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word版含答案

第1节　认识原子核
学习目标：1.[物理观念]知道天然放射现象及其规律．　2.[科学思维]理解三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们．　3.[科学思维]了解质子和中子的发现过程．　4.[物理观念]知道原子核的组成，理解核子、同位素的概念．　5.[科学思维]了解核反应的概念，会书写核反应方程．
一、天然放射现象的发现
1．天然放射现象：物质能自发地放出射线的现象．
2．放射性：物质放出射线的性质，叫作放射性．
3．放射性元素：具有放射性的元素，叫作放射性元素．
4．天然放射现象的发现：1896年，法国物理学家贝可勒尔发现了天然放射现象．
二、放射线的本质
1．如图所示，让放射线通过强磁场，在磁场的作用下，放射线能分成三束，这表明有三种射线，且它们电性不同．带正电的射线向左偏转，为α射线；带负电的射线向右偏转，为β射线；不发生偏转的射线不带电，为γ射线．
2．α射线是高速运动的氦原子核粒子流，有很强的电离作用，但是穿透能力很弱．一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住．
3．β射线是高速运动的电子，穿透能力较强，但电离作用较弱．能穿透几毫米厚的铝板．
4．γ射线是波长很短的电磁波，穿透能力很强，但电离作用很弱．能穿透几厘米的铅板．
三、原子和中子的发现
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，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．
①1930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．
②1932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．
③1932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．
四、原子核的组成
1．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)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．
(3)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．
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，质量数和核电荷数均守恒．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)放射性元素发出的射线可以直接观察到． (×)
(2)卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在． (√)
(3)放射性元素发出的射线的强度可以人工控制． (×)
(4)卢瑟福在α粒子散射实验中发现了质子． (×)
(5)同位素具有相同的物理、化学性质． (×)
2．(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)由质子和中子组成
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
ABC　[原子核(除氢核外)由质子和中子组成，质子和中子统称为核子，卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在，查德威克用α粒子轰击铍发现了中子，故A、B、C正确，D错误．]
3．(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是(　　)
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
ACD　[由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原子核变成新核，故B错误；三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．]
三种射线的本质特征
在放射性现象中放出的射线是什么呢？
它们除了有能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外， 这些射线带不带电呢？
提示：α射线、β射线 、γ射线；α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．
三种射线的比较如下表
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
速度 0.1c 0.9c c
在电场或场中 偏转 与α射线反向偏转 不偏转
贯穿本领 最弱用纸能挡住 较强穿透几毫米的铝板 最强穿透几厘米的铅板
对空气的 电离作用 很强 较弱 很弱
在空气中 的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长
通过胶片 感光 感光 感光
【例1】　(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，图中表示射线偏转情况正确的是(　　)
AD　[已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向可知，A、B、C、D四幅图中α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断．带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其半径r＝，
将数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比
＝··＝××＝371，A对，B错；带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有x＝v0t，y＝t2，消去t可得y＝，
对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比
＝··＝××＝，C错，D对．]
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．
[跟进训练]
1．如图所示，放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，其中________是α射线，________是β射线，________是γ射线．
[解析]　由放射现象中α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线，③④是α射线．
[答案]　③④ ①⑥ ②⑤
质子和中子的发现
放射性现象中放出的三种射线都是从放射性元素的原子核内释放出来的，这表明原子核也有内部结构． 原子核内究竟是什么结构？原子核又是由什么粒子组成的呢？
提示：原子核还可以再分，原子核由质子和中子组成．
1．质子的发现
(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(如图所示)
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．
2．中子的发现
(1)科学家在1930年利用Po放出的α射线轰击铍原子核时，产生了一种看不见的、贯穿能力很强、不受电场和磁场影响的射线．
(2)1932年，约里奥—居里夫妇发现如果用来自铍的射线去轰击石蜡，能从石蜡中打出质子，如图所示．
(3)1932年，查德威克进一步研究这种射线时发现，这种射线是一种不带电的、质量接近质子的粒子流，即是卢瑟福猜想的中子．
(4)结论：中子是原子核的组成部分．
【例2】　1934年，约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝核Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋Al→n＋X．X的原子序数和质量数分别为(　　)
A．15和28　　　　 B．15和30
C．16和30 D．17和31
B　[据α粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：He＋Al→n＋X，结合质量数守恒和电荷数守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序数等于电荷数，故B正确．]
关于核反应方程的两点注意
(1)核反应前后质量数守恒、核电荷数守恒，而不是质量守恒、总电荷量守恒．
(2)为方便正确地写出核反应方程，应记住常见粒子的符号，如质子H、中子n、电子e、α粒子He等．
[跟进训练]
2．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(Be)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
D　[α粒子轰击铍(Be)产生中子，中子轰击石蜡产生质子，故a为中子，b为质子，D正确．]
3．1919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：________．
[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
原子核的组成
1919年卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子(如图所示)，叫作质子．
(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？
提示：(1)说明质子是原子核的组成部分．
(2)说明原子核内除质子外，还有其他粒子存在．
1．原子核的大小和组成
原子核
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．
【例3】　(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
AC　[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．]
原子核的“数”与“量”辨析技巧
(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．
[跟进训练]
4．一个Pa原子核内的质子数、中子数、核子数分别为(　　)
A．91　91　234 B．143　91　234
C．91　143　234 D．234　91　143
C　[原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子．Pa的原子序数为91，即质子数为91，核子数为234，中子数等于核子数减去质子数，即234－91＝143，故C正确，A、B、D错误．]
1．为提出原子核式结构模型提供依据的实验或现象是(　　)
A．α粒子散射实验 B．电子的发现
C．质子的发现 D．天然放射现象
A　[卢瑟福根据α粒子散射实验的现象，提出了原子核式结构模型，故选项A正确；电子的发现使人们认识到原子有复杂的结构；质子的发现说明了原子核是由质子和中子组成的；天然放射现象的发现使人们认识到原子核有复杂的结构，故选项B、C、D错误．]
2．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．β射线的电离能力最强
D．γ射线的电离能力最强
B　[α射线电离本领最大，贯穿本领最小，但不属于电磁波，故A错误；γ射线是原子核在发生α衰变和β衰变时产生的能量以γ光子的形式释放，是高频电磁波，波长很短，故B正确；β射线是具有放射性的元素的原子核中的一个中子转化成一个质子同时释放出一个高速电子即β粒子，但电离能力没有α射线强，故C错误；γ射线不带电，没有电离能力，故D错误．]
3．下列说法正确的是(　　)
A．用α粒子轰击铍核Be，铍核变为碳核C，同时放出β射线
B．β射线是由原子核外电子受到激发而产生的
C．γ射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能力很强
D．利用γ射线的电离作用，可检查金属内部有无砂眼和裂纹
C　[α粒子轰击Be核，核反应方程是Be＋He→C＋n，放出的是中子，A错误；β射线是核衰变而产生的，B错误；γ射线是光子流，波长很短，具有很强的贯穿能力，但电离作用很弱，C正确，D错误．]
4．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．1896年，法国的玛丽·居里首先发现了天然放射线
B．查德威克通过实验验证了原子核内有中子
C．人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从发现天然放射现象开始的
D．氢有三种同位素[氕(H)、氘(H)、氚(H)]化学性质不同
BC　[贝可勒尔首先发现了天然放射现象，故A错误；查德威克通过实验验证了原子核内有中子，故B正确；人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从发现天然放射现象开始的，故C正确；同位素最外层电子排布相同，化学性质几乎完全相同，故D错误．]
5．某一放射性元素放出的射线通过电场后分成三束，如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．射线1的电离作用在三种射线中最强
B．射线2贯穿本领最弱，用一张白纸就可以将它挡住
C．放出一个射线1的粒子后，形成的新核比原来的电荷数少1个
D．一个原子核放出一个射线3的粒子后，质子数和中子数都比原来少2个
D　[射线3在电场中向负极板偏转，射线3为α粒子，电离作用在三种射线中最强，故A错误；射线2在电场中不偏转，射线2为γ射线，其贯穿本领最强，故B错误；射线1在电场中向正极板偏转，射线1是β粒子，放出一个射线1的粒子后，形成的新核比原来的电荷数多1个，故C错误；射线3为α粒子，一个原子核放出一个射线3的粒子后，质子数和中子数都比原来少2个，故D正确．]
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