物理选修3-5全套讲义第三章原子核与放射性3-1

第1节原子核结构[目标定位]1.了解质子和中子的发现过程.2.知道原子核的组成，理解核子、同位素的概念.3.了解核反应的概念，会书写核反应方程．一、质子和中子的发现1．质子的发现2．中子的发现二、原子核的组成1．组成：原子核由质子和中子组成，它们统称为核子．2．原子核的符号：eq\o\al(A,Z)X，其中X为元素符号，A表示原子核的质量数，Z表示核电荷数．3．基本关系：核电荷数＝质子数＝原子序数；质量数＝质子数＋中子数＝核子数．4．同位素：具有相同的质子数、不同中子数的原子互称同位素．5．核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．6．核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子．例如：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.7．核反应中质量数守恒，电荷数守恒．一、质子的发现图11．1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验．实验装置如图1所示：T进气孔、A放射源、F铝箔、S荧光屏、M显微镜、C真空容器．2．实验过程：容器C里放有放射性物质A，从A放射出的α粒子射到铝箔F上，适当选取铝箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透过．在F的后面放一荧光屏S，M是显微镜，通过M可以观察到S是否有闪光．3．实验现象：开始，S上无闪光(因为α粒子没有穿过铝箔)．打开进气孔T的阀门，通入氮气，可以观察到S上有闪光．4．实验分析：容器C中通入氮气后，用显微镜观察到荧光屏上有闪光，闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的．5．新粒子性质研究(1)把这种粒子引进电磁场中，根据它在电磁场中的偏转，测出了它的质量和电荷量，进而确定它就是氢原子核，又叫质子．用符号表示为eq\o\al(1,1)H或p.(2)人们用同样的办法从其他元素的原子核中也轰击出了质子．6．实验结论：质子是原子核的组成部分．图2【例1】1919年卢瑟福通过如图2所示的实验装置，第一次完成了原子核的人工转变，并由此发现了质子．图中A为放射源发出的________粒子，B为________气．写出该实验的核反应方程：___________.答案α氮eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H解析题图为α粒子轰击氮原子核生成质子的实验装置，放射源A发出的是α粒子，B为氮气，其核反应方程为：eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.二、中子的发现1．科学家在1930年利用Po放出的α射线轰击铍原子核时，产生了一种看不见的贯穿能力很强、不受电场和磁场影响的射线．2．1932年，约里奥·居里夫妇发现如果用来自铍的射线去轰击石蜡，能从石蜡中打出质子，如图3所示．图33．1932年，查德威克进一步研究这种射线时发现，这种射线是一种不带电的、质量接近质子的粒子流，即是卢瑟福猜想的中子．4．结论：中子是原子核的组成部分．【例2】如图4所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a，用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b，下列说法正确的是()图4A．a为质子，b为中子 B．a为γ射线，b为中子C．a为中子，b为γ射线 D．a为中子，b为质子答案D解析不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见粒子应该是中子，故D正确．三、原子核的组成1．原子核的组成：原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．不同的原子核内质子和中子的个数并不相同．原子核的直径为10－15～10－14m.2．原子核的符号和数量关系：(1)符号：eq\o\al(A,Z)X.(2)基本关系：核电荷数＝质子数(Z)＝元素的原子序数＝核外电子数．质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．3．同位素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也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．把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素．4．核反应、核反应方程(1)核反应：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．(2)核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子．卢瑟福发现质子的核反应方程为eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(3)核反应的规律：在核反应中，质量数和电荷数守恒．【例3】已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是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)若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？(4)eq\o\al(228,88)Ra是镭的一种同位素，让eq\o\al(226,88)Ra和eq\o\al(228,88)Ra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？答案(1)88138(2)1.41×10－17C(3)88(4)113∶114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Z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)镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，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由洛伦兹力提供，故有Bqv＝meq\f(v2,r)，两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故eq\f(r226,r228)＝eq\f(226,228)＝eq\f(113,114).借题发挥对核子数、电荷数、质量数的理解(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)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个数表示原子核的电荷量，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，这个倍数叫做原子核的质量数．针对训练据报道，俄科学家成功合成了具有极强放射性的117号新元素，该元素目前尚未被命名，是在实验室人工创造的最新的超重元素．新元素有两种同位素，其中一种有176个中子，而另一种有177个中子，则：(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少？原子的核外电子数各为多少？(2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少？(3)若用X表示117号元素的元素符号，该元素的两种同位素用原子核符号如何表示？答案(1)均为117均为117(2)293294(3)eq\o\al(293,117)Xeq\o\al(294,117)X解析(1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数，等于核内质子数．故117号元素的核电荷数和核内质子数均为117，原子呈中性，故核外电子数等于核内质子数，也为117.(2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和，故该元素中子数为176的原子核的质量数为117＋176＝293，中子数为177的原子核的质量数为117＋177＝294.(3)元素符号一般用eq\o\al(A,Z)X表示，其中A表示质量数，Z表示核电荷数，由前两问可得该元素的两种同位素的原子核符号，中子数为176的原子核的符号为eq\o\al(293,117)X，中子数为177的原子核的符号为eq\o\al(294,117)X.【例4】完成下列核反应方程，并指出其中______________是发现质子的核反应方程，______________是发现中子的核反应方程．(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋________(2)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋________(3)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→________＋eq\o\al(4,2)He(4)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→________＋eq\o\al(1,0)n(5)eq\o\al(56,26)Fe＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(57,27)Co＋________答案见解析解析(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(14,6)C＋eq\o\al(1,1)H(2)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(3)eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(7,3)Li＋eq\o\al(4,2)He(4)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(5)eq\o\al(56,26)Fe＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(57,27)Co＋eq\o\al(1,0)n其中发现质子的核反应方程是(2)．发现中子的核反应方程是(4)．质子与中子的发现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．原子核的组成、核反应方程2．(多选)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．3．(多选)铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→X＋eq\o\al(1,0)n.下列判断正确的是()A.eq\o\al(1,0)n是质子 B.eq\o\al(1,0)n是中子C．X是eq\o\al(28,14)Si的同位素 D．X是eq\o\al(31,15)P的同位素答案BD解析由核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知，X是eq\o\al(30,15)P，故选项C错误，选项D正确；eq\o\al(1,0)n是中子，故选项A错误，选项B正确．4．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．(时间：60分钟)题组一对质子、中子的理解1．(多选)关于原子核结构，下列说法正确的是()A．原子是构成物质的基本单位B．原子核集中了原子的全部正电荷C．所有原子核中都有质子和中子D．原子核的电荷数就等于原子核外的电子数答案BD解析原子不是构成物质的基本单位，原子还可以再分为电子和原子核，A项错误；原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，原子核的电荷数就等于原子核外的电子数，故B、D项正确；氢原子核中只有质子，故C项错误．2．在垂直于纸面向外的匀强磁场中，从A处垂直于磁场飞出一批速度相同的中子、质子、电子、α粒子的粒子流，形成如图1所示的径迹，则中子的径迹是________，质子的径迹是________，电子的径迹是________，α粒子的径迹是________．图1答案②③①④解析中子不带电，在磁场中不偏转，中子的径迹是②；电子带负电，在磁场中由左手定则可判断①为电子的径迹；质子、α粒子带正电，则粒子流向右偏转，再由qvB＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(v,B)·eq\f(m,q)，比较eq\f(m,q)得③为质子的径迹，④为α粒子的径迹．题组二对原子核组成及同位素的理解3．同位素是指()A．质子数相同而核子数不同的原子B．核子数相同而中子数不同的原子C．核子数相同而质子数不同的原子D．中子数相同而核子数不同的原子答案A解析原子序数相同(即核电荷数、质子数相同)而质量数不同(即核子数不同)的元素互为同位素，故A对．4．人类探测月球时发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可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解析氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故应表示为eq\o\al(3,2)He，因此B正确．5．两个同位素原子核符号分别为eq\o\al(M,A)X和eq\o\al(N,B)Y，则下列正确的是()A．M＝N B．A＝BC．M－A＝N－B D．M－N＝A－B答案B解析同位素原子核具有相同的质子数，不同的中子数，因而质量数也不相同，故选B.6．(多选)一个原子核为eq\o\al(210,83)Bi，关于这个原子核，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得质子数为83，质量数为210，故中子数为210－83＝127个，而质子和中子统称核子，故核子数为210个，因此C、D正确；由于不知道原子的电性，就不能判断核外电子数，故A、B不正确．7．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解析由题知该同位素原子核内核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与中性原子核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错．8．(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．9．(多选)法国里昂的科学家发现一种只由四个中子构成的粒子，这种粒子称为“四中子”，也有人称之为“零号元素”．下列有关“四中子”粒子的说法正确的是()A．该粒子不显电性B．在周期表中与氢元素占同一位置C．该粒子质量比氢原子小D．该粒子质量数为4答案AD解析由题目中信息可得：此粒子是由四个中子构成的粒子，所以它的核电荷数为零，故A对，B错；而它的质量数为4，故C错，D对．10．下列说法正确的是()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A项钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；B项的铍核的质子数为4，中子数为5，所以B错；由于同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，因而C错，D对．题组三核反应方程11．对于核反应方程：eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H，下列说法正确的是()A.eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H是两种不同的元素B.eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H具有相同的质子数C.eq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H具有相同的中子数D．核反应中质量数不守恒答案B解析通过以下表格进行逐项分析：选项情景与过程分析判断Aeq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H是同位素，都是氢元素×Beq\o\al(1,1)H和eq\o\al(2,1)H是同位素，都是氢元素，具有相同的质子数√C同位素具有相同的质子数，而具有不同的中子数×D在核反应中质量数守恒×12.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\a