1、1第一节 原子核的组成情 景 切 入我们已经知道，原子是由原子核和核外电子组成的。天然放射现象让人们认识到小小的原子核也具有复杂的结构，原子核内蕴藏着巨大的能量。你想了解原子核的奥秘吗？请我们一起走进核世界吧。知 识 导 航本章从天然放射现象入手，通过研究三种射线( 射线、 射线、 射线)的性质及来源，揭示原子核内部是有结构的，卢瑟福揭示了原子核是由质子、中子组成的。本章从内容上可分为三个单元，第一单元(第12 节)揭示了原子核的组成及衰变，第二单元(第 34 节)介绍了射线的探测及应用与防护，第三单元(第 58 节)主要讲述了原子能及其利用。本章的重点：原子核的组成、天然放射现象、三种射线、
2、衰变和半衰期、核能、裂变、聚变等。难点：对半衰期概念的准确理解及爱因斯坦的质能方程及其应用。学 法 指 导1在学习本章前，应首先复习有关磁场的基2本知识、爱因斯坦质能方程、四种基本相互作用等知识。2学好本章要抓住以原子核的结构为核心的知识点的内在联系，掌握各知识点的具体内容，从现象中总结出规律，提出科学假设，再用实验、理论验证各相关知识的内在联系，这是学习物理知识的科学方法，这样可以全面系统地掌握本章内容。3通过直接感知的现象推测、总结直接感知的事实，这是物理学中常用的研究方法，在学习过程中要注意贯彻始终。学 习 目 标 了解放射性及放射性元素的概念 理解三种射线的形成及其本质 理解同位素的概
3、念，了解原子核的组成知 识 导 图知识点 1 天然放射现象1放射性物质_发射射线_的性质。2放射性元素具有_放射性_的元素。3天然放射现象放射性元素自发地_发出射线_的现象。知识点 2 三种射线的本质及特征1 射线3它是高速_氦核_流，速度约为光速的_ _，穿透能力较差_，电离作用比较强。1102 射线它是高速_电子_流，速度可达光速的_99%_，穿透能力_较强_，电离作用_较弱_。3 射线它是能量很高的_电磁波_，穿透能力很强，电离作用_很弱_。知识点 3 原子核的组成1质子的发现2中子的发现3原子核的组成(1)原子核由_质子_和_中子_组成，组成原子核的_质子_和_中子_通称为核子。(2)
4、质子带一个单位的_正_电荷，中子不带电，质子和中子质量几乎_相等_，都等于一个质量单位。(3)核电荷数质子数( Z)元素的_原子序数_核外电子数。4同位素具有相同的_质子数_而_中子数_不同的原子，在元素周期表中处于_同一位置_，它们互称为同位素。例如，氢有三种同位素 H、 H、 H。1 21 31预习反馈判一判(1)天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分。()(2)原子序数大于 83 的元素都是放射性无素。()(3) 射线是光子流，是能量很高的电磁波。()(4)同一元素的两种同位素具有相同的质量数。()4(5)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。()(6)原子核的电荷数就是核
5、内的质子数，也就是这种元素的原子序数。()选一选(北京临川育人学校 20172018 高二下学期期中)如图，放射性元素镭衰变过程中释放出 、 、 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( C )A表示 射线，表示 射线 B表示 射线，表示 射线C表示 射线，表示 射线 D表示 射线，表示 射线解析： 带正电， 带负电， 不带电， 射线在磁场中一定不偏转，为 射线；如左图所示的电场中， 射线向右偏， 射线向左偏，为 射线，为 射线；在如右图所示磁场中，由左手定则判断， 射线向左偏， 射线向右偏，即为 射线，为 射线，故正确选项是 C。想一想氢原子核中只有一个质子，能否认为质子就
6、是氢原子核？答案：不能。质子是原子核的组成部分。探究一 天然放射现象 S 1思 考 讨 论 i kao tao lun如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。 射线向左偏转， 射线向右偏转， 射线不偏转说明了什么？提示：说明 射线带正电， 射线带负电， 射线不带电G 归 纳 总 结 ui na zong jie1天然放射现象(1)发现者1896 年，法国物理学家贝克勒尔。5(2)放射性铀和含铀的矿物质都能够发出看不见的射线，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光。物体放射出射线的性质叫做放射性。(3)放射性元素放射性并不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于或等于 83 的所有元素，都能
7、自发地放出射线，原子序数小于 83 的元素，有的也具有放射性，元素这种自发地放出射线的现象叫做天然放射现象，现在用人工的方法也可以制造放射性同位素。2三种射线的比较种类 射线 射线 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 4mpmp1.6710 27 kgmp1840静止质量为零速度 0.1c 0.99c c在电磁场中 偏转与 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 感光特别提醒：(1)如果一种元素具有放射性，那
8、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。(2) 射线的电子是从原子核中放出来的，并不是从原子核外的电子中放出来的。D 典 例 剖 析 ian lipou xi典例 1 (多选)将 、 、 三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，如下图表示射线偏转情况中正确的是( AD )6解题指导：处理该类问题的实质是力学规律在电、磁场中的综合运用，解决该类问题的一般步骤是：明确 、 、 射线粒子的电性；分析它们在电场和磁场中受到的力；结合圆周运动、类平抛运动规
9、律求解。解析：已知 粒子带正电， 粒子带负电， 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， 、 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 ，将其数据代入，则 粒子与 mvBq粒子的半径之比为： rr mm vv qq 371.7411840 0.1c0.99c 12由此可见，A 项正确，B 项错误；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 t2，12 qEm消去 t 可得： yqEx22mv
10、20对某一确定的 x 值， 、 粒子沿电场线偏转距离之比为 yy qq mm v2v2 21 118404 0.99c20.1c2 137.5由此可见，C 项错误，D 项正确。故正确答案是 A、D。对点训练 1 (新疆农大附中 20152016 学年高二下学期期中)天然放射性元素放7出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知( D )A来自于原子核外的电子B的电离作用最强，是一种电磁波C的电离作用较强，是一种电磁波D的电离作用最弱，是一种电磁波解析：根据三种射线的贯穿本领，可知为 射线，为 射线，为 射线， 射线的电离作用最强是高速氦核流， 射线是高速电子流， 射线是光子流(高频电磁波
11、)，综上所述 D 正确。探究二 原子核的组成 S 2思 考 讨 论 i kao tao lun1919 年卢瑟福用镭放射出的 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)，叫质子。(1)人们用 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。G 归 纳 总 结 ui na zong jie1原子核(符号 X)AZError!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，质子数和中子数之和
12、叫8核子数。(2)电荷数( Z)：原子核所带的电荷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的总和，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，这个整数叫做原子核的质量数。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、不同中子数的原子核互称为同位素。特别提醒：(1) 射线是原子核变化时产生的，电子并不是原子核的组成部分。(
13、2)同位素的化学性质相同，但物理性质不同。D 典 例 剖 析 ian lipou xi典例 2 已知镭的原子序数是 88，原子核质量数是 226，试问：(1)镭核中有多少个质子？多少个中子？(2)镭核所带的电荷量是多少？(3)若镭原子呈中性，它核外有多少个电子？解题指导：核电荷数与原子核的电荷量是不同的，要理清他们的关系。解析：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，原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。由此可得：(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 Z22688138。(2)镭核所带
14、电荷量Q Ze881.610 19 C1.4110 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)1.4110 17 C (3)88 , 对点训练 2 有关 O、 O、 O 三种同位素的比较，试回答下列问题：168 178 18(1)三种同位素中哪一种粒子是不相同的？_B_。A质子 B中子 C电子(2)三种同位素中，哪一个质量最大？ O_。18(3)三种同位素的化学性质是否相同？相同_。解析：(1)同位素质子数相同，中子数不同。核外电子数与质子数相同，故不相同的是中子。9(2) O、 O、 O 的质量数分别是 16、17、18，故 O 质量最大。1
15、68 178 18 18(3)三种同位素质子数相同，故化学性质相同。原子核的“数”与“量”的辨析技巧(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。(3)基本关系：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。案例 以下说法正确的是( D )A Th 为钍核，由此可知，钍核的质
16、量数为 90，钍核的质子数为 23423490B Be 为铍核，由此可知，铍核的质量数为 9，铍核的中子数为 494C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；铍核的质子数为 4，中子数为 5，所以 B 错误；由于同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，因而 C 错误，D 正确。1(江西省上高二中 20172018 学年高二下学期期末)( B )A甲图中 A 处能观察到大量的闪光点， B 处能看到较多的闪光点， C 处观察不到闪光点10B乙图中黑体辐射的强度，随着温度的升高，各种波长的辐射强度
17、都增加且极大值向波长较短的方向移动C丙图中处于基态的氢原子能吸收能量为 10.4eV 的光子而发生跃迁D丁图中 1 为 射线，在三种射线中它的穿透能力最强，电离作用最弱解析：甲图中 C 处亦可观察到闪光点，A 错；观察乙图可知选项 B 正确；13.6eV10.4eV3.2eV，故氢原子不能发生跃迁，选项 C 错；丁图中 1 为 射线，它的穿透能力最弱，电离作用最强，故 D 错。2(北京临川育人学校 20172018 学年高二下学期期中)关于天然放射线性质的说法正确的是( D )A 射线就是中子流 B 射线有较强的穿透性C电离本领最强的是 射线 D 射线是高速电子流解析： 射线是高频率的电磁波，
18、它是伴随 或 衰变放出的，故 A 错误；三种射线中穿透能力最强的是 射线， 射线穿透能力最弱，电离能力最强的是 射线， 射线电离能力最弱，故 B、C 错误； 射线是原子核内的中子变为质子时放出的电子，是高速的电子流，故 D 正确。3(青州市实验中学 20152016 学年高二下学期检测)如图所示，天然放射性元素，放出 、 、 三种射线同时射入互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，射入时速度方向和电场、磁场方向都垂直，进入场区后发现 射线和 射线都沿直线前进，则 射线( A )A向右偏 B向左偏C直线前进 D无法判断解析： 射线不带电，故在电磁场中不偏转， 射线不偏转是因为电场力与洛伦兹力是一对平衡力
19、，故 Eq Bqv 即 v ，而 射线的速度比 射线小，因此 射线受向右EB的电场力远大于向左的洛伦兹力，故 射线向右偏，A 正确，B、C、D 错。4(山东昌乐二中 20162017 学年高二月考)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23490原子来说( B )A x90， y90， z234 B x90， y90， z144C x144， y144， z90 D x234， y234， z324解析：在 Th 中，左下标为质子数，左上标为质量数，则 y90；中性原子的核外23490电子数等于质子数，所
20、以 x90；中子数等于质量数减去质子数， z23490144，所以11B 正确。基础夯实 一、选择题(13 题为单选题，4、5 题为多选题)1(陕西西安一中 20152016 学年高二下学期期末)下面与原子核内部变化有关的现象是( A )A天然放射现象 B光电效应现象C电离现象 D 粒子散射现象解析：与原子核内部变化有关的现象是天然放射现象。2(河北省冀州中学 20162017 学年高二下学期期中)在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是( B )A 射线的贯穿作用 B 射线的电离作用C 射线的贯穿作用 D 射线的中和作用解析：带电体所带电荷消失是由于 射线将空气
21、电离所致。故选 B。3人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为 3 的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一。氦的该种同位素应表示为( B )A He B He 43 32C He D He42 3解析：氦的同位素质子数一定相同，质量数为 3，故可写作 He，因此 B 正确，32A、C、D 错误。4近几年， 刀已成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，令人感叹的是，用 刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而 刀被誉为“神刀” 。据报道，我国自己研制的旋式 刀性能更好，已进入各大医院为患者服务。问： 刀治疗脑肿瘤主要是利用( AC )A 射线具有很强的贯穿本领B 射线
22、具有很强的电离作用C 射线具有很高的能量D 射线能容易地绕过障碍物到达目的地解析： 射线是一种波长很短的电磁波，具有较高的能量，它的贯穿本领很强，甚至可以穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用很小。 刀治疗肿瘤时，通常是同时用多束 射线，使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处汇聚，利用 射线的高能量杀死肿瘤细胞，综上所述，正确选项为 A、C。5如图所示，铅盒 A 中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向外的匀强磁场，则下列说法中正确的有( AC )12A打在图中 a、 b、 c 三点的依次是 射线、 射线和 射线B 射线和 射线的轨迹都是抛物线C 射线和
23、射线的轨迹都是圆弧D如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下 b解析：由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中 粒子受的洛伦兹力向下， 粒子受的洛伦兹力向上，轨迹都是圆弧。由于 粒子速度约是光速的 1/10，而 粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动，A、C 正确。二、非选择题6如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置，假如放射源能放射出 、 、 三种射线，而根据设计，该生产线压制的是 3mm 厚的铝板，那么是三种射线中的_ _射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将 M、 N 两
24、个轧辊间的距离调_大_一些。解析： 射线不能穿过 3mm 厚的铝板， 射线又很容易穿过 3mm 厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响，而 射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板 射线的强度发生较明显变化，所以是 射线对控制厚度起主要作用。若超过标准值，说明铝板太薄了，应将两个轧辊间的距离调节得大些。7如图所示， R 是放射源，虚线方框是匀强磁场， L 是厚纸板， M 是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的 O、 P 两处有亮斑，则磁场方向、到达 O 点和 P 点的射线，属于表中哪种情况？说明理由。选项 磁场方向 O 点 P 点A B 13C D 答案：C解析：因为 射线是氦原子核流
25、，它的贯穿本领很小，所以它不能穿透厚纸板； 射线是高速电子流，它的贯穿本领很强，可以穿透厚纸板而到达荧光屏； 射线是波长极短的光子流，是贯穿本领最强的，但它在磁场中不偏转，所以 射线射到 O 点、 射线射到 P 点，根据左手定则便可确定磁场是垂直纸面向里的。能力提升 一、选择题(12 题为单选题，34 题为多选题)1原子核中能放出 、 、 射线，关于原子核的组成，以下说法中正确的是( D )A原子核中，有质子、中子、还有 粒子B原子核中，有质子、中子、还有 粒子C原子核中，有质子、中子、还有 粒子D原子核中，只有质子和中子解析：原子核是由带正荷的质子和不带电的中子组成的，故只有选项 D 正确。
26、2如图所示， x 为未知的放射源， L 为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上 L 后，计数器的计数率大幅度减小，在 L 和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则 x 可能是( C )A 和 的混合放射源 B纯 放射源C 和 的混合放射源 D纯 放射源解析：此题考查运用三种射线的性质分析问题的能力。在放射源和计数器之间加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即 粒子，在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有 射线。因此，放射源可能是 和 的混合放射源。3以下说法中正确的是( CD )A原子中
27、含有带负电的电子，所以原子带负电B原子核中的质子数，一定与核外电子数相等C用粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分D绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷数跟质子电荷数之比，因此原子核内还存在一种不带电的中性粒子14解析：原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故 A 错误；对于中性原子来说，原子核中的质子数才跟核外电子数相等，故 B 错误；正是用 粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故 C 正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷数跟质子电荷数之比，才确定原子核内必还有别的中性粒子， 故 D 正确。4下面说法正确的是(
28、 BD )A 射线的粒子和电子是两种不同的粒子B红外线的波长比 X 射线的波长长C 粒子不同于氦原子核D 射线的贯穿本领比 粒子的强解析：由电磁波谱知红外线的波长比 X 射线波长要长。另外， 射线是电子流， 粒子是氦核，从 、 、 三者的穿透本领而言， 射线最强， 粒子最弱，故 B、D 正确。二、非选择题5在茫茫宇宙间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大威胁，现有一束射线(含有 、 、 三种射线)。(1)在不影响 和 射线的情况下，如何用最简单的办法除去 射线。(2)余下这束 和 射线经过一个使它们分开的磁场区域，画出 和 射线在进入如图所示磁场区域后轨迹的示意图。答案：(1)用一张纸挡在
29、射线经过处 (2)见解析解析：(1)可以利用三种射线的穿透能力不同来解决。由于 粒子的穿透性很弱，所以用一张纸放在射线经过处，即可除去 射线。(2) 射线不带电，垂直磁场进入磁场中不会受到洛伦兹力，故不偏转。由左手定则可判断出 射线进入磁场中时受竖直向上的洛伦兹力。轨迹示意图如下图所示。6在暗室的真空管装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生 、 、 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面朝下的显影纸(比一般纸厚且坚韧的涂有感光药的纸)，经射线照射一段时间后使两张显影纸显影。15
30、(1)上面的显影纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？(2)下面的显影纸显出 3 个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比；(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使 射线不偏转，一次使 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？(已知m 4u， m u， v ， v c)11840 c10答案：(1)2 个暗斑，分别是 、 射线的痕迹(2)s s 5184(3)B B 101解析：(1)一张显影纸即可挡住 射线(2)s at2，而 a qE/m， t ，故 s12 Hv qEH22mv2即 s s 5184qm v2 qm v2(3)qE qvB，所以 B Ev 1v故 B B v v 101
