第3-2课时、原子核.ppt

第3-2课时.原子核,1、根据卢瑟福的粒子散射实验可估算出原子核半径的数量级为10-15m，而原子半径的数量级为10-10m，故原子的内部的确十分“空旷”。,原子核的组成,2、天然放射现象的发现，使人们认识到原子核的结构也是复杂的：由质子和中子组成。,1)1919年，卢瑟福发现了质子(11H或P)：,2)1920年，卢瑟福预言原子核内存在不带电的中子(10n)；,3)1932年，查德威克发现了中子：,5、原子核的常用符号是,核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数,1、核子：质子和中子的统称。,2、质子数：原子核中的质子个数，叫做原子核的质子数Z。,3、电荷数：原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和，所以原子核所带的电荷都是质子电荷的整数倍，这个整数叫做原子核的电荷数Z。,4、质量数：原子核的质量等于核内质子和中子的质量之和，质子和中子的质量几乎相等，故原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，这个整数叫做原子核的质量数A。,6、重要结论：,质量数（A）核子数质子数中子数,原子核的组成,7、核力：使核子紧密结合在一起的力，是很强的短距离（10-15m内）作用力，且只发生在相邻的核子间。,3、典型的同位素氢的同位素：氕、氘、氚,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，因而互称为同位数。,同位素,2、特点：质子数相同，核外电子数相同，化学性质相同，但中子数不同，核子数不同，质量数不同。,氕,氘,氚,天然放射现象,1、放射性：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。,2、放射性元素：具有发射性的元素。,3、天然放射现象：元素自发的放出射线的现象,4、放射性是某些物质的天然存在的客观属性，与任何外界因素无关：,1)原子序数大于或等于83的所有天然存在的元素都具有放射性；,2)原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。,三种天然放射线的性质,1、射线：易使气体电离，使底片感光，但一张纸就能挡住；,2、射线：易穿透黑纸，甚至几毫米厚的铝板；,3、射线：能穿透几厘米厚的铅板。,三种天然放射线的鉴别,俯视图：,结论：同一磁场中，射线圆周运动的半径比射线大。,三种天然放射线的鉴别,在电场中偏转：,结论：同一电场中，由于射线的加速度比射线小，故同样的时间内，射线的偏转距离比射线小。,思考与讨论,试指出下图中的a、b、c分别为哪一种射线？磁场方向又如何？,射线,射线,磁场方向垂直纸面向内,衰变,1、原子核的衰变：原子核自发地放出粒子或粒子后转变成新的原子核的变化过程。,2、衰变：,例,3、衰变：,例,4、幅射伴随衰变和衰变产生：,发生衰变和衰变后产生的新核往往处于高能级，故跃迁发出射线。,课堂练习,AB,1下列表述正确的是()A衰变的实质在于原子核内某个中子转化成了一个质子和一个电子B光的波动性不是由于光子之间的相互作用引起的C汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，并提出了原子核结构模型D德布罗意的“物质波”假设否定了光具有波动性,课堂练习,B,2(2011海南)2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站严重的核泄漏事故在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs的衰变过程，它们分别是_和_(填入正确选项前的字母).131I和137Cs原子核中的中子数分别是_和_AX113756Ba10nBX213154Xe0-1eCX313756Ba0-1eDX413154Xe11p,C,78,82,1、原子核的衰变规律：,衰变为外切圆,衰变为内切圆,原子核衰变时核电荷数和质量数都守恒,2、静止的放射源在磁场中衰变：,衰变规律,大圆为粒子，逆时针方向运动；小圆为新核，逆时针方向运动。,大圆为粒子，顺时针方向运动；小圆为新核，逆时针方向运动。,半衰期,1、半衰期是表示放射性元素衰变的快慢的物理量。,2、定义：放射性元素的原子核衰变掉一半所用时间，叫放射性元素的半衰期。,3、不同的放射性元素的半衰期不同。,4、放射性元素衰变的快慢是由核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理或化学状态无关，如压力、温度与其他元素的化合等都不能改变元素的半衰期。,5、了解公式：,m剩=(1/2)nm原或m剩/m原=(1/2)n,其中m0为放射性元素的原有质量；m为经过n个半衰期的时间后剩余的放射性元素的质量。,课堂练习,D,3(2011浙江)关于天然放射现象，下列说法正确的是()A射线是由氦原子核衰变产生B射线是由原子核外电子电离产生C射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D通过化学反应不能改变物质的放射性,课堂练习,D,4(2010上海)某放射性元素经过11.4天有7/8的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为()A11.4天B7.6天C5.7天D3.8天,m剩=(1/2)t/m原,课堂练习,CD,5目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些材料都不同程度地含有放射性元素，下列有关放射性元素的说法中正确的是()A射线与射线一样都是电磁波，但穿透本领远比射线弱B氡的半衰期为3.8天，4个氡原子核经过7.6天后就一定只剩下1个氡原子核C.23892U衰变成20682Pb要经过6次衰变和8次衰变D放射性元素发生衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的,课堂练习,C,6下列四个实验中，能说明光具有粒子性的是（）,1、自然界的基本相互作用：万有引力，电磁力，强力(强相互作用)，弱力(弱相互作用)。,2、核力是强相互作用的一种表现，大于电磁力。只发生在1.510-15m之内，且在大于0.810-15m时表现为引力，小于0.810-15m时表现为斥力，故原子核内的核子能牢牢的结合在一起，又不会融合在一起。,3、原子核的衰变，是由弱相互作用引起的中子质子转变的结果。弱相互作用的发生范围更小，为10-18m，作用强度小于电磁力。,核力与四种基本相互作用,1、1934年，约里奥居里和伊丽芙居里探测到了正电子01e：,人工放射性同位素,30P是磷的一种同位素，自然界中并不存在天然的30P，有放射性，衰变时放出了正电子：,2、放射性同位素与放射性元素一样，都有一定的半衰期，衰变规律一样。,3、放射性同位素跟同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质。,4、与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素有以下的优点：放射强度容易控制；可以制成各种需要的形状；半衰期更短；放射性废料容易处理。,放射性同位素的应用,1、利用它的射线,1)射线贯穿本领强，射线探伤仪(钴60)；,3)利用射线使空气电离消除化纤和纺织品上的静电；,2)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。,2、作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等,1)生物大分子结构及功能研究：用30P的放射性同位素制成肥料喷在农作物上进行研究；,2)诊断器质性和功能性疾病：利用碘的放射性同位素131I，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病。,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；,放射性防护,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。,1、自然界中存在的成对的原子核：21H，42He，168O,2、原子核中中子与质子的关系图：,理想的质子数和中子数相等的稳定原子核,实际存在的原子核,较轻的原子核中，质子数与中子数大致相等；较重的原子核，中子数大于质子数，越重的元素，两者相差越大。,原子核中质子与中子的比例,1、定义：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。,2、原子的人工转变就是一种核反应：,3、核反应规律：质量数和电荷数守恒。,核反应,4、区分：核反应是原子核的变化，而化学反应是核外电子的变化。,5、核反应中也伴随着能量的变化，即核能如：,结合能(bindingenergy),1、组成原子核的核子越多，它的结合能就越高。,4、比结合能：也叫平均结合能，是原子核的结合能与核子数之比。,5、比结合能越大，原子中核子结合得越牢固，原子核越稳定。,2、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。,3、基态氢原子的电离能13.6eV，就是原子核中的结合能。,1、核反应中遵循质量数守恒，即：,反应前的核子数=反应后的核子数,3、研究表明：核子的平均质量越小，原子核的比结合能越大。而核子的平均质量与原子序数有如图的关系：,比结合能与核子的平均质量,核子的平均质量最小值为Fe，即铁原子核最稳定。,2、定义：核子的平均质量=原子核的质量/核子数,质量亏损(massdefect),1、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。,2、质量亏损：原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，这个现象就叫做质量亏损。,4、质量亏损表明，的确存在原子核的结合能：,3、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,E=mc2,课堂练习,D,7(2010北京)太阳因核聚变释放出巨大的能量，同时其质量不断减少太阳每秒钟辐射出的能量约为41026J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近()A1036kgB1018kgC1013kgD109kg,E=mc2,质量亏损(massdefect),中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。,亏损的质量为m=mn+mp-mD,4、在核能计算中，原子质量的常用单位：u,1u相当于931.5MeV,核能的计算,1、一个中子和一个质子结合成氘核时，要放出的核能为：,1u=1.6610-27kg,释放的核能为E=mc2=2.2MeV,2、将氘核分解为一个中子和一个质子时，核反应中的质量不是亏损而是增加，故要吸收核能：,吸收的核能E=mc2=2.2MeV,3、与化学反应对比：1mol碳完全燃烧放出的能量为393.5KJ，每个碳原子释放的能量仅为4eV。,核能与核力的关系,原子核中的核子分解时，要克服核力做功，故必须提供巨大的能量，如光照；而核子结合成原子核时，核力做正功，故要释放出巨大的核能。,1、核力做功与核能的关系：,2、天然放射的和衰变中虽有核能放出，但由于多数天然存在的放射性元素的半衰期都很长，进程缓慢，功率小且无法控制，故除了医疗和科研，实用价值不大。,3、原子核的人工转变中也有核能放出，但高能粒子轰击发生相互作用的机会太少，常只有几百万分之一。,裂变和聚变,1、裂变：某些重核分裂成中等质量的核时，发生质量亏损，释放出巨大核能的反应。,2、聚变：某些轻核结合成中等质量的核时，发生质量亏损，释放出巨大核能的反应。,1、1939年12月，德国哈恩和斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，一种典型的核反应方程是：,2、在上述裂变中，裂变后的总质量小于裂变前的总质量，质量亏损释放的核能为：,E=mc2=201MeV,3、铀核裂变时产物多种多样,+141MeV,4、我国钱三强和何泽慧研究出了三分裂和四分裂,5、1kg铀全部裂变，它放出的能量相当于2500吨优质煤完全燃烧时释放的能量。,铀核的裂变和链式反应,1)纯铀235；,6、链式反应的条件：,2)大于临界体积,1、原子弹,链式反应的应用,2、核电站,年耗30吨的浓缩铀的核电站，发电功率与年耗250万吨的煤的火力发电站相当。,3、有利：核燃料资源丰富，污染较小。不利：过量放射线对人体和生物有害，核废料处理仍需改进。,核电站慢中子(热中子)反应堆,铀235易俘获慢中子,1942年费米主持建立了第一个核反应堆。,研究中发现，在消耗相同质量的核燃料时，聚变比裂变能释放更多的能量：,一个氘核和一个氚核结合成一个氦核，同时放出一个中子，这个过程释放的能量为17.6MeV，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子释放的能量大34倍。其核反应方程为：,在海水中有非常丰富的氘资源，只要有了氘核和适当的装置，运用三个氘核便可以得到大约21.6MeV的能量：,轻核聚变,1、发生轻核聚变的条件：,1)必须让轻核的距离非常接近：,10-15m以内,2)必须让轻核具有很大的动能才能克服极大的库仑斥力而相互接近。,轻核聚变,2、实现轻核聚变的措施：,1)可以将轻核加热到高温,2)当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互之间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变。因此，聚变反应又叫热核反应。,3、热核反应普遍存在于宇宙中,太阳内部和许多恒星内部温度高达107K,热核反应,1、热核反应的优点：,1)相同的核燃料释放的能量比裂变多,2)反应中没有裂变产生的放射性物质，处理较易,3)反应中的核燃料资源较丰富,1L海水中大约有0.03g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300L汽油相当规模。,2、热核反应的发生条件较难实现。,3、可控热核反应存在的问题：,1)热核反应的的点火温度很高；,2)如何约束聚变所需的燃料；,3)反应装置中的气体密度要求很低，相当于常温常压下气体密度的几万分之一。,三种炸药：,普通炸药,235,氘、氚,爆炸,裂变,聚变,轻核聚变的应用氢弹,课堂练习,D,8太阳内部持续不断地发生着4个质子(11H)聚变为1个氦核(42He)的热核反应，核反应方程是411H42He2X，这个核反应释放出大量核能已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是()A方程中的X表示中子(10n)B方程中的X表示电子(0-1e)C这个核反应中质量亏损m4m1m2D这个核反应中释放的核能E(4m1m22m3)c2,注意：X应为正电子01e,课堂练习,21H+21H32He+10n,9假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是2.0136u，中子的质量是1.0087u，氦核同位素的质量是3.0150u.(1)聚变的核反应方程式是_，在聚变核反应中释放出的能量为_MeV.(保留两位有效数字)(2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程式为HHeLi，已知各核子比结合能分别为EH1.112MeV、EHe7.075