第1节 认识原子核
[核心素养·明目标]
核心素养 学习目标
物理观念 知道天然放射现象及三种射线的本质，了解核子、同位素的基本观念，知道原子核的组成。
科学思维 掌握三种射线的本质，能够利用磁场、电场区分它们，理解原子核的构成，并能分析、解决相关问题，提高解题能力。
科学探究 通过利用磁场探究三种射线的本质，学习用α粒子轰击原子核发现核子，体验科学探究的过程，提高观察与实验能力。
科学态度与责任 了解科学家们探索射线的艰辛，坚持实事求是、不畏艰险的科学精神，增强探究科学的意识。
知识点一 天然放射现象的发现 认识三种放射线
1．天然放射现象的发现
(1)1896年，法国物理学家贝可勒尔发现未经照射的铀盐能发出某种看不见的射线，这种射线能穿透黑纸，使照相底片感光。
(2)物质能自发地放出射线的现象称为天然放射现象。物质放出射线的这种性质，称为放射性。具有放射性的元素，称为放射性元素。
(3)法国物理学家皮埃尔·居里夫妇对铀和铀的矿石进行了深入研究，发现了两种放射性更强的新元素，即钋和镭。
2．认识三种放射线
(1)三种射线：如图所示，1是β射线，2是γ射线，3是α射线。
(2)三种射线的本质和特点
①α射线：α射线是高速运动的氦原子核粒子流，射出时的速率可达0.1c。α射线有很强的电离作用，但穿透能力很弱，在空气中只能飞行几厘米，一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住。
②β射线：β射线是高速运动的电子流，射出时的速率可达0.99c，穿透能力较强，能穿透几毫米厚的铝板，但电离能力较弱。
③γ射线：γ射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，能穿透几厘米厚的铅板，但电离作用很弱。
说明：元素的放射性与它以单质还是化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响。
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱。 (√)
知识点二 质子和中子的发现 原子核的组成
1．质子和中子的发现
(1)质子的发现
①实验：为探测原子核的结构，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子。
②结论：质子是原子核的组成部分。
(2)中子的发现
①卢瑟福的预想
卢瑟福发现质子后，猜想原子核内可能还存在着质量跟质子相近的不带电的中性粒子，并将其称为中子。
②中子的发现是许多科学家研究的结晶。
a．1930年，科学家发现，用钋发出的α射线轰击铍时，会产生一种不受电场和磁场影响、穿透能力很强的射线。
b．1932年，约里奥·居里夫妇发现，如果用这种射线轰击石蜡，能从石蜡中轰击出质子。
c．查德威克对云室中这种射线与氮原子核碰撞的径迹进行研究，发现这种射线是一种不带电、质量接近质子的粒子流，即为中子。
③结论：中子是原子核的组成部分。
2．原子核的组成
(1)组成
原子核由质子和中子组成，并将质子和中子统称为核子。
(2)两个基本关系
①核电荷数＝质子数＝原子序数。
②质量数＝质子数＋中子数＝核子数。
(3)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子核互称同位素。
(4)核反应与核反应方程
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。③核反应中，质量数和核电荷数守恒。
④两个典型核反应方程
a．卢瑟福发现质子的核反应方程：He＋N―→O＋H。
b．查德威克发现中子的核反应方程：He＋Be―→C＋n。
说明：同位素的化学性质相同，物理性质一般不同。
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)原子核内只有质子没有中子。 (×)
(2)核反应方程只要满足质量数、电荷数守恒就可以随便写。 (×)
3：填空
铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，其核外电子有82个，中子数是125个。
考点1 对三种射线的理解
1896年，法国物理学家贝克勒尔首先发现了天然放射现象。
试探究：(1)贝克勒尔是根据什么发现的天然放射现象？
(2)贝克勒尔以后又是谁发现了两种更强的放射性元素？
提示：(1)贝克勒尔是根据铀和含铀的矿物质能使用黑纸包住的照相底片感光，发现了天然放射现象。
(2)后来玛丽·居里和她丈夫皮埃尔·居里发现了钋、镭两种放射性元素。
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He 约c 很小，一张薄纸就能挡住 很强
β射线 β粒子是高速电子流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 更弱
2.三种射线在电场、磁场中偏转情况的比较
(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，如图所示。
(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。
【典例1】 (多选)如图所示，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( )
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
思路点拨：(1)用左手定则可以判出其电性。
(2)洛伦兹力不做功只改变速度方向，故轨迹是圆弧。
AC [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，故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，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，故D错误。]
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。
角度一 三种射线在电场或磁场中的运动
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．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
C [匀强电场中：①为β射线(带负电)；
②为γ射线(不带电)；
③为α射线(带正电)。
匀强磁场中：④为α射线(带正电)；
⑤为γ射线(不带电)；
⑥为β射线(带负电)。]
角度二 三种射线的特点
2．如图甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图，请问图乙中的检查是利用了哪种射线 ( )
甲 乙
A．α射线 B．β射线
C．γ射线 D．三种射线都可以
C [α射线和β射线都不能穿透钢板，γ射线穿透能力最强，因此可用γ射线来检查钢板内部的伤痕，故选C。]
考点2 原子核的组成
卢瑟福发现了质子，猜想预言了中子的存在，1932年卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。
如图为查德威克实验示意图，用天然放射性元素钋(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。
试探究：(1)在这个实验中粒子流A是什么粒子？
(2)粒子流B又是什么粒子？
提示：(1)A为中子流。
(2)B为质子流。因为石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的粒子流为中子流，从石蜡中打出的是质子流。
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：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。
【典例2】 (多选)Ra是Ra的一种同位素，对于这两种镭的原子而言，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
思路点拨：理解原子核的书写格式，明确核子数、质子数、电荷数、核外电子数以及中子数之间的关系，是分析判断此类问题的关键。
AC [原子核的原子序数与核内质子数、电荷数、核外电子数都是相等的，且原子核的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和。由此知这两种镭的原子，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决定，因它们的核外电子数相同，故它们的化学性质也相同。正确选项为A、C。]
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。
3．(多选)下列说法正确的是( )
A．X与Y互为同位素
B．X与Y互为同位素
C．X与Y中子数相同
D．U核内有92个质子，235个中子
BC [A选项中，X核与Y核的质子数不同，不能互为同位素，A错误；B选项中X核与Y核质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中X核内中子数为n－m，Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，C正确；92U核内有143个中子，而不是235个中子，D错误。]
1．(2020·湖南省邵阳市期末)下列事实中，能说明原子核具有复杂结构的是( )
A．α粒子散射实验 B．天然放射现象
C．光电效应现象 D．原子发光现象
B [卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子的核式结构模型，A错误；贝克勒尔发现了天然放射现象，说明原子核有着复杂的结构，揭示了原子核还可再分，B正确；光电效应是原子核外层电子脱离原子核的束缚而逸出，没有涉及到原子核的变化，C错误；原子发光是原子跃迁形成的，没有涉及到原子核的变化，D错误。]
2．关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是( )
A．γ射线是波长最长的电磁波，它的穿透能力最强
B．γ射线一般伴随着α或β射线产生，它的穿透能力最强
C．α射线是氦核流，它的电离作用最弱
D．β射线是电子流，它是原子核的组成部分
B [γ射线一般伴随着α或β射线产生，其波长很短，频率很高，它的穿透能力最强，故A错误，B正确；α射线是氦核流，它的电离作用最强，故C错误；β射线是电子流，它并不是原子核的组成部分，故D错误。]
3．研究放射性元素射线性质的实验装置如图所示。两块平行放置的金属板A、B分别与电源的两极a、b连接，放射源发出的射线从其上方小孔向外射出。则( )
A．a为电源正极，到达A板的为α射线
B．a为电源正极，到达A板的为β射线
C．a为电源负极，到达A板的为α射线
D．a为电源负极，到达A板的为β射线
B [从题图中可以看出，到达两极板的粒子做类平抛运动，到达A板的粒子的竖直位移小于到达B板的粒子的竖直位移，粒子在竖直方向做匀速直线运动，粒子在水平方向的加速度a＝，α粒子的比荷远小于β粒子的比荷，则α粒子的加速度小，偏转效果弱，所以到达B板的为α粒子；因α粒子带正电，向右偏转，说明电场方向水平向右，那么a为电源正极。故B正确。]
4．在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度，其监测装置由放射源、探测器等构成，如图所示。
问题探究：(1)该装置中探测器接收到的是哪种射线？
(2)如果钢板变厚了，会有什么变化？
[解析] (1)三种射线中，α射线用一张纸就能将其挡住，β射线能穿透几毫米厚的铝板，γ射线能穿透几厘米厚的铅板，这里是钢板，只能是γ射线。
(2)钢板变厚，穿过的γ粒子数会明显减少。
[答案] 见解析
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．在α、β、γ三种射线中，哪种电离作用最强？哪种贯穿本领最大？哪种是电磁波？哪种带正电？
提示：α射线 γ射线 γ射线 α射线
2．原子核的符号是X，核电荷数、中子数与A、Z间有哪些数量关系？
提示：①核电荷数＝质子数(Z)＝核外电子数
②质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数
3．什么是同位素？
提示：具有相同质子数，不同中子数的原子核。
10课后素养落实(十一)
(建议用时：25分钟)
?题组一 对三种射线的理解
1．关于α、β、γ三种射线，下列说法正确的是( )
A．α射线是一种波长很短的电磁波
B．γ射线是一种波长很短的电磁波
C．三种射线中，β射线的电离能力最强
D．三种射线中，γ射线的电离能力最强
B [α射线的电离能力最强，穿透本领最弱，但不属于电磁波，故A错误；γ射线是高频电磁波，波长很短，故B正确；β射线的电离能力没有α射线的电离能力强，故C错误；γ射线不带电，电离能力最弱，故D错误。]
2．在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是( )
A．γ射线的贯穿作用 B．α射线的电离作用
C．β射线的贯穿作用 D．β射线的中和作用
B [因α射线的电离作用使空气电离，从而使带电体所带的电荷很快消失，选项B正确。]
3．(2020·天津市宁河区模拟)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法正确的是( )
A．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素
B．卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究，揭示了原子核有复杂的结构
C．汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现阴极射线是原子核中的中子变为质子时产生的β射线
D．查德威克用α粒子轰击铍原子核，发现了质子
A [居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素，故A正确；卢瑟福通过α粒子散射实验，证实了原子是由原子核和核外电子组成的，但他没有揭示原子核有复杂的结构，故B错误；汤姆孙通过对阴极射线的研究，发现阴极射线是带负电的粒子，且质量非常小，并未发现是中子变为质子时产生的β射线，故C错误；查德威克用α粒子轰击铍原子核，发现了中子，故D错误。]
4．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0.5 mm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
B [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的射线粒子没有影响，可知射到屏上的是不带电的γ射线；再将厚0.5 mm左右的薄铝箔移开，则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加，说明除接收到γ射线外，又收到了原来被薄铝箔p挡住的射线，而厚度为0.5 mm左右的铝箔能挡住的只有α射线，所以此放射源应是α射线和γ射线的混合放射源。故选项B正确。]
?题组二 原子核的组成
5．氢有三种同位素，分别是氕H、氘H、氚H，则下列说法正确的是( )
A．它们的质子数相等
B．它们的核外电子数不相等
C．它们的核子数相等
D．它们的中子数相等
A [它们是氢的同位素，所以它们的质子数相等，故A正确；原子的核外电子数与质子数相等，所以它们的核外电子数相等，故B错误；核子数即为质子数、中子数之和，也叫质量数，所以它们的核子数不相等，故C错误；左上角数字为质量数，左下角数字为质子数，所以它们的质子数相等而质量数不相等，因而其中子数不相等，故D错误。故选A。]
6．一种元素的同位素的质量数(A)与中子数(N)的关系可用下列各选项中A－N图像来表示的是( )
A B
C D
C [同位素的质子数相同，中子数不同，而质量数等于质子数与中子数之和，设质子数为M，则有A＝N＋M，所以C正确。]
7．在元素周期表中查到铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，下列说法正确的是 ( )
A．核外有82个电子，核内有207个质子
B．核外有82个电子，核内有82个质子
C．核内有82个质子，207个中子
D．核内有125个核子
B [在元素周期表中查到铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，则核外电子有82个。根据质量数等于质子数与中子数之和可知，铅原子核的中子数为207－82＝125。故选项B正确。]
8．(多选)已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226。下列选项中正确的是( )
A．镭核中有88个质子，138个中子
B．镭核所带的电荷量是138e
C．若镭原子呈电中性，它核外有88个电子
D．Ra是镭的一种同位素，Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径相同
AC [镭核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，故A正确；镭核所带的电荷量Q＝Ze＝88e，故B错误；呈电中性的原子，核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88，故C正确；带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力，由Bqv＝m可得r＝，两种粒子的核电荷数相同，但质量数不同，故它们运动的轨迹半径不同，故D错误。]
9．元素P的一种同位素P具有放射性，对人体有害。则：
(1)磷同位素P的原子核中有几个质子？几个中子？
(2)磷同位素P核所带电荷量是多少？
(3)若P原子呈中性，它的核外有几个电子？
(4)若让P和P原子核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？
[解析] (1)P核中的质子数等于其原子序数，故质子数为15，中子数N等于原子核的质量数A与质子数(核电荷数Z)之差，即N＝A－Z＝30－15＝15。
(2)P核所带电荷量Q＝Ze＝15×1.60×10－19 C＝2.40×10－18 C。
(3)因磷P原子呈中性，故核外电子数等于核电荷数，则核外电子数为15。
(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＝m，则r＝，因为两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，而原子核的质量之比与原子核的质量数之比相等，故＝＝。
[答案] (1)15 15 (2)2.40×10－18 C (3)15 (4)
4
