第十九章 原子核 复习教案6.docx
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第十九章原子核复习教案6
第十九章原子核复习教案
19.1原子核的组成
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。
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
教学过程：
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）
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：
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
质子卢瑟福用
粒子轰击氮核发现
中子查德威克发现
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。
③原子核的电荷数不是电荷量，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
原子核的电荷数=质子数=核外电子数=原子序数
④原子荷的质量数不是质量，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。
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
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。
19.2放射性元素的衰变
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。
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。
教学过程：
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
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
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。
2、半衰期
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。
N个半衰期后，剩余质量m和原有质量m0的关系：
m/m0＝（1/2）n
19.3探测射线的方法
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。
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。
教学过程：
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
①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；②使照相底片感光；
③使荧光物质产生荧光
三种核物理研究中常用的探测射线的方法。
1、威耳逊云室
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。
2、气泡室
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—米勒计数器
（1）盖革—米勒计数管的构造
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—米勒计数管的基本原理
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
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
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。
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
教学过程：
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：
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
19.5核力与结合能
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。
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。
教学过程：
1、核力与四种基本相互作用
（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，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
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
要把原子核分开成核子要吸收能量，核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫做原子核的结合能。
原子核越大，它的结合能越高，因此有意义的是它的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。
平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
4、质量亏损
（1）质量亏损
科学家研究证明在核反应中原子核的总质量并不相等，例如精确计算表明：
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，质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来。
（2）爱因斯坦质能方程：
E＝mc2
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。
爱因斯坦质能方程表明：
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。
（3）核反应中由于质量亏损而释放的能量：
△E=△mc2
说明：
①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。
②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少。
③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律。
④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
阅读原子核的平均结合能，指出中等大小的核的平均结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。
另一方面如果使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，这样可以释放能量供人使用。
19.6重核的裂变
知识与技能
（1）知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大的能量；
（2）知道什么是链式反应；
（3）会计算重核裂变过程中释放出的能量；
（4）知道什么是核反应堆。
了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点。
教学重点：
链式反应及其释放核能的计算；重核裂变的核反应方程式的书写。
教学难点：
通过核子平均质量与原子序数的关系，推理得出由质量数较大的原子核分裂成质量数较小的原子核释放能量这一结论。
教学过程：
1、核裂变（fission）：
重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应，称为裂变。
不是所有的核反应都能放出核能，只有核子平均质量减小的核反应才能放出核能，有的核反应，反应后生成物的质量比反应前的质量大，这样的核反应不放出能量，反而在反应过程中要吸收大量的能量。
只有重核裂变和轻核聚变能放出大量的能量。
2、铀核的裂变
（1）铀核的裂变的一种典型反应。
提问：
铀核的裂变的产物是多样的，最典型的一种核反应方程式是什么样的？
（2）链式反应：
由重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
（3）临界体积（临界质量）：
通常把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量
（4）裂变反应中的能量的计算。
裂变前的质量：
kg，
kg
裂变后的质量：
kg，
kg，
kg，
质量亏损：
kg，
J=201MeV
3、核电站
构成及作用
①铀棒由浓缩铀制成，作为核燃料。
②控制棒由镉做成，用来控制反应速度。
③减速剂由石墨、重水或普通水（有时叫轻水）做成，用来跟快中子碰撞，使快中子能量减少，变成慢中子，以便让U235俘获。
④冷却剂由水或液态的金属钠等流体做成，在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出，确保反应堆的安全。
⑤水泥防护层用来屏蔽裂变产物放出的各种射线，防止核辐射。
优点：
①污染小；②可采储量大；③比较经济。
缺点：
①一旦核泄漏会造成严重的核污染；②核废料处理困难。
点评：
学生用自己的语言叙述，基本正确即可。
补充：
了解常用裂变反应堆的类型：
秦山二期、大亚湾二期是压水堆，秦山三期是沸水堆。
19.7核聚变
知识与技能
（1）了解聚变反应的特点及其条件；
（2）了解可控热核反应及其研究和发展；
（3）知道轻核的聚变能够释放出很多的能量,如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景。
教学重点:
聚变核反应的特点。
聚变反应的条件。
教学过程:
1、聚变及其条件
两个轻核结合成质量较大的核，这样的反应叫做聚变
因为较轻的原子核比较重的原子核核子的平均质量更大，聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损，所以平均每个核子释放的能量就更大
归纳补充：
（1）氢的聚变反应：
21H+21H→31He+11H+4MeV、21H+31H→42He+10n+17.6MeV
（2）释放能量：
ΔE＝Δmc2＝17.6MeV，平均每个核子释放能量3MeV以上，约为裂变反应释放能量的3～4倍
微观上：
参与反应的原子核必须接近到原子核大小的尺寸范围，即10-15m，要使原子核接近到这种程度，必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力。
宏观上：
要使原子核具有如此大的动能，就要把它加热到几百万摄氏度的高温。
聚变反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以维持反应持续进行下去，在短时间释放巨大的能量，这就是聚变引起的核爆炸。
2、可控热核反应
聚变与裂变相比有很多优点
聚变与裂变相比优点之一，即轻核聚变产能效率高。
聚变与裂变相比优点之二，即地球上聚变燃料的储量丰富。
如1L海水中大约有0.03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油。
聚变与裂变相比优点之三，是轻核聚变反应更为安全、清洁。
实现核聚变需要高温，一旦出现故障，高温不能维持，反应就自动终止了。
另外，氘和氚聚就反应中产生的氦是没有放射性的，放射性废物主要是泄漏的氚以及聚变时高速中子、质子与其他物质反应而生成的放射性物质，比裂就所生成的废物的数量少，容易处理。
19.8粒子和宇宙
知识与技能
（1）了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史；
（2）初步了解宇宙的演化过程及宇宙与粒子的和谐统一。
教学重点：
了解构成物质的粒子和宇宙演化过程
教学难点：
各种微观粒子模型的理解
教学过程：
1、“基本”粒子“不”基本
1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。
继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。
那么随着科学技术的发展“它们”已经不是真正意义上的“基本”粒子。
2、发现新粒子
20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。
（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子。
（2）实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。
（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。
（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：
强子、轻子和媒介子。
说明：
强子：
是参与强相互作用的粒子。
（强子又分为介子和重子）
轻子：
轻子是不参与强相互作用的粒子。
媒介子：
传递各种相互作用的粒子。
3、夸克模型
1964年提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克（quark）。
夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
而另一方面也说明科学正由于一个一个的突破才使得科学得到进一步的发展。
基本粒子不基本
（列出框架图）
4、宇宙的演化、恒星的演化
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