第1节 原子核的组成（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

核心素养导学 第五章　原子核与基本粒子 第1节　原子核的组成 物理观念 (1)了解质子与中子的发现过程。 (2)了解原子核的组成，会正确写出原子核的符号。 (3)知道同位素的概念及在生产生活中的应用。 科学探究 了解探究质子和中子在发现过程中运用的物理原理。 科学态度与责任 通过对原子核结构的探究，感悟探索微观世界的研究方法，强化证据意识和推理能力。 一、原子核的组成 1．质子的发现 1919年，卢瑟福用镭放射出的______轰击氮原子核，发现质子，它是_______的组成部分。 2．中子的发现：实验结果显示，带正电的质子的质量大体上只占________质量的一半。卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种电中性的粒子，它的质量与质子相同。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想，这种粒子就是中子。 α粒子 原子核 原子核 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 质子和中子 核子 二、同位素　核力 1．定义：原子序数相同而________不同的原子核互称为同位素。 2．氢有三种同位素，分别是氕H、氘H、氚H。 3．核力:核子之间的_____________称为核力，它属于强相互作用。 中子数 相互作用力 1.下面是原子核的示意图，判断下列说法正误： (1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。 ( ) (2)原子核的电荷数等于核内的质子数，也就是这种元素的原子序数。 ( ) (3)同位素具有不同的化学性质。 ( ) (4)原子核的电荷数就是原子核所带的电荷量。 ( ) (5)原子核的质量数就是原子核内质子和中子的总质量。 ( ) × √ × × × 2．铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，其核外电子有多少个？中子数又是多少？ 提示：铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电荷量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和，铅原子核中的中子数为207－82＝125(个)。 新知学习(一)|原子核的组成 [任务驱动] 汤姆孙通过确定阴极射线的电性和电荷量，猜测电子来源于原子，通过换用不同的材料作阴极得到相同的阴极射线，证明了电子是原子的组成部分；天然放射线是从原子核中射出的，使人们认识到原子核可分，进而才有质子、中子的发现。 (1)质子由谁发现的？怎样发现的？ 提示：卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现质子。 (2)中子是由谁发现的？依据是什么？ 提示：查德威克发现中子。发现依据：如果原子核中只有质子，那么原子核的质量与电荷量之比应等于质子的质量与电荷量之比，但实际却是，绝大多数情况是前者的比值大些，卢瑟福猜想核内还有另一种粒子。查德威克通过实验证实了这个猜想。　　　　 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作核子数。 (2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个整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。 [典例体验] [典例]　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)呈中性的镭原子，核外有多少个电子？ [解析]　(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数Z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－Z＝226－88＝138。 (2)镭核所带电荷量： Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C≈1.41×10－17 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)1.41×10－17 C　(3)88 /方法技巧/  原子核的“数”与“量”辨析 (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，核内的质子数叫作核电荷数，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和叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。 答案：D　 答案：ACD　 新知学习(二)|核力与原子核的稳定性 [任务驱动] 如图为H和He的原子核结构示意图。 (1)质子都带正电，质子与质子之间存在着库仑斥力，为什么He还能稳定地存在？ 提示：核子之间还存在着核力作用。 (2)自然界中存在的元素是有限的，为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核？ 提示：当核子增多时，原子核增大，核子间的距离也增大，当距离较大时，一些核子间可能就没有核力的作用了，这样形成的核不稳定，最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。　　　 [重点释解] 1．核力的性质 (1)核力是四种基本相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。 (2)核力是短程力。约在10－15 m数量级时起作用，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了。距离大于0.8×10－15 m时表现为引力，距离小于0.8×10－15 m时表现为斥力。 (3)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。 (4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。 2．原子核中质子与中子的比例关系 (1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。 (2)形成原因 ①若质子与中子成对地人工构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。 ②若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。 ③由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。 [典例体验] [典例]　关于原子核中质子和中子的说法，正确的是 (　 ) A．原子核中质子数和中子数一定相等 B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多 C．原子核都是非常稳定的 D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核仍稳定存在 [解析]　原子核中原子数和中子数不一定相等，质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，故A、B错误；原子核可以发生衰变，故C错误；由核力作用特点可知，核子数越多的原子核越不稳定，故D正确。 [答案]　D /方法技巧/ 记忆核力特点技巧 (1)核子包括质子和中子，而中子不带电，所以核力与电荷无关。 (2)原子核非常小，所以核力属于短程力。 (3)质子间的核力比库仑力大得多，属于强相互作用力。　　 [针对训练] 1．(多选)对核力的认识，下列说法正确的是 (　 ) A．任何核子之间均存在核力 B．每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 C．核力只存在于质子之间 D．核力只发生在相距1.5×10－15 m内的核子之间，距离大于0.8×10－15 m时为吸引力，距离小于0.8×10－15 m 时为斥力 解析：由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m内的核子之间存在核力，核力发生在相邻核子之间，故B、D正确。 答案：BD　 2．氦原子核由两个质子与两个中子组成，两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力，则这三种力从大到小的排列顺序是 (　 ) A．核力、万有引力、库仑力 B．万有引力、库仑力、核力 C．库仑力、核力、万有引力 D．核力、库仑力、万有引力 解析：由三种力的性质和特点可知，核力>库仑力>万有引力，故D项正确。 答案：D　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——中子的发现过程 1．(选自粤教版教材课后练习)1932年，查德威克用一种中性粒子流轰击氢原子和氮原子，打出了一些氢核(质子)和氮核，其测量出被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出这种粒子的质量而发现了中子。查德威克认为，原子核的热运动速度远小于中性粒子的速度而可以忽略不计；被碰出的氢核、氮核之所以会具有不同的速率是由于碰撞的情况不同而造成的，其中速率最大的应该是弹性正碰的结果。实验中测得被碰氢核的最大速度为vH＝3.30×107 m/s，被碰氮核的最大速度为vN＝4.50×106 m/s，其中已知mN＝14mH。 请根据查德威克的实验数据，推导出中性粒子(中子)的质量m与氢核的质量mH的关系。(结果保留三位有效数字) 答案：m≈1.05mH 科学态度与责任——中国散裂中子源 2．(选自鲁科版教材“科学书屋”)中国散裂中子源(CSNS)于2011年动工，2018年8月23日通过国家验收正式投入运行。它和正在运行的美国、日本与英国的散裂中子源一起构成世界四大脉冲散裂中子源。散裂中子源就像“超级显微镜”，是研究物质材料微观结构的理想探针，可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药和新型核能开发等学科发展。 散裂中子源是由加速器(如图)提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子，每个高能质子可产生20～40个中子，大大提高了中子源的强度，使中子探针的功能变得更加强大。 答案：D　 答案：A　 [重点释解] 1．原子核的大小、组成和同位素 [针对训练] 1．下列关于原子核的相关说法中正确的是(　 ) A．原子核的电荷数等于中子数 B．原子核的电荷数不是它的电荷量，但质量数是它的质量 C．卢瑟福通过实验发现了质子和中子 D．原子核Th的核内有144个中子 解析：原子核的电荷数等于核内质子数，也就是原子序数，故A错误；原子核的电荷数不是它的电荷量，质量数也不是它的质量，故B错误；卢瑟福通过实验发现了质子，并猜想原子核内可能还存在中子，查德威克通过实验证实了原子核中存在中子，故C错误；原子核Th的质子数为90，中子数为144，故D正确。 2．(多选)质子数与中子数互换的核互为镜像核，例如He是H的镜像核，同样H也是He的镜像核。下列说法正确的是 (　 ) A.N和C互为镜像核 B.N和O互为镜像核 C.N和O互为镜像核 D．互为镜像核的两个核质量数相同 解析：根据镜像核的定义及质量数A等于核电荷数Z和中子数n之和，可知N和C的质子数与中子数互换了，互为镜像核；N和O的质子数与中子数互换了，互为镜像核，故A、C正确。N的质子数为7，中子数为8；而O的质子数和中子数都为8，没有互换，不是镜像核，故B项错误。互为镜像核的两个核质子数与中子数互换，质子数与中子数的和不变，所以互为镜像核的两个核质量数相同，故D正确。 解析：查德威克认为氢核、氮核与中性粒子之间的碰撞是弹性正碰；设中性粒子质量为m，速度为v0，氢核的质量为mH，最大速度为vH，并认为氢核在打出前为静止的，那么根据动量守恒和能量守恒可知： mv0＝mv＋mHvH　　　　 ① mv＝mv2＋mHv　　　 ② 其中v是碰撞后中性粒子的速度，由此可得： vH＝　　　 ③ 同理，mv0＝mv＋mNvN mv＝mv2＋mNv 可得出中性粒子与氮原子核碰撞后打出的氮核的速度vN＝　　　　　 ④ 查德威克在实验中测得被碰氢核的最大速度为：vH＝3.30×107 m/s，被碰氮核的最大速度为vN＝4.50×106 m/s， 因为mN＝14mH，由方程③④可得 ＝＝　　　　 ⑤ 将速度的最大值代入方程⑤， ＝ 解得：m≈1.05mH　　　　 ⑥ 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．下列说法中正确的是(　 ) A.He中有4个质子，2个中子 B.He与He不是互为同位素 C.Be中的质子数比中子数少6 D.Si中的质子数比中子数少2 解析： He中有2个质子，2个中子，故A错误；He与He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：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。 $$