2024年高中物理第3章第1节原子核结构学案鲁科版选修3-5

PAGEPAGE1原子核结构1.卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得质子，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。2．查德威克发觉了中子，证明中子是原子核的组成部分。其核反应方程为：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n。3．在核反应中反应前后的质量数和核电荷数守恒。1．质子的发觉(1)为了探测原子核的结构，1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的试验，发觉了质子。(2)发觉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。2．中子的发觉(1)卢瑟福发觉质子后，预想核内还有一种不带电的中性粒子，并给这种“粒子”起名为中子。1932年，查德威克利用云室进行试验，证明白中子的存在。(2)发觉中子的核反应方程为eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n。3．原子核的组成(1)组成：原子核由质子和中子组成。质子和中子统称为核子，它们的质量几乎相等。(2)原子核的质量和质量数：原子核的质量等于质子和中子的质量之和，近似等于核子质量的整数倍。通常用这个整数代表原子核的相对质量，叫做原子核的质量数，质量数等于核子数。(3)核电荷数：原子核的电荷数简称核电荷数，等于原子核内的质子数，也等于原子核外的电子数，并且核电荷数就是元素周期表中的原子序数。4．同位素(1)同位素：具有相同质子数，不同中子数的原子互称同位素。(2)因为具有相同的质子数，所以同位素是同一种元素；因为原子核内中子数不同，所以同位素的质量数不同；又因为原子核外电子数相同，所以同位素的化学性质相同。(3)氢的同位素：氕(eq\o\al(1,1)H)、氘(eq\o\al(2,1)H)和氚(eq\o\al(3,1)H)。5．核反应与核反应方程(1)核反应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。1．自主思索——判一判(1)卢瑟福在α粒子散射试验中发觉了质子。(×)(2)卢瑟福发觉了质子，并预言了中子的存在。(√)(3)玻尔在试验中发觉了中子。(×)(4)原子核内只有质子而没有中子。(×)(5)同位素具有相同的物理、化学性质。(×)(6)核反应方程只要满意质量数、电荷数守恒可以随意写。(×)2．合作探究——议一议(1)卢瑟福是如何证明α粒子轰击氮原子核产生的新核是质子的？提示：卢瑟福把这种粒子分别引进电场和磁场，依据该粒子在电场和磁场中的偏转，测出了其质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫质子。(2)铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，其核外电子有多少个？中子数又是多少？提示：铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，依据质量数等于质子数与中子数之和，铅原子核中的中子数为207－82＝125(个)。原子核的组成原子核eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(半径：10－15m～10－14m,组成\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子：电量e＝＋1.6×10－19C,质量mp＝1.6726231×10－27kg,中子：电量e＝0,质量mn＝1.6749286×10－27kg)),同位素：质子数相同，中子数不同的原子))[例1]已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。试问：(1)镭核中有几个质子？几个中子？(2)镭核所带的电荷量是多少？(3)镭原子核外有几个电子？(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以相同的速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？[思路点拨]原子序数与核内质子数、核电荷数、原子的核外电子数都相等，原子的质量数等于核内质子数与中子数之和。[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)镭核所带电荷量Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.41×10－17C。(3)原子的核外电子数等于核电荷数，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为洛伦兹力，故有qvB＝meq\f(v2,r)，r＝eq\f(mv,qB)。两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故有eq\f(r226,r228)＝eq\f(226,228)＝eq\f(113,114)。[答案](1)88138(2)1.41×10－17C(3)88(4)113∶114明确原子核中核电荷数、质子数、原子核外电子数及原子序数这四个数相等，以及原子核的质量数与核子数相等，并等于质子数与中子数之和。1．[多选]已知eq\o\al(228,88)Ra是eq\o\al(226,88)Ra的一种同位素，则下列说法正确的是()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解析：选AC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。由此知这两种镭的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确定，因为它们的核外电子数相同，所以它们的化学性质也相同。故正确答案为A、C。2．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．32 B．67C．99 D．166解析：选A依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。核反应方程的书写核反应方程的书写规则(1)核反应方程必需遵守电荷数守恒和质量数守恒。(2)核反应方程中的箭头“→”表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。(3)写核反应方程必需要有试验依据，决不能毫无依据的编造。(4)要求记住常见粒子的符号表示：质子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、电子(eq\o\al(0,－1)e)、正电子(eq\o\al(0,1)e)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)等。[例2]以下是物理学史上3个闻名的核反应方程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[思路点拨]解答本题需驾驭以下两点：(1)核反应过程中质量数与电荷数守恒；(2)α粒子为eq\o\al(4,2)He，质子为eq\o\al(1,1)H，中子为eq\o\al(1,0)n，电子为eq\o\al(0,－1)e。[解析]依据核反应中质量数和电荷数守恒，可知3个核反应方程为eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(7,3)Li→2eq\o\al(4,2)He，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(14,7)N→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(17,8)O，eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(9,4)Be→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(12,6)C，由以上核反应方程可知z为中子，选项C正确。[答案]C在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上，然后依据质量数守恒和核电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的核电荷数和质量数，最终依据未知核(或未知粒子)的核电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。1．在下列4个核反应方程中，X表示质子的是()A.eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋XB.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋XC.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋X D.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋X解析：选C在核反应中质量数和电荷数守恒，由此可知A中eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e，X为正电子，B中eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He，X为氦核；C中eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)H，X为质子；D中eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，X为中子，综上所述，C符合题意。2．完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发觉质子、中子的。A.eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋()B.eq\o\al(9,4)Be＋()→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)nC.eq\o\al(27,13)Al＋()→eq\o\al(27,12)Mg＋eq\o\al(1,1)HD.eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋()E.eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋()F.eq\o\al(23,11)Na＋()→eq\o\al(24,11)Na＋eq\o\al(1,1)H解析：A.eq\o\al(10,5)B＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(13,7)N＋eq\o\al(1,0)nB.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觉了中子C.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(1,0)