2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册 第五章 原子核 教案

原子核组成
一、天然放射现象及三种射线
1．天然放射现象
(1)1896年，法国物理学家贝克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)居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋、镭。
2．三种射线
射线种类 实质 速度 穿透本领 电离作用
α射线 α粒子是氦原子核He 0.1c 穿透能力较差，一张薄纸就能挡住 很强
β射线 β粒子是高速电子流e 0.99c 穿透能力较强，能穿过几毫米厚的铝板 较弱
γ射线 波长很短的电磁波 c 穿透能力更强，能穿过几厘米的铅板几十厘米混凝土 更弱
注意：(1)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（温度、压强）、化学变化的影响。
(2)α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。
(3)α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种。
原子核的组成
卢瑟福——α粒子轰击氮核——质子p——说明原子核可分。
N+He →O+（p）
2．卢瑟福——猜想核内存在与质子质量相同的中子n。
查德维克——实验证明中子。
Be+ →+n
3．原子核的组成：由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，它们统称为核子。
4．原子核的符号
质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数
核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数
同位素：相同质子数不同的中子数，在元素周期表中处于同一位置。
氢有三种同位素分别为H（氢）、H（重氢）、H（超重氢）。
注意：
(1)同位素的化学性质相同，物理性质一般不同。（元素的化学性质由核外电子决定）
(2)元素具有放射性，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，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。
(3)放射性说明原子核也存在着一定结构。
(4)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。
(5)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。
(6)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。
放射性元素的衰变
一、衰变
1．α衰变：实质：2个质子和2个中子结合成一个整体射出 2n+2 →
2．β衰变：实质：中子转化为质子和电子 n→+
3．γ射线的产生：γ射线是由于原子核在发生α衰变和β衰变时原子核处于激发态而产生的光（能量）辐射，通常是伴随α射线和β射线而产生。γ射线的本质是能量，不能单独发生。
二、半衰期
1．放射性元素的原子核，有半数发生衰变所需的时间。
2．半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律
3．衰变的快慢是由原子核内部自身的因素决定的，与原子所处的化学状态和外部条件无关。
三、放射性的应用与防护
1．核反应：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核或状态变化的过程。
卢瑟福发现质子N+He →O+（p）——人类第一次实现人工转变。
2．人工放射性同位素
（1）放射性同位素：有些同位素具有放射性，叫做放射性同位素。
放射性同位素有天然和人造两种，它们的化学性质相同。
（2）天然放射性同位素40多种；人工放射性同位素3000多种。
（3）人工放射性同位素的优点：放射强度容易控制；形状容易控制；半衰期短，废料容易处理。
（4）凡是用到射线时，都用人造放射性同位素
3．放射性同位素的应用
（1）利用射线：射线测厚装置（γ射线）
烟雾报警器
放射治疗
培育新品种，延长保质期（γ射线）
示踪原子：棉花对磷肥的吸收
甲状腺疾病的诊断
核力与结合能
一、四种基本相互作用力
作用对象 特点 作用范围 举例
引力相互作用 一切物体之间 随距离增大而减弱 长程力,宏观 重力
电磁相互作用 电荷间、电流间、磁体间 表现为引力或斥力 长程力,宏观 弹力、摩擦力
强相互作用 组成原子核的核子间 距离增大时,急剧减小 短程力,微观 核力
弱相互作用 基本粒子之间 距离增大时,急剧减小, 比强相互作用小得多 短程力,微观 基本粒子间的力
二、结合能：核子结合在一起需要的能量
比结合能：结合能与核子数比值——比结合能越大越稳定
三、质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量。质量亏损只有在核反应中才能明显的表现出来.
1. 爱因斯坦质能方程：E=mc2 （c=3*108m/s）
2. 核反应中由于质量亏损而释放的能量：ΔE=Δmc2
注：（不要求掌握）
①物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量。
②质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少
③在核反应中仍然遵守质量守恒定律、能量守恒定律;
④质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
即质量不是能量、能量也不是质量，质量不能转化能量，能量也不能转化质量，质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度。
重核的裂变、轻核聚变
重核的裂变
重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
重核裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
3. 链式反应： 应用：原子弹（不可控） 核电站（可控）
（1）由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应。
（2）链式反应的条件：体积大于临界体积或质量大于临界质量。
4．核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆 ，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件列表如下：
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的材料 石墨、重水或普通水(也叫轻水) 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染
5．反应堆工作原理
(1)热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2～4%)制成，石墨、重水或普通水为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去，用于推动蒸汽机，使发电机发电。
发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
6．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
二、轻核聚变 应用：氢弹
1．聚变发生的条件
（1）核力发生作用的距离10－15 m，
（2）足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温。（所以核聚变又叫热核反应）
2．轻核聚变是放能反应
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。4H→He＋2e＋2γ
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应：目前处于探索阶段。
5．重核裂变与轻核聚变的区别
比较项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核， 放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核， 放出核能
放能多少 聚变产能效率高
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处 理难度 聚变更安全清洁
可控的核聚变（未实现）
两种猜想：磁约束、惯性约束
“基本”粒子
一、新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后
新粒子 反粒子 μ子 K介子与π介子 超子
基本特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 其质量比质子大
二、夸克模型
1. 1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的。
2. 夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)。
3. 夸克所带电荷：夸克所带的电荷量是分数电荷量，即其电荷量为元电荷的－或＋。
4. 意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
三、反粒子
质量、寿命、自旋等物理性质相同，电性相反。
最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子