3.1 原子核结构 学案 (3)

第1节原子核结构
课　标　解　读
重　点　难　点
1.了解质子和中子的发现过程．2．知道原子核的组成，理解核子、同位素的概念．3．了解核反应的概念，会书写核反应方程.
1.了解质子和中子的发现过程．(重点)2．理解原子核的组成．能正确书写原子核的符号．(重点)3．原子核的组成及如何确定核反应方程．(难点)
质子和中子的发现
1.基本知识
(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，预想核内还有一种不带电的中性粒子，并给这种“粒子”起名为中子．
②中子的发现是许多科学家研究的结晶．
a．1930年，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·居里夫妇用这种射线轰击石蜡，能从石蜡中打出质子．
c．1932年，查德威克对云室中这种射线进行研究，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．
2．思考判断
(1)卢瑟福在α粒子散射实验中发现了质子．(×)
(2)卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在．(√)
(3)玻尔在实验中发现了中子．(×)
3．探究交流
卢瑟福是如何证明α粒子轰击氮原子核产生的新核是质子的？
【提示】　卢瑟福把这种粒子分别引进电场和磁场，根据该粒子在电场和磁场中的偏转，测出了其质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫质子．
原子核的组成
1.基本知识
(1)原子核的组成
由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电，质子、中子统称为核子，原子核常用符号X表示．
X表示元素符号，A表示质量数，Z表示核电荷数．
(2)同位素
具有相同质子数、不同中子数的原子，如氢的三种同位素H、H、H.
(3)核反应方程
①核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．
②意义：能够用人工方法改变原子核．
③书写核反应方程遵循的原则：核反应满足反应前、后电荷数和质量数都守恒．
④确定未知核或粒子的方法：由反应前、后的已知核和粒子，依据守恒原则写出方程，判断未知核或粒子．
2．思考判断
(1)原子核内只有质子而没有中子．(×)
(2)同位素具有相同的物理、化学性质．(×)
(3)核反应方程只要满足质量数、电荷数守恒可以随便写．(×)
3．探究交流
铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，其核外电子有多少个？中子数又是多少？
【提示】　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，质子与电子电性相反、电量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和的关系，铅原子核的中子数为207－82＝125(个).
质子发现过程的分析及理解
【问题导思】　
1．质子由谁发现的？怎样发现的？
2．质子是原子核的组成部分吗？
3．在实验中如何确定新核是质子的？
1．实验背景
电子的发现使人们认识到，原子不再是构成物质的基本单位，进一步研究发现，原子的中心有一个原子核，原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量．原子核的结构如何？1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验．
2．实验装置(如图3－1－1所示)
图3－1－1
T进气孔、A放射源、F铝箔、S荧光屏、M显微镜，C真空容器．
3．实验过程
容器C里放有放射性物质A，从A放射出的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的后面放一荧光屏S，M是显微镜，通过M可以观察到S是否有闪光．
4．实验现象
开始，S上无闪光(因为α粒子没有穿过铝箔)．打开进气孔T的阀门，通入氮气，可以观察到S上有闪光．
5．实验分析
容器C中通入氮气后，用显微镜观察到荧光屏上有闪光，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．
6．新粒子性质研究
(1)把这种粒子引进电磁场中，根据它在电磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，进而确定它就是氢原子核，又叫质子．用符号表示为H或P.
(2)人们用同样的办法从其他元素的原子核中也轰击出了质子．
7．实验结论
质子是原子核的组成部分．
　
用显微镜观察到荧光屏上的闪光，是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的．这种新粒子与氢原子核有相同的质量和电量．
　1919年卢瑟福通过如图3－1－2所示的实验装置，第一次完成了原子核的人工转变，并由此发现了质子．图中A为放射源发出的________粒子，B为________气．写出该实验的核反应方程：_________________________________________________.
图3－1－2
【解析】　题图为α粒子轰击氮原子核生成质子的实验装置，放射源A发出的是α粒子，B为氮气，其核反应方程为：He＋N→O＋H.
【答案】　α　氮　He＋N→O＋H
1．(2013·南平检测)如图3－1－3为卢瑟福发现质子的实验装置，M是显微镜，S是荧光屏，窗口F处装铝箔，氮气从阀门T充入，A是放射源．在观察由质子引起的闪烁之前需进行的必要调整是(　　)
图3－1－3
A．充入氮气后，调整铝箔厚度，使S上有α粒子引起的闪烁
B．充入氮气后，调整铝箔厚度，使S上见不到质子引起的闪烁
C．充入氮气前，调整铝箔厚度，使S上能见到质子引起的闪烁
D．充入氮气前，调整铝箔厚度，使S上见不到α粒子引起的闪烁
【解析】　实验目的是观察α粒子轰击氮核产生新核并放出质子，所以实验前应调整铝箔的厚度，恰使α粒子不能透过，但质子仍能透过，故选D.
【答案】　D
原子核的组成
【问题导思】　
1．原子核是仅有带电的粒子组成的吗？
2．两种元素具有相同的质子数，性质一定相同吗？
3．质量数、质子数和中子数之间存在什么关系？
1．原子核
原子核
2．基本关系
核电荷数＝质子数＝原子序数
质量数＝质子数＋中子数＝核子数
3．核反应、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．
卢瑟福发现质子的核反应方程为
He＋N→O＋H.
(3)核反应的规律：在核反应中，质量数和核电荷数守恒．
　(2013·福州四中检测)完成下列各核反应方程，并指出首次发现质子的核反应是________，首次发现中子的核反应是________．
A.5B＋He―→N＋(　　)
B.Be＋(　　)→C＋n
C.Al＋(　　)→Mg＋H
D.7N＋He―→8O＋(　　)
E.U→Th＋(　　)
F.Na＋(　　)→Na＋H
【审题指导】　根据核反应过程的质量数和电荷数守恒可求得未知粒子的电荷数和质量数，再根据电荷数等于原子序数可得粒子的性质．
【解析】　A.5B＋He→7N＋n
B.Be＋He→6C＋n此核反应使查德威克首次发现了中子
C.Al＋n→Mg＋H
D.7N＋He→8O＋H此核反应使卢瑟福首次发现了质子
E.U―→Th＋He
F.Na＋H→Na＋H.
【答案】　见解析
写核反应方程应注意的问题
1．核反应必须遵守电荷数守恒和质量数守恒的规律．
2．核反应方程中的箭头“―→”表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号．
3．写核反应方程必须要有实验依据，决不能毫无根据的编造．
4．要求记住常见粒子的符号表示：质子(H)、中子(n)、电子(e)、正电子(e)、α粒子(He)等．
2．(2013·北师大附中检测)在下列4个核反应方程中，X表示质子的是(　　)
A.P→Si＋X
B.U→Th＋X
C.Al＋n→Mg＋X
D.Al＋He→P＋X
【解析】　在核反应中质量数守恒和电荷数守恒，由此可知，P→Si＋e，U→Th＋He，Al＋n→Mg＋H，Al＋He→P＋n，综上知C对．
【答案】　C
综合解题方略——核子数、质子数、质量数的辨析
　　
　已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.
(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)呈中性的镭原子，核外有几个电子？
【审题指导】　根据原子核中的核子数、质子数、中子数、质量数的关系求解．
【规范解答】　(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)镭核所带电荷量为
Q＝Ze＝88×1.6×10－19
C
＝1.41×10－17
C.
(3)中性原子核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.
【答案】　(1)88　138　(2)1.41×10－17
C　(3)88
正确理解质量数、质子数、核子数
1．核子数：质子数和中子数总和．
2．质子数：等于原子核的电荷数(Z)．原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，这个整数叫原子核的电荷数(Z)，原子核所带电荷量为Ze.
3．质量数：原子核的质量等于核内质子和中子质量的总和，而中子与质子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫做原子核的质量数(A)，显然质量数＝质子数＋中子数．
【备课资源】(教师用书独具)
中子的发现背景
1920年，卢瑟福在著名的贝克尔演讲(Bakerian
Lecture)中做出中子存在的理论预言．为了检验卢瑟福的假说，卡文迪许实验室从1921年开始实验工作．
卢瑟福曾请格拉森(J.L.Glasson)在氢气放电时寻找中子的产生，不久，罗伯兹(J.K.Roberts)也做了类似的实验．
1923年查德威克得到卢瑟福的赞同，用游离室和点计数器作为检测手段，尝试在大质量的氢化材料中检测γ辐射的发射．
在初步作了这些尝试之后，查德威克考虑到中子只有在强电场中形成的可能性，但没有合适的变压器可用．
正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究时，柏林的玻特(W.Bothe)和巴黎的约里奥·居里夫妇(Joliot·Curies)相继发表了他们的实验结果．
玻特是德国著名物理学家，曾在盖革的研究所里工作．从1928年起，玻特和他的学生贝克尔(H.Becker)用钋发射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发射穿透能力极强的中性射线，强度比其他元素所得要大过十倍．用铅吸收屏研究其吸收率，证明这种中性辐射比γ射线还要硬.1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的γ射线．
在巴黎，居里实验室的约里奥·居里夫妇也正在进行类似实验．他们把石蜡板放在放射源和游离室之间，发现静电计偏转激增．石蜡含氢，会不会是氢核被铍辐射撞击形成新的射线？于是他们加了磁场进行检验，磁场果然对这一射线有作用．遗憾的是，他们在肯定石蜡板发出的是质子流之后，也和玻特一样，把铍辐射看成是γ射线．
1932年1月18日约里奥·居里夫妇宣布，铍辐射的能量是如此之大，竟能把氢核(质子)从石蜡板中撞击出来.
随后，他们还用云室拍到了质子流的照片，但他们没有摆脱玻特的错误解释.
1．二十世纪初，为了研究物质的内部结构，物理学家做了大量的实验，揭示了原子内部的结构，发现了电子、质子．如图3－1－4所示，此装置是(　　)
图3－1－4
A．卢瑟福的α粒子散射实验装置
B．卢瑟福发现质子的实验装置
C．汤姆孙发现电子的实验装置
D．查德威克发现质子的实验装置
【解析】　根据实验原理，图示是卢瑟福发现质子的实验装置．
【答案】　B
2．(2013·三亚检测)已知Ra是Ra的一种同位素，则下列说法正确的是(　　)
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．它们具有相同的核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
【解析】　原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的，且原子核内的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和．由此知这两种镭的同位素核内的质子数均为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，因为它们的核外电子数相同，所以它们的化学性质也相同．故正确答案为A、C.
【答案】　AC
3．以下几个原子核反应式中，X代表α粒子的反应式是(　　)
A.He＋Be―→C＋X
B.H＋H―→n＋X
C.Th―→Pa＋X
D.P―→Si＋X
【解析】　据核反应方程须满足质量数守恒和电荷数守恒，可知：X分别为n、He、e、e.
【答案】　B
4．(2012·塔城高二检测)三个原子核X、Y、Z，X核放出一个正电子后变为Y核，Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦(He)，则下面说法正确的是(　　)
A．X核比Z核多一个质子
B．X核比Z核少一个中子
C．X核的质量数比Z核的质量数大3
D．X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍
【解析】　设原子核X的核电荷数为n，质量数为m，则由已知可得两个核反应方程式分别为：
X→e＋　mn－1Y
　mn－1Y＋H→He＋Z
因此比较X、Y、Z的质量数与核电荷数，可判定C、D正确，所以选C、D.
【答案】　CD
5．(2012·重庆高考)以下是物理学史上3个著名的核反应方程(　　)
x＋Li→2y　y＋N→x＋O　y＋Be→z＋C
x、y和z是3种不同的粒子，其中z是(　　)
A．α粒子　　　　　　　
B．质子
C．中子
D．电子
【解析】　把前两个方程化简，消去x，即N＋Li＝y＋O，可见y是He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子n.因此选项C正确．
【答案】　C
1．(2013·陕西师大附中检测)二十世纪初，为了研究物质的微观结构，很多物理学家做了大量的实验，揭示了原子内部的结构，发现了电子、中子和质子，如图3－1－5所示实验装置是(　　)
图3－1－5
A．汤姆孙发现电子的实验装置
B．卢瑟福α粒子散射的实验装置
C．卢瑟福发现质子的实验装置
D．查德威克发现中子的实验装置
【解析】　Po放出的α粒子轰击Be产生中子，中子轰击石蜡产生质子．故选D.
【答案】　D
2．关于质子与中子，下列说法中正确的是(　　)
A．原子核由质子和中子组成
B．质子和中子统称核子
C．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在
D．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在
【解析】　原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，卢瑟福发现了质子并预言了中子的存在，故A、B、D项叙述正确，C项错．
【答案】　ABD
3．根据布拉凯特的充氮云室实验可知
(　　)
A．质子是直接从氮核中打出来的
B．α粒子打进氮核后形成一个复核，这个复核放出一个质子
C．云室照片中短而粗的是质子的径迹
D．云室照片中短而粗的是α粒子的径迹
【解析】　α粒子轰击氮核满足动量守恒，若直接打出质子则质子运动方向与α粒子运动方向应一致，但实验中不是这样，径迹分叉，即质子与α粒子运动方向不一致，所以应是先形成一个复核，再由复核中放出一个质子，所以A选项错误，B选项正确；在云室中，径迹粗细反映粒子的电离本领的强弱，径迹长短反映粒子的贯穿本领的强弱，所以粗而短的是新核的径迹，细而长的是质子的径迹，所以C、D两项都错误．
【答案】　B
4．(2013·莆田检测)一个原子核Bi，关于这个原子核，下列说法中正确的是(　　)
A．核外有83个电子，核内有127个质子
B．核外有83个电子，核内有83个质子
C．核内有83个质子、127个中子
D．核内有210个核子
【解析】　根据原子核的表示方法可知，这种原子核的电荷数为83，质量数为210.因为原子核的电荷数等于核内质子数，故该核内有83个质子．因为原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，即等于核内核子数，故该核内有210个核子，其中有127个中子．因为该原子电性未知，故不能确定核外电子数．
【答案】　CD
5．α粒子击中氮14核后放出一个质子，转变为氧17核(O)．在这个氧原子核中有(　　)
A．8个正电子　　　　　　　
B．17个电子
C．9个中子
D．8个质子
【解析】　根据原子核的构成，核电荷数为8，即质子数为8，核外电子数为8，质量数为17，所以中子数为17－8＝9，原子核内没有游离的正电子，所以答案为C、D.
【答案】　CD
6．铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：Al＋He→X＋n.下列判断正确的是(　　)
A.n是质子
B.n是中子
C．X是Si的同位素
D．X是P的同位素
【解析】　核反应方程为Al＋He→X＋n，n表示中子．由核反应中电荷数、质量数守恒知，X为X，即为P的同位素．
【答案】　BD
7．(2013·琼海检测)最近国外科技杂志报道，将Ni和82Pb经核聚变并释放出一个中子后，生成第110号元素的一种同位素，该同位素的中子数是(　　)
A．157　　
B．159　　
C．161　　
D．163
【解析】　根据质量数与电荷数守恒，写出核反应方程
Ni＋82Pb―→Y＋n，则Y的中子数为269－110＝159.
【答案】　B
8．原子核X与氘核H反应生成一个α粒子和一个质子．由此可知(　　)
A．A＝2，Z＝1　　　　　　
B．A＝2，Z＝2
C．A＝3，Z＝3
D．A＝3，Z＝2
【解析】　X＋H→He＋H，应用质量数与电荷数的守恒A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得A＝3，Z＝2，答案D.
【答案】　D
9．(2012·上海高考)某种元素具有多种同位素，反映这些同位素的质量数A与中子数N关系的是图(　　)
【解析】　由质量数(A)＝质子数＋中子数可知B正确．
【答案】　B
10．有些元素的原子核可以从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子(如从离原子核最近的K层电子中俘获电子，叫“K俘获”)，当发生这一过程时(　　)
A．新原子是原来原子的同位素
B．新原子核比原来的原子核少一个质子
C．新原子核将带负电
D．新原子核比原来的原子核少一个中子
【解析】　原子核俘获电子后，由于负电荷和正电荷中和，新原子核质子数少1，中子数多1，故B正确．
【答案】　B
11．(2013·扬州一中高二检测)现在，科学家正在设法探寻“反物质”．所谓的“反物质”是由“反粒子”组成的，“反粒子”与对应的正粒子具有相同的质量和电荷量，但与电荷的符号相反，据此，反α粒子的质量数为________，电荷数为________．
【解析】　α粒子是氦核，它由两个质子和两个中子构成，故质量数为4，电荷数为2.而它的“反粒子”质量数也是4，但电荷数为－2.
【答案】　4　－2
12．一个静止的氮核N俘获了一个速度为2.3×107m/s的中子，生成一个复核A，A又衰变成B、C两个新核．设B、C的速度方向与中子速度方向相同，B的质量是中子的11倍，速度是106
m/s，B、C在同一匀强磁场中做圆周运动的半径之比RB∶RC＝11∶30，求：
(1)C核的速度大小．
(2)根据计算判断C核是什么．
(3)写出核反应方程．
【解析】　氮核吸收了一个中子变成的复核不稳定，将发生衰变．整个过程中，中子、氮核以及两个新核组成一个系统，过程前后都不受外界的任何干扰，所以整个系统在俘获与衰变过程中动量均守恒．利用这一点，可以求出C核的速度．然后根据粒子在磁场中的运动情况就可以判断核的种类，写出核反应方程．
(1)氮核从俘获中子到衰变成B、C两个新核的过程动量守恒，有mnvn＝mBvB＋mCvC
根据质量数守恒规律，可知C核的质量数为14＋1－11＝4.
由此解得vc＝3×106
m/s.
(2)由带电粒子在洛伦兹力的作用下做圆周运动时R＝，可得
＝＝＝①
qB＋qC＝7②
将①②式联立求解得qC＝2，而AC＝4，则C核是氦原子核．
(3)核反应方程式是N＋n→B＋He.
【答案】　见解析