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高中物理 第4章 從原子核到夸克 4.1 原子核結(jié)構(gòu)探秘導(dǎo)學(xué)案 滬科版選修35

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1、 學(xué)案1 原子核結(jié)構(gòu)探秘 [學(xué)習(xí)目標(biāo)定位] 1.知道原子核的組成,會(huì)正確書寫原子核的符號(hào).2.了解質(zhì)子和中子的發(fā)現(xiàn)過程.3.掌握核反應(yīng)方程的特點(diǎn),會(huì)書寫核反應(yīng)方程. 1.原子的中心有一個(gè)原子核,核外有電子,原子核所帶正電的電荷量和核外電子所帶負(fù)電的電荷量相等. 2.原子核直徑的數(shù)量級(jí)為10-15 m,原子直徑的數(shù)量級(jí)為10-10_m. 3.質(zhì)子的發(fā)現(xiàn) 從1917年起,盧瑟福就開始進(jìn)行α射線轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn),并從氮原子核中打出了氫核,這就是質(zhì)子,質(zhì)子是原子核的組成部分. 4.中子的發(fā)現(xiàn) (1)盧瑟福的猜想 1920年,盧瑟福提出:原子核內(nèi)除了質(zhì)子外,還存在一種質(zhì)量

2、與質(zhì)子的質(zhì)量大體相等但不帶電的粒子,并認(rèn)為這種不帶電的中性粒子是由電子進(jìn)入質(zhì)子后形成的. (2)查德威克的發(fā)現(xiàn) 1932年,查德威克對(duì)α粒子轟擊鈹?shù)膶?shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的射線是中性粒子流,質(zhì)量跟質(zhì)子質(zhì)量差不多,查德威克將這種粒子稱為中子.中子也是原子核的組成部分. 5.原子核的組成 (1)原子核是由質(zhì)子和中子組成的,它們統(tǒng)稱為核子. 質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷,質(zhì)量數(shù)等于一個(gè)質(zhì)量單位,中子不帶電,質(zhì)量也等于一個(gè)質(zhì)量單位. (2)原子核的電荷數(shù):等于原子核的質(zhì)子數(shù)即原子的原子序數(shù). (3)原子核的質(zhì)量數(shù):等于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總和. (4)原子核的符號(hào):X其中X為元素符號(hào),A為原子核

3、的質(zhì)量數(shù),Z為原子核的電荷數(shù). 6.同位素 具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子核. 7.核反應(yīng)方程 (1)用原子核的符號(hào)來表示核反應(yīng)前后各原子核變化情況的式子. (2)規(guī)律:核反應(yīng)遵守質(zhì)量守恒定律和電荷守恒定律,即核反應(yīng)方程兩邊的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均是守恒的. 一、原子核的組成 [要點(diǎn)提煉] 1.原子核中的三個(gè)整數(shù) (1)核子數(shù):質(zhì)子和中子質(zhì)量差別非常微小,二者統(tǒng)稱為核子,所以質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和叫核子數(shù). (2)電荷數(shù)(Z):原子核所帶的電荷總是質(zhì)子電荷的整數(shù)倍,通常用這個(gè)整數(shù)表示原子核的電荷量,叫做原子核的電荷數(shù). (3)質(zhì)量數(shù)(A):原子核的質(zhì)量等于核內(nèi)質(zhì)子和中子的質(zhì)量

4、的總和,而質(zhì)子與中子質(zhì)量幾乎相等,所以原子核的質(zhì)量幾乎等于單個(gè)核子質(zhì)量的整數(shù)倍,這個(gè)整數(shù)叫做原子核的質(zhì)量數(shù). 2.原子核中的兩個(gè)等式 (1)核電荷數(shù)(Z)=質(zhì)子數(shù)=元素的原子序數(shù)=核外電子數(shù). (2)質(zhì)量數(shù)(A)=核子數(shù)=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù). 例1 已知鐳的原子序數(shù)是88,原子核質(zhì)量數(shù)是226.試問: (1)鐳核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)分別是多少? (2)鐳核的核電荷數(shù)和所帶電荷量是多少? (3)若鐳原子呈中性,它核外有多少電子? (4)Ra是鐳的一種同位素,讓Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,它們運(yùn)動(dòng)的軌道半徑之比是多少? 解析 (1)鐳核中的質(zhì)子數(shù)等于其原子序數(shù)

5、,故質(zhì)子數(shù)為88,中子數(shù)N等于原子核的質(zhì)量數(shù)A與質(zhì)子數(shù)Z之差,即N=A-Z=226-88=138. (2)鐳核的核電荷數(shù)和所帶電荷量分別是 Z=88,Q=Ze=881.610-19 C=1.4110-17 C. (3)核外電子數(shù)等于核電荷數(shù),故核外電子數(shù)為88. (4)帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),洛倫茲力充當(dāng)向心力,故有qvB=m,r=,兩種同位素具有相同的核電荷數(shù),但質(zhì)量數(shù)不同,故==. 答案 (1)88 138 (2)88 1.4110-17 C (3)88 (4) 針對(duì)訓(xùn)練 除天然元素外,還可以通過合成的方法獲得新的人造元素,如1996年德國的達(dá)姆施特重離子研究所就

6、合成了一種新的人造元素,它是由Zn撞入一個(gè)Pb的原子核,并立即釋放出一個(gè)中子后而合成的,則該新元素的(  ) A.原子序數(shù)為112 B.核子數(shù)為278 C.原子序數(shù)為113 D.中子數(shù)為165 答案 AD 二、核反應(yīng)方程 [要點(diǎn)提煉] 1.原子核人工轉(zhuǎn)變的兩大發(fā)現(xiàn) (1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程: 7N+He→8O+H (2)1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程: Be+He→C+n 2.核反應(yīng)的條件:用α粒子、質(zhì)子、中子甚至用光子去轟擊原子核. 3.核反應(yīng)的實(shí)質(zhì):以基本粒子(α粒子、質(zhì)子、中子等)為“炮彈”去轟擊原子核(靶核X),從而促使原子核發(fā)生變

7、化,生成了新原子核(Y),并放出某一粒子. [延伸思考] 1.核反應(yīng)方程中間能用“=”連接嗎? 答案 不能.核反應(yīng)過程一般都是不可逆的,核反應(yīng)方程不能用“=”連接,只能用單向箭頭,表示反應(yīng)的方向. 2.用基本粒子轟擊任何原子核都能發(fā)生核反應(yīng)嗎? 答案 不是.核反應(yīng)方程應(yīng)以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ),不能憑空杜撰. 例2 完成下列各核反應(yīng)方程,并指出哪個(gè)核反應(yīng)是首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的. (1)B+He→N+(  ); (2)Be+(  )→C+n; (3)Al+(  )→Mg+H; (4)N+He→O+(  ); (5)Na+(  )→Na+H. 答案 (1)B+He→N+n. (2

8、)Be+He→C+n;此核反應(yīng)使查德威克首次發(fā)現(xiàn)了中子. (3)Al+n→Mg+H. (4)N+He→O+H;此核反應(yīng)使盧瑟福首次發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子. (5)Na+H→Na+H. 例3 1993年,中國科學(xué)院上海原子核研究所制得了一種新的鉑元素的同位素78Pt,制取過程如下:(1)用質(zhì)子轟擊鈹靶Be產(chǎn)生快中子;(2)用快中子轟擊汞80Hg,反應(yīng)過程可能有兩種:①生成78Pt,放出氦原子核;②生成78Pt,同時(shí)放出質(zhì)子、中子.寫出上述核反應(yīng)方程. 答案 (1)Be+H→B+n (2)①80Hg+n→78Pt+He ②80Hg+n→78Pt+2H+n 原子核結(jié)構(gòu)探秘 1.α粒

9、子轟擊氮14核后放出一個(gè)質(zhì)子,轉(zhuǎn)變?yōu)檠?7核(O).在這個(gè)氧原子核中有(  ) A.8個(gè)正電子 B.17個(gè)電子 C.9個(gè)中子 D.8個(gè)質(zhì)子 答案 CD 解析 核電荷數(shù)為8,即質(zhì)子數(shù)為8,質(zhì)量數(shù)為17,所以中子數(shù)為17-8=9,答案為C、D. 2.在下列核反應(yīng)方程中,x代表質(zhì)子的方程是(  ) A.Al+He→P+x B.N+He→O+x C.H+γ→n+x D.H+x→He+n 答案 BC 解析 核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒.題中所涉及的四個(gè)核反應(yīng)方程分別是:Al+He→P+n,N+He→O+H,H+γ→n+H,H+H→He+n. 3.人類探測月球發(fā)現(xiàn),在

10、月球的土壤中含有較豐富的質(zhì)量數(shù)為3的氦,它可以作為未來核聚變的重要原料之一,氦的該種同位素應(yīng)表示為(  ) A.He B.He C.He D.He 答案 B 解析 氦是2號(hào)元素,質(zhì)量數(shù)為3的氦的同位素為He. 4.氫有三種同位素,分別是氕H,氘H、氚H,則(  ) A.它們的質(zhì)子數(shù)相等 B.它們的核外電子數(shù)相等 C.它們的核子數(shù)相等 D.它們的中子數(shù)相等 答案 AB 解析 氕、氘、氚的核子數(shù)分別為1、2、3,因?yàn)樗鼈兪峭凰?,所以它們的質(zhì)子數(shù)和核外電子數(shù)相等,都為1,中子數(shù)等于核子數(shù)減去質(zhì)子數(shù),故中子數(shù)各不相等,所以A、B選項(xiàng)正確. [基礎(chǔ)題] 1.下列說法正

11、確的是(  ) A.盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子 B.盧瑟福在原子核人工轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子 C.查德威克在原子核人工轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子 D.愛因斯坦為解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律提出了光子說 答案 CD 2.關(guān)于X,下列說法正確的是(  ) A.它表示一個(gè)原子 B.它表示一個(gè)原子核 C.它表示原子核中有12個(gè)質(zhì)子 D.它表示原子核中有12個(gè)中子 答案 BCD 解析 X表示一個(gè)原子核,說明其電荷數(shù)為12(即12個(gè)質(zhì)子),質(zhì)量數(shù)為24(中子數(shù)為24-12=12),故B、C、D正確. 3.下列關(guān)于He的敘述正確的是(  ) A.He與H互為同位素 B.He原子核

12、內(nèi)中子數(shù)為2 C.He原子核外電子數(shù)為2 D.He代表原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和3個(gè)中子的氦原子 答案 C 解析 He核內(nèi)質(zhì)子數(shù)為2,H核內(nèi)質(zhì)子數(shù)為1,兩者質(zhì)子數(shù)不等,不是同位素,A錯(cuò)誤;He核內(nèi)中子數(shù)為1,B錯(cuò)誤,C正確;He代表原子核內(nèi)有2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子的氦原子,D錯(cuò)誤. 4.鋁箔被α粒子轟擊后發(fā)生了以下核反應(yīng):Al+He→X+n.下列判斷正確的是(  ) A.n是質(zhì)子 B.n是中子 C.X是Si的同位素 D.X是P的同位素 答案 BD 解析 由核反應(yīng)過程中質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒知,X是P,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,選項(xiàng)D正確;n為中子,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確. 5.以下說法正確

13、的是(  ) A.90Th為釷核,由此可知,釷核的質(zhì)量數(shù)為90,釷核的質(zhì)子數(shù)為234 B.Be為鈹核,由此可知,鈹核的質(zhì)量數(shù)為9,鈹核的中子數(shù)為4 C.同一元素的兩種同位素具有相同的質(zhì)量數(shù) D.同一元素的兩種同位素具有不同的中子數(shù) 答案 D 解析 A項(xiàng)釷核的質(zhì)量數(shù)為234,質(zhì)子數(shù)為90,所以A錯(cuò);B項(xiàng)的鈹核的質(zhì)子數(shù)為4,中子數(shù)為5,所以B錯(cuò);由于同位素是指質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同,即質(zhì)量數(shù)不同,因而C錯(cuò),D對(duì). 6.下列核反應(yīng)或核衰變方程中,符號(hào)“X”表示中子的是(  ) A.Be+He→C+X B.N+He→O+X C.Hg+n→Pt+2H+X D.U→Np+X 答案 

14、AC 解析 根據(jù)核反應(yīng)方程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得. 7.下面是四個(gè)核反應(yīng)方程,x表示質(zhì)子的是(  ) A.P→Si+x B.U→Th+x C.Al+n→Mg+x D.Al+He→P+x 答案 C 解析 由質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒,可得C中x的質(zhì)量數(shù)為1,電荷數(shù)為1,所以C中x為質(zhì)子. [能力題] 8.在下列四個(gè)核反應(yīng)方程中,X1、X2、X3和X4各代表某種粒子 ①H+X1→He+n ②N+He→O+X2 ③Be+He→C+X3 ④Mg+He→Al+X4                     下列判斷正確的是(  ) A.X1是質(zhì)子 B.X2是中子 C.X

15、3是電子 D.X4是質(zhì)子 答案 D 解析 根據(jù)核反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒知,X1為H,A錯(cuò);X2為H,B錯(cuò);X3為n,C錯(cuò);X4為H,D對(duì). 9.有些元素的原子核可以從很靠近它的核外電子中“俘獲”一個(gè)電子形成一個(gè)新原子(如從離原子核最近的K層電子中俘獲電子,叫“K俘獲”),當(dāng)發(fā)生這一過程時(shí)(  ) A.新原子是原來原子的同位素 B.新原子核比原來的原子核少一個(gè)質(zhì)子 C.新原子核將帶負(fù)電 D.新原子核比原來的原子核少一個(gè)中子 答案 B 解析 原子核從很靠近它的核外電子中“俘獲”一個(gè)電子,帶負(fù)電的電子與原子核中帶正電的質(zhì)子中和,原子核的電荷數(shù)減少1,中子數(shù)增加1,形成一個(gè)新原子

16、.新原子與原來的原子相比,質(zhì)子數(shù)不同,原子序數(shù)不同,不是同位素,所以正確選項(xiàng)為B. 10.為了說明用α粒子轟擊氮打出質(zhì)子是怎樣的一個(gè)物理過程,布拉凱特在充氮云室中,用α粒子轟擊氮,在他拍攝的兩萬多張照片中,終于從四十多萬條α粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)了8條產(chǎn)生分叉,這一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了(  ) A.α粒子的數(shù)目很少,與氮發(fā)生相互作用的機(jī)會(huì)很少 B.氮?dú)獾拿芏群苄。亮W优c氮接觸的機(jī)會(huì)很少 C.氮核很小,α粒子接近氮核的機(jī)會(huì)很少 D.氮?dú)夂挺亮W拥拿芏榷己苄。率顾鼈兘咏臋C(jī)會(huì)很少 答案 C 解析 氮原子核很小,所以α粒子接近原子核的機(jī)會(huì)很少,所以發(fā)生核反應(yīng)的機(jī)會(huì)很少,即觀察到α粒子徑跡分叉的機(jī)

17、會(huì)少,所以C選項(xiàng)正確. 11.用中子轟擊氧原子核的核反應(yīng)方程為8O+n→N+X,對(duì)式中X、a、b的判斷正確的是(  ) A.X代表中子,a=17,b=1 B.X代表電子,a=17,b=-1 C.X代表正電子,a=17,b=1 D.X代表質(zhì)子,a=17,b=1 答案 C 解析 根據(jù)質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒可知a=17,b=8+0-7=1,因X可表示為 0+1e,為正電子,故C項(xiàng)正確,A、B、D三項(xiàng)均錯(cuò)誤. [探究與拓展題] 12.1930年發(fā)現(xiàn),在真空條件下用α粒子(He)轟擊鈹核(Be)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種看不見的、貫穿能力極強(qiáng)且不帶電的粒子.后來查德威克證實(shí)了這種粒子就是中子. (1

18、)寫出α粒子轟擊鈹核的核反應(yīng)方程. (2)若一個(gè)中子與一個(gè)靜止的碳核發(fā)生正碰,已知中子的質(zhì)量為mn、初速度為v0,與碳核碰后的速率為v1,運(yùn)動(dòng)方向與原來運(yùn)動(dòng)方向相反,碳核質(zhì)量為12mn,求碳核與中子碰撞后的速率. (3)若與中子碰撞后的碳核垂直于磁場方向射入勻強(qiáng)磁場,測得碳核做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R,已知元電荷的電荷量為e,求該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。? 答案 (1)He+Be→6C+n (2) (3) 解析 (1)He+Be→6C+n (2)中子與碳核的碰撞滿足動(dòng)量守恒 則mnv0=-mnv1+12mnv2 得v2= (3)碳核垂直進(jìn)入磁場后,洛倫茲力提供向心力做勻速圓周運(yùn)動(dòng) 則有B6ev2= 解得B= 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375

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