【拔高教育】2017_2018学年高中物理第十九章原子核1原子核的组成同步备课学案新人教版选修3_5

1 原子核的组成[目标定位] 1.知道什么是放射性及放射性元素.2.知道三种射线的特征以及原子核的组成.3.会正确书写原子核符号．一、天然放射现象1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线．2．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，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象．3．原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线．4．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)．二、射线到底是什么1．α射线实际上是氦原子核，速度为光速的十分之一，电离作用强，穿透能力很弱，一张纸就能把它挡住．2．β射线是高速电子流，速度很大，可达光速的99%，穿透能力较强，电离作用较弱，很容易穿透黑纸，能穿透几毫米厚的铝板．3．γ射线是能量很高的电磁波，波长很短，它的电离作用更小，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土．4．元素的放射性如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质还是以某种化合物的形式存在，它放射性的强度不受影响．也就是说，射线来自原子核．这说明原子核内部是有结构的．【深度思考】三种射线组成和性质不同，若将放射源置于如图1所示的匀强电场和匀强磁场中，请根据三种射线的特点，画出它们的大致轨迹．图1答案 (1)在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图所示．位移x 可表示为x ＝12at 2＝12·qE m ⎝ ⎛⎭⎪⎫y 0v 2∝qmv 2所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为x βx α＝e 2e ×411 836×⎝ ⎛⎭⎪⎫110c 2⎝ ⎛⎭⎪⎫99100c 2≈37. (2)在匀强磁场中：γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图所示．根据qvB ＝mv 2R 得R ＝mv qB ∝mvq所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为 R βR α＝11 8364×99100cc 10×2e e ≈1371.【例1】 如图2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( )图2解析R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纸面向里．答案 C1．对放射性和射线的理解：(1)一种元素的放射性，与其是单质还是化合物无关，这说明一种元素的放射性和核外电子无关．(2)射线来自于原子核，说明原子核是可以再分的．2．对三种射线性质的理解：(1)α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电．α射线、β射线是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种．(2)α射线、β射线都可以在电场或磁场中偏转，但偏转方向不同，γ射线则不发生偏转．(3)α射线穿透能力弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强，而电离本领相反．针对训练1 如图3甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图，图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图，请问图乙中的检查是利用了哪种射线( )图3A．α射线B．β射线C．γ射线D．三种射线都可以答案 C解析由题意可知，工业上需用射线检查金属内部的伤痕，如题图甲可知，三种射线中γ射线穿透力最强，而α射线、β射线都不能穿透钢板，所以答案为C.三、原子核的组成1．质子的发现1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分．2．中子的发现卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子．查德威克利用云室进行实验验证了中子的存在，中子是原子核的组成部分．3．原子核的组成原子核由质子和中子组成．4．原子核的符号5．同位素具有相同的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，它们互称为同位素．例如：氢有三种同位素11H、21H、31H.【深度思考】原子核的电荷数与它所带电荷量，质量数与它的质量分别有什么关系？答案原子核所带的电荷等于核内质子电荷的总和，所以原子核所带电荷总是质子电荷的整数倍，用这个倍数表示原子核的电荷数；原子核的质量等于质子和中子的质量总和，而质子和中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数称为原子核的质量数．可见，电荷数与质量数是一个纯数字，与电荷量和质量是不同的．【例2】已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：(1)镭核中有几个质子？几个中子？(2)镭核所带电荷量是多少？(3)若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？(4)22888Ra 是镭的一种同位素，让22688Ra 和22888Ra 以相同速度垂直射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径之比是多少？解析 因为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)镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，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Bqv ＝m v 2r ，r ＝mvqB.两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故r 226r 228＝226228＝113114. 答案 (1)88 138 (2)1.41×10－17C (3)88 (4)113∶114核子数、电荷数、质量数的基本关系：电荷数＝质子数＝元素的原子序数＝中性原子核外电子数 质量数＝核子数＝质子数＋中子数． 针对训练2 以下说法正确的是( )A.22286Rn 为氡核，由此可知，氡核的质量数为86，氡核的质子数为222 B.94Be 为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4 C ．同一元素的两种同位素具有相同的质量数 D ．同一元素的两种同位素具有不同的中子数 答案 D解析 氡核的质量数为222，质子数为86，所以A 错误；铍核的质量数为9，中子数为5，所以B 错误；由于同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，因而C 错误，D 正确．1．(三种射线的特性)(多选)天然放射性物质的射线包含三种成分，下列说法中正确的是( )A ．α射线的本质是高速氦核流B．α射线是不带电的光子流C．三种射线中电离作用最强的是γ射线D．一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线答案AD解析α射线的本质是高速氦核流，β射线是高速电子流，A正确，B错误；三种射线中电离作用最强的是α射线，C错误；一张厚的黑纸可以挡住α射线，但挡不住β射线和γ射线，D正确．2．(三种射线的特性)(多选)图4中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是( )图4A．a为α射线、b为β射线B．a为β射线、b为γ射线C．b为γ射线、c为α射线D．b为α射线、c为γ射线答案BC解析由题图可知电场线方向向右，α射线带正电，所受电场力方向与电场线方向一致，故α射线向右偏转，即c为α射线；β射线带负电，所受电场力方向与电场线方向相反，故β射线向左偏转，即a为β射线；γ射线不带电，不发生偏转，即b为γ射线．故选项B、C正确．3．(原子核的组成及同位素)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答案 A解析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．4．(原子核的组成及同位素)(多选)氢有三种同位素，分别是氕(11H)、氘(21H)、氚(31H)，则( ) A．它们的质子数相等B．若为中性原子它们的核外电子数相等C．它们的核子数相等D．它们的化学性质相同答案ABD解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和中性原子状态核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B正确，C错误；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．题组一天然放射现象及三种射线的性质1．人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从( )A．发现电子开始的B．发现质子开始的C．进行α粒子散射实验开始的D．发现天然放射现象开始的答案 D解析自从贝可勒尔发现天然放射现象，科学家对放射性元素及射线的组成、产生的原因等进行了大量研究，逐步认识到原子核的复杂结构，故D正确，A、B、C错误．2．下列说法正确的是( )A．任何元素都具有放射性B．同一元素，单质具有放射性，化合物可能没有C．元素的放射性与温度无关D．放射性就是该元素的化学性质答案 C解析原子序数大于或等于83的所有元素都有放射性，小于83的元素有的就没有放射性，所以A项错；放射性是由原子核内部因素决定的，与该元素的物理、化学状态无关，所以C 项对，B、D项错．3.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图1所示，其中( )图1A．C为氦原子核组成的粒子流B．B为比X射线波长更长的光子流C．B为比X射线波长更短的光子流D．A为高速电子组成的电子流答案 C解析根据射线在电场中的偏转情况，可以判断，A射线向电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线，B射线在电场中不偏转，所以是γ射线；C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子，所以是β射线．4．如图2所示，x为未知放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是( )图2A．α和β的混合放射源B．纯α放射源C．α和γ的混合放射源D．纯γ放射源答案 C解析在放射源和计数器之间加上薄铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即α粒子．在薄铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有γ射线．因此，放射源可能是α和γ的混合放射源．5.天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图3所示，由此可推知( )图3A．②来自于原子核外的电子B．①的电离作用最强，是一种电磁波C．③的电离作用较强，是一种电磁波D．③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子答案 D解析射线均来自于核内，A错；从图中可看出，一张纸能挡住①射线，则①射线一定是α射线，其贯穿本领最差，电离能力最强，但不是电磁波，而是高速粒子流，B错；铝板能挡住②，而不能挡住③，说明③一定是γ射线，其电离能力最弱，贯穿本领最强，是一种电磁波，属于原子核内以能量形式释放出来的以光速运行的高能光子，C错，D对．题组二原子核的组成及同位素6．原子核中能放出α、β、γ射线，关于原子核的组成，以下说法中正确的是( ) A．原子核中，有质子、中子，还有α粒子B．原子核中，有质子、中子，还有β粒子C．原子核中，有质子、中子，还有γ粒子D．原子核中，只有质子和中子答案 D解析在放射性元素的原子核中，2个质子和2个中子结合得较紧密，有时作为一个整体放出，这就是α粒子的来源．说到底它仍是由质子和中子组成的，不能据此认为它是原子核的组成部分．原子核里是没有电子的，但中子可以转化成质子，并向核外释放一个电子，这就是β粒子．原子核发生衰变后处于高能级，在回到低能级时多余的能量以γ粒子的形式辐射出来，形成γ射线，故原子核里也没有γ粒子．7．据报道，放射性同位素钬166 67Ho可以有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数是( ) A．32 B．67 C．99 D．166答案 C解析根据原子核的表示方法得中性原子的核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故C对，A、B、D错．8．若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对23592U的原子来说( )A．x＝92 y＝92 z＝235B．x＝92 y＝92 z＝143C．x＝143 y＝143 z＝92D．x＝235 y＝235 z＝325答案 B解析在23592U中，左下标为质子数，左上标为质量数，则y＝92；中性原子的核外电子数等于质子数，所以x＝92；中子数等于质量数减去质子数，z＝235－92＝143，所以B选项正确．9．两个同位素原子核的符号分别是MAX和NBY，那么( )A．M＝N B．A＝BC．M－A＝N－B D．M＋N＝A＋B答案 B解析具有相同质子数、不同中子数的同一元素互称同位素，所以A＝B.10．(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跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子答案CD解析原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的原子核，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；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的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确．题组三综合应用11．茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁．现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)，(1)在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的方法除去α射线？(2)余下的这束β和γ射线经过如图4所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图．(画在图上)图4(3)用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8 000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速)答案(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线．(2)见解析图(3)α射线的圆周运动的半径很大，几乎不偏转，故与γ射线无法分离．解析(1)由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线．(2)如图所示．(3)α粒子和电子在磁场中偏转，据R ＝mv Bq ，对α射线有R α＝m αv αBq α， 对β射线有R e ＝m e v e Bq e ，故R αR e ＝m αv αq e m e v e q α＝400. α射线穿过此磁场时，半径很大，几乎不偏转，故与γ射线无法分离．12．在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线的放射源．从放射源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图5所示，在与放射源距离为H 高处，水平放置两张叠放着的、涂药品面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药品的纸)，经射线照射一段时间后两张印像纸显影．(已知m α＝4 u ，m β＝11 840u ，v α＝c 10，v β＝c )图5(1)上面的印像纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比？(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？答案 (1)两个暗斑 β射线和γ射线 (2)5∶184 (3)10∶1解析 (1)因α粒子穿透本领弱，穿过下层纸的只有β射线和γ射线，β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑．(2)下面印像纸上从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑．设α射线、β射线留下的暗斑到中央γ射线留下暗斑的距离分别为x α、x β.则对α粒子，有x α＝12a αt 2＝12a α·⎝ ⎛⎭⎪⎫H v α2，a α＝q α·E m α 对β粒子，有x β＝a βt 22＝12a β·⎝ ⎛⎭⎪⎫H v β2，a β＝q β·E m β 联立解得x αx β＝5184. (3)若使α射线不偏转，则q αE ＝q αv αB α，所以B α＝E v α，E vβ.故BαBβ＝vβvα＝101.同理，若使β射线不偏转，则Bβ＝。