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第4章 从原子核到夸克
第4章 从原子核到夸克
氢
氢
质子
不发生
光速
质子和中子
核子
核电荷数
质量数
质子数
中子数
原子核
质量数
电荷数
预习导学·新知探究
梳理知识·夯实基础
多维课堂,师生互动
突破疑难·讲练提升
原子核结构探秘
1.了解质子和中子的发现过程以及有关经典实验． 2.知道原子核的组成，知道核子和同位素的概念．(重点＋难点)
3．会写核反应方程．(重点)
[学生用书P51]
一、质子的发现
卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发生了核反应，释放出了氢核．人们对多种物质进行了类似的实验，发现硼、氟、钠、铝、磷等原子核在受到α粒子轰击后也会射出氢核．人们把氢核叫做质子，并认为质子是原子核的组成部分．
二、中子的发现
卢瑟福预言了中子的存在，居里夫妇的女儿、女婿约里奥?居里夫妇利用α粒子轰击铍时，发现了一种穿透力极强的射线，他们误认为是一种γ射线，与中子的发现失之交臂．卢瑟福的学生查德威克对约里奥?居里夫妇的实验进行了更仔细的研究，发现这种射线在磁场中不发生偏转，不带电，又测定了它的速度不到光速的十分之一，排除了γ射线，还测定了它的质量跟氢核差不多，查德威克在实验中发现，从各种元素的原子核里都能打出这种粒子，可见它就是卢瑟福所预言的中子——原子核的又一组成部分．
三、原子核的组成
1．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子．原子核所带的电荷量总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫做原子核的核电荷数；而质子和中子的总数目叫做原子核的质量数．
2．同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．
(1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子．( )
(2)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．( )
(3)同位素具有不同的化学性质．( )
提示：(1)× (2)√ (3)×
四、核反应方程
1．定义：用原子核的符号表示核反应前后各原子核变化情况的式子．
2．规律：核反应方程两边的质量数和电荷数均是守恒的．
发现质子和中子的核反应方程分别是什么？
提示：He＋N→O＋H
He＋Be→C＋n.
原子核的组成[学生用书P51]
1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，结果从氮核中打出一种粒子，并测定了它的电荷量与质量，知道它是氢原子核，把它叫做质子，后来人们又从其他原子核中打出了质子．因此确定质子是原子核的组成部分．(质子带正电，电荷量与一个电子的电荷量相等，其质量mp＝1.672 623 1×10－27 kg)．
2．中子的发现
(1)卢瑟福的预言：核内还有一种不带电的粒子，名字叫“中子”．
(2)查德威克的发现：实验证明了中子的存在，中子的质量非常接近于质子的质量．
3．原子核的组成
原子核是由质子、中子组成的，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．
核电荷数＝质子数＝元素的原子序数＝核外电子数．(原子呈电中性)
(1)核子数：质子数和中子数之和叫核子数．
(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＝Z×1.60×10－19 C，例如Cu表示Cu原子的核电荷数即质子数是29，所带电荷量q＝29e＝29×1.60×10－19 C.
(3)质量数：原子核的质量等于核内质子和中子质量的总和，而中子与质子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数(A)，显然质量数＝质子数＋中子数．
例如：222 86Rn的质量数为222，质子数为86，则中子数为222－86＝136.
原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数称为原子核的质量数，因此质量数就是核子的个数，是一个纯数字，它与质量是不同的．如质子和中子的质量数相同均为1，但它们的质量不同，中子的质量比质子的质量约大千分之一．
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)镭核所带电荷量是多少？
(3)若镭原子呈现中性，它核外有几个电子？
[思路点拨] 解答本题注意应用以下三个关系：
(1)原子核的质子数与原子序数相等．
(2)原子呈中性，核外电子数等于核内质子数．
(3)原子核的质量数等于质子数与中子数之和．
[解析] (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)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
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．
(多选)氢有三种同位素，分别是氕(H)、氘(H)、氚(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．它们的中子数相等
解析：选AB.氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数相同，都为1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，所以本题A、B选项正确．
核反应方程[学生用书P52]
1．核反应：利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫做核反应．在核反应过程中，所放出或吸收的能量叫做反应能．
2．常见的几个核反应方程
N＋He→O＋H(发现质子)
Be＋He→C＋n Al＋He→P＋n(发现中子)
P→Si＋e(发现正电子)
3．写核反应方程时应注意的问题
(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向．
(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰．
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化．
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
[思路点拨] 首先由核反应中电荷数和质量数守恒判断未知粒子的核电荷数及质量数，然后正确写出粒子的符号，并正确标出其质量数与核电荷数．
[解析] 在核反应中，质量数和电荷数守恒，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
一个原子核 X，用一个中子轰击它后，生成Y核并放出一个质子，写出核反应方程．对于原子核 X，原子序数是多少？核内有多少个质子？多少个中子？核外有多少个电子？
解析：核反应方程为：X＋n→H＋Y.
所以这个原子核 X的：
原子序数＝质子数＝核外电子数＝b＋1.
核子数＝质量数＝中子数＋质子数＝a，
中子数＝核子数－质子数＝a－(b＋1)．
答案：X＋n→H＋Y b＋1 b＋1 a－(b＋1)
b＋1
原子知识与力学知识的综合应用[学生用书P53]
1930年发现，在真空条件下用α粒子(He)轰击铍(Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子，查德威克认为这种粒子就是中子．
(1)写出α粒子轰击铍核的核反应方程．
(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰，已知中子的质量为mn，初速度为v0，与碳核碰后的速率为v1，运动方向与原来运动方向相反，碳核质量视为12mn，求碳核与中子碰撞后的速率．
(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场，测得碳核做圆周运动的半径为R，已知元电荷的电荷量为e，求该磁场的磁感应强度大小．
[思路点拨] 写核反应方程时要注意电荷数守恒和质量数守恒，运用动量守恒定律列方程时，要注意速度的方向．
[解析] (1)Be＋He→n＋C.
(2)根据动量守恒定律有
mnv0＝－mnv1＋12mnv2
解得v2＝(v1＋v0)．
(3)根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有
6eBv2＝eq \f(12mnv,R)
解得B＝.
[答案] (1)Be＋He→n＋C
(2)(v1＋v0) (3)
本题考查了电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒、牛顿第二定律和洛伦兹力等，综合性强，考查学生综合思维能力．
[随堂检测][学生用书P53]
1．(多选)关于质子与中子，下列说法正确的是( )
A．原子核由质子和中子构成
B．质子和中子统称为核子
C．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在
D．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在
解析：选ABC.原子核内存在质子和中子，质子和中子统称为核子，卢瑟福只发现了质子，以后又预言了中子的存在．
2．如图所示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，经研究知道( )
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
3．原子核的表示符号为X，下列说法正确的是( )
A．原子核的质量数为Z B．原子的质量数为A
C．原子的质量数为Z D．原子核的质子数为Z
解析：选D.原子核的符号中A表示质量数，Z表示质子数．
4．1919年卢瑟福通过如图所示的实验装置，第一次完成了原子核的人工转变，并由此发现________．图中A为放射源发出的________粒子，B为________气．完成该实验的核反应方程：________＋________ →O＋________．
解析：题图所示为α粒子轰击 N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：质子 α 氮 He N H
5．三个原子核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)，写出这两个核反应方程式．
解析：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＋Y，Y＋H→He＋Z.
答案：见解析
[课时作业][学生用书P108(单独成册)]
一、单项选择题
1．下列关于He的叙述正确的是( )
A.He与H互为同位素
B.He原子核内中子数为2
C.He原子核外电子数为2
D.He代表原子核内有2个质子和3个中子的氦原子
解析：选C.He核内质子数为2，H核内质子数为1.两者质子数不等，不是同位素，A错误；He核内中子数为1，B错误，C正确；He代表原子核内有2个质子和1个中子的氦原子核，D错误．
2．据最新报道，放射性同位素钬Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A．32 B．67
C．99 D．166
解析：选A.根据原子核的表示方法得核外电子数＝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．
3．某原子核X吸收一个中子后，放出电子，分裂为两个α粒子，由此可知( )
A．A＝7，Z＝3 B．A＝7，Z＝4
C．A＝8，Z＝3 D．A＝8，Z＝4
解析：选A.依题意知核反应方程为
X＋n→2He＋e
根据核反应前后质量数和电荷数守恒有
A＝2×4－1＝7，Z＝2×2－1＝3.
故正确答案为A.
4．用高能Kr(氪)离子轰击Pb(铅)，释放出一个中子后，生成了一个新核．关于新核的推断正确的是( )
A．其质子数为122 B．其质量数为294
C．其原子序数为118 D．其中子数为90
解析：选C.核反应方程为Pb＋Kr→n＋X.
新核质量数为293，质子数为118, 中子数为293－118＝175.故正确选项为C.
5．若用x代表一个中性原子核外电子数，y代表此原子的质子数，z代表此原子的中子数，则对Th的原子来说( )
A．x＝90，y＝90，z＝234
B．x＝90，y＝90，z＝144
C．x＝144，y＝144，z＝90
D．x＝234，y＝234，z＝324
解析：选B.在90Th中，左下标为质子数，左上标为质量数，则y＝90；核外电子数等于质子数，所以x＝90；中子数等于质量数减去质子数，z＝234－90＝144，所以B选项正确．
6．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：选C.设z为z，则由第三个方程式可得，y为y，再由第一个方程式可得，x为x，代入第二个方程式可得：，所以，即z为z，z为中子．
二、多项选择题
7．关于X，下列说法正确的是( )
A．它表示一个原子
B．它表示一个原子核
C．它表示原子核中有12个质子
D．它表示原子核中有12个中子
解析：选BCD.X表示一个原子核，说明核电荷数为12(即12个质子)，质量数为24(中子数24－12＝12)，故B、C、D正确．
8.Ra是镭Ra的一种同位素，对于这两种镭的中性原子而言，下列说法正确的有( )
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：选AC.原子核的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，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决定，因它们的核外电子数相同，故它们的化学性质也相同．
9．关于以下各个核反应方程，说法正确的是( )
A.N＋He→O＋H是卢瑟福发现质子的方程
B.Na＋H→Na＋H是卢瑟福发现质子的方程
C.Be＋He→C＋n是查德威克发现中子的方程
D.B＋He→N＋n是查德威克发现中子的方程
解析：选AC.卢瑟福发现质子的核反应方程为：
N＋He→O＋H，查德威克发现中子的核反应方程为：Be＋He→C＋n，所以正确选项为A、C.
10．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：选BD.符号n为中子，质子的符号为H，故A错，B对．根据核电荷数守恒和质量数守恒可算出X的核电荷数为15，质量数为30.所以X是P的同位素，C错，D对．
三、非选择题
11．网易曾经报道，俄科学家成功合成具有极强放射性的117号新元素，该元素是在实验室人工创造的最新的超重元素．新元素有两种同位素，其中一种有176个中子，而另一种有177个中子，则：
(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少？原子的核外电子数各为多少？
(2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少？
(3)若用X表示117号元素的元素符号，该元素的两种同位素用原子核符号如何表示？
解析：(1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数，等于核内质子数．故117号元素的核电荷数和核内质子数也为117，原子呈中性，故核外电子数等于核内质子数也为117.
(2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和，故该元素中子数为176的原子核的质量数为117＋176＝293
中子数为177的原子核的质量数为117＋177＝294.
(3)元素符号一般用X表示，其中A表示质量数，Z表示核电荷数，由前两问得：该元素的两种同位素的原子核符号，中子数为176的原子核的符号为X，中子数为177的原子核的符号为X.
答案：(1)均为117 均为117 (2)293 294
(3)X X
12．质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x.
(1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小；
(2)氢的三种同位素H、H、H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？
解析：(1)离子在电场中被加速时，由动能定理qU＝mv2，进入磁场时洛伦兹力提供向心力，qvB＝，又x＝2r，由以上三式得x＝ .
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知，xH∶xD∶xT＝∶∶＝1∶∶.
答案：(1) (2)1∶∶
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随堂演练·巩固提升
以练促学·补短扬长
