(共88张PPT)
第五章 原 子 核
1.原子核的组成
必备知识·素养奠基
一、天然放射现象
1.1896年,法国物理学家_________发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射
线,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
2.物质发射射线的性质称为_______,具有放射性的元素称为___________,放射
性元素能_______发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.原子序数大于83的元素,都能_____地发出射线,原子序数小于或等于83的元
素,有的也能放出射线。
贝克勒尔
放射性
放射性元素
自发地
自发
二、射线到底是什么
【思考】
提示:甲为β射线,乙为γ射线,丙为α射线。
1.α射线:实际上就是_________,速度可达到光速的
,其_____能力强,
_____能力较弱,在空气中只能前进几厘米,用_______就能把它挡住。
2.β射线:是___________,它速度很大,可达光速的99%,它的_____能力较弱,
穿透能力较强,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的_____。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的_______,波长很短,在10-10
m以下,它的
_____作用更弱,_________更强,甚至能穿透几厘米厚的_____和几十厘米
厚的混凝土。
4.放射线来自原子核,说明___________是有结构的。
氦原子核
电离
穿透
一张纸
高速电子流
电离
铝板
电磁波
电离
穿透能力
铅板
原子核内部
三、原子核的组成
1.质子的发现:1919年,卢瑟福用_______轰击氮原子核发现了质子,质子是
_______的组成部分。
2.中子的发现:卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子_____,但_______
的粒子,称为中子。_________通过实验证实了这个猜想。
3.原子核的组成:原子核由___________组成,质子和中子统称为_____。
4.原子核的符号:
α粒子
原子核
相同
不带电
查德威克
质子和中子
核子
5.同位素:具有相同的_______而_______不同的原子核,在元素周期表中处于
_________,因而互称同位素。例如,氢有三种同位素氕、氘、氚,符号是
质子数
中子数
同一位置
关键能力·素养形成
一 天然放射现象的三种射线
1.三种射线的比较:
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)
带电量
2e
-e
0
质量
4mp
mp=1.67×10-27kg
静止质量为零
符号
γ
速度
0.1c
0.99c
c
α射线
β射线
γ射线
在电磁
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
2.三种射线在电场和磁场中的偏转:
(1)在匀强电场中,γ射线不发生偏转,做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相
反方向做类平抛运动,在同样的条件下,β粒子的偏移大,如图所示。
位移x可表示为
x=
at2=
所以,在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
(2)在匀强磁场中:γ射线不发生偏转,仍做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动,且在同样条件下,β粒子的轨道半径小,如图所示。
根据qvB=
得R=
所以,在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
【特别提醒】
元素的放射性
如果一种元素具有放射性,那么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。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此,原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。
【思考·讨论】
如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?
提示:说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(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?
提示:说明α射线比荷小于β射线的比荷。
【典例示范】
如图为天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线贯穿物体情况的示意图,其中
( )
A.①是α射线
B.②是γ射线
C.③是β射线
D.③是α射线
【解析】选A。α射线的穿透能力最弱,一张纸即可把它挡住,但是其电离能力最强,γ射线的穿透能力最强,但是其电离能力最弱。故①是α射线,②是β射线,③是γ射线。A正确,B、C、D错误。
【规律方法】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。
【素养训练】
1.α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的,为把辐射强度减到一半,所需铝板
的厚度分别为0.000
5
cm、0.05
cm和8
cm。工业部门可以使用射线来测厚
度。如图所示,轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度
与钢板的厚度有关,轧出的钢板越厚,透过的射线越弱。因此,将射线测厚仪接
收到的信号输入计算机,就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度
需要控制为5
cm,请推测测厚仪使用的射线是
( )
A.α射线
B.β射线
C.γ射线
D.可见光
【解析】选C。根据α、β、γ三种射线特点可知,γ射线穿透能力最强,电离能力最弱,α射线电离能力最强,穿透能力最弱,为了能够准确测量钢板的厚度,探测射线应该用γ射线;随着轧出的钢板越厚,透过的射线越弱,而轧出的钢板越薄,透过的射线越强,故A、B、D错误,C正确。
2.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,①⑥是β射线。
答案:③④ ①⑥ ②⑤
【补偿训练】
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,MN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】选C。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,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。
2.一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔后,铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后,射线变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,如图所示,则图中的射线a为__________射线,射线b为________射线。?
【解析】三种射线α、β、γ中,穿透力最弱的是α射线,所以α射线被铝箔挡住,穿过铝箔的是β射线和γ射线,γ射线在电场中不偏转,故a是γ射线;β射线在电场中受力偏转,故b为β射线。
答案:γ β
二 原子核的组成
1.原子核的组成:原子核是由质子、中子构成的,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。原子核的直径为10-15～10-14
m。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号
。
(2)数量关系:核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数。质量数
(A)=核子数=质子数+中子数。
3.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。
4.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。
【思考·讨论】
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?
提示:质子是原子核的组成部分。
(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:原子核由质子和中子组成,原子核的质量数是其质子数加中子数。
【典例示范】
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
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。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B项。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是
( )
A.氦4核中有4个质子,2个中子
B.氦4核与氦3核不是互为同位素
C.
中的质子数比中子数少6
D.
中的质子数比中子数少2
【解析】选D。氦4核中有2个质子,2个中子,故A错误;氦4核与氦3核是互为同
位素,故B错误;
中的质子数比中子数少2,故C错误;
的质子数比中子数
少2,故D正确。
2.氢有三种同位素,分别是氕
、氘
、氚
,则下列说法正确的
( )
A.它们的质子数相等
B.它们的核外电子数不相等
C.它们的核子数相等
D.它们的中子数相等
【解析】选A。氕
、氘
、氚
,具有相同的质子数,质量数不同,
质量数等于质子数加中子数,则中子数不同,故A正确,D错误;同位素的质子数
相同,则核外电子数相同,故B错误;核子数等于质子数加中子数,可知核子数不
同,故C错误。
【补偿训练】
1.1.放射性元素钴
可以有效治疗癌症,该元素原子核内中子数与核外电子
数之差是
( )
A.6 B.27 C.33 D.60
【解析】选A。中子数为60-27=33个,核外电子数等于质子数等于原子序数27,所以中子数33与核外电子数27之差等于6,A正确。
2.某种元素的原子核用
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】选B。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。
【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例】(多选)下列关于氕
、氘
、氚
的说法中正确的是( )
A.氕
、氘
、氚
是同位素
B.它们具有相同的核外电子数
C.它们具有相同的核子数
D.它们具有相同的中子数
【解析】选A、B。氕、氘、氚是氢的三种同位素,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A、B选项正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(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
【解析】选A、C、D。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,不会使原核变成新核,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。
2.英国物理学家卢瑟福在1899年发现,放射性物质放出的射线不是单一的,而是可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线,后来又分出γ射线。对于这三种射线,下列说法正确的是
( )
A.β射线来源于核外电子
B.γ射线是波长很短、能量很高的电磁波
C.α射线的穿透能力最强
D.γ射线的电离能力最强
【解析】选B。β射线来源于原子核内部的反应,是中子转变为质子和电子时产生的,故A错误;γ射线是波长很短、能量很高的电磁波,电离能力最弱,穿透能力最强,故B正确,D错误;α射线电离能力最强,穿透能力最弱,故C错误。
3.(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】选A、B、C。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。
4.一个
原子核内的质子数、中子数、核子数分别为
( )
A.91个、91个、234个
B.143个、91个、234个
C.91个、143个、234个
D.234个、91个、143个
【解析】选C。原子核是由质子和中子组成的,质子和中子统称为核子。
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
为234-91=143,故C正确,A、B、D错误。
【新思维·新考向】
情境:如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。
问题:(1)请你简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的为铝板,在三种射线中,你认为哪一种射线在厚度控制中起主要作用,为什么?
【解析】(1)放射线具有穿透本领,如果向前运动的铝板的厚度有变化,则探测
器接收到的放射线的强度就会随之变化,这种变化被转化为电信号输入到相应
装置,进而自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,使铝板的厚度恢复正常。
(2)β射线起主要作用。因为α射线的穿透本领很小,一张薄纸就能把它挡住;
γ射线的穿透本领非常强,能穿透几厘米的铝板,1
mm左右的铝板厚度发生变化
时,透过铝板的射线强度变化不大;
β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝
板,当铝板的厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化较大,探测器可明显地
反映出这种变化,使自动化系统作出相应的反应。
答案:见解析
课时素养评价
十五 原子核的组成
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.截止到2020年7月5日,全球新冠肺炎确诊病例已超1
110万,抗击病毒的道路更加艰巨。已知某肺炎病人拍摄的CT胸片如图所示,病毒感染处的密度与其他部分不同,片中显示为白斑。拍摄CT片,利用穿透能力与密度有关的是( )
A.无线电波
B.红外线
C.X射线
D.紫外线
【解析】选C。CT及透视是利用X射线的穿透能力;而无线电波波长较长,常用于通信;红外线具有热效应,而紫外线用于杀菌消毒,故C正确,A、B、D错误。
2.关于天然放射现象,下列说法正确的是
( )
A.玛丽·居里发现了天然放射现象
B.天然放射现象说明原子是可以分割的
C.原子序数大于83的元素都具有放射性
D.温度越高,放射性元素的放射性就越强
【解析】选C。贝克勒尔发现天然放射现象,并不是玛丽·居里,故A错误;天然放射现象说明原子核内部是有结构的,并不是原子可以再分,故B错误;原子序数大于83的元素都具有放射性,故C正确;放射性元素的放射性强弱与原子的化学状态和物理状态无关,故D错误。
3.据最新报道,放射性同位素钬
在医疗领域有重要应用,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。根据原子核内各量的关系可知核外电子数=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。
【补偿训练】
同位素是指
( )
A.质子数相同而核子数不同的原子
B.核子数相同而中子数不同的原子
C.核子数相同而质子数不同的原子
D.中子数相同而核子数不同的原子
【解析】选A。原子序数相同(即核电荷数、质子数相同)而质量数不同(即核子数不同)的元素互为同位素。
4.原子核
表示
( )
A.核外有90个电子
B.核内有234个质子
C.核内有144个中子
D.核内有90个核子
【解析】选C。原子核
表示核内有90个质子,质量数是234,核内的核子数
为234个,中子数为234-90=144个,故A、B、D错误,C正确。
5.某种元素的不同同位素的原子核内的中子数N与原子核质量数A的关系是( )
【解析】选C。同位素的质子数相同,中子数不同,而质量数等于质子数加中子数,设质子数为M,则有:A=N+M,所以C正确。故选C。
6.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
【解析】选D。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为γ射线,其贯穿本领最强,故B错误;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。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(12分)已知镭的原子序数是88,原子核质量数是226。试问:
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少?
(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少?
(3)若镭原子呈中性,它核外有多少电子?
【解析】(1)原子序数对应了原子内部的质子数,故镭核中质子数等于原子序数为88;中子数为226-88=138。
(2)镭核的核电荷数为88,镭核所带的电荷量为:
Q=88e=88×1.6×10-19C≈1.41×10-17
C。
(3)若镭原子呈中性,它的核外电子数与质子数相同,故核外有88个电子。
答案:(1)88 138 (2)88 1.41×10-17
C (3)88
8.(12分)茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线,对宇航员构成了很大的威胁。现有一束射线(含有α、β、γ三种射线),
(1)在不影响β和γ射线的情况下,如何用最简单的方法除去α射线?
(2)余下的这束β和γ射线经过如图所示的一个使它们分开的磁场区域,请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。(画在图上)
(3)用磁场可以区分β和γ射线,但不能把α射线从γ射线束中分离出来,为什么?(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8
000倍,α射线速度约为光速的十分之一,β射线速度约为光速)
【解题指南】解答本题时注意以下两点:
(1)除去α射线时可考虑应用三种射线穿透本领的不同。
(2)从β粒子在磁场中的轨道半径上考虑是否能把α射线从γ射线束中分离出来。
【解析】(1)由于α射线贯穿能力很弱,用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)如图所示。
(3)α粒子和电子在磁场中偏转,据
对α射线有
对β射线有
故
α射线穿过此磁场时,半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
答案:(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)见解析图
(3)α射线的圆周运动的半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
【补偿训练】
若让氢的三种同位素先以相同的速度进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,再以相同的动量进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,其受到的向心力和轨道半径大小顺序如何?
【解析】当同位素以相同速度进入相同的匀强磁场,由洛伦兹力提供向心力得
则
B、q一定,当v相同时,R∝m,则R氕由于动量p=mv,当动量相同时,则R氕=R氘=R氚。
由Fn=qvB知速度相同时向心力大小相同,即F氕=F氘=F氚,
又因为
q、p、B一定,F∝
,故F氕>F氘>F氚。
答案:以相同速度进入磁场时,F氕=F氘=F氚,R氕以相同动量进入磁场时,F氕>F氘>F氚,R氕=R氘=R氚
【能力提升】(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)如图,P为放在匀强电场中的天然放射源,其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是
( )
A.a为α射线、b为β射线
B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为α射线
D.b为α射线、c为γ射线
【解析】选B、C。由题图可知电场线方向向右,α射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致,故α射线向右偏转,即c为α射线;β射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反,故β射线向左偏转,即a为β射线;γ射线不带电不发生偏转,即b为γ射线。故选项B、C正确。
【总结提升】三种射线的偏转特点
(1)α射线和β射线在电场和磁场中都会发生偏转,γ射线在电场和磁场中均不发生偏转,沿直线传播。
(2)α射线和β射线带电性质相反,所以在同一电场或磁场中,α射线和β射线偏转方向相反。
(3)α射线和β射线在电场中的偏转轨迹是抛物线,在磁场中的偏转轨迹是圆弧。
10.(7分)(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场,如图表示射线偏转情况中正确的是
( )
【解析】选A、D。因α射线是高速He流,一个α粒子带两个正电荷。根据左手
定则,α射线受到的洛伦兹力向左,因为α粒子质量特别大,动量较大,结合半
径公式
可知α射线在磁场中做圆周运动的半径大;β射线是高速电子流,
带负电荷,根据左手定则,β射线受到的洛伦兹力向右,γ射线是γ光子,是中
性的,故在磁场中不受磁场的作用力,轨迹不会发生偏转,故A正确,B错误;因α
射线实质为氦核,带正电,且α粒子的质量大,由类平抛规律知,侧向偏移量
小,β射线为电子流,带负电,γ射线为高频电磁波,根据电荷所受电场力特点
可知:向左偏的为β射线,不偏的为γ射线,向右偏的为α射线,故C错误,D正
确。
11.(7分)(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1,如图所示,则
( )
A.α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B.原来放射性元素的核电荷数为90
C.反冲核的核电荷数为88
D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
【解析】选A、B、C。由于微粒之间相互作用的过程中动量守恒,初始总动量
为零,则最终总动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反,A
正确;由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用
下做圆周运动,由
得
若原来放射性元素的核电荷数为Q,则对
α粒子:
对反冲核:
由p1=p2,R1∶R2=44∶1,得Q=90,B、C
正确;它们的速度大小与质量成反比,故D错误。
12.(19分)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
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
进入磁场时洛伦兹力提供向心力,
又x=2r,由以上三式得
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3,由(1)结果知,
答案:(1)
(2)
【补偿训练】
1930年发现,在真空条件下用α粒子(
)轰击铍核(
)时,会产生一种
看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子。后来查德威克证实了这种粒子就
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的大小。
【解析】(1）
(2)中子与碳核的碰撞满足动量守恒
得mnv0=-mnv1+12mnv2
得
①
(3)碳核垂直进入磁场后,洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动,则有
②
将①代入②式解得
答案:(1）
(2)
(3)第五章 原 子 核
1.原子核的组成
必备知识·素养奠基
一、天然放射现象
1.1896年,法国物理学家贝克勒尔发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
2.物质发射射线的性质称为放射性,具有放射性的元素称为放射性元素,放射性元素能自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.原子序数大于83的元素,都能自发地发出射线,原子序数小于或等于83的元素,有的也能放出射线。
二、射线到底是什么
【思考】
提示:甲为β射线,乙为γ射线,丙为α射线。
1.α射线:实际上就是氦原子核,速度可达到光速的,其电离能力强,穿透能力较弱,在空气中只能前进几厘米,用一张纸就能把它挡住。
2.β射线:是高速电子流,它速度很大,可达光速的99%,它的电离能力较弱,穿透能力较强,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的铝板。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的电磁波,波长很短,在10-10
m以下,它的电离作用更弱,穿透能力更强,甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
4.放射线来自原子核,说明原子核内部是有结构的。
三、原子核的组成
1.质子的发现:1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子,质子是原子核的组成部分。
2.中子的发现:卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同,但不带电的粒子,称为中子。查德威克通过实验证实了这个猜想。
3.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。
4.原子核的符号:
5.同位素:具有相同的质子数而中子数不同的原子核,在元素周期表中处于同一位置,因而互称同位素。例如,氢有三种同位素氕、氘、氚,符号是HHH。
关键能力·素养形成
一 天然放射现象的三种射线
1.三种射线的比较:
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)
带电量
2e
-e
0
质量
4mpmp=1.67×10-27kg
静止质量为零
符号
He
e
γ
速度
0.1c
0.99c
c
在电磁场中
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
2.三种射线在电场和磁场中的偏转:
(1)在匀强电场中,γ射线不发生偏转,做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动,在同样的条件下,β粒子的偏移大,如图所示。
位移x可表示为
x=at2=·()2∝
所以,在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
=××=37。
(2)在匀强磁场中:γ射线不发生偏转,仍做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动,且在同样条件下,β粒子的轨道半径小,如图所示。
根据qvB=
得R=∝
所以,在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
=××=。
元素的放射性
如果一种元素具有放射性,那么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。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此,原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。
【思考·讨论】
如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?
提示:说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(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?
提示:说明α射线比荷小于β射线的比荷。
【典例示范】
如图为天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线贯穿物体情况的示意图,其中
( )
A.①是α射线
B.②是γ射线
C.③是β射线
D.③是α射线
【解析】选A。α射线的穿透能力最弱,一张纸即可把它挡住,但是其电离能力最强,γ射线的穿透能力最强,但是其电离能力最弱。故①是α射线,②是β射线,③是γ射线。A正确,B、C、D错误。
【规律方法】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。
【素养训练】
1.α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的,为把辐射强度减到一半,所需铝板的厚度分别为0.000
5
cm、0.05
cm和8
cm。工业部门可以使用射线来测厚度。如图所示,轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关,轧出的钢板越厚,透过的射线越弱。因此,将射线测厚仪接收到的信号输入计算机,就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度需要控制为5
cm,请推测测厚仪使用的射线是
( )
A.α射线
B.β射线
C.γ射线
D.可见光
【解析】选C。根据α、β、γ三种射线特点可知,γ射线穿透能力最强,电离能力最弱,α射线电离能力最强,穿透能力最弱,为了能够准确测量钢板的厚度,探测射线应该用γ射线;随着轧出的钢板越厚,透过的射线越弱,而轧出的钢板越薄,透过的射线越强,故A、B、D错误,C正确。
2.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,①⑥是β射线。
答案:③④ ①⑥ ②⑤
【补偿训练】
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,MN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】选C。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,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。
2.一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔后,铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后,射线变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,如图所示,则图中的射线a为__________射线,射线b为________射线。?
【解析】三种射线α、β、γ中,穿透力最弱的是α射线,所以α射线被铝箔挡住,穿过铝箔的是β射线和γ射线,γ射线在电场中不偏转,故a是γ射线;β射线在电场中受力偏转,故b为β射线。
答案:γ β
二 原子核的组成
1.原子核的组成:原子核是由质子、中子构成的,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。原子核的直径为10-15～10-14
m。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号X。
(2)数量关系:核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数。质量数(A)=核子数=质子数+中子数。
3.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。
4.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。
【思考·讨论】
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?
提示:质子是原子核的组成部分。
(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:原子核由质子和中子组成,原子核的质量数是其质子数加中子数。
【典例示范】
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】选B。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B项。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是
( )
A.氦4核中有4个质子,2个中子
B.氦4核与氦3核不是互为同位素
CBe中的质子数比中子数少6
DSi中的质子数比中子数少2
【解析】选D。氦4核中有2个质子,2个中子,故A错误;氦4核与氦3核是互为同位素,故B错误Be中的质子数比中子数少2,故C错误Si的质子数比中子数少2,故D正确。
2.氢有三种同位素,分别是氕H)、氘H)、氚H),则下列说法正确的是
( )
A.它们的质子数相等
B.它们的核外电子数不相等
C.它们的核子数相等
D.它们的中子数相等
【解析】选A。氕H)、氘H)、氚H),具有相同的质子数,质量数不同,质量数等于质子数加中子数,则中子数不同,故A正确,D错误;同位素的质子数相同,则核外电子数相同,故B错误;核子数等于质子数加中子数,可知核子数不同,故C错误。
【补偿训练】
1.1.放射性元素钴Co可以有效治疗癌症,该元素原子核内中子数与核外电子数之差是
( )
A.6 B.27 C.33 D.60
【解析】选A。中子数为60-27=33个,核外电子数等于质子数等于原子序数27,所以中子数33与核外电子数27之差等于6,A正确。
2.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】选B。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。
【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例】(多选)下列关于氕H、氘D、氚T的说法中正确的是
( )
A.氕H、氘D、氚T是同位素
B.它们具有相同的核外电子数
C.它们具有相同的核子数
D.它们具有相同的中子数
【解析】选A、B。氕、氘、氚是氢的三种同位素,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A、B选项正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(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
【解析】选A、C、D。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,不会使原核变成新核,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。
2.英国物理学家卢瑟福在1899年发现,放射性物质放出的射线不是单一的,而是可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线,后来又分出γ射线。对于这三种射线,下列说法正确的是
( )
A.β射线来源于核外电子
B.γ射线是波长很短、能量很高的电磁波
C.α射线的穿透能力最强
D.γ射线的电离能力最强
【解析】选B。β射线来源于原子核内部的反应,是中子转变为质子和电子时产生的,故A错误;γ射线是波长很短、能量很高的电磁波,电离能力最弱,穿透能力最强,故B正确,D错误;α射线电离能力最强,穿透能力最弱,故C错误。
3.(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】选A、B、C。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。
4.一个Pa原子核内的质子数、中子数、核子数分别为
( )
A.91个、91个、234个
B.143个、91个、234个
C.91个、143个、234个
D.234个、91个、143个
【解析】选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,即为234-91=143,故C正确,A、B、D错误。
情境:如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。
问题:(1)请你简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的为铝板,在三种射线中,你认为哪一种射线在厚度控制中起主要作用,为什么?
【解析】(1)放射线具有穿透本领,如果向前运动的铝板的厚度有变化,则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化,这种变化被转化为电信号输入到相应装置,进而自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,使铝板的厚度恢复正常。
(2)β射线起主要作用。因为α射线的穿透本领很小,一张薄纸就能把它挡住;
γ射线的穿透本领非常强,能穿透几厘米的铝板,1
mm左右的铝板厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化不大;
β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝板,当铝板的厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化较大,探测器可明显地反映出这种变化,使自动化系统作出相应的反应。
答案:见解析课时素养评价
十五 原子核的组成
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.截止到2020年7月5日,全球新冠肺炎确诊病例已超1
110万,抗击病毒的道路更加艰巨。已知某肺炎病人拍摄的CT胸片如图所示,病毒感染处的密度与其他部分不同,片中显示为白斑。拍摄CT片,利用穿透能力与密度有关的是( )
A.无线电波
B.红外线
C.X射线
D.紫外线
【解析】选C。CT及透视是利用X射线的穿透能力;而无线电波波长较长,常用于通信;红外线具有热效应,而紫外线用于杀菌消毒,故C正确,A、B、D错误。
2.关于天然放射现象,下列说法正确的是
( )
A.玛丽·居里发现了天然放射现象
B.天然放射现象说明原子是可以分割的
C.原子序数大于83的元素都具有放射性
D.温度越高,放射性元素的放射性就越强
【解析】选C。贝克勒尔发现天然放射现象,并不是玛丽·居里,故A错误;天然放射现象说明原子核内部是有结构的,并不是原子可以再分,故B错误;原子序数大于83的元素都具有放射性,故C正确;放射性元素的放射性强弱与原子的化学状态和物理状态无关,故D错误。
3.据最新报道,放射性同位素钬Ho在医疗领域有重要应用,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。根据原子核内各量的关系可知核外电子数=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。
【补偿训练】
同位素是指
( )
A.质子数相同而核子数不同的原子
B.核子数相同而中子数不同的原子
C.核子数相同而质子数不同的原子
D.中子数相同而核子数不同的原子
【解析】选A。原子序数相同(即核电荷数、质子数相同)而质量数不同(即核子数不同)的元素互为同位素。
4.原子核Th表示
( )
A.核外有90个电子
B.核内有234个质子
C.核内有144个中子
D.核内有90个核子
【解析】选C。原子核Th表示核内有90个质子,质量数是234,核内的核子数为234个,中子数为234-90=144个,故A、B、D错误,C正确。
5.某种元素的不同同位素的原子核内的中子数N与原子核质量数A的关系是
( )
【解析】选C。同位素的质子数相同,中子数不同,而质量数等于质子数加中子数,设质子数为M,则有:A=N+M,所以C正确。故选C。
6.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
【解析】选D。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为γ射线,其贯穿本领最强,故B错误;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。
二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
7.(12分)已知镭的原子序数是88,原子核质量数是226。试问:
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少?
(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少?
(3)若镭原子呈中性,它核外有多少电子?
【解析】(1)原子序数对应了原子内部的质子数,故镭核中质子数等于原子序数为88;中子数为226-88=138。
(2)镭核的核电荷数为88,镭核所带的电荷量为:Q=88e=88×1.6×10-19C
≈1.41×10-17
C。
(3)若镭原子呈中性,它的核外电子数与质子数相同,故核外有88个电子。
答案:(1)88 138 (2)88 1.41×10-17
C (3)88
8.(12分)茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线,对宇航员构成了很大的威胁。现有一束射线(含有α、β、γ三种射线),
(1)在不影响β和γ射线的情况下,如何用最简单的方法除去α射线?
(2)余下的这束β和γ射线经过如图所示的一个使它们分开的磁场区域,请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。(画在图上)
(3)用磁场可以区分β和γ射线,但不能把α射线从γ射线束中分离出来,为什么?(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8
000倍,α射线速度约为光速的十分之一,β射线速度约为光速)
【解题指南】解答本题时注意以下两点:
(1)除去α射线时可考虑应用三种射线穿透本领的不同。
(2)从β粒子在磁场中的轨道半径上考虑是否能把α射线从γ射线束中分离出来。
【解析】(1)由于α射线贯穿能力很弱,用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)如图所示。
(3)α粒子和电子在磁场中偏转,据R=,
对α射线有R1=,
对β射线有R2=,故==400。
α射线穿过此磁场时,半径很大,几乎不偏转,
故与γ射线无法分离。
答案:(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)见解析图
(3)α射线的圆周运动的半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
【补偿训练】
若让氢的三种同位素先以相同的速度进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,再以相同的动量进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,其受到的向心力和轨道半径大小顺序如何?
【解析】当同位素以相同速度进入相同的匀强磁场,由洛伦兹力提供向心力得qvB=,则R=,
B、q一定,当v相同时,R∝m,则R氕由于动量p=mv,当动量相同时,
则R氕=R氘=R氚。
由Fn=qvB知速度相同时向心力大小相同,
即F氕=F氘=F氚,又因为F=qvB=,
q、p、B一定,F∝,故F氕>F氘>F氚。
答案:以相同速度进入磁场时,
F氕=F氘=F氚,R氕以相同动量进入磁场时,
F氕>F氘>F氚,R氕=R氘=R氚
(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)如图,P为放在匀强电场中的天然放射源,其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束,以下判断正确的是
( )
A.a为α射线、b为β射线
B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为α射线
D.b为α射线、c为γ射线
【解析】选B、C。由题图可知电场线方向向右,α射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致,故α射线向右偏转,即c为α射线;β射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反,故β射线向左偏转,即a为β射线;γ射线不带电不发生偏转,即b为γ射线。故选项B、C正确。
【总结提升】三种射线的偏转特点
(1)α射线和β射线在电场和磁场中都会发生偏转,γ射线在电场和磁场中均不发生偏转,沿直线传播。
(2)α射线和β射线带电性质相反,所以在同一电场或磁场中,α射线和β射线偏转方向相反。
(3)α射线和β射线在电场中的偏转轨迹是抛物线,在磁场中的偏转轨迹是圆弧。
10.(7分)(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场,如图表示射线偏转情况中正确的是
( )
【解析】选A、D。因α射线是高速He流,一个α粒子带两个正电荷。根据左手定则,α射线受到的洛伦兹力向左,因为α粒子质量特别大,动量较大,结合半径公式r=,可知α射线在磁场中做圆周运动的半径大;β射线是高速电子流,带负电荷,根据左手定则,β射线受到的洛伦兹力向右,γ射线是γ光子,是中性的,故在磁场中不受磁场的作用力,轨迹不会发生偏转,故A正确,B错误;因α射线实质为氦核,带正电,且α粒子的质量大,由类平抛规律知,侧向偏移量小,β射线为电子流,带负电,γ射线为高频电磁波,根据电荷所受电场力特点可知:向左偏的为β射线,不偏的为γ射线,向右偏的为α射线,故C错误,D正确。
11.(7分)(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1,如图所示,则
( )
A.α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B.原来放射性元素的核电荷数为90
C.反冲核的核电荷数为88
D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
【解析】选A、B、C。由于微粒之间相互作用的过程中动量守恒,初始总动量为零,则最终总动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反,A正确;由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动,由qvB=m得R=,若原来放射性元素的核电荷数为Q,则对α粒子:R1=,对反冲核:R2=,由p1=p2,R1∶R2=44∶1,得Q=90,B、C正确;它们的速度大小与质量成反比,故D错误。
12.(19分)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HHH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∶∶
【补偿训练】
1930年发现,在真空条件下用α粒子He)轰击铍核Be)时,会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子。后来查德威克证实了这种粒子就是中子。
(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的大小。
【解析】(1HeBeCn
(2)中子与碳核的碰撞满足动量守恒
得mnv0=-mnv1+12mnv2
得v2=
①
(3)碳核垂直进入磁场后,洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动,则有B·6e·v2=
②
将①代入②式解得B=
答案:(1HeBeCn (2)
(3)
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