物理选修3-5教科版全套讲义第三章原子核3-1

1原子核的组成与核力[目标定位]1.知道质子、中子的发现.2.知道原子核的组成，知道核子和同位素的概念.3.会写核反应方程.4.了解原子核里的核子间存在着相互作用的核力.一、质子、中子的发现1．质子的发现：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子．这个实验表明，可以用人工的方法改变原子核，把一种元素变成另一种元素．2．中子的发现：卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了中子的存在．在实验中，他发现这种射线在磁场中不发生偏转，可见它是中性粒子流．他又测得这种射线的速度不到光速的十分之一，这样就排除了它是γ射线的可能．他还用这种射线轰击氢原子和氮原子，打出了一些氢核和氮核，通过测量被打出的氢核和氮核的速度，推算出这种射线的粒子的质量跟氢核的质量差不多，并把这种粒子叫做中子．二、原子核的组成1．原子核的组成：由质子和中子组成，因此它们统称为核子．2．原子核的电荷数：等于原子核的质子数即原子的原子序数．3．原子核的质量数：等于质子数和中子数的总和．4．原子核的符号：eq\o\al(A,Z)X其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数．5．同位素：具有相同的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，因而互称为同位素，例如氢的同位素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H.三、核力1．核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力．核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．2．核力特点：(1)核力是强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．(2)核力是短程力，作用范围在10－15m(3)核力与电荷无关，质子与质子、质子与中子以及中子与中子之间的核力是相等的．四、核反应方程1．核反应方程的定义：在核反应中，参与反应的原子核内的核子(质子和中子)将重新排列或发生转化．用原子核的符号来表示核反应过程的式子称为核反应方程．2．核反应遵从的规律：核反应遵从电荷数守恒和质量数守恒，即核反应方程两边的质量数和质子数均是守恒的．如卢瑟福发现质子的人工核反应方程可表示为：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中问题1问题2问题3一、原子核的组成1．原子核中的三个整数(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．(2)电荷数(Z)：原子核所带电荷总是质子所带电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷数，叫做原子核的电荷数．(3)质量数(A)：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，这个整数叫做原子核的质量数．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＝中性原子核外电子数．(2)质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．【例1】已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.试问：(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少？(3)若镭原子呈中性，它核外有多少电子？答案(1)88138(2)881.41×10－17C解析(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Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138.(2)镭核的核电荷数和所带电荷量分别是Z＝88，Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.41×10－17(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.针对训练1以下说法正确的是()A.eq\o\al(234,90)Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234B.eq\o\al(9,4)Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数答案D解析钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错；同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，C错，D对．二、原子核中质子和中子的比例1．核子比例关系：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．2．形成原因(1)若质子与中子成对地人工构建原子核，由于核力是短程力．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．(2)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．(3)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根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．【例2】下列关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．对于较重的原子核，由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果继续增大原子核，形成的核也一定是不稳定的答案D解析自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，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．因此正确答案选D.三、对核反应方程的认识1．常见的几个核反应方程：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(发现质子)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(发现中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,＋1)e(发现正电子)2．写核反应方程时应注意的问题(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向．(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰．(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化．【例3】完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子和中子的．(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()(2)eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(3)eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()(5)eq\o\al(23,11)Na＋()→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H答案见解析解析(1)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)n(2)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n此核反应使查德威克首次发现了中子．(3)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H(4)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H此核反应使卢瑟福首次发现了质子．(5)eq\o\al(23,11)Na＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H借题发挥书写核反应方程四条重要原则(1)质量数守恒和电荷数守恒；(2)中间用箭头，不能写成等号；(3)能量守恒(中学阶段不做要求)；(4)核反应必须是实验中能够发生的．针对训练2以下是物理学史上3个著名的核反应方程x＋eq\o\al(7,3)Li→2yy＋eq\o\al(14,7)N→x＋eq\o\al(17,8)Oy＋eq\o\al(9,4)Be→z＋eq\o\al(12,6)Cx、y和z是3种不同的粒子，其中z是()A．α粒子B．质子C．中子D．电子答案C解析把前两个方程化简，消去x，即eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(7,3)Li→y＋eq\o\al(17,8)O，可见y是eq\o\al(4,2)He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子eq\o\al(1,0)n.因此选项C正确.原子核的组成与同位素1．若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对eq\o\al(234,90)Th的原子来说()A．x＝90y＝90z＝234B．x＝90y＝90z＝144C．x＝144y＝144z＝90D．x＝234y＝234z＝324答案B解析质量数＝质子数＋中子数，中性原子中：质子数＝核外电子数，所以选B项．2．下列说法正确的是()A.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n,m－1)Y互为同位素B.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n－1,m)Y互为同位素C.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n－2,m－2)Y中子数相差2D.eq\o\al(235,92)U核内有92个质子，235个中子答案B解析A选项中，X核与Y核的质子数不同，不是同位素；B选项中，eq\o\al(n,m)X核与eq\o\al(n－1,m)Y核质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素；C选项中，eq\o\al(n,m)X核内中子数为n－m，eq\o\al(n－2,m－2)Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同；D选项中，eq\o\al(235,92)U核内有142个中子．3．氢有三种同位素，分别是氕(eq\o\al(1,1)H)、氘(eq\o\al(2,1)H)、氚(eq\o\al(3,1)H)，则()A．它们的质子数相等B．若为中性原子，它们的核外电子数相等C．它们的核子数相等D．它们的化学性质相同答案ABD解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和中性原子核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B两项正确；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．核反应方程4．(多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是()A.eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋XB.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋XC.eq\o\al(204,80)Hg＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(202,78)Pt＋2eq\o\al(1,1)H＋XD.eq\o\al(239,92)U→eq\o\al(239,93)Np＋X答案AC解析根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得．5．一质子束入射到静止靶核eq\o\al(27,13)Al上，产生如下核反应：P＋eq\o\al(27,13)Al→X＋n式中P代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核．由反应式可知，新核X的质子数为________，中子数为________．答案1413解析根据核反应过程电荷数守恒和质量数守恒，新核X的质子数为1＋13－0＝14，质量数为1＋27－1＝27，所以中子数＝27－14＝13.(时间：60分钟)题组一原子核的组成1．(多选)关于质子与中子，下列说法正确的是()A．原子核(除氢核外)由质子和中子构成B．质子和中子统称为核子C．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在D．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在答案ABC解析原子核内存在质子和中子，中子和质子统称为核子，卢瑟福只发现了质子，以后又预言了中子的存在．2．卢瑟福预想到原子核内除质子外，还有中子的事实依据是()A．电子数与质子数相等B．原子核的质量大约是质子质量的整数倍C．原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些D．质子和中子的质量几乎相等答案C解析本题考查原子核结构的发现过程．3．据最新报道，放射性同位素钬eq\o\al(166,67)Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是()A．32B．67C．99D．166答案A解析根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错．4．(多选)关于原子核eq\o\al(210,83)Bi，下列说法中正确的是()A．核外有83个电子，核内有127个质子B．核外有83个电子，核内有83个质子C．核内有83个质子，127个中子D．核内有210个核子答案CD解析根据原子核的表示方法可知，这种原子核的电荷数为83，质量数为210.因为原子核的电荷数等于核内质子数，等于核外电子数，对于离子则质子数与电子数可不相等，故该核内有83个质子，核外不一定有83个电子，故A、B错误．因为原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，即等于核内核子数，故该核核内有210个核子，其中有127个中子，故C、D正确．5．(多选)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．原子核中的中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原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子答案CD解析原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确．题组二同位素6．人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一．氦的该种同位素应表示为()A.eq\o\al(4,3)HeB.eq\o\al(3,2)HeC.eq\o\al(4,2)HeD.eq\o\al(3,3)He答案B解析氦是2号元素，质量数为3的氦同位素为eq\o\al(3,2)He.7．(多选)eq\o\al(228,88)Ra是镭eq\o\al(226,88)Ra的一种同位素，对于这两种镭的原子而言，下列说法正确的有()A．它们具有相同的质子数和不同的质量数B．它们具有相同的中子数和不同的原子序数C．它们具有相同的核电荷数和不同的中子数D．它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质答案AC解析原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的，且原子核内的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和．由此可知这是镭的两种同位素，核内的质子数均为88，核子数分别为228和226，中子数分别为140和138；原子的化学性质由核外电子数决定，由于它们的核外电子数相同，因此它们的化学性质也相同．题组三核力8．(多选)关于核力，下列说法中正确的是()A．核力是一种特殊的万有引力B．原子核内任意两个核子间都有核力作用C．核力是原子核能稳定存在的原因D．核力是一种短程强作用力答案CD9．下列关于核力的说法正确的是()A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B．核力就是电磁力C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15mD．核力与电荷有关答案C解析核力是短程力，超过1.5×10－15m题组四核反应方程10．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子①eq\o\al(3,1)H＋X1→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n②eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋X2③eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋X3④eq\o\al(24,12)Mg＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(27,13)Al＋X4则以下判断中正确的是()A．X1是质子 B．X2是中子C．X3是电子 D．X4是质子答案D解析根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为eq\o\al(2,1)H，A错；X2为eq\o\al(1,1)H，B错；X3为eq\o\al(1,0)n，C错；X4为eq\o\al(1,1)H，D对．11．用中子轰击氧原子核的核反应方程式为eq\o\al(16,8)O＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(a,7)N＋eq\o\al(0,b)X，对式中X、a、b的判断正确的是()A．X代表中子，a＝17，b