第五章 原子核 知识清单-2024-2025学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

原子核 1、 原子核的组成 1、 天然放射现象 历史：①1896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，它能穿透黑纸使照相底片感光。 ②波兰裔法国物理学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里从一种一种沥青铀矿中发现发现这种矿物中还存在着两种能够发出更强射线的新元素，居里夫人把其中一种元素命名为钋（Po），另一种元素命名为镭（Ra）。 物质发出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，放射性并不是少数元素才有的，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，有的也能发出射线。放射性元素自发地发出射线的现象，叫作天然放射现象。 2、射线的本质 在射线经过的空间施加磁场，可以发现射线分裂成三束，其中两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。把这三种射线分别叫作射线、射线和射线。 射线 本质 电性 质量 速度 电离能力 穿透能力 射线 粒子流 2个单位的正电荷 氢原子的4倍 光速的1/10 最强 最弱（一张纸可挡住） 射线 电子流 1个单位的负电荷 电子的质量 接近光速 较弱 较强（能穿过黑纸、几毫米厚的铝板） 射线 电磁波（波长很短的光子） 电中性 下⑤ 光速 最弱 最强（穿透几厘米厚的铅板和几十厘米的混凝土） 注：①射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的上述作用叫作电离作用。 ②一种放射性元素无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。 ③放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。 ④射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。 ⑤光子作为电磁辐射的载体，具有能量和动量，但其静止质量严格为零。 3、原子核的组成 ①1919年，卢瑟福用镭放射出的粒子轰击氮原子核，从氮原子核中打出了一种新的粒子即为质子。质子（p）带正电荷，电荷量与一个电子的电荷量相等。质子的质量为 ②卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。中子（n）不带电。中子的质量为 ③质子和中子都是原子核的组成成分，所以统称为核子。 ④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，叫作原子核的电荷数，用Z表示。 ⑤原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫作原子核的质量数，用A表示。 ⑥核中质子数相同而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，互称同位素。 如氢有三种同位素，分别叫作氕（也就是通常说的氢）、氘（也叫重氢）、氚（也叫超重氢），符号分别是. 二、放射性元素的衰变 1、原子核的衰变 原子核自发地放出粒子或粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。 衰变：是一种放射性衰变。在此过程中，一个原子核释放一个粒子（由两个中子和两个质子形成的氦原子核），并且转变成一个质量数减少4，核电荷数减少2的新原子核。如铀238衰变： ★原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。 衰变：是放出粒子的衰变，衰变的实质在于核内的中子转化成了一个质子和一个电子，其转化方程是 ①原子核的能量也跟原子的能量一样，其变化是不连续的，也只能取一系列不连续的数值，因此，也存在着能级，同样是能级越低越稳定。 ②放射性的原子核在发生衰变、衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出光子。 2、半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期。 ①衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个微观事件不可以预测”。 ②对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。量子理论可以对大量原子核的行为作出统计预测。放射性元素的半衰期，描述的就是这样的统计规律。 ③不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。 ④放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 3、核反应 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程，称为核反应。如 ★在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。 4、放射性同位素及其应用 ①射线测厚仪 ②放射治疗 ③培优、保鲜 ④示踪原子 三、核力与结合能 1、核力与四种基本相互作用 ①引力相互作用 ②电磁相互作用：电荷间的相互作用、磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现，这种相互作用称为电磁相互作用或电磁力。宏观物体中包含了大量带负电的电子和带正电的原子核。宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于这些电荷之间的电磁相互作用。（★它的作用范围只有约m，即原子核的大小，超过这个界限，这种相互作用实际上已经不存在了，它是短程力。） ③强相互作用：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核，这种作用称为强相互作用。 ④弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更短，只有m。 2、结合能 原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。 ①组成原子核的核子越多，它的结合能越大。 ②原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。 ③比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。 3、质量亏损 质能方程（物体的能量与它的质量的关系） 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损。 ①质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。 ②中等大小的核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大），这些核最稳定。 ③. 四、核裂变与核聚变 1、核裂变的发现 1938年年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此给出了解释：铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。 铀核裂变的产物是多样的，一种典型的铀核裂变是生成钡和氪（铀236为中间过程，不稳定），同时放出3个中子，核反应方程是 核裂变时产生两或三个中子。如果这些中子继续与其他铀235发生反应，再引起新的核裂变，就能使核裂变反应不断地进行下去。这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。 ①铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。 ②把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量。 2、反应堆与核电站 原子核的链式反应也可以在人工控制下进行，释放的核能就可以为人类的和平建设服务。 反应堆 核反应堆工作流程 4、核聚变 两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。一个氘核与一个氚核聚合成一个氦核的同时放出一个中子，释放17.6 MeV的能量，该核反应方程是 要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。所以要把它们加热到很高的温度。当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。 太阳就是一个巨大的热核反应堆。太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达K。在这样的高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，不断地放出能量。太阳每秒辐射出的能量约为。 氢弹 氢弹原理，首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。 轻核聚变的优点 ①轻核聚变产能效率高 ②地球上核聚变燃料氘储量丰富，而氚可以利用锂来制取，足以满足核聚变的需要。 ③轻核聚变更为安全、清洁。 可控人工核聚变的实现方案 ①磁约束 带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。环流器（即托卡马克）是目前性能最好的一种磁约束装置。下图是中国科学院的环流器装置EAST。 ②惯性约束 利用核聚变物质的惯性进行约束。 五、“基本”粒子 19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。后来发现了电子、质子和中子，并且知道了原子核和电子组成了原子，质子和中子组成了原子核。于是许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并把它们叫作“基本粒子”。然而，随着科学的进一步发展，科学家们认识到这些粒子并不“基本”。这是因为，一方面，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们并不能看作由质子、中子、电子组成的；另一方面，科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。所以，从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。 1、发现新粒子 2、粒子的分类 强子：参与强相互作用的粒子。质子和中子都是强子。 轻子：不参与强相互作用。电子，电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的反粒子。目前发现的轻子只有这 6 种，其中τ子的质量比核子的质量还大，但从相互作用的性质上讲它仍然属于轻子。现代实验还没有发现轻子的内部结构。 规范玻色子：传递各种相互作用的粒子，如光子、中间玻色子（W和Z玻色子）、胶子。光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。 希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。希格斯玻色子是这几种基本粒子中最后一个被发现的。2012年，欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子。 学科网（北京）股份有限公司 $$