高中物理 选修三 教师用书 第五章 1　原子核的组成

1原子核的组成[学习目标]1.知道什么是放射性、放射性元素及天然放射现象.2.了解三种射线的本质，知道其特点.3.知道原子核的组成，知道原子核的表示方法，理解原子序数、核电荷数、质量数之间的关系.4.了解同位素的概念．一、天然放射现象1．1896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．2．物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象．3．原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线．二、射线的本质1．α射线：(1)是α粒子流，其组成与氦原子核相同．(2)速度可达到光速的eq\f(1,10).(3)电离作用强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住．2．β射线：(1)是电子流．(2)速度可以接近光速．(3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．3．γ射线：(1)是一种电磁波，波长很短的光子，波长在10－10m以下．(2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土．三、原子核的组成1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子.2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分.3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.4．原子核的符号5．同位素：核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H.1．判断下列说法的正误．(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．(×)(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．(√)(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．(×)(4)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．(√)2．有关eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O三种同位素的比较，试回答下列问题：(1)三种同位素中哪一种粒子数是不相同的？____.A．质子B．中子C．核外电子(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__________.(3)三种同位素的化学性质是否相同？________.答案(1)B(2)eq\o\al(18,8)O(3)相同解析(1)同位素质子数相同、中子数不同，核外电子数与质子数相同，故粒子数不相同的是中子．(2)eq\o\al(16,8)O、eq\o\al(17,8)O、eq\o\al(18,8)O的质量数分别是16、17、18，故eq\o\al(18,8)O质量最大．(3)三种同位素质子数相同，故化学性质相同.一、射线的本质导学探究如图为三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图．(1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径，这说明什么问题？答案(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．(2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝eq\f(mv,qB)可知，α粒子的eq\f(m,q)应大于β粒子的eq\f(m,q)，即α粒子的质量应较大．知识深化α、β、γ三种射线的比较种类α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)质量4mp(mp＝1.67×10－27kg)eq\f(mp,1836)静止质量为零带电荷量2e－e0速率0.1c0.99cc穿透能力最弱，用一张纸就能挡住较强，能穿透几毫米厚的铝板最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土电离作用很强较弱很弱在磁场中偏转偏转不偏转例1如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是()A．②⑤表示γ射线，①④表示α射线B．②⑤表示γ射线，③⑥表示α射线C．③④表示α射线，①⑥表示β射线D．①④表示β射线，③⑥表示α射线答案C解析因α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，则由电场中的偏转情况可知，③表示α射线，①表示β射线，②表示γ射线；根据左手定则，结合在磁场中的偏转情况可知，④表示α射线，⑥表示β射线，⑤表示γ射线．故选C.三种射线在磁场中偏转情况的分析1．γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转．2．α射线和β射线在电场中偏转的特点：在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移量大，根据粒子在静电力方向做初速度为零的匀加速直线运动，偏移量x可表示为：x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)·eq\f(qE,m)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(y0,v)))2∝eq\f(q,mv2)所以，在同样条件下β与α粒子偏移量之比为eq\f(xβ,xα)＝eq\f(e,2e)×eq\f(4mp,\f(mp,1836))×eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,10)c))2,0.99c2)≈37＞1.3．α射线和β射线在磁场中的偏转特点：在匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨迹半径小，偏移量大，根据qvB＝eq\f(mv2,R)得R＝eq\f(mv,qB)∝eq\f(mv,q).所以，在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为eq\f(Rβ,Rα)＝eq\f(\f(mp,1836),4mp)×eq\f(0.99c,\f(c,10))×eq\f(2e,e)≈eq\f(1,371)＜1.例2如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，则下列关于磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线的判断，与实验相符的是()磁场方向到达O点射线到达P点射线A竖直向上β射线α射线B竖直向下α射线β射线C垂直线面向内γ射线β射线D垂直线面向外β射线γ射线答案C解析由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转，O处亮斑为γ射线，能穿过厚纸板且在磁场中发生偏转的射线为β射线，再根据偏转方向，结合左手定则可知磁场方向垂直纸面向内，正确选项为C.二、原子核的组成导学探究1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图．(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？答案(1)说明质子是原子核的组成部分．(2)说明原子核中除了质子外还有其他粒子．知识深化1．原子核(符号eq\o\al(A,Z)X)原子核eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(大小：很小，半径的数量级为10－15～10－14m,组成\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(质子：电荷量e＝＋1.6×10－19C,质量mp＝1.672621898×10－27kg,中子：电荷量为0,质量mn＝1.674927471×10－27kg))))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(1)同位素指质子数相同、中子数不同的原子核．(2)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．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同．例3已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226，试问：(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是多少？(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？(4)eq\o\ar(228,88)Ra是镭的一种同位素，让eq\o\ar(226,88)Ra和eq\o\ar(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？答案(1)88138(2)881.408×10－17C(3)88(4)113∶114解析(1)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，镭核中的质子数等于原子序数，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的电荷量分别是：Z＝88Q＝Ze＝88×1.6×10－19C＝1.408×10－17C.(3)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，所受洛伦兹力提向心力，故有qvB＝meq\f(v2,r)解得r＝eq\f(mv,qB)二者的速度相同，又由于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(m226,m228)＝eq\f(226,228)＝eq\f(113,114).例4下列说法正确的是()A.eq\o\al(n,m)X与eq\o\ar(n,m－1)Y互为同位素B.eq\o\al(n,m)X与eq\o\ar(n－1,m)X互为同位素C.eq\o\al(n,m)X与eq\o\al(n－2,m－2)Y质子数相同D.eq\o\ar(235,92)U核内有92个质子，235个中子答案B解析A选项中eq\o\al(n,m)X与eq\o\ar(n,m－1)Y的质子数不同，不互为同位素，A错误；B选项中nmX与eq\o\ar(n－1,m)X的质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中eq\o\al(n,m)X的质子数为m，eq\o\al(n－2,m－2)Y的质子数为m－2，质子数不同，C错误；D选项中eq\o\ar(235,92)U核内有235－92＝143个中子，而不是235个中子，D错误．针对训练(2021·三亚市调研)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)()A．它们的质子数相等B．它们的物理性质和化学性质均不相同C．它们的核子数相等D．它们的中子数相等答案A解析任意一种元素的几种同位素，具有相同的质子数、核电荷数和核外电子数，且化学性质相同，但质量数(核子数)和中子数都不相等，故选项A正确．考点一天然放射现象射线的本质1．(2022·吕叔湘中学高二月考)发现天然放射现象的意义在于使人类认识到()A．原子具有一定的结构B．原子核具有复杂的结构C．原子核中含有质子D．原子核中含有质子和中子答案B解析天然放射现象中，原子核发出射线，同时有电子或α粒子产生，因此说明了原子核可以再分，具有复杂的结构．故选B.2．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象．人们从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核的秘密．下列说法正确的是()A．法国物理学家贝克勒尔发现了X射线B．德国物理学家伦琴发现，铀和含铀的矿物能够发出α射线C．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子D．居里夫妇通过实验发现了中子答案C解析法国物理学家贝克勒尔发现了铀和含铀的矿物能够发出射线，A错误；德国物理学家伦琴发现了伦琴射线，又叫X射线，B错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，并预言了中子的存在，C正确；查德威克通过实验发现了中子，D错误．3．天然放射现象通常会放出三种射线，即α、β、γ射线，关于这三种射线，以下说法正确的是()A．α射线是高速氦核流，它具有较强的穿透能力B．β射线是高速质子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板C．γ射线是能量很高的电磁波，在电场和磁场中都不偏转D．用β射线照射带正电的验电器，则验电器的张角会变大答案C解析α粒子的电离本领大，穿透能力小，故A错误；β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板，故B错误；γ射线是能量很高的电磁波，因其不带电，所以在电场和磁场中都不偏转，故C正确；β射线是高速电子流，用β射线照射带正电的验电器，与验电器中的正电荷中和，则验电器的张角会变小，故D错误．4.在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对射线的性质进行了深入的研究，发现α、β、γ射线的穿透本领不同．如图为这三种射线穿透能力的比较，图中射线①、②、③分别是()A．γ、β、α B．β、γ、αC．α、β、γ D．γ、α、β答案C解析α射线穿透能力最弱，不能穿透黑纸，故①为α射线；γ射线穿透能力最强，能穿透厚铝板和铅板，故③为γ射线；β射线穿透能力较强，能穿透黑纸，但不能穿透厚铝板，故②是β射线，故C正确．5.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图所示，其中()A．C为氦原子核组成的粒子流B．B为比X射线波长更长的光子流C．B为比X射线波长更短的光子流D．A为高速电子组成的电子流答案C解析A沿电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B在电场中不偏转，所以是γ射线；C在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子流，所以是β射线；γ射线的波长比X射线短，故本题选C.考点二原子核的组成6．下列说法中正确的是()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．原子核的质量就是原子的质量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粒子答案D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错误；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错误；原子核的质量与电子的质量和就是原子的质量，故C错误；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，才确定原子核内还存在一种不带电的粒子，故D正确．7．(2022·尚义县第一中学高二月考)一个eq\o\ar(235,92)U(铀)原子核中的电荷数和中子数分别为()A．电荷数是92，中子数是235B．电荷数是92，中子数是143C．电荷数是235，中子数是92D．电荷数是143，中子数是235答案B解析eq\o\ar(235,92)U的质量数是235，核电荷数＝质子数＝92，中子数＝质量数－质子数＝235－92＝143，B正确．8．α粒子可以表示为eq\o\al(4,2)He，eq\o\al(4,2)He中的4和2分别表示()A．4为核子数，2为中子数B．4为质子数和中子数之和，2为质子数C．4为核外电子数，2为中子数D．4为中子数，2为质子数答案B解析根据eq\o\al(A,Z)X所表示的意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的核电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.eq\o\al(4,2)He中的2表示的是质子数或核外电子数，eq\o\al(4,2)He中的4表示的是核子数，故选项B正确．9．已知eq\o\ar(226,88)Ra是eq\o\ar(228,88)Ra的一种同位素，则下列说法正确的是()A．两者具有相同的中子数和不同的质量数B．两者具有相同的中子数和不同的原子序数C．两者具有相同的核电荷数和不同的中子数D．两者具有相同的核外电子数和不同的化学性质答案C解析同位素是同一种元素，故质子数、核电荷数及化学性质相同，但中子数不同，故C正确，A、B、D错误．10．(2021·长春市第一中学高二月考)下列关于原子核的相关说法中正确的是()A．天然放射现象的发现说明了原子核是可以再分的B．原子核的电荷数不是它所带的电荷量，但质量数是它的质量C．卢瑟福通过实验发现了质子和中子D．原子核eq\o\ar(234,90)Th的核内有90个中子答案A解析天然放射现象中，原子核发出射线，因此说明了原子核可以再分，故A项正确；原子核的电荷数不是它所带的电荷量，质量数也不是它的质量，故B项错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，查德威克通过实验发现了中子，故C项错误；原子核eq\o\ar(234,90)Th的质子数为90，中子数为144，故D项错误．11.如图所示，x为未知放射源，它向右方放出射线，p为一张厚度为0.5mm左右的薄铝箔，铝箔右侧是一真空区域，内有较强磁场，q为荧光屏，h是观察装置．实验时，若将磁场撤去，每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化，再将铝箔移开，则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加，则可知放射源x可能为()A．α射线和β射线的混合放射源B．α射线和γ射线的混合放射源C．β射线和γ射线的混合放射源D．α射线、β射线和γ射线的混合放射源答案B解析将强磁场撤去，每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化，说明磁场对穿过p的射线没有影响，可知射到屏上的是不带电的γ射线；再将厚0.5mm左右的薄铝箔移开，则每分钟观察到