2021学年高中物理第2章原子结构原子核的基础知识学案教科版选修35

2021学年高中物理第2章原子结构原子核的基础知识学案
教科版选修35
【学习目标】
1．明白什么是天然放射性及其规律和发觉的意义；
2．明白三种射线的本质和区分方法；
3．了解质子和中子的发觉；
4．明白原子核是由质子和中子组成的，把握原子序数、核电荷数、质量数之间的关系；
5．明白α和β衰变的规律及实质；
6．明白得半衰期的概念；
7．学会利用半衰期解决相关问题；
8．了解探测射线的仪器及原理；
9．了解探测射线的方法；
10．了解原子核人工转变及人工放射性同位素；
11．了解放射性的应用；
12．了解放射性同位素的应用．
【要点梳理】
要点一、原子核的组成
1．天然放射现象——贝克勒尔的发觉
1896年，法国物理学家贝克勒尔发觉，铀和含铀的矿物能发出一种看不见的射线，这种射线能穿透黑纸而使照相底片感光．这种元素白发地放出射线的现象叫天然放射现象。

物质发射看不见的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．研究发觉，自然界中原子序数大于或等于83的所有元素，都能、自发地放出射线；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．后来居里夫人发觉了两种放射性专门强的元素——钋和镭．尽管具有天然放射性的元素的种类专门多。

但它们在地球上的含量专门少．
2．对放射线的研究
（1）研究方法：让放射线通过电场或磁场来研究其性质．
把样品放在铅块的窄孔中，在孔的对面放着照相底片，在没有电场和磁场时，发觉在底片上正对孔的位置感光了．若在铅块和底片之间放一对电极或加上磁场，使电场方向或磁场方向跟射线方向垂直，结果在底片上有三个地点感光了，说明在电场或磁场作用下，射线分为三束，说明这些射线中有的带电，有的不带电，如图甲和乙所示．
从感光位置明白，带正电的射线偏转较小，这种射线叫α射线；带负电的射线偏转较大，这种射
线叫β射线；不偏转的射线叫γ射线．
（2）各种射线的性质、特点
①α射线：卢瑟福经研究发觉，α射线粒子带有两个单位正电荷，质量数为4，即α粒子是氦核，速度约是光速的l 10／，有较大的动能．
特点：贯穿本领小，电离作用强，能使沿途中的空气电离．
②β射线：贝克勒尔证实，β射线是电子流，其速度可达光速的99％．
特点：贯穿本领大，能穿透黑纸，甚至穿透几毫米厚的铝板，但电离作用较弱．
③γ射线是一种波长专门短的电磁波——光子流，是能量专门高的电磁波，波长1010m λ－＜．
特点：贯穿本领最强，能穿透几厘米厚的铅板．电离作用最弱．
3．天然放射现象的意义
天然放射现象说明原子核是有内部结构的．元素的放射性不受单质和化合物存在形式的阻碍．化学反应决定于核外的电子，能量有限，不可能放出α粒子，也不可能放出高速的电子和γ光子来，因此三种射线只能是从原子核内放出的．说明原子核是有复杂结构的．
4．原子核的组成
卢瑟福建立了原子的核式结构模型，明白核外有带负电的电子，原子核内有带正电的物质，那么，原子核内的构成又是如何样的呢？
（1）质子的发觉．
1919年，卢瑟福又用α粒子轰击氮核，结果从氮核中打出了一种粒子，并测定了它的电荷与质量，明白它是氢原子核，把它叫做质子．符号p 或1
1H ．以后又从氟、钠、铝等原子核中打出了质子，因此确信质子是原子核的组成部分．
一开始，人们以为原子核只是由质子组成的．然而，这不能正确地说明原子核的质量和原子核所带的电荷量．假如原子核只是由质子组成的，那么，某种原子核的质量跟质子质量之比，应该等于这种原子核的电荷跟质子电荷之比．实际上，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跟质子电荷之比
（2）中子的发觉．
卢瑟福发觉质子后，预言核内还有一种不带电的粒子，并给这种还未“出生”的粒子起了一个名字叫“中子”．卢瑟福的预言十年后就变成了现实，他的学生查德威克用实验证明了原子核内含有中子，中子的质量专门接近于质子的质量（用α粒子轰击铍原子核实验）．
（3）原子核的组成．
原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称核子．原子核所带电荷差不多上质子电荷的整数倍，用Z 表示，叫做原子核的质子数，或叫核电荷数．原子核的质量是核内质子和中子质量的总和．由于质子和中子质量几乎相等，因此原子核的质量近似等于核子质量的整数倍，用那个整数代表原子核的质量，叫做原子核的质量数，用A 表示，原子核的符号能够表示为X A Z ．其中X 为元素符号，A 为原子核的质量数，Z 为核电荷数，例如氦核，可表示为42He ．表示氦核的质量数为4，电荷数为2，核内有2个质子和2个中子．238 92U 代表铀核，质量数为238，电荷数为92，质子数为92，中子数为146，有时也可写为238U 或简称为铀238．
5．同位素
原子核内的质子数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，因此有相同的化学性质，但它们的中子数能够不同．
定义：具有相同质子数、不同中子数的原子互称同位素．
例如氢的三种同位素：氕（11H ）、氘（21H ）、氚（3
1H ）．
要点二、放射性元素的衰变
1．原子核的衰变
天然放射现象说明原子核具有复杂的结构．原子核放出α粒子或β粒子，并不说明原子核内有β粒子或β粒子（β粒子是电子流，而原子核内不可能有电子存在），放出后“就变成新的原子核”，这种变化称为原子核的衰变．
（1）衰变规律：原子核衰变时，前后的电荷数和质量数都守恒．
（2）衰变方程：
α衰变：
4422X Y He A
A Z Z --→+， β衰变：
011X Y e A
A Z Z +-→+．
（3）两个重要的衰变：
238
2344
92902U Th He →+，
234234090911Th Pa e -→+．
①核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一样会发生变化（质量亏损）而开释出核能．
②当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变．同时相伴着γ辐射．
（4）α粒子和β粒子衰变的实质
要点诠释：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较紧密，有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，这确实是放射性元素发生的仪衰变现象．原子核里尽管没有电子，然而核内的中子能够转化成质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这确实是β衰变．
α粒子实质确实是氦核，它是由两个质子和两个中子组成的．当发生α衰变时，原子核中的质子数减2，中子数也减2，因此新原子核的核电荷数比未发生衰变时的原子核的核电荷数少2，为此在元素周期表中的位置向前移动两位．
β衰变是原子核中的一个中子转化成一个电子，即β粒子放射出去，同时还生成一个质子留在核
内，使核电荷数增加．但β衰变不改变原子核的质量数，因此发生β衰变后，新原子核比原先的原子核在周期表中的位置向后移动一位．
γ射线是在发生α或β衰变过程中相伴而生，且γ粒子是不带电的粒子，因此γ射线并不阻碍原子核的核电荷数，故γ射线可不能改变元素在周期表中的位置．但γ射线是相伴α或β衰变而生，它并不能独立发生，因此，只要有γ射线必有α衰变或β衰变发生．因此从整个衰变过程来看，元素在周期表中的位置可能要发生改变．
2．半衰期
放射性元素具有一定的衰变速率，例如氡222经α衰变后变成钋218，发觉通过3.8天后，有一半氡发生了衰变，再通过3.8天后，只剩下四分之一的氡，再经3.8天后，剩下的氡为原先的八分之一；镭226变为氡222的半衰期是1620年．不同元素的半衰期是不一样的．
要点诠释：（1）定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时刻叫这种元素的半衰期．半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量；不同的放射性元素，其半衰期不同，有的差别专门大．
（2）公式：用T 表示半衰期，0m 与0N 表示衰变前的质量和原子核数，m 和N 表示衰变后的质量和原子核数，n 表示半衰期数，则
0022
t T n m m m -==⋅， 0
022t T
t
T N N N -==⋅． （3）阻碍因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部的因素决定的，跟原子所处的物理状态（如温度、压强）或化学状态（如单质、化合物）无关．
（4）规律明白得：半衰期是个统计概念，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的．某一个原子核何时发生衰变，是不可知的．若样品中有四个原子核，它们的半衰期为10天，10天后是否有两个原子核发生了衰变是无法确定的．
3．核反应方程的配平及α、β衰变次数的确定方法
（1）核反应方程中有两个守恒规律：质量数守恒，电荷数守恒．
（2）确定衰变次数的原理是两个守恒规律．
方法是：
设放射性元素X A Z 通过n 次α衰变和m 次β衰变后，变成稳固的新元素'
'Y A Z ，则表示该核反应的方程为：
'40'21X Y He e A A Z z n m -→++． 依照电荷数守恒和质量数守恒可列方程：
4A A n =+＇
， 2Z Z n m =+＇
－．
以上两式联立解得： '4A A n -=， ''2
A A m Z Z -=+-． 由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组．
（3）技巧上，为了确定衰变次数，一样是由质量数的改变先确定仪衰变的次数，这是因为β衰变的次数的多少对质量数没有阻碍，然后再依照衰变规律确定β衰变的次数．
（4）几点说明：①核反应过程一样都不是可逆的，因此核反应方程式只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接．
②核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒杜撰出生成物来写核反应方程． ③核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一样会发生变化（质量亏损）而开释出核能．
④当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时相伴着γ辐射．
要点三、探测射线的方法
1．威耳逊云室
（1）构造：要紧部分是一个塑料或玻璃制成的容器，它的下部是一个能够上下移动的活塞，上盖是透亮的，能够通过它来观看和拍照粒子运动的径迹，云室里面有洁净的空气．如图所示．
（2）原理：把一小块放射性物质（放射源）放在室内侧壁邻近（或放在室外，让放射线从窗口射入），先往云室里加少量的酒精，使室内充满酒精的饱和蒸气，然后使活塞迅速向下运动，室内气体由于迅速膨胀，温度降低，酒精蒸气达到过饱和状态．这时假如有射线粒子从室内气体中飞过，使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心，凝聚成雾滴，这些雾滴沿射线通过的路线排列，因此就显示出了射线的径迹．这种云室是英国物理学家威耳逊于1912年发明的，故叫威耳逊云室．
（3）放射线在云室中的径迹．
①α粒子的质量比较大，在气体中飞行时不易改变方向．由于它的电离本领大，沿途产生的离子多，因此它在云室中的径迹直而粗．
②β粒子的质量小，跟气体分子碰撞时容易改变方向，同时电离本领小，沿途产生的离子少，因此它在云室中的径迹比较细，而且常常弯曲．
③γ粒子的电离本领专门小，在云室中一样看不到它的径迹．
④依照径迹的长短和粗细，能够明白粒子的性质；把云室放在磁场中，从带电粒子运动轨迹的弯曲方向，还能够明白粒子所带电荷的正负．
2．气泡室
气泡室的原理同云室的原理类似，所不同的是气泡室里装的是液体（如液态氢）．操纵气泡室内液体的温度和压强，使室内温度略低于液体的沸点．当气泡室内压强突然降低时，液体的沸点变低，因此液体过热，在通过室内射线粒子周围就有气泡形成，从而显示射线径迹．
3．盖革—米勒计数器
（1）构造：要紧部分是盖革管，别处是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝．管中装有低压的惰性气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气，如图所示．
（2）原理：在金属丝和圆筒两极间加上一定的电压，那个电压稍低于管内气体的电离电压．当某种射线粒子进入管内时，它使管内的气体电离，产生电子……如此，一个射线粒子进人管中后能够产生大量电子，这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中产生了一次脉冲放电，利用电子仪器能够把放电次数记录下来．
（3）优缺点．
优点：放大倍数专门大，专门灵敏，用它来检测放射性是专门方便的．
缺点：它关于不同的射线产生的脉冲现象相同，因此只能用来计数，而不能区分射线的种类．假如同时有大量粒子，或两个粒子射来的时刻间隔专门短（少于200 ms ）时，也不能计数．
4．乳胶照相
放射线能够使照相底片感光．放射线中的粒子通过照相底片上的乳胶时，使乳胶中的溴化银分解，经显影后，就有一连串的黑点示出粒子的径迹．
要点四、放射性的应用与防护
1．人工放射性同位素
1932年，约里奥·居里和玛丽·居里用α粒子轰击铍、铝、硼等元素，发觉了前所未见的穿透性强的辐射，后经查德威克的研究，确定为中子流．1934年，他们用α粒子轰击铝、硼时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子．
正电子是科学家在1923年发觉的，它带一个单位正电荷，质量跟电子质量相同．
若拿走α粒子放射源，铝箔不再发射中子，但仍不断地发射正电子，而且这种放射性跟天然放射性具有相同的性质和规律，也有半衰期．
经进一步研究发觉：铝核被α粒子击中后发生了如下一系列核变化．
274301132150Al He P n +→+．
这一反应生成的磷30是磷的一种同位素，具有放射性，它像天然放射性元素一样发生衰变，它衰变时放出正电子，衰变方程如下：
3030015141P Si e →+．
这种具有放射性的同位素叫放射性同位素，这是人类第一次得到的人工放射性物质，由于这一重大发觉，约里奥·居里夫妇于1935年获诺贝尔奖．
后来人们用质子、氘核、中子、γ射线等轰击原子核，也得到了放射性同位素．天然存在的放射性元素只有四十多种，但用人工方法得到的放射性同位素有一千多种，因而使放射性同位素具有广泛的应用．
2．放射性同位素的应用
（1）利用它放射出的射线．
①利用γ射线的贯穿本领．利用钴60放出的专门强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤．利用γ射线能够检查30 cm 厚的钢铁部件．利用放射线的贯穿本领，可用来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度等，从而自动操纵生产过程．
②利用射线的电离作用．放射线能使空气电离，从而能够排除静电积存，防止静电产生的危害． ③利用γ射线对生物组织的物理、化学效应使种子发生变异，培养优良品种．
④利用放射线的能量，轰击原子核实现原子核的人工转变．
⑤在医疗上，常用以操纵病变组织的扩大．
（2）作为示踪原子．
把放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可明白放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是如何样分布的．我们把用作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子．示踪原子有极为广泛的应用：
①在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情形．
②在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时刻．
③在医学上，可用示踪原子关心确定肿瘤的部位和范畴．
④在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的隐秘，阐明了生命活动的物质基础起了极其重要的作用．使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，阐明了一系列重大问题，如遗传密码、细胞膜受体、RNA DNA -逆转录等，使人类对生命差不多现象的认识开创了一条新的途径．
例如：在给农作物施肥时，在肥料里放一些放射性同位素，如此能够明白农作物在各季节吸取含有哪种元素的肥料．利用示踪原子还能够检查输油管道上的漏油位置，在生物学研究方面，同位素示踪技术也起着十分重要的作用．
3．放射性的污染和防护
放射线在我们的生活中无处不在．在合理应用放射性的同时，又要小心它的危害，进行必要的防
护．过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然产生破坏作用．图示是世界通用的辐射警示标志．
（1）放射性污染．
过量的放射性会对环境造成污染，对人类和自然界产生破坏作用．几件需要记住的放射性污染是：
①1945年美国向日本的广岛和长崎投了两枚原子弹，当日炸死了十多万人，另有许多的平民受到辐射后患有各种疾病，使无辜的平民痛不欲生．
②1987年前苏联切尔诺贝利核电站的泄露造成了大量人员的伤亡，至今大片领土仍是生物活动的禁区．
③美国在近几年的两次地区冲突（海湾地区、科索沃地区）中大量使用了含有放射性的贫铀弹，使许多人患有莫名其妙的疾病．
（2）放射性的危害与防护．
【典型例题】
类型一、原子核的组成
例1．天然放射现象的发觉揭示了（）．
A．原子不可再分 B．原子的核式结构 C．原子核还可再分 D．原子核由质子和中子组成【思路点拨】汤姆孙发觉了电子说明原子也可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构；贝克勒尔发觉了天然放射现象，说明了原子核也是有着复杂的结构的；天然放射现象的发觉揭示了原子核还可再分；卢瑟福用α粒子轰击氮核，发觉了质子，查德威克用仪粒子轰击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子组成的．
【答案】C
【解析】本题涉及物理学史的一些知识．汤姆孙发觉了电子说明原子也可再分；卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构；贝克勒尔发觉了天然放射现象，说明了原子核也是有着复杂的结构的；天然放射现象的发觉揭示了原子核还可再分；卢瑟福用α粒子轰击氮核，发觉了质子，查德威克用仪粒子轰击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子组成的．因此正确选项为C．【总结升华】要了解一些科学的史实，了解人类对物质结构及物质运动规律的认识过程．正是这些伟大的发觉才使我们逐步认识了我们所生存的世界．
举一反三:
、、三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情形正确的是【变式】将αβγ
（）．
【答案】A 、D
【解析】已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，依照正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知A 、B 、C 、D 四幅图中，α、β粒子的偏转方向差不多上正确的，但偏转的程度需进一步判定． 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径mv r Bq
=
，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为 40.11371.71/18400.992
q r m v c r m v q c βαααβββα=⋅⋅=⨯⨯≈． 由此可见，A 项正确，B 项错误．
带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为0v ，垂直电场线方向位移为x ，沿电场线方向位移为y ，则有
0x v t =，
212qE y t m
=⋅， 消去t 可得
2
20
2qEx y mv =． 对某一确定的x 值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为 22221/1840(0.99)114(0.1)237.5
m v y q c y q m v c ββααββαα=⋅⋅=⨯⨯=， 由此可见，C 项错误，D 项正确．
【总结升华】明确α射线、β射线及γ射线的本质特点，并能准确判定它们在电场和磁场中的受力情形．
例2．下列说法正确的是（ ）．
A ．23490Th 为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234
B ．9
4Be 为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C ．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，因此A 错；B 项的铍核的质子数为4，中子数为5，因此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．
【总结升华】明确核子数、原子数、核外电子数及中子数的相互关系，是正确解答此类问题的关键．
举一反三:
【变式】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）若镭原子呈中性，它核外有几个电子？
（4）22888Ra 是镭的一种同位素，让22688Ra 和22888Ra 以相同速度垂直射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？
【答案】见解析。

【解析】原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数差不多上相等的．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22688138N A Z ===－－．
（2）镭核所带电荷量1917881.610C 1.4110C e Q Z ==⨯⨯=⨯－－．
（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的向心力为洛伦兹力，故有
2
v qvB m r
=， mv r qB
=， 两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故
226228226113228114
r r ==． 【总结升华】核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量差不多上相同的，因此原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量．本题容易把核电荷数误认为是原子核的电荷量而造成错解．
例3．阴极射线中的电子流与β射线有什么区别？
【思路点拨】阴极射线中的电子流与β射线差不多上由电子组成，但两种电子产生气理不同。

【答案】见解析。

【解析】尽管阴极射线中的电子流与β射线差不多上由电子组成，但两种电子产生气理不同，电子流中的电子是原子核核外电子，而β射线中的电子不是原子核核外电子，而是原子核中的一个中子转化为一个质子时放出的电子．同样，β
+粒子即正电子是原子核中的质子变为中子时开释出来的．但并不能因此说原子核中有电子．
举一反三:
【变式】氢有三种同位素，分别是氕（1
1H）、氘（2
1
H）、氚（3
1
H，则（）．
A．它们的质子数相等 B．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】A、B、D
【解析】氕、氘、氚的核子数分别为123
、、，质子数和核外电子数相同，差不多上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．
【总结升华】明确同位素的特点及核子数、质子数、核外电子数及中子数的相互关系，是解此类题的关键．
例4．如图为查德威克实验示意图，由天然放射性元素钋（Po）放射的α射线轰击铍时会产生粒子流A，用粒子流A轰击石蜡时，会打出粒子流B，经研究明白（）．
A．A为中子，B为质子 B．A为质子，B为中子
C．A为γ射线，B为中子 D．A为中子，B为γ射线
【答案】A
【解析】不可见射线A，轰击石蜡时打出的应该是质子，因为质子确实是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见射线应该是中子．
【总结升华】错解的缘故是不熟悉发觉中子这一闻名实验，关于粒子流A和粒子流B的性质纯属。