2017_2018学年高中物理第三章原子核第1节原子核的组成与核力教学案教科版

第1节原子核的组成与核力

(对应学生用书页码P32)

一、原子核的组成

1．质子的发现

为了探测原子核的结构，1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子。实验表明质子是原子核的组成部分。

2．中子的发现

卢瑟福发现质子后，预想核内还有一种不带电的中性粒子。1932年，查德威克利用α粒子轰击铍时，证明了中子的存在。

3．原子核的组成

(1)组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。

(2)原子核的符号：A Z X，其中X表示元素，A表示质量数，Z表示核电荷数。

(3)基本关系：核电荷数＝质子数＝原子序数

质量数＝质子数＋中子数＝核子数

(4)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子核互称同位素。如氢的三种同位素氕、氘、氚。

二、核力

1．定义

原子核内相邻核子之间的相互作用力，也称强力。

2．特点

(1)在原子核的线度内，核力比库仑力大得多。

(2)核力是短程力，当两核子中心距离大于核子本身线度时，核力几乎完全消失。

(3)核力与电荷无关，质子与质子、中子与中子、质子与中子之间的核力是相等的。

[特别提醒] 质子越多的原子核需要更多的中子来维持核的稳定，在大而稳定的原子核中，中子数大于质子数。

三、核反应

1．核反应

用一定能量的粒子轰击原子核，改变原子核结构的过程。

2．核反应方程

用原子核符号描述核反应过程的式子。

3．书写方程式的原则

核反应方程必须满足反应前、后质量数和核电荷数都守恒。

1．判断：

(1)卢瑟福发现了中子。( )

(2)具有相同质子数而中子数不同的原子核称为同位素。( )

(3)核反应只改变核外电子数，不会改变原子核的结构。( )

答案：(1)×(2)√(3)×

2．思考：一个铅原子质量数为207，原子序数为82，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的关系，铅原子核的中子数为207－82＝125(个)。

(对应学生用书页码P32)

原子核的结构

1.原子核的组成

(1)原子核是由质子、中子组成的，质子带正电，电荷量e＝＋1.6×10－19 C，质量m＝1.6726231×10－27kg。中子不带电，质量m n＝1.6749286×10－27kg。不同的原子核内质子和中子的个数并不一定相同。

(2)质量数：原子核的质量等于核内的质子和中子质量之和，原子核的质量近似等于质子(或中子)质量的整数倍，通常用这个整数代表原子核的相对质量，叫做原子核的质量数。原子核的质量数等于质子数和中子数之和。

2．同位素

(1)定义：具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置。

(2)化学性质的决定因素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质。

(3)氢的同位素：氕(11H)，氘(21H)，氚(31H)。

元素的化学性质是由原子核外面的电子数决定的，所以同位素具有相同的化学性质，但其物理性质一般是不同的。

1．某种元素的原子核用A Z X表示，下列说法正确的是( )

A．原子核的质子数为Z，中子数为A

B．原子核的质子数为Z，中子数为A－Z

C ．原子核的质子数为A ，中子数为Z

D ．原子核的质子数为A －Z ，中子数为Z

解析：选B A

Z X 中，A 为质量数，Z 为质子数；中子数应为A －Z 。

核反应的规律与核反应方程

1. i ＋T ―→I＋R

i 表示为入射粒子，T 为靶原子核，R 为生成的原子核，I 为出射粒子。 2．常见的几个核反应方程：

14 7N ＋42He ―→17 8O ＋1

1H(发现质子)

94

Be ＋4

2He ―→12

6C ＋1

0n(发现中子) 2713

Al ＋4

2He ―→30

15P ＋1

0n

30

15

P ―→3014Si ＋ 0

+1e(发现正电子)

3．写核反应方程时应注意的问题

(1)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。

(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。

(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。

核反应前后质量数守恒，但原子核的总质量一般会发生变化，即总质量不守恒。

2．下列核反应方程中正确的是( ) A.238

92U ―→234

90Th ＋2

1H B.9

4Be ＋4

2He ―→12

6C ＋1

0n C.234

90Th ―→234

90Pa ＋0

1e

D.31

15P ―→30

14Si ＋ 0

+1e

解析：选B 根据核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒进行分析。

(对应学生用书页码P33)

原子核的组成

[例1] (1)镭核中有几个质子？几个中子？ (2)镭核所带的电荷量是多少？

(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？

(4)228

88Ra 是镭的一种同位素，让226

88Ra 和228

88Ra 以相同的速度垂直射入磁感应强度为B 的匀

强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？

[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 －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)中性原子的核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.

(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力，故有qvB ＝m v 2r ，r ＝mv

qB

。

两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故有

r 226r 228＝226228＝113

114

。 [答案] 见解析

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。

核反应方程的书写

[例2] 中子和正电子的。 (1)10

5B ＋4

2He ―→13

7N ＋( ) (2)9

4Be ＋( )―→12

6C ＋1

0n (3)27

13Al ＋( )―→27

12Mg ＋1

1H (4)14

7N ＋4

2He ―→17

8O ＋( ) (5)238

92U ―→234

90Th ＋( ) (6)23

11Na ＋( )―→24

11Na ＋1

1H

(7)27

13Al ＋4

2He ―→1

0n ＋( )；30

15P ―→30

14Si ＋( ) [解析] (1)10

5B ＋4

2He ―→13

7N ＋1

0n 。 (2)9

4Be ＋4

2He ―→12

6C ＋1

0n

此核反应使查德威克首次发现了中子。 (3)27

13Al ＋1

0n ―→27

12Mg ＋1

1H 。 (4)14

7N ＋4

2He ―→17

8O ＋1

1H

此核反应使卢瑟福首次发现了质子。 (5)238

92U ―→234

90Th ＋4

2He 。

(6)2311Na ＋21H ―→2411Na ＋1

1H

(7)27

13Al ＋4

2He ―→1

0n ＋30

15P(磷30放射性同位素)

3015

P ―→3014Si ＋ 0

+1e(正电子)

此核反应首次发现了正电子。 [答案] 见解析

书写核反应方程应注意以下几点： (1)正确书写各粒子的符号。

(2)反应前后体系的总电荷数、质量数守恒。

(3)正确区分核电荷数与原子核的电荷量，原子核的质量数与原子核的质量的不同。

(对应学生用书页码P33)

1．关于质子与中子，下列说法中错误的是( ) A ．原子核由质子和中子组成 B ．质子和中子统称核子

C ．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在

D ．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在

解析：选C 原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，卢瑟福发现了质子并预言了中子的存在，故A 、B 、D 项叙述正确，C 项错。

2．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 ．原子核中的质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跟质子质量之比都大于原子核电荷量跟质子电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子

解析：选CD 原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故A 错；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 不正确；正是用α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原子核电荷量跟质子电荷量之比，才确定原子核内必还有别的中性粒子，故D 正确。

3．氢有三种同位素，分别是氕1

1H ，氘2

1H ，氚3

1H ，则( ) A ．它们的质子数相等 B ．它们的核外电子数相等 C ．它们的核子数相等

D．它们的中子数相等

解析：选AB 氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数相同，都为1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同。故正确答案为A、B。

4．关于核力的说法正确的是( )

A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用

B．核力就是电磁力

C．核力是短程力，作用范围在2 fm左右

D．核力与电荷有关

解析：选C 核力是短程力，超过2×10－15 m，核力急剧下降几乎消失，故C对；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B不对；核力与电荷无关，故D错。

5．在下列4个核反应方程中，X表示质子的是( )

A.3015P―→3014Si＋X

B.238 92U―→234 90Th＋X

C.2713Al＋10n―→2712Mg＋X

D.2713Al＋42He―→3015P＋X

解析：选C 根据电荷数和质量数守恒，选项A中的X为正电子；选项B中的X为α粒子；选项C中的X为质子；选项D中的X为中子。故C正确。

6．下列说法正确的是( )

A．质子和中子的质量不等，但质量数相等

B．质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量总和

C．同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同

D．中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子和电子的总电荷量之和

解析：选A 质子和中子的质量不同，但质量数相同，A对。质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量数总和，B错。同一种元素的原子核有相同的质子数，但中子数可以不同，C错。中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量之和，D 错。

7．据最新报道，放射性同位素钬116 67Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )

A．32 B．67

C．99 D．166

解析：选A 根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错。

8．对核子结合成原子核的下列说法正确的是( )

A．原子核内的核子间均存在核力

B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力

C．当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时，其间“势能”一定减小

D．对质子数较多的原子核，其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用

解析：选CD 由于核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知A、B错误；当n 个核子靠近到核力作用范围内，而距离大于0.8×10－15m，核力表现为引力，在此过程核力必做正功，其间势能必定减小，形成原子核后距离一般不小于0.8×10－15m，故C正确；对质子数较多的原子核，由于只有相邻的质子间才有核力，但各个质子间均有很强的库仑斥力，随着质子数的增加，其库仑斥力增加，对于稳定的原子核，必须存在较多的中子才能维系二者的平衡，故D正确。

9．原子核A Z X与氘核21H反应生成一个α粒子和一个质子，由此可知( )

A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2

C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2

解析：选D 本题考查核反应方程的书写，主要考查电荷数守恒和质量数守恒。根据这两点有方程A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得A＝3，Z＝2，D项对。

10．写出下列两个核反应的反应方程。

(1)2713Al(铝核)俘获一个α粒子后放出一个中子：

________________________________________________________________________。

(2)α粒子轰击14 7N(氮核)放出一个质子：

________________________________________________________________________。

解析：由质量数守恒和电荷数守恒可知：

(1)2713Al＋42He→3015P＋10n (2)14 7N＋42He→17 8O＋11H

答案：见解析

11．1930年发现，在真空条件下用α粒子(42He)轰击铍(94Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子，查德威克认定这种粒子就是中子。

(1)写出α粒子轰击铍核的核反应方程。

(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰，已知中子的质量为m n、初速度为v0，与碳核碰后的速率为v1，运动方向与原来运动方向相反，碳核质量视为12m n，求碳核与中子碰撞后的速率；

(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场，测得碳核做圆周运动的半径为R，已知元电荷的电荷量为e，求该磁场的磁感应强度大小。

解析：(1)94Be＋42He―→10n＋12 6C

(2)根据动量守恒定律有

m n v0＝－m n v1＋12m n v2，

解得：v 2＝

v 1＋v 0

12

。

(3)根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有

6eBv 2＝12m n v 22

R ，解得：B ＝m n v 1＋v 06eR

。

答案：(1)9

4Be ＋4

2He ―→1

0n ＋12

6C (2)

v 1＋v 0

12

(3)

m n v 1＋v 0

6eR