原子核PPT课件.ppt

第十九章原子核 第一节原子核的组成 1 2 一 天然放射现象 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 物质发射射线的性质称为放射性 具有发射性的元素称为放射性元素 元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象 放射性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 都能自发的放出射线 原子序数小于83的元素 有的也具有放射性 3 放射型物质发出的射线有三种 在放射性现象中放出的射线是什么东西呢 它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外 还有些什么性质呢 这些射线带不带电呢 4 阅读课文填写表格 氦原子核 1 10光速 弱 很容易 高速电子流 高能量电磁波 接近光速 较强 较弱 光速 很强 更小 5 二 原子核的组成 1 放射性现象中放出的三种射线都是从放射性元素的原子核内释放出来的 这表明原子核也有内部结构 2 原子核内究竟还有什么结构 3 原子核又是由什么粒子组成的呢 6 质子的发现 1919年 卢瑟福用 粒子轰击氮核 得到了质子 经过研究证明 质子带正电荷 其电量和一个电子的电量相同 它的质量等于一个电子质量的1836倍 进一步研究表明 质子的性质和氢原子核的性质完全相同 所以质子就是氢原子核 7 中子的发现 1932年英国物理学家查德威克又发现了中子 通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同 但是不带电 是中性粒子 在对各种原子核进行的实验中 发现质子和电子是组成原子核的两种基本粒子 8 原子核的表示 X表示元素符号 Z表示质子数 A表示质量数 9 如质子数相同 中子数不同 质量数当然不同 则互为同位素 10 原子核的组成 中子 质子 统称核子 U He H 11 42 23592 X AZ 核 电荷数 质量数 10 15m 元素符号 11 原子核的组成 各种原子核内质子的个数 核的电荷数 和核外电子的个数都相同 它也等于该种元素在元素周期表中的原子序数 原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数 它等于该元素原子量的整数部分 在某种核反应中 一个中子变成一个电子和一个质子 这就是原子核内没有电子 又会放出电子 产生 射线的原因 12 第二节放射性元素的衰变 13 一 衰变 原子核放出 粒子或 粒子转变为新核的变化叫做原子核的衰变 衰变 放出 粒子的衰变 如 衰变 放出 粒子的衰变 如 1 定义 2 种类 14 原子核发生衰变时 衰变前后的电荷数和质量数都守恒 衰变 衰变 说明 1 中间用单箭头 不用等号 2 是质量数守恒 不是质量守恒 3 方程及生成物要以实验为基础 不能杜撰 3 规律 衰变方程 15 4 本质 衰变 原子核内少两个质子和两个中子 衰变 原子核内的一个中子变成质子 同时放出一个电子 射线的产生 射线经常是伴随着 射线和 射线产生的 没有 衰变 元素的放射性与元素存在的状态无关 放射性表明原子核是有内部结构的 说明 16 5 注意 一种元素只能发生一种衰变 但在一块放射性物质中可以同时放出 和 三种射线 17 二 半衰期 T 1 意义 表示放射性元素衰变快慢的物理量 2 定义 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间不同的放射性元素其半衰期不同 3 公式 18 19 注意 1 半衰期的长短是由原子核内部本身的因素决定的 与原子所处的物理 化学状态无关 2 半衰期是一个统计规律 只对大量的原子核才适用 对少数原子核是不适用的 考古学家确定古木年代的方法是用放射性同位素作为 时钟 来测量漫长的时间 这叫做放射性同位素鉴年法 20 练习1 某原子核A的衰变过程为A B C 下列说法正确的是 A 核A的质量数减核C的质量数等于5 B 核A的中子数减核C的中子数等于2 C 核A的中性原子中的电子数比原子核B的中性原子中的电子数多1 D 核A的质子数比核C的质子数多1 D 21 思考 铀 要经过几次 衰变和 衰变 才能变为 铅 它的中子数减少了多少 8次 衰变 6次 衰变 中子数减少22个 22 练习2 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 粒子后 其速度方向与磁场方向垂直 测得 粒子和反冲核轨道半径之比为44 1 如图所示 则 A 粒子与反冲粒子的动量大小相等 方向相反B 原来放射性元素的原子核电荷数为90C 反冲核的核电荷数为88D 粒子与反冲核的速度之比为1 88 R1 R2 ABC 23 静止在匀强磁场中的放射性元素发生衰变后1 放出的粒子与反冲核的动量大小相等 方向相反2 粒子与反冲粒子的运动轨迹是外切圆 粒子与反冲粒子的运动轨迹是内切圆 小结 24 第四节放射性的应用与防护 25 卢瑟福在实验中发现 往容器 中通入氮气后 在荧光屏 上出现了闪光 这表明 有一种新的能量比 粒子大的粒子穿过铝箔 撞击在 屏上 这种粒子肯定是在 粒子击中某个氮核而使该核发生变化时放出的 这样 卢瑟福通过人工方法实现了原子核的转变 人类第一次打开了原子核的大门 一 核反应 粒子 铝箔 荧光屏 氮气 显微镜 26 为了认定新粒子 把新粒子引进电场和磁场 测出了它的质量和电量 确认与氢核相同 带有一个单位的正电量 质量是电子质量的1800多倍 卢瑟福把它叫做质子 质子的符号是H或P在云室里做卢瑟福实验 还可以根据径迹了解整个人工转变的过程 英国物理学家布拉凯特在所拍摄的两万多张照片的40多万条 粒子径迹中 发现了 条产生分叉的记录 27 分叉情况表明 粒子击中氮核后 生成一个新核 同时放出质子 新核的电量较大速度较慢 径迹短而粗 质子速度大 电量小 故径迹细而长 根据核反应中质量数守恒和电荷数守恒 可以写出这个发现质子的核反应方程并得知氮核放出质子后变成了氧核 28 用 粒子 质子 中子等去轰击其它元素的原子核 也都产生类似的转变 并产生质子 说明质子是各种原子核里都有的成分 质子是人类继电子 光子后发现的第三个基本粒子 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程 核反应 在核反应中 质量数和电荷数都守恒 29 核反应 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程 注意 核反应中质量数与电荷数守恒 核反应是原子核的变化 化学反应是核外电子的变化 30 二 人工放射性同位素 1934年 约里奥 居里和伊丽芙 居里发现经过 粒子轰击的铝片中含有放射性磷 反应生成物P是磷的一种同位素 自然界没有天然的 它是通过核反应生成的人工放射性同位素 有些同位素具有放射性 叫做放射性同位素 31 与天然的放射性物质相比 人造放射性同位素 1 放射强度容易控制2 可以制成各种需要的形状3 半衰期更短4 放射性废料容易处理 32 1 利用它的射线 三 放射性同位素的应用 A 由于 射线贯穿本领强 可以用来 射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹 所用的设备叫 射线探伤仪 B 利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系 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 C 利用射线使空气电离而把空气变成导电气体 以消除化纤 纺织品上的静电 D 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 33 射线探伤仪 34 利用钴60的 射线治疗癌症 放疗 35 食物保鲜 延缓发芽 生长 长期保存 棉花育种 食品保鲜 粮食保存 36 2 作为示踪原子 用于工业 农业及生物研究等 棉花在结桃 开花的时候需要较多的磷肥 把磷肥喷在棉花叶子上 磷肥也能被吸收 但是 什么时候的吸收率最高 磷在作物体内能存留多长时间 磷在作物体内的分布情况等 用通常的方法很难研究 如果用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上 然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度 上面的问题就很容易解决 37 原子弹爆炸 核电站泄露会产生严重的污染 在利用放射性同位素给病人做 放疗 时 如果放射性的剂量过大 皮肤和肉就会溃烂不愈 导致病人因放射性损害而死去 有些矿石中含有过量的放射性物质 如果不注意也会对人体造成巨大的危害 四 辐射与安全 38 2019 12 27 39 过量的放射性会对环境造成污染 对人类和自然界产生破坏作用 20世纪人们在毫无防备的情况下研究放射性 遭原子弹炸后的广岛 40 为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏 人们采取了有效的防范措施 检测辐射装置 全身污染检测仪 辐射检测系统 辐射源的存放 铀 41 1 在核电站的核反应堆外层用厚厚的水泥来防止放射线的外泄 2 用过的核废料要放在很厚很厚的重金属箱内 并埋在深海里 3 在生活中要有防范意识 尽可能远离放射源 放射性的防护 42 核反应堆外层的厚厚的水泥建筑 43 防护 操作放射性物质的设备 在防护状态下操作放射性物质 44 第五节核力与结合能 45 原子核的半径约为10 15m 只相当原子半径的万分之一 在这么小的空间里带正电的质子与质子间的库仑斥力是很大 万有引力太小 只有库仑力的10 36 而通常原子核是稳定的 于是核内还应有另一种力把各种核子紧紧拉在一起 此力称为核力 核力 mp mp 库仑力 库仑力 万有引力 万有引力 核力 核子靠什么力结合成原子核 46 核力 能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力 核力具有怎样的特点呢 一 核力 47 2 核力是短程力 约在10 15m量级时起作用 距离大于0 8 10 15m时为引力 距离为10 10 15m时核力几乎消失 距离小于0 8 10 15m时为斥力 3 核力具有饱和性 核子只对相邻的少数核子产生较强的引力 而不是与核内所有核子发生作用 4 核力具有电荷无关性 对给定的相对运动状态 核力与核子电荷无关 1 核力是四种相互作用中的强相互作用 强力 的一种表现 48 除核力外原子核内还存在弱相互作用 弱力 弱力是引起中子 质子转变的原因弱相互作用也是短程力 力程比强力更短 为10 18m 作用强度则比电磁力小 49 二 原子核中质子与中子的比例 自然界中较轻的原子核 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 为什么会这样呢 50 核越来越大 有些核子间的距离越来越远 随着距离的增加 核力与电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以 原子核大到一定程度时 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 这时 如果不再成对地增加核子 而只增加中子 中子与其他核子没有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维系原子核的稳定 由于这个原因 稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 51 由于核力的作用范围是有限的 如果继续增大原子核 一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用 这时即使再增加中子也无济于事 这样的核必然是不稳定的 在宇宙演化的进程中 各种粒子有机会进行各种组合 但那些不稳定的组合很快就瓦解了 只有200多种稳定的原子核长久地留了下来 现在观察到的88天然放射性元素 则正在瓦解之中 52 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量 而是为把核子分开而需要的能量 比结合能 结合能与核子数之比 称做为比结合能 也叫平均结合能 比结合能越大 表示原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 三 结合能 53 四 质量亏损 1 例题 中子的质量 1 6749 10 27Kg质子的质量 1 6726 10 27Kg中子和质子的质量和 3 3475 10 27Kg氘核的质量 3 3436 10 27Kg质量差 0 0039 10 27Kg 54 四 质量亏损 2 质量亏损 原子分解为核子时 质量增加 核子结合成原子核时 质量减少 原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和 叫做质量亏损 1 例题 55 爱因斯坦质能方程E mc2式中c是真空中的光速 m是物体的质量 E是物体的能量 核子在结合成原子核时出现的质量亏损 m 正表明它们在互相结合过程中放出了能量 E m c2 56 3 有关问题的理解和注意事项 第一 核反应过程中 核子结合成原子核时 新核质量小于核子的质量 质量亏损 同时以 光子形式释放核能 原子核分解为核子时 需要吸收一定能量 核子的总质量大于原原子核的质量 第二 核反应过程中 质量亏损时 核子个数不亏损 即质量数守恒 可理解为组成原子核后 核内每个核子仿佛 瘦了 一些 第三 质量亏损并非质量消失 而是减少的质量 m以能量形式辐射 因此质量守恒定律不被破坏 57 第四 公式 E m c2的单位问题 国际单位 m用 kg C用 m s E用 J 常用单位 m用 u 原子质量单位 1u 1 660566 10 27kg E用 uc2 1uc2 931MeV 表示1u的质量变化相当于931MeV的能量改变 58 59 课堂练习 1 试证明 1原子质量单位u相当于931 50MeV的能量 1u 1 6606 27kg 光速c 2 9979 108m s 1eV 1 6022 10 19J 2 碳原子的质量是12 000000u 可以看做是由6个氢原子 质量是1 007825u 和6个中子组成的 求核子结合成碳原子核时释放的能量 在计算中可以用碳原子的质量代替碳原子核的质量 用氢原子的质量代替质子的质量 因为电子的质量可以在相减过程中消去 60 61 第六节 重核的裂变 62 物理学中把重核分裂成质量较小的核 释放核能的反应叫做裂变 把轻核结合成质量较大的核 释放出核能的反映叫做聚变 一 裂变 聚变 裂变 63 1939年12月 德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现 用中子轰击铀核时 铀核发生了裂变 铀核裂变的产物是多种多样的 一种典型的反映是裂变为钡和氪 同时放出三个中子 其核反应方程是 铀核的裂变 裂变中释放出巨大的能量 在上述裂变中 裂变后的总质量小于裂变前的总质量 质量亏损 释放出的能量为 64 由裂变重核裂变产生的中子使反应一代接一代继续下去的过程