专题17 原子核结构-【教育机构专用】2021年春季高二物理辅导讲义

专题17 原子核结构（教师版） 一、目标要求 目标要求 重、难点 原子核的组成 重点 原子核的衰变及半衰期 重点 核力与结合能 重难点 核反应方程 重难点 裂变与聚变 重点 二、知识点解析 1．原子核的组成 (1)原子核的组成：自卢瑟福发现质子和查德威克发现中子之后，人们对原子核的组成有了如下认知： ①原子核由质子和中子组成，统称为核子，原子核的质量等于所有组成该原子核的质子和中子质量和，质子和中子的质量几乎相同，因此原子核的质量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，用A表示； ②由于中子不带电，原子核所带电荷量与核内质子电荷总量相等，所以原子核所带电荷量总是等于质子数的整数倍，这个倍数称为原子核的核电荷数，用Z表示； ③原子核常用符号表示，X为元素符号；Z表示原子核的核电荷数，即核内的质子数，也即该种元素的原子序数；A表示原子核的质量数，即核内质子数与中子数的总和； ④自然界中存在相同核电荷数不同质量数的原子核，这类原子核是相同元素但具有不同的中子数，我们把这类元素称为同位素，如与、互为同位素． (2)天然放射现象 1896年法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光；之后法国物理学家玛丽·居里从含铀的矿物中发现了两种新的具有放射性的元素，为纪念她的祖国波兰，她将这两种元素命名为钋(Po)和镭(Ra)； 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，后来发现，原子序数大于82的元素都具有放射性，原子序数小于82的同位素也能具有放射性；放射性元素能够自发放出射线的现象，称为天然放射现象． 2．放射性元素的衰变 发现天然放射现象后，科学家们研究了放出的射线的性质． (1)三种射线的性质 ①探究：如图1所示，利用电场和磁场对三种射线进行分析，得到了图中的结果； 图1 ②特点 射线种类 组成 速度 贯穿本领 电离能力 α射线 高速氦核()流 约0.1c 很小，一张薄纸就能挡住 很强 β射线 高速电子()流 约0.99c 较强，能穿透几毫米的铝板 较弱 γ射线 波长极短的电磁波 c 最强，能穿透几厘米的铅板 很小 (2)放射性元素的衰变 ①定义：具有放射性的原子核放出α粒子或β粒子，其核电荷数发生变化，变成其他元素的现象叫做放射性元素的衰变 ②种类 a．α衰变：放射性元素放出α粒子的衰变叫做α衰变，衰变过程为：，如铀238发生α衰变产生钍234：； b．β衰变：放射性元素发出β粒子的衰变叫做β衰变，衰变过程为：，如钍234发生β衰变产生镤234：； 需要注意的是，原子核内并没有电子，因此β衰变的本质是核内一个中子变为了一个质子和一个电子，并将电子放出的过程： c．原子核的能量与原子一样，都是量子化、存在能级的，当发生α衰变或β衰变时，产生的新核具有较高能量，会向低能级跃迁，能量以γ光子的形式辐射出来，因此无论是发生α衰变还是β衰变，一般伴随有γ射线的放出． (3)半衰期 ①定义：大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间称为半衰期； ②表达式：或，其中N、m表示衰变后剩余的原子核数目和质量，N0、m0表示衰变前原子核的数目和质量，T是该元素的半衰期，t是所经历的衰变时间； ③特点：半衰期的长短不受温度、压强或化学状态影响；半衰期反映了大量原子核衰变过程的统计快慢规律，而单个原子核的衰变时间无法预测． 3．核反应与核能 (1)核反应 ①定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应； ②核反应方程式：，核反应与衰变一样，前后符合质量数守恒，核电荷数守恒； ③意义 a．发现新元素和新粒子，如卢瑟福通过原子核人工转变发现质子：，查德威克发现中子：； b．制作人工同位素，人工同位素半衰期相比天然放射性元素要更短，因此放射性污染更小，更便于利用； c．利用核反应开发核能． (2)核能 ①核力：核力是强相互作用的一种表现，在核子尺度范围内，核力远大于库仑力；核力是短程力，作用范围在10-15m左右；每个核子只与相邻的核子之间发生核力作用． 由于核力只发生在相邻核子之间，且是短程作用力，相隔较远的质子之间会主要体现库仑斥力，因此原子序数越大的元素，其原子核内部含有的中子数越多，这样才能利用核力凝聚原子核． ②结合能：原子核由核子组成，将其分开需要克服核力做功，将核子分开所需要的能量称为原子核的结合能，结合能也等于核子聚集在一起所释放的能量； ③比结合能：原子序数越大的元素，含有的核子数目越多，其结合能也就越大，原子核的总结合能与核子数的比值称为比结合能，也称平均结合能；比结合能越大，表明原子核内核子结合更紧密，原子核越稳定； ④核能的计算：原子核的结合能难以测量，爱因斯坦给