第5章 第1节 认识原子核（Word教参）-【优化指导】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册（鲁科版2019）

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.知道天然放射现象及其规律。 2．理解三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们。 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。 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。 [对应学生用书P73] 知识点一 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地发出某种看不见的射线➊，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。 知识点二 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 (1)α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➋，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。 (2)β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。 (3)γ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。 知识点三 质子和中子的发现 1.质子的发现➌ (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➍ 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。 知识点四 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：A ZX，其中X为元素符号；A表示原子核的质量数➎，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1 1H、2 1H、3 1H。 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➏：在核反应中，反应前后的核电荷数和质量数均守恒。 (4)发现质子与中子的核反应方程。 4 2He＋14 7N→17 8O＋1 1H 4 2He＋9 4Be→12 6C＋0 1n 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．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。(√) 3．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在。(√) 4．核反应方程满足质量数、电荷数守恒。(√) 批注➊：常见的铀矿 批注➋：电离作用 射线飞行途中遇到原子并将其部分能量转移给原子中的电子，使这个电子脱离核的束缚成为自由电子。 批注➌：质子带正电荷，电荷量与一个电子的电荷量相等，用p表示。中子不带电，用n表示。 批注➍：如果原子核中只有质子，那么任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比。事实上绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的质量与电荷量之比。 批注➎：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。 批注➏：(1)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中原子核的总质量一般会发生变化(亏损)而释放出核能； (2)核反应过程中动量守恒。 [对应学生用书P75] 探究点一　天然放射现象和射线的本质　(物质观念之形成) ◆情境探究 　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 (高频电磁波) 高速电子流 光子流 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。 ◆对点例练 (多选)由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪的原理如图所示，其主要使命是探索宇宙中的反物质，所谓反物质，即质量与正粒子相等，电荷量与正粒子相等但符号相反。假设使一束质子、反质子、α粒子、α反粒子组成的射线通过OO′进入匀强磁场B2中形成四条径迹，则(　　) A．1和2是反粒子径迹 B．3和4是反粒子径迹 C．2为α反质子径迹 D．4为α粒子径迹 AD　解析：在磁场中，粒子做匀速圆周运动，正离子向右偏转，负离子向左偏转，故1、2是反粒子径迹，A正确，B错误；根据洛伦兹力提供向心力，有qvB＝m，解得R＝∝，故质子与α粒子的半径之比为1∶2，即α粒子转弯半径大，故1是反质子，2是反α粒子，3是质子，4是 α粒子，故D正确，C错误。 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。 [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，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 垂直于纸面向里 γ β D 垂直于纸面向外 γ α C　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于纸面向里。 探究点二　质子和中子的发现　(物质观念之形成) ◆要点归纳 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) K阀门、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)。打开阀门K，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荷量，进而确定它就是氢原子核，又叫质子。用符号表示为11H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、穿透能力很强、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。 ◆对点例练 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：________________________________________________________________________。 答案：α　氮　4 2He＋14 7N→17 8O＋1 1H 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：4 2He＋14 7N→17 8O＋1 1H。 [练2] 1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝核27 13Al，产生了第一个人工放射性核素X：α＋27 13Al→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　解析：据α粒子和中子的质量数和电荷数写出核反应方程：4 2He＋27 13Al→1 0n＋A ZX，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。 探究点三　原子核的组成　(物质观念之形成) ◆要点归纳 1．原子核的大小和组成 2．核反应与核反应方程 条件 用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变 实质 用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变 规律 (1)质量数、电荷数守恒；(2)动量守恒 原子核人工转变实例 (1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程14 7N＋4 2He→17 8O＋1 1H (2)1932年查德威克发现中子的核反应方程9 4Be＋4 2He→12 6C＋1 0n 核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向 书写核反应方程的注意事项 (1)质量数守恒和电荷数守恒； (2)中间用箭头，不能写成等号； (3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。 ◆对点例练 (多选)以下说法中正确的是(　　) A．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电 B．原子核中的中子数一定跟核外电子数相等 C．用α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与质子的质量之比都大于原子核的电荷量与质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的粒子 CD　解析：原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，中性原子对外不显电性，A错误；原子核中的中子数与核外电子数关系不确定，如11H、12H、13H分别组成的氢原子，B错误；正是用α粒子轰击(氮)原子核的实验发现了质子，C正确；因为绝大多数原子核的质量与质子的质量之比都大于核电荷数与质子电荷数之比，才确定原子核内必定还有别的中性粒子，D正确。 原子核“数”与“量”的辨析 (1)核电荷数与原子核的电荷量：原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，即这些质子所带电荷量的总和；核电荷数为核内的质子数。 (2)原子核的质量数与质量：原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于质子和中子质量的总和。 [练3]如图所示，国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功，获得中子束流，可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。下列核反应中放出的粒子为中子的是(　　) A．14 7N俘获一个α粒子，产生 17 8O并放出一个粒子 B．27 1 3Al俘获一个α粒子，产生30 1 5P并放出一个粒子 C． 11 5B俘获一个质子，产生8 4Be并放出一个粒子 D．6 3Li俘获一个质子，产生2 3He并放出一个粒子 B　解析：根据核反应中质量数和电荷数守恒，各选项核反应方程如下：14 7N＋4 2He→17 8O＋1 1H，故A错误；27 13Al＋4 2He→30 15P＋1 0n，故B正确； 11 5B＋1 1H→8 4Be＋4 2He，故C错误； 6 3Li＋1 1H→3 2He＋4 2He，故D错误。 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练4] (科技情境)(多选)近几年，γ刀已成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，令人感叹的是，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无须住院，因而γ刀被誉为“神刀”。据报道，我国自己研制的旋式γ刀性能更好，已进入各大医院为患者服务。γ刀治疗脑肿瘤主要是利用(　　) A．γ射线具有很强的贯穿本领 B．γ射线具有很强的电离作用 C．γ射线具有很高的能量 D．γ射线容易绕过障碍物到达目的地 AC　解析：医院里用γ刀治疗肿瘤是利用γ射线具有很强的穿透性，然后利用其携带的高能量使肿瘤细胞汽化从而达到治疗效果，A正确；γ射线电离作用较弱，B错误；γ射线是频率很高的电磁波，具有很高的能量，C正确；γ射线波长很短，不容易绕过障碍物到达目的地，D错误。 [练5] (生产情境)如图所示的是利用射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线轧制的是3 mm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到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两个轧辊间的距离调节得________些。 答案：β　大 解析：α射线不能穿过3 mm厚的铝板，γ射线又很容易穿过3 mm厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响，而β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的β射线的强度发生较明显变化，所以是β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，应该将两个轧辊间的距离调节得大些。 学科网（北京）股份有限公司 $$