鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 第1节 认识原子核学案word含解析

课标要求
1.了解原子核的组成和核力的性质。知道四种基本相互作用。
2.能根据质量数守恒和电荷守恒写出核反应方程。
3.了解放射性和原子核衰变。知道半衰期及其统计意义。
4.了解放射性同位素的应用，知道射线的危害与防护。
5.认识原子核的结合能，了解核裂变反应和核衰变反应。关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响。
6.了解人类对物质结构的探索历程。
第1节　认识原子核
核心素养 物理观念 科学思维 科学态度与责任
1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象。
2.记住三种射线的本质和特性。
3.了解质子和中子的发现过程。
4.知道原子核的组成，理解核子、同位素的概念。
5.了解核反应的概念，会书写核反应方程。 守恒思想在核反应方程书写中的应用。 通过天然放射现象、质子、中子的发现了解人们对原子核的认识过程。
知识点一　天然放射现象与三种射线
[观图助学]
如图为癌症病人正在进行放射治疗，放射治疗是指通过放射线杀灭肿瘤细胞的一种局部治疗方法。你知道什么是放射线吗？知道它们有什么特点吗？
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铀盐能自发的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，但电离作用较弱。
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。
[思考判断]
(1)天然放射现象是法国物理学家皮埃尔·居里夫妇发现的。(×)
(2)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力。(×)
(3)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。(√)
(4)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强。(×)
天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。
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.
氢原子光谱是氢原子的核外电子发生能级跃迁时辐射出的电磁波，γ射线是由原子核内辐射的电磁波。
三种射线的穿透能力示意图
知识点二　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。
①1930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。
②1932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。
③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。
[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。(×)
卢瑟福发现质子的实验装置
约里奥·居里夫妇的实验图
知识点三　原子核的组成
1.原子核的组成
(1)组成：质子和中子都是原子核的组成部分，人们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)原子核的符号：X，其中X为元素符号；A表示原子核的质量数，Z表示核电荷数。
2.同位素
具有相同质子数、不同中子数的原子核互称同位素。如氢的三种同位素H、H、H。
3.核反应与核反应方程
(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)核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子。
(3)核反应规律：在核反应中，质量数和核电荷数守恒。
(4)发现质子与中子的核反应方程
He＋N→O＋H
He＋Be→C＋n
[思考判断]
(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) 核反应方程满足质量数、电荷数守恒。(√)
镭Ra的质量数是226，即原子核内有226个核子，其中有88个质子，138个中子。
书写核反应方程时，“→”不能用“＝”来代替。
核心要点 　三种射线的本质及特点
[问题探究]
图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。
(1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转说明了什么？
(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明什么问题？
答案　(1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。
(2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝可知，α粒子的应大于β粒子的，即α粒子的质量应较大。
[探究归纳]
1.α、β、γ三种射线的性质、特征比较
种 类 α射线 β射线 γ射线
组 成 高速氦核流 高速电子流 光子流
(高频电磁波)
带电荷量 2e －e 0
质 量 4mp(mp＝1.67×10－27 kg)
静止质量为零
速 率 0.1c 0.9c c
贯穿本领 最弱
用一张纸就能挡住 较强
能穿透几毫米厚的铝板 最强
能穿透几厘米厚的铅板
电离作用 很强 较弱 很弱
2.在电场、磁场中偏转情况的比较
(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图甲
所示。
(2)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，如图乙所示。
[经典示例]
[例1] 如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的(　　)
选项 磁场方向 到达O点的射线 到达P点的射线
A 竖直向上 β α
B 竖直向下 α β
C 垂直纸面向里 γ β
D 垂直纸面向外 γ α
解析　R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
答案　C
规律总结　判断三种射线性质的方法
(1)射线的电性：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，它是波长很短的电磁波。
(2)射线的偏转：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射线偏转方向，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。
(3)射线的穿透能力：α粒子穿透能力较弱，β粒子穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离作用相反。
[针对训练1] 如图，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
解析　由三种射线的带电性质可以判断出①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，③④表示α射线，故C正确。
答案　C
核心要点 　原子核的组成
[问题探究]
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。
(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？
答案　(1)说明质子是原子核的组成部分。
(2)说明原子核中除了质子外还有其他粒子。
[探究归纳]
1.原子核的大小和组成
2.对核子数、电荷数、质量数的理解
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数。
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数。
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作原子核的质量数。
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、不同中子数的原子互称为同位素。
[经典示例]
[例2] (多选)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
规律总结　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，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。
[针对训练2] 以下说法正确的是(　　)
A.Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234
B.Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C.同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D.同一元素的两种同位素具有不同的中子数
解析　钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错误；铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，C错误，D正确。
答案　D
1.(三种射线的本质与特点)(多选)天然放射性物质的射线包含三种成分，下列说法中正确的是(　　)
A.α射线的本质是高速氦核流
B.β射线是不带电的光子流
C.三种射线中电离作用最强的是γ射线
D.一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线
解析　α射线的本质是高速氦核流，β射线是高速电子流，A正确，B错误。三种射线中电离作用最强的是α射线，C错误；一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线，D正确。
答案　AD
2.(中子的发现)如图所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a，用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b，下列说法正确的是(　　)
A.a为质子，b为中子 B.a为γ射线，b为中子
C.a为中子，b为γ射线 D.a为中子，b为质子
解析　不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见粒子应该是中子，故D正确。
答案　D
3.(原子核的组成)在α粒子轰击金箔的散射实验中，α粒子可以表示为He，He中的4和2分别表示(　　)
A.4为核子数，2为中子数
B.4为质子数和中子数之和，2为质子数
C.4为核外电子数，2为中子数
D.4为中子数，2为质子数
解析　根据X所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子数，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。原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数。He符号的左下角表示的是质子数，即为2，He符号左上角表示的是核子数，即为4，故选项B正确。
答案　B
4.(核反应方程)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
基础过关
1.(多选)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。下列说法符合历史事实的是(　　)
A.密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B.贝可勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核
C.居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素
D.卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子
解析　密立根通过油滴实验测出了元电荷即基本电荷的数值，A项正确；贝可勒尔发现了天然放射现象，说明原子核具有复杂的结构，卢瑟福通过α粒子散射实验确定了原子的核式结构模型，B项错误；居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素，C项正确；卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮的原子核，从中找出了新的粒子，通过测定其质量和电荷，确定该粒子为氢的原子核，证实了原子核内部存在质子，D项错误。
答案　AC
2.(多选)关于α、β、γ三种射线，下列说法正确的是(　　)
A.α射线是原子核发射出的氦核，它的穿透能力最强
B.β射线是电子流，它具有中等的穿透能力
C.γ射线一般伴随着α射线或β射线产生，它的穿透能力最强
D.γ射线是电磁波，它的穿透能力最弱
解析　根据三种射线的性质可知：α射线是高速氦核流，β射线是高速电子流，γ射线是光子流，在三种射线中，α射线的电离作用最强，穿透能力最弱，γ射线的电离作用最弱，穿透能力最强，β射线的电离作用和穿透能力居中，故B、C正确，A、D错误。
答案　BC
3.(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.它们的化学性质相同
解析　氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B正确，C错误；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确。
答案　ABD
4.(多选)关于质子与中子，下列说法正确的是(　　)
A.原子核(除氢核外)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　原子核内存在质子和中子，中子和质子统称为核子，卢瑟福只发现了质子，以后又预言了中子的存在。
答案　ABC
5.某种元素的原子核用X表示，下列说法中正确的是(　　)
A.原子核的质子数为Z，中子数为A
B.原子核的质子数为Z，中子数为A－Z
C.原子核的质子数为A，中子数为Z
D.原子核的质子数为A－Z，中子数为Z
解析　根据原子核的符号的含义：A表示质量数，Z表示质子数，则中子数为
A－Z，所以B正确。
答案　B
6.若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，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　质量数＝质子数＋中子数，中性原子中：质子数＝核外电子数，所以选项B正确。
答案　B
7.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原子核内质子数为2
D.He代表原子核内有2个质子和3个中子的氦原子核
解析　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原子核内中子数为1，B错误；He代表原子核内有2个质子和1个中子的氦原子核，故C正确，D错误。
答案　C
8.在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子
①H＋X1→He＋n
②N＋He→O＋X2
③Be＋He→C＋X3
④Mg＋He→Al＋X4
则以下判断中正确的是(　　)
A.X1是质子 B.X2是中子
C.X3是电子 D.X4是质子
解析　根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为H，A错误；X2为H，B错误；X3为n，C错误；X4为H，D正确。
答案　D
能力提升
9.(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
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；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；D选项中U核内有143个中子，而不是235个中子。
答案　BC
10.如图所示，一天然放射性物质发出三种射线，经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示)。调整电场强度E和磁感应强度B的大小，使得在MN上只有两个点受到射线的照射，则下列判断正确的是(　　)
A.射到b点的一定是α射线
B.射到b点的一定是β射线
C.射到b点的一定是α射线或β射线
D.射到b点的一定是γ射线
解析　γ射线不带电，在电场和磁场中它都不受力的作用，只能射到a点，选项D错误；调整E和B的大小，既可以使带正电的α射线沿直线前进，也可以使带负电的β射线沿直线前进，沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡，即qE＝qvB。已知α粒子的速度比β粒子的速度小得多，当α粒子沿直线前进时，速度较大的β粒子向右偏转；当β粒子沿直线前进时，速度较小的α粒子也向右偏转，故选项C正确，A、B错误。
答案　C
11.(多选)法国里昂的科学家发现一种只由四个中子构成的粒子，这种粒子称为“四中子”，也有人称之为“零号元素”。下列有关“四中子”粒子的说法正确的是(　　)
A.该粒子不显电性
B.在周期表中与氢元素占同一位置
C.该粒子质量比氢原子小
D.该粒子质量数为4
解析　由题目中信息可得：此粒子是由四个中子构成的粒子，所以它的核电荷数为零，故A正确，B错误；而它的质量数为4，故C错误，D正确。
答案　AD
12.1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性磷P和另一种粒子，并因这一伟大发现而获得诺贝尔物理学奖。
(1)写出这个过程的核反应方程式；
(2)若该种粒子以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，该粒子碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的
速度。
解析　(1)核反应方程式为Al＋He→P＋n。
(2)由(1)知，该种粒子为中子，设该种粒子的质量为m，则12C核的质量为12m，设碰撞后12C核的速度为v2，取该粒子初速度v0方向为正方向，由动量守恒定律可得mv0＝m(－v1)＋12mv2，解得v2＝，碰撞后12C核的运动方向与入射粒子原运动方向相同。
答案　(1)Al＋He→P＋n　(2)，方向与入射粒子原运动方向相同
13.在暗室的真空装置中做如下实验：
在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线的放射源。从放射源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图所示，在与放射源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药品面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药品的纸)，经射线照射一段时间后两张印像纸显影。(已知mα＝4m，mβ＝m，vα＝，vβ＝c)
(1)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比？
(2)上面的印像纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？
(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？
解析　(1)下面印像纸上从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。设α射线、β射线留下的暗斑到中央γ射线留下的暗斑的距离分别为xα、xβ。
则对α粒子，有xα＝aαt2＝aα·，aα＝
对β粒子，有xβ＝aβt2＝aβ·，aβ＝
联立解得＝。
(2)因α射线穿透本领弱，穿过下层纸的只有β射线和γ射线，β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑。
(3)若使α射线不偏转，则qαE＝qαvαBα，所以Bα＝，
同理，若使β射线不偏转，则Bβ＝。故＝＝。
答案　见解析