同的距离上，这两种力的强度差别很大。
电磁力大约要比万有引力强1036倍。
基于这两种力的性质，原子核中的质子要靠自身的引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。
核物理学家猜想，原子核里的核子间有第三种相互作用存在，即存在着一种核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核，后来的实验证实了科学家的猜测。
提问1：
那么核力有怎样特点呢？
（1）核力特点：
第一、核力是强相互作用（强力）的一种表现。
第二、核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内。
第三、核力存在于核子之间，每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。
总结：
除核力外，核物理学家还在原子核内发现了自然界的第四种相互作用—弱相互作用（弱力），弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子转变质子的原因。
弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18m，作用强度则比电磁力小。
（2）四种基本相互作用力：
弱力、强力、电磁力、引力和分别在不同的尺度上发挥作用：
①弱力（弱相互作用）：
弱相互作用是引起原子核β衰变的原因→短程力；
②强力（强相互作用）：
在原子核内，强力将核子束缚在一起→短程力；
③电磁力：
电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原了结合成分子，使分子结合成液体和固体→长程力；
④引力：
引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。
是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状→长程力。
2、原子核中质子与中子的比例
随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数。
思考：
随着原子序数的增加，稳定原子核中的质子数和中子数有怎样的关系？
（随着原子序数的增加，较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越多）
思考：
为什么随着原子序数的增加，稳定原子核中的中子数大于质子数？
提示：
学生从电磁力和核力的作用范围去考虑。
总结：
若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。
所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了；
若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。
由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间恨本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。
因此只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。
3、结合能
由于核子间存在着强大的核力，原子核是一个坚固的集合体。
要把原子核拆散成核子，需要克服核力做巨大的功，或者需要巨大的能量。
例如用强大的γ光子照射氘核，可以使它分解为一个质子和一个中子。
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