高中物理 第十九章 原子核 1 原子核的组成教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十九章 原子核 1 原子核的组成教材梳理素材 新人教版选修3-5（通用）

1 原子核的组成 疱丁巧解牛 知识·巧学 一、天然放射现象 1.放射性 铀和含铀的矿物质都能够发出看不见的射线，这种射线可以使包在黑纸箱里的照相 底片感光.物体放射出射线的性质叫做放射性. 深化升华 射线是从原子核内部发出的，说明原子核不是最小结构，原子核可以再分. 2.放射性元素 具有放射性的元素叫做放射性元素. 放射性并不是少数几种元素才有的.研究发现，原子序数大于或等于 83 的所有元素， 都能自发地放出射线，原子序数小于 83 的元素，有的也具有放射性，元素这种自发 地放出射线的现象叫做天然放射现象，现在用人工的方法也可以制造放射性同位素. 记忆要诀 原子序数大于等于 83 的所有元素都有放射性.原子序数小于 83 的元素， 有的也具有放射性. 3.天然放射性元素：能自发地放出射线的元素叫做天然放射性元素. 虽然具有天然放射性元素的种类很多，但它们在地球上的含量很少. 4.天然放射现象发现的意义：原子核具有复杂的结构，实际上人们认识到原子核具 有复杂结构就是从天然放射性开始的. 联想发散 原子核内部的消息，最早来自天然放射现象.人们从破解天然放射现象入 手，一步步揭开了原子核的秘密.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，也存在着一定结构. 二、射线到底是什么 1.研究方法：让放射线通过电场或磁场来研究其性质. 把样品放在铅块的窄孔底上，在孔的对面放着照相底片，在没有磁场时，发现在底 片上正对孔的位置感光了.若在铅块和底片之间放一对磁极，使磁场方向跟射线方向 垂直，结果在底片上有三个地方感光了，说明在磁场作用下，射线分为三束，表明 这些射线中有的带电，有的不带电，由三种粒子组成，如图 19-1-1. 图 19-1-1 2.各种射线的本质和特性 (1)α 射线：卢瑟福经研究发现，α射线粒子带两个单位正电荷，质量数为 4，即α 粒子是氦核，其速度是光速的 1/10，有较大的动能. 特性：贯穿本领小，但电离作用强，能使沿途中的空气电离. (2)β 射线：贝克勒尔证实，β 射线是电子流，其速度可达光速的 90%. 特征：贯穿本领大，能穿透黑纸，甚至穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱. (3)γ 射线是一种波长很短的电磁波——光子流，是能量很高的电磁波，波长 λ＜ 10-10 m. 特征:贯穿本领最强,能穿透几厘米厚的铅板,但电离作用最弱. 学法一得 三种射线的区分：让三种射线同时穿过磁场，不发生偏转的是 γ 射线， 因为其不带电，不受磁场的影响；偏转角度较小的是 α 射线，因为其质荷比 较 大，根据公式 r= 可知偏转半径大，在磁场中的偏转角度较小.同理可知偏转角度 较大的是 β 射线，因为其质荷比 较小.并且它们的偏转方向不同，还可以根据左 手定则和偏转方向判定其射线属于哪种射线. 辨析比较 三种射线的比较 种类 α 射线 β 射线 γ 射线 q m qB mv q m 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波) 带电荷量 2e -e 0 质量 4mp mp=1.67×10-2 7 kg 静止质量为零 速度 0.1c 0.9c c 在电场或磁场中 偏转 与 α 射线反向偏转 不偏转 贯穿本领 最弱用纸能挡 住 较强穿透几毫米的 铝板 最强穿透几厘米的铅 板 电离作用 很强 较弱 很弱 在云室中的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长 通过胶片 感光 感光 感光 三、原子核的组成 1.探究过程 (1)卢瑟福的实验结论：卢瑟福用 α 粒子轰击氮核时，发现了一种新粒子，这种粒 子带有一个单位的正电荷，其质量与氢原子的质量相近.随后人们又用类似的方法从 氟、钠、铝等原子核中打出了同样的粒子(质子). (2)结论：质子是原子核的组成部分. (3)猜测：原子核只由质子组成. 分析论证：如果原子核只是由质子组成，它的电荷数应该与质量数相等.这和绝大多 数原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些的事实相矛盾，说明猜测错误. 再猜测：原子核内还应该存在着质量跟质子差不多的不带电的中性粒子，即中子. 实验验证：卢瑟福的学生在研究用射线轰击铍而产生的一种能量极高、贯穿能力很 强的中性粒子时，证实中性粒子的质量与质子的质量近似相等，就是猜测的中子. 构建模型：原子核由质子和中子组成. 联想发散 中子的发现不仅使人们了解到原子核是由质子和中子组成，而且为科学家 提供了轰击其他原子核时，不受静电斥力的最佳“炮弹”，使它有更多的机会和带电 1840 pm 核发生碰撞.中子“炮弹”的利用，不仅为原子核物理的研究开辟了崭新的道路，也 为后来核能的利用打下了基础. 2.原子核的组成 原子核由质子和中子组成.组成原子核的质子和中子通称为核子. 质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子质量几乎相等，都等于一个质 量单位. 学法一得 原子核的结构无法通过实验直接观察，只能通过科学的思维和研究方法进 行间接研究.由实验结果→分析猜测→提出模型→实验验证→建立新理论→构建正 确的模型是探索微观结构的基本方法. 3.原子核的电荷数 原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量， 叫做原子核的电荷数.通常用字母 Z 表示. 深化升华 原子核的电荷数，就是原子核内质子数，也就是这种元素的原子序数. 4.原子核的质量数 原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子的质量几乎相等， 所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数， 用字母 A 表示. 要点提示 原子核的质量数，就是原子核中的核子数. 5.原子核的符号 (1)原子符号的通式： 式中 X 为元素符号，A 为原子核的质量数，Z 为原子核的核电荷数. 如常见的碳原子核的质量数为 12，质子数为 6，则可表示为 ，还可表示为 12C， 碳 12，碳 12 等. (2)各粒子的符号 ①α 粒子(即氦核)： ②质子(即氢核)： 或 XA Z C12 6 He4 2 H1 1 P1 1 ③中子： ④电子： 深化升华 (1)原子核中的两个整数 ①质量数 A：等于质子数和中子数之和，即核子数； ②电荷数 Z：等于质子数. (2)原子核中的两个等式 ①核电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=核外电子数； ②质量数(A)=核子数=质子数+中子数 6.同位素 具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，因而互称 同位素. 原子核内的质子数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. 例如氢的三种同位素：氕( )、氘( )、氚( ). 典题·热题 知识点一 三种射线 例 1 下面说法正确的是( ) ①β 射线的粒子和电子是两种不同的粒子 ②红外线的波长比 X 射线的波长长 ③α 粒子不同于氦原子核 ④γ 射线的贯穿本领比 α 粒子的强 A.①② B.①③ C.②④ D.①④ 解析：本题主要考查三种射线的本质，但将上一章的红外线也综合进来，考查了粒 子的性质及电磁波波长的比较等基础知识，19 世纪末 20 世纪初，人们发现了 X、 α、β、γ 射线，经研究知道 X、γ 射线均为电磁波，只是波长不同.可见光、红 外线也是电磁波，由电磁波谱知红外线的波长比 X 射线波长要长.另外，β 射线是 电子流，α 粒子是氦核，从 α、β、γ 三者的穿透本领而言，γ 射线最强，α 粒 n1 0 e0 1− H1 1 H2 1 H3 1 子最弱，故选项 C 正确. 答案：C 例 2 如图 19-1-2 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 3 mm 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_________________一些. 图 19-1-2 解析：α 射线不能穿过 3 mm 厚的铝板，γ 射线又很容易穿过 3 mm 厚的铝板，基本 不受铝板厚度的影响.而 β 射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化 会使穿过铝板的 β 射线的强度发生较明显变化.应是 β 射线对控制厚度起主要作 用.若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些. 答案：β 大 知识点二 原子核的组成 例 3 以下说法中正确的是( ) A.原子中含有带负电的电子，所以原子带负电 B.原子核中的质子数，一定跟核外电子数相等 C.用 α 粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质 子是原子核的组成部分 D.绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷跟质子电荷之比，因而原子 核内还存在一种不带电的中性粒子. 解析：原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故 A 项错.对于中性原子来 说，原子核中的质子数才跟核外电子数相等，故 B 项不确切.正是用 α 粒子轰击原 子核的实验才发现了质子，故 C 项正确.因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比 都大于核原子电荷量跟质子电荷量之比，才确定原子核内必还有别的中性粒子，故 D 项正确. 答案：CD 例 4 已知镭的原子序数是 88，原子核质量数是 226.试问： (1)镭核中有几个质子？几个中子？ (2)镭核所带电荷量是多少？ (3)若镭原子呈现中性，它核外有几个电子？ (4) 是镭的一种同位素，让 和 以相同速度垂直射入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径之比是多少？ 解析：因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的. 原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和. 由此可得： (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. (4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力，故有 Bqv=m . 两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故 = . 答案：(1)88 138 (2)1.41×10-17C (3)88 (4)113∶114 误区警示 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.本题容易把电荷数误认 为是原子核的电荷量而造成错解. 问题·探究 Ra228 88 Ra226 88 Ra228 88 r v 2 228 226 r r 114 113 思想方法探究 问题 怎样根据三种射线在电场和磁场中偏转的特点进行判断？ 探究过程：1.γ 射线不论在电场还是磁场中，γ 射线总是做匀速直线运动，不发生 偏转. 根据上述特点，在电场或磁场中不发生偏转的射线是 γ 射线. 2.α 射线和 β 射线在电场中偏转的特点：在匀强电场中，α和 β 粒子沿相反方向 作类平抛运动，且在同样的条件下，β 粒子的偏移最大，根据粒子在电场力方向做 初速为零的匀加速直线运动，位移 x 可表示为： x= at2= · ( )2∝ 所以，在同样条件下 β 与 α 粒子偏移之比为 = × × = 3.α 射线和 β 射线在磁场中的偏转特点：在匀强磁场中，α和 β 粒子沿相反方向 做匀速圆周运动，且在同样条件下，β 粒子的轨道半径最小，偏转最大. 根据 qvB= 得 R= ∝ 所以，在同样条件下 β 与 α 粒子的轨道半径之比为 = × × 根据上述径迹特点，即使电场和磁场方向未知，也可以区分射线的种类. 探究结论:放射性元素衰变时放出的三种射线，不论是垂直进入匀强电场还是匀强磁 场，偏转角度大的(或半径小的)是 β 粒子，偏转角度小的(或半径大的)是 α 粒子. 2 1 2 1 m qE v y0 2mv q α β x x e e 2 1837/ 4 v v 2 2)102 1( c c 50 1837 R mv 2 qB mv q mv α β R R v v 4 1837/ 10/c c 1837 52 = e e