高中物理 第十九章 1原子核的组成教案 新人教版选修3-5(2篇)

原子核的组成
第一课时
一、教学目标
1．在物理知识方面要求．
(1)了解原子核的人工转变．了解它的方法和物理过程．
(2)了解质子和中子是如何被发现的．
(3)会写核反应方程式．
(4)了解原子核的组成，知道核子和同位素的概念．
2．掌握利用能量和动量守恒的思想来分析核反应过程．从而培养学生运用已知规律来分析和解决问题的能力．
3．通过发现质子和中子的历史过程，使学生认识通过物理实验研究和探索微观结构的研究方法及体会科学研究的艰巨性和严谨性．
二、重点、难点分析
1．重点是使学生了解原子核的人工转变和原子核的组成．在原子核的人工转变中发现了质子和中子，它是确定原子核组成的实验基础．
2．用已经学过的能量和动量守恒以及有关的知识来分析核反应过程，是本节的难点．
三、教具
1．分析卢瑟福做的“α粒子轰击氮原子核的实验”．
2．讲解约里奥·居里和伊丽芙·居里夫妇做的“用来自铍的射线去轰击石蜡的实验”．
用投影幻灯、投影片．
四、主要教学过程
(一)引入新课
复习提问：
1．什么是天然放射现象？天然放射性元素放射出哪几种射线？这些射线的成分是什么？
天然放射现象说明原子核存在着复杂的内部结构，为了了解原子核的组成，人们开始寻找研究原子核组成的有效方法，那就是原子核的人工转变．
(二)教学过程设计
1．质子的发现．
(1)原子核的人工转变．
是指为了了解原子核的组成，人们有目的的用高速粒子去轰击某些元素的原子核，通过对核反应过程及其产生的新粒子的研究，了解原子核的内部结构和粒子的本质及特点．
(2)α粒子轰击氮原子核的实验．
1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，第一次实现了原子核的人工转变，有了很重要的发现．
实验装置如图1所示(用投影幻灯打出装置的示意图)，容器C中放有放射性物质A，从A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后面放一荧光屏S，用显微镜M观察荧光屏．
实验现象：当在荧光屏上恰好观察不到闪光后，通过阀门T往容器C里通入氮气，此时卢瑟福从荧光屏S上又观察到了闪光．
实验结论：实验表明，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．
(3)质子的发现．
讨论提问：引导学生用已经学过的知识分析怎样知道新粒子的性质．
①若想知道新粒子的性质，必须测出粒子的什么有关物理量？
归纳得到：测出粒子的电性、电量、质量和速度等．
②用什么方法可以知道新粒子的电性？
归纳得到：可将粒子引入电场或磁场中，观察粒子的偏转轨迹．
如图2所示，在匀强电场中粒子的轨道是抛物线，若粒子向下偏转，说明粒子带正电；若向上偏转，说明粒子带负电．
如图3所示，在匀强磁场中粒子的轨道是圆，若粒子向上做圆运动，说明粒子带正电，若粒子向下做圆运动，说明粒子带负电．
实验证明：这个新粒子带正电．
③用什么方法可测出粒子的速度？
归纳得到：使粒子通过一个正交的电磁场，如图4所示，调节B或E的值，使粒子在正交场中，沿入射方向做匀速直线运动，则可知此时
实验说明：这个新粒子速度很大，有很强的穿透能力．
归纳得到：使粒子通过匀强电场，根据粒子的偏转量y求出．或使粒子在匀强磁场中做圆周运动，根据半径R求．
如图5，在匀强电场中，粒子的偏转量为y：
U为两极板间电压，则可测出荷质比为：
如图6，在匀强磁场中，粒子做圆运动的半经为R．
结论：通过对新粒子的研究与测定，确定它就是氢原子核，又叫质
(4)对核反应过程的研究．
这个质子是α粒子从氮核中直接打出的，还是α粒子打进氮核后形成的复核发生衰变时放出的呢？
分析：若质子是α粒子从氮核中直接打出来的，如图7中甲图，碰撞过程中应有四条径迹；若α粒子打进氮核后形成一个复核，这个复核立即衰变后放出一个质子，碰撞过程中应如图7中乙图所示，有三条径迹．
为弄清这个问题，英国物理学家布拉凯特在充满氮的云室里做了α粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从40多万条α粒子径迹中发现有8条产生了分叉(见课本上图)，分析可知有三条径迹，分叉后的细长径迹是质子的径迹，另一条短粗的径迹是新生核的径迹，α粒子的径迹在跟核碰撞后不再出现，因此这个核反应过程中α粒子打进氮核后形成复核，复核衰变后放出质子．从质量数守恒和电量数守恒可知，其反应方程式为
从布拉凯特的实验中，可知40多万条径迹中只有8条分叉，可见科学研究工作的艰巨性，并且可以看到科学实验的重要作用．
5．结论．
后来人们用同样的方法使氟、钠、铝等发生了类似的转变，都产生了质子．
由于各种原子核里都能打出质子来，可见质子是原子核的组成部分．
(三)课堂小结
1．原子核的人工转变是研究原子核内部结构的重要方法．
2．为了了解原子核的内部结构，卢瑟福首先做α粒子轰击氮核的实验．即用高能粒子轰击原子核是实现原子核人工转变的基本方法．
3．用α粒子轰击原子核的核反应过程是α粒子先与被轰击的原子核形成新的不稳定的复核，然后复核立即衰变放出质子并形成新核．
4．质子是原子核的组成部分．
(四)作业
1．练习二(1)．
方程式．
第二课时
(一)引入新课
复习提问：
1．卢瑟福通过什么实验产生了质子？试写出这个实验的核反应方程式．
质子的发现引导人们更进一步去研究原子核的内部结构，10多年后，科学家经过深入研究发现了原子核中另一种新的基本粒子——中子．
(二)教学过程设计
1．中子的发现．
(1)卢瑟福的假说．
质子发现后，有人提出原子核可能是由带正电的质子组成的．但这设想在解释除氢原子核外的其他原子核时遇到了困难，大多数原子核的电荷数与质量数不相等，如铀238的电荷数为92，若都由质子组成，其质量数也应是92，而除质子外剩下146的质量数是什么呢？
1920年，根据以上分析，卢瑟福曾预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫做中子．
(2)约里奥·居里夫妇的实验．
1930年发现，用钋(Po)放出的α粒子轰击铍(Be)时产生一种射线，这种射线贯穿能力极强，能穿透十几厘米厚的铅板，当时人们已知的射线中只有γ射线能穿透铅板，所以认为这种射线为γ射线．
1932年约里奥·居里夫妇用这种射线去轰击石蜡(含有大量氢原子)，竟从石蜡中打出质子，如图8(用投影幻灯片打出)，由于被打出质子能量很大，与γ射线的能量不符合，但这射线究竟是什么？约里奥·居里夫妇没有得出最后的结论．
(3)查德威克实验．
1932年英国物理学家查德威克仔细研究了这种射线，发现它是中性粒子流，在磁场中不偏转，它的速度不到光速的十分之一，因此排除了它是γ射线的可能．
后查德威克用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打击了一些氢核(质子)和氮核，并测量出被打出的氢核和氮核的速度，由此推算出这种射线的质量．
测量结果表明，被打出的原子核的速度是不同的，如被打出的氢核的速度有大有小，查德威
克认为其中速度最大的氢核是由于未知射线中的粒子与它正碰的结果，其他速度较小的是由于斜碰的结果．
(4)中子的发现．
分析：查德威克认为它们之间的碰撞是弹性正碰；设未知粒子质量为m，速度为v，氢核的质量为mH，最大速度为v′H，并认为氢核在打出前为静止的，那么根据动量守恒和能量守恒可知：
mv=mv′+mH·v′H，
(1)
其中v′是碰撞后未知粒子的速度，由此可得：
同样可求出未知射线与氮原子碰撞后，打出的氮核的速度
查德威克在实验中测得氢核的最大速度为v′H=3.3×109cm/s，氮核的最大速度为
v′N=4.7×108cm/s．
将速度的最大值代入方程(6)，可得：
可得：m=1.15mH．
查德威克还用别的物质代替氢和氮重做这个实验，可得到同样的结果．
后来更精确实验测出，此粒子质量非常接近于质子质量，只比后者大千分之一多(此粒子质量是1.674920×10-27kg，质子质量是1.672614×10-27kg)．
查德威克发现的这种与质子质量差不多的粒子，由于不带电，所以
发现中子的核反应方程式为
实验证实，从许多原子核里都能打出中子，可见中子也是原子核的组成部分．
中子的发现是物理学发展史上的一件大事，由于中子不带电，所以更容易接近或打进原子核．不少科学家用中子轰击原子核，进一步揭示了物质的微观结构，对近代物理学的发展起了很大作用．
由此也可看出科学的预言和假说的重要作用，它可引导人们发现新的事实和规律．中子的发现的历史事实也使我们明确，在科学研究中要时刻保持严谨的态度，否则会像约里奥．居里
夫妇一样与中子这样重要的发现失之交臂．由于发现了中子，查德威克获得1935年诺贝尔物理学奖．中子的发现是科学假设和理论推证相结合的产物，也是查德威克与许多物理学家共同努力的结果．查德威克事后说：“先进的科学知识通常是很多人劳动的成果．”
2．原子核的组成．
中子发现后，原子核是由质子和中子组成的看法很快得到了公认．
质子和中子统称为核子，质子带一个单位正电荷，质量数为1；中子不带电，质量数也是1．在核中：电荷数=质子数=核外电子数．
质量数=质子数+中子数．
14，所以中子数为14-7=7，则氮核是由7个质子和7个中子组成的．
同位素：具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素．如
在天然放射现象中，放射出的三种射线：α粒子是氦核，它是由2个质子和2个中子结合在一起从核中发射出来的，其核反应方程式为
β粒子是电子，这是由中子转化为质子和电子，其核反应方程式为
γ射线是由光子组成，后面会讲到．
(三)课堂小结
1．在原子核由质子组成的说法遇到困难时，卢瑟福预言：原子核中可能存在着与质子质量差不多的不带电粒子，称为中子．
2．查德威克通过对许多实验的分析，并运用动量守恒和能量守恒的规律，测量并计算出被一些人误认为γ射线的粒子的电性和质量，从而发现了质量与质子差不多，不带电的中性粒子——中子．
3．原子核是由质子和中子组成的．它的电荷数等于质子数，它的质量数等于质子数加中子数．4．了解同位素的意义．知道天然放射现象中α粒子和β粒子的形成及核反应方程式．(四)复习提问
2．一个中子以速度v0与一静止的原子核作正面弹性碰撞，原子核的质量为A，则该原子核得到的能量E2与中子的起始能量E0之比为
(1)证明上述关系式．
根据弹性碰撞的规律可列出动量守恒和动能守恒的方程：若中子质量为m0．原子核质量为
mA=Am0．
(1)m0v0=m0v′+mAv，
(1)
(2)因为A=12，则可求
1 原子核的组成
学习目标知识脉络
1.知道天然放射现象
及其规律．
2．理解三种射线的本
质，以及如何利用磁场
区分它们．(重点)
3．掌握原子核的组成，
知道核子和同位素的
概念．(重点)
4．掌握质量数、电荷
数和核子数间的关
系．(重点)
天然放射现象及三种射线
[先填空]
1．天然放射现象
(1)1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性．
(2)①放射性：物质发射射线的性质．
②放射性元素：具有放射性的元素．
③天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象．
(3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线．
(4)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为
钋(Po)和镭(Ra)．
2．三种射线
(1)α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的1
10，其电离能力强，穿
透能力较差，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：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．
(3)γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土．
[再判断]
1．放射性元素发出的射线的强度可以人工控制．(×)
2．放射性元素的放射性都是自发的现象．(√)
3．α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速．(×)
4．β射线能穿透几毫米厚的铅板．(×)
5．γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱．(√)
[后思考]
β射线的本质是高速电子流，示波器中的阴极射线的本质也是高速电子流，这两种射线的来源相同吗？
【提示】不同．阴极射线的电子来源于核外电子，β射线的电子来源于原子核．
[合作探讨]
1896年，法国物理学家贝可勒尔，研究铀和含铀的矿物，发现天然放射现象．探讨1：为什么说天然放射现象的发现使人们认识到原子核具有内部结构？
【提示】因为原子核可以放出α、β、γ射线，所以认为原子核具有内部结构．
探讨2：让放射源放出的射线垂直于电场方向向上进入水平向左的匀强电场，将会分为几部分？
【提示】射线会分为三部分，其中向左偏转的一束为α射线，向右偏转的
一束为β射线，向上不发生偏转的一束为γ射线．[核心点击]
1．α、β、γ射线性质、特征比较
射线种类组成速度贯穿本领
电离
作用
α射线α粒子是氦原子核42He约1
10c
很小，一张薄纸就能挡住很强
β射线β粒子是高速电子流
－1
e
接近c 很大，能穿过几毫米厚的铝板较弱
γ射线波长很短的电磁波等于c 最大，能穿过几厘米厚的铅板很小
(1)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图19-1-1所示．
图19-1-1
(2)在匀强电场中，α射线偏离较小，β射线偏离较大，γ射线不偏离，如图所示．
3．元素的放射性
如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响．也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关．因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着一定结构．
1．(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是
() A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
【解析】由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核．三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．
【答案】ACD
2．如图19-1-2所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线．
图19-1-2
【解析】由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．
【答案】③④、①⑥、②⑤
3．(多选)如图19-1-3所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有()
图19-1-3
A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B．α射线和β射线的轨迹是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
【解析】由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中带正电的α粒子受的洛伦兹力向上，带负电的β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧．而γ射线不带电做直线运动．所以B错误，A、C正确；如果在铅盒和荧光屏间再加一竖
直向下的匀强电场时，由于α粒子速度约是光速的1
10，而β粒子速度接近光速，
所以在同样的混合场中不可能都做直线运动，D错误．
【答案】AC
三种射线的比较方法
1．知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．
2．在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．
3．α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．
原子核的组成
[先填空]
1．质子的发现(如图19-1-4所示)
图19-1-4
2．中子的发现(如图19-1-5所示)
图19-1-5
3．原子核的组成
由质子和中子组成，它们统称为核子．
4．原子核的符号
5．同位素
具有相同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，它们互称同位素．例如，氢有三种同位素，11H、21H、31H.
[再判断]
1．原子核的核子数等于质子数．(×)
2．质量数就是原子核的质量．(×)
3．在元素周期表中处在同一位置上，而质量数不同的元素叫同位素．(√) [后思考]
同一种元素的几种同位素，它们的化学性质相同吗？为什么？
【提示】相同．因为同位素具有相同的质子数，所以具有相同的核外电子数，元素的化学性质取决于核外电子，所以同位素的化学性质相同．
[合作探讨]
探讨1：既然β射线来源于原子核，那么原子核内存在电子吗？
【提示】不存在．β射线是原子核变化时产生的，电子并不是原子核的组成部分．
探讨2：原子核的电荷数是不是电荷量？质量数是不是质量？
【提示】不是．原子核所带的电荷量总是质子电荷量的整数倍，这个倍数叫作原子核的电荷数．原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫原子核的质量数．
[核心点击]
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．
2．原子核的符号和数量关系
(1)符号：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．据最新报道，放射性同位素钬166 67Ho在医疗领域有重要应用，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是()
A．32B．67
C．99D．166
【解析】根据原子核内各量的关系可知核外电子数＝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．
【答案】 A
5．(多选)下列说法正确的是()
A.n m X与n m－1Y互为同位素
B.n m X与n－1m Y互为同位素
Y中子数相同
C.n m X与n－2
m－2
D.235 92U核内有92个质子，235个中子
【解析】A选项中，X核与Y核的质子数不同，不能互为同位素；B选项中n m X核与n－1m Y核质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位
Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，素；C选项中n m X核内中子数为n－m，n－2
m－2
所以中子数相同；23592U核内有143个中子，而不是235个中子．
【答案】 BC
6．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)228 88Ra 是镭的一种同位素，让226 88Ra 和228 88Ra 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？
【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 ＝88×1.6×10－19 C ≈1.41×10－17 C.
(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为洛伦兹力，故有Bq v ＝m v 2r ，r ＝m v qB .两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故r 226r 228
＝226228＝113114. 【答案】 (1)88 138 (2)1.41×10
－17 C (3)88
(4)113∶114
原子核的“数”与“量”辨析
1．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都是相同的，所以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．
2．原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同．原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和．。