第二节 原子核.doc

第二节 原子核知识要点 （一）原子核的符号 其中 X元素的符号； Z原子核的电荷数； A原子核的质量数。（二）天然放射现象和三种射线能够自发地放出射线（可穿透黑纸，使照相底片感光）的元素叫作放射性元素，这种现象叫作天然放射现象。发现这种现象的是法国物理学家贝克勒尔，研究这种现象的有法国物理学家皮埃尔居里、玛丽居里夫妇等。射线分成三部分，如图14-7所示。（1）射线。它是高速的氦原子核（）粒子流。其速度约为光在真空中速度的，贯穿本领很小，电离作用和感光作用很强。（2）射线。它是高速的电子（）流，速度接近光速，贯穿本领较强，电离作用较弱。（3）射线。是频率很高的光子流。贯穿本领最强，电离作用最弱。（三）放射性元素的衰变原子序数大于83的天然存在的元素的原子核都不稳定，会自发地放出射线变为另一种元素的原子核，这种变化叫做原子核的衰变。（1）衰变。原子核放出粒子的衰变（2）衰变。原子核放出粒子的衰变 （3）衰变。原子核放出光子，是伴随a粒子或粒子产生而向外辐射的。（4）衰变规律。衰变前原子核的质量数和电荷数与衰变后生成的新核及放出的粒子的质量数与电荷数是守恒的。（5）半衰期。半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。它是由这种元素的原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理状态或化学状态无关。不同元素具有不同的半衰期，有的长达几十亿年，有的短到几万分之一秒。（四）原子核的人工转变（用人工方法使原子核发生转变的过程）（1）质子的发现（卢琵福）方程如下，实验装置见示意图14-8。 （2）中子的发现（查德威克）方程如下，实验装置见示意图14-9。 （五）原子核的组成原子核是由质子和中心（统称核子）组成的。质子数就是核电荷数，也就是原子序数，中子数则是核的质量数和核电荷数之差。质子数相同，中子数不同的原子互称同位素。疑难分析 1.放射性元素衰变的半衰期。半衰期是说某元素的大量原子核衰变的平均快慢程度。它是该元素大量的原子核内在的自发产生的一种统计规律。半衰期只适用于大量放射性原子构成的样品。如果放射性元素的原子核数目极少或者为个别的原子核，半衰期就没有意义了。因为这时失去了统计规律存在的前题。这些极少数的原子核经过多长时间发生衰变，以及衰变的快慢程度是受偶然因素支配的，我们无法预测。半衰期的定义是放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。设原来的原子核的数目为n0，放射后剩余的这元素的原子核的数目为n，半衰期为T，衰变的时间为t，他们之间的关系式为： 又因为放射性元素的质量和它包含的原子核的数目成正比。因此可以相应假设原来的元素的质量为m0，放射后剩余的这元素的质量为m，半衰期为T，衰变的时间为t，他们间的关系公式应为 注意，半衰期不是放射性元素平均寿命的一半。放射性元素经过半衰期是其半数核发生衰变，而该元素的样品的总质量并非减半。2.放射性元素的衰变是否属于核反应。放射性元素的原子核在发生衰变后变成新的原子核，从原子核的变化的这个意义上来说，可以认为衰变是核反应，所以有些书上的习题中把衰变和原子核的人工转变统称为核反应。但是，核反应是说某种微观粒子与原子核相互作用时，使核的结构发生变化，形成新核，并放出一个或几个粒子的过程。这是一个被动的过程。而衰变是不稳定的原子核自发放出射线变为另一种元素的原子核的现象。这是一个自发的过程。因此，核反应就它的定义来说是不包括衰变的，所以放射性元素的衰变不属于核反应。当然，我们应该强调：无论是衰变还是核反应，它们都必须遵从能量、动量、质量(数)和电荷(数)等于恒定律。我们还应特别指出，无论是原子核的衰变还是原子核的人工转变都不能凭空想象，也不能认为只要符合电荷数、质量数守恒的随意书写就可以了，而是要根据实验事实来决定的。核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“”连接并指明反应方向，而不能用等号连接。3.在原子核的衰变中，放出射线、射线和正电子的原因。原子核是由质子和中子组成的。虽然核子(质子、中子)在很小的原子核里紧密地聚集在一起，但是他们还是在不断地运动着和变化着。而两个质子跟两个中子常常更紧密地结合在一起，形成一个粒子，离开原子核成为射线。原子核中是没有电子的，但在一定条件下，核内的一个中子可以变成一个质子，同时放出一个电子，离开原子核，从而形成射线。其方程为 原子核中更是没有正电子的，但是粒子轰出铝箔，新生成的原子核是磷的同位素，具有放射性，像天然放射性元素一样会发生衰变，并且也有一定的半衰期，衰变时放出正电子，核反应与衰变方程是： (正电子)也就是说磷的同位素具有这样的条件，在它的核内的一个质子变成一个中子的同时，放出一个正电子。这里我们还应该说明：物质的粒子(电子和正电子)和电磁场辐射(光子)间可以发生相互转变。当一个电子和正电子结合就会转变成光子辐射，方程为 (光子)但是，大能量(超过1MeV)的光子和原子核相互作用，也可以产生电子和正电子。例题解析1.要经过几次衰变和几次衰变，最后衰变成稳定的？解：设经过X次衰变和Y次衰变，则衰变方程的通式写作为 根据衰变过程中的质量数守恒和电荷数守恒，我们可以分别列出方程 226=206+4X 88=82+2X-Y解得： X=5 Y=4则放射性元素镭原子核要经过5次衰变和4次衰变后才能变成稳定的铅核。2.铋的半衰期是5天，32克的铋经过20天后还剩下多少？如果它的质量变为原来质量的，那么需要经过多少天的衰变？解：铋的半衰期是5天，20天就是四个半衰期，即把32克减半四次，得2克。如果质量变为原来的，说明经过五次减半（32=25），即五个半衰期，等于25天。列方程解：设原来的质量为m0，剩余的质量为m，半衰期为T，经过的时间为t，则 （克）又 （天）3.半衰期为6天的某放射源，第一天和第七天衰变的质量之比是多少？解：第一天，即经过了个半衰期，则 第七天，即经过了半衰期后的第一天，也就是经过了半衰期再经过个半衰期。 所以 4.铀238的半衰期是4.5109年。假设有一声纯铀238矿石1千克，经过45亿年（相当于地球的年龄）以后，还剩多少铀238？假设发生衰变的铀238都变成了铅206，矿石中会有多少铅？这时铀铅的比例是多少？解：已知：铀238的半衰期T=4.5109年铀238矿石的衰变时间 t=4.5109年由衰变的半衰期公式 m衰变=1-0.5=0.5(kg)又由衰变方程： 238:206=0.5:mpb得 mPb=0.433kg则 mU:mPb=0.5:0.433=1.15:1由此我们也应该注意到纯铀238衰变后成为含铀、铅矿石，矿石的质量由1千克变成了(0.5+0.433=)0.933千克。其矿石样品的总质量并没有减半。5.分析一古树时发现它的的含量是活树含量的，则此古树已死了多少年？（已知：的半衰期是5600年，lg2=0.301,lg5=0.6990）解：地球表面含有，树木生长（未死之前）时吸引，而且吸收的比例是一定的。树木死后则不再吸收，具有放射性，它放出电子和中微子后变成 。设活树的含量为m0，则死树中的含量为。也就是说，死树中的衰变了，还剩余由衰变的半衰期公式 即 所以 （年）古树死了约为1800年。6.铀核内有多少个质子，多少个中子？1克轴（235）有多少个质子，多少个电子，多少个中子？解：质子数为92个，中子数为（235 -92）即143个。又，235克轴（235）为1mol,而1mol轴所含的原子个数为6.021023个（阿弗加德罗常数）。所以，1克轴为mol，其原子数为6.021023个。而每个原子含有92个质子和电子，含有143个中子。故 质子和电子个数为 （个）中子个数为 （个）7.为了测定水库中的存水量，用一瓶含有放射性同位素的溶液倒入水库中，已知该瓶同位素的半衰期为2天。这时瓶内同位素每分钟衰变6107次，衰变后的物质无放射性。经过8天后，该溶液已均匀分布在水库中，取出1m3的水进行测定，测得每分钟衰变20次,那么水库中的存水量为多少m3?解:已知:半衰期T=2天,衰变时间t=8天。设：瓶内含有放射性同位素的核子数为N0，8天衰变后剩下的放射性同位素的核子数为N由衰变公式 又因每分钟衰变的次数与放射性同位素的核子数成正比，8天后剩下的放射性同位素的每分钟衰变次数为n 所以 那么，整水库的Vm3水中含有的放射性同位素每分钟衰变次，而1m3的水中含有的放射性同位素每分钟仅衰变20次。 得 V=1.875105m3水库中的存水量由此测得为1.875105m3。8.如果把氦的原子核看成是一个均匀的球，试估算氦原子核的密度约为多少？（两位有效数字）解：氦的原子核是由两个质子和两个中子组成的，查表可知中子质量和质子质量均约为mn=mp=1.6710-27kg。氦的原子核可看成是一个均匀的球，球的半径的数量级为r=10-14m由密度公式：相当于每立方毫米物质的质量为1600吨。知识拓宽 1.各种微粒、粒子的直径的数量级。 作布朗运动的微粒 10-6m 晶体 10-7m-10-15m 分子 10-9m-10-10m 原子 10-10m 原子核 10-14m 质子 10-15m 中子 10-15m 电子 小于10-18m 夸克 小于10-18m2.物质结构的基本单元和“基本粒子”。很久以来，人们一直在探究物质结构的基本单元。最初人们把元素的最小单元原子看作是不可分的，到20世纪初，人们认识到原子是原子核和电子构成的，后来又进一步认识到构成原子核的是质子和中子，它们是最小的不可分的，因而人们把质子、中子、电子，看作是物质结构的基本单元，把质子、中子、电子和光子称之为“基本粒子”。但是，不久又在衰变中发现了中微子和正电子，接着又在宇宙射线中发现了介子、介子，K介子和超子等。近年来又探测到更多的基本粒子，比较稳定、寿命比较长能探测的已有35种，此外，寿命很短的也有了大量的发现，现在已发现的基本粒子有300多种。基本粒子已经这么多，而且这些所谓的“基本粒子”有些还有内部结构，所以基本粒子并不基本。为了探索某些基本粒子的内部结构，美国物理学家盖尔曼等人在1963年提出了夸克模型，目前夸克的模型理论在逐渐的发展和完善。人类对物质的结构的认识仍然在不断的深入、前进。3.射线的探测器在原子物理学中的各种物理现象都是微观现象，是不能用肉眼直接观察的，因而研究原子物理所用的方法就和以往不同，需要特殊的仪器和装置。这些仪器和装置是根据我们所需要观察的对象的特性制作的。我们探测射线，就是根据这三种射线的主要特性制造了云室、计数器等，来进行观察和探测的。（1）威尔逊云室（如图14-10所示）。云室是利用射线能使气体电离的特性制成的，是用来探测射线粒子并显示它们的径迹的仪器。各种射线都使气体电离，电离本领的大小与射线荷电的多少、速度的大小和质量大小诸条件有关。a粒子的电离本领最大，粒子次之，粒子最弱。气体电离后的离子也是看不见的，但在过饱和的水汽里，它是水汽凝结的核，水汽在离子上凝为雾珠，通过雾珠形成雾迹，就可以观察到射线的径迹了。而云室中的过饱和水汽是利用绝热膨胀造成的低温来获取的。粒子质量大，在气体中行进时不易改变方向，而且电离本领大，所以雾迹直而粗。粒子质量小，与气体分子碰撞时易改变方向，而且电离本领小，所以其雾迹细且有弯曲。粒子电离本领更小，有时能产生一些细碎的雾迹，如图14-11所示。英国科学家布拉凯特在充氮的云室里做粒子轰击氮核的实验，并且摄取了云室中雾迹的照片，由其他叉情况表明：其中短而粗的是反冲氧核的径迹，而细而长的是质子的径迹。最后才确定其核反应方程为 图14-12是云室照片和径迹示意图。（2）计数器。计数器的主要部分是计数管，它是一支玻璃管，里面有一个导电的圆筒作阴极，一根通过圆筒轴心的金属丝作阳极（图14-13所示），管里装入惰性气体和少量的乙醇汽或溴气，气压大约是1.3104-2.7104帕。在两极加上大约800-1500伏的直流电压，这个电压略低于管内气体的击穿电压。当有射线粒子飞进管内，使管内气体电离时，产生的电子在电场作用下向阳极加速运动。电子在运动中能量越来越大，达到一定值时，跟气体分子碰撞，又可使气体分子电离，再产生电子，于是经过一段很短时间，就会产生大量电子。这些电子到达阳极，正郭子到达阴极，就使计数管发生一次短暂的放电，从而得到一个脉冲电流，这个脉冲电流可以用电子设备记录下来。练习题 一、选择题1.衰变中放出的电子来自（A）原子核外轨道上的电子（B）原子核内所含有的电子（C）原子核内中子转变为质子时放出的电子（D）原子核内质子转变为中子时放出的电子2.如图14-14所示是放射源放射出的三种射线在电场中偏转的情况。由图可知 （ ）（A）射线I电离本领最强（B）射线II电离本领最强（C）射线I贯穿本领最强（D）射线III贯穿本领最强3.放射性原子核放出一个粒子，再放出一个粒子，衰变成一个新原子核，则新核比原来的核 （ ）（A）质子减少3个，中子减少1个 （B）质子减少2个，中子减少1个（C）质子减少4个，中子减少2个 （D）质子减少1个，中子减少3个4.元素X和Y是同位素，它们分别进行下列衰变过程 那末，以下说法正确的是： （ ）（A）P和R是同位素 （B）R的质子数最多（C）X和R的原子序数相同 （D）X和R的质量数相同5.经一次a衰变后，变成新元素原子核中含有中子数为 （ ）（A）148 （B）144 （C）142 （D）1406.的半衰期为11.2天，1kg镭经过56天后还剩下这种元素的质量为 （ ）（A）kg （B）kg （C）kg （D）kg7.同位素的原子有（A）相同的核子数，不同的中子数（B）相同的中子数，不同的质子数（C）相同的质子数和电子数，不同的中子数（D）相同的核子数，不同的质子数和中子数8.实验发现某粒子X具有下述特点，在磁场中的偏转与a粒子偏转方向相同，它的荷质比为质子的荷质比的。由此，可将此粒子表示为 （ ）（A） （B） （C） （D）9.一放射源发射某种射线，当用一张笔记簿纸放在放射源的前面时，强度减少为原来的，而当1厘米厚的铝片，放在放射源和计数器之间时，强度减少到几乎等于零，放射源所发射的是： （ ）（A）仅是射线 （B）仅是射线（C）是和射线 （D）是和射线10.如图14-15所示为查德威克实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出的射线轰击铍(Be)时会产生粒子流A，用粒子流轰击石蜡时，打出粒子流B，经研究知道： （ ）（A）A为中子，B为质子 （B）A为质子，B为中子（C）A为射线，B为中子 （D）A为中子，B为射线11.一声氡222放在天平左盘上，右盘加444克砝码，天平处于平衡，氡发生衰变，经过一个半衰期时间后，欲使天平再平衡，应从右盘中取出砝码的质量为 （ ）（A）220克 （B）8克 （C）4克 （D）2克二、填空题1.首先发现天然放射现象的是法国物理学家 ；后来又刻苦研究这一现象的是法国科学家 和 。2.用的符号形式写出下列各个元素的原子核。