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2020-2021学年高中物理 第五章 原子核 1 原子核的组成学案 新人教版选择性必修3

2020-2021学年高中物理 第五章 原子核 1 原子核的组成学案 新人教版选择性必修3

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原子核的组成

必备知识·素养奠基
一、天然放射现象
1.1896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,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
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,放射性元素能自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.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,有的也能放出射线。
二、射线到底是什么
【思考】

提示:甲为β射线,乙为γ射线,丙为α射线。
1.α射线:实际上就是氦原子核,速度可达到光速的,其电离能力强,穿透能力较弱,在空气中只能前进几厘米,用一张纸就能把它挡住。
2.β射线:是高速电子流,它速度很大,可达光速的99%,它的电离能力较弱,穿透能力较强,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的铝板。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的电磁波,波长很短,在10-10 m以下,它的电离作用更弱,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.放射线来自原子核,说明原子核内部是有结构的。
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。查德威克通过实验证实了这个猜想。
3.原子核的组成:原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。
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,因而互称同位素。例如,氢有三种同位素氕、氘、氚,符号是HHH。
关键能力·素养形成
一　天然放射现象的三种射线
1.三种射线的比较:

α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流
(高频电磁波)
带电量
2e
-e
0
质量
4mp
mp=1.67×10-27kg

静止质量为零
符号
He
e
γ
速度
0.1c
0.99c
c
在电磁
场中
偏转
与α射线
反向偏转
不偏转
贯穿本领
最弱
用纸能挡住
较强
穿透几毫米
的铝板
最强
穿透几厘米
的铅板
对空气的
电离作用
很强
较弱
很弱
2.三种射线在电场和磁场中的偏转:
(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=at2=·()2∝
所以,在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
=××=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=
得R=∝
所以,在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
=××=。

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的形式存在,还是以某种化合物的形式存在,放射性都不受影响。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此,原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。
【思考·讨论】
如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。

(1)α射线向左偏转,β射线向右偏转,γ射线不偏转说明了什么?
提示:说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一,但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明什么问题?
提示:说明α射线比荷小于β射线的比荷。
【典例示范】
如图为天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线贯穿物体情况的示意图,其中 (　　)

A.①是α射线　　　 B.②是γ射线
C.③是β射线 D.③是α射线
【解析】选A。α射线的穿透能力最弱,一张纸即可把它挡住,但是其电离能力最强,γ射线的穿透能力最强,但是其电离能力最弱。故①是α射线,②是β射线,③是γ射线。A正确,B、C、D错误。
【规律方法】判断三种射线性质的方法
(1)射线的电性:α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。α、β是实物粒子,而γ射线是光子流,它是波长很短的电磁波。
(2)射线的偏转:在电场或磁场中,通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线偏转方向,由于γ射线不带电,故运动轨迹仍为直线。
(3)射线的穿透能力:α粒子穿透能力较弱,β粒子穿透能力较强,γ射线穿透能力最强,而电离作用相反。
【素养训练】
1.α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的,为把辐射强度减到一半,所需铝板的厚度分别为0.000 5 cm、0.05 cm和8 cm。工业部门可以使用射线来测厚度。如图所示,轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关,轧出的钢板越厚,透过的射线越弱。因此,将射线测厚仪接收到的信号输入计算机,就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度需要控制为5 cm,请推测测厚仪使用的射线是 (　　)

A.α射线 B.β射线
C.γ射线 D.可见光
【解析】选C。根据α、β、γ三种射线特点可知,γ射线穿透能力最强,电离能力最弱,α射线电离能力最强,穿透能力最弱,为了能够准确测量钢板的厚度,探测射线应该用γ射线;随着轧出的钢板越厚,透过的射线越弱,而轧出的钢板越薄,透过的射线越强,故A、B、D错误,C正确。
2.如图所示,放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,其中________是α射线,________是β射线,________是γ射线。 

【解析】由放射现象中α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电,结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线,③④是α射线,①⑥是β射线。
答案:③④　①⑥　②⑤
【补偿训练】
1.如图所示,R是一种放射性物质,虚线框内是匀强磁场,LL′是厚纸板,MN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 (　　)

选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α

【解析】选C。R放射出来的射线共有α、β、γ三种,其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用,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。
2.一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔后,铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后,射线变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,如图所示,则图中的射线a为__________射线,射线b为________射线。 

【解析】三种射线α、β、γ中,穿透力最弱的是α射线,所以α射线被铝箔挡住,穿过铝箔的是β射线和γ射线,γ射线在电场中不偏转,故a是γ射线;β射线在电场中受力偏转,故b为β射线。
答案:γ　β
二　原子核的组成
1.原子核的组成:原子核是由质子、中子构成的,质子带正电,中子不带电。不同的原子核内质子和中子的个数并不相同。原子核的直径为10-15～10-14 m。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号X。
(2)数量关系:核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数。质量数(A)=核子数=质子数+中子数。
3.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。
4.同位素:原子核内的质子数决定了核外电子的数目,进而也决定了元素的化学性质,同种元素的质子数相同,核外电子数也相同,所以有相同的化学性质,但它们的中子数可以不同,所以它们的物理性质不同。
【思考·讨论】
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子,如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。

(1)人们用α粒子轰击多种原子核,都打出了质子,说明了什么问题?
提示:质子是原子核的组成部分。
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数,说明了什么问题?
提示:原子核由质子和中子组成,原子核的质量数是其质子数加中子数。
【典例示范】
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Th的原子来说 (　　)
A.x=90　y=90　z=234　　　 B.x=90　y=90　z=144
C.x=144　y=144　z=90 D.x=234　y=234　z=324
【解析】选B。质量数=质子数+中子数,中性原子中:质子数=核外电子数,所以选B项。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是 (　　)
A.氦4核中有4个质子,2个中子
B.氦4核与氦3核不是互为同位素
CBe中的质子数比中子数少6
DSi中的质子数比中子数少2
【解析】选D。氦4核中有2个质子,2个中子,故A错误;氦4核与氦3核是互为同位素,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】选A。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。
【补偿训练】
1.1.放射性元素钴Co可以有效治疗癌症,该元素原子核内中子数与核外电子数之差是 (　　)
A.6　　　　B.27　　　　C.33　　　　D.60
【解析】选A。中子数为60-27=33个,核外电子数等于质子数等于原子序数27,所以中子数33与核外电子数27之差等于6,A正确。
2.某种元素的原子核用X表示,下列说法中正确的是 (　　)
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。根据原子核的符号的含义:A表示质量数,Z表示质子数,则中子数为A-Z,所以B正确。
【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例】(多选)下列关于氕H、氘D、氚T的说法中正确的是 (　　)
A.氕H、氘D、氚T是同位素
B.它们具有相同的核外电子数
C.它们具有相同的核子数
D.它们具有相同的中子数
【解析】选A、B。氕、氘、氚是氢的三种同位素,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,所以A、B选项正确。
【课堂回眸】

课堂检测·素养达标
1.(多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分,下列说法正确的是 (　　)
A.一张厚的黑纸能挡住α射线,但不能挡住β射线和γ射线
B.某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C.三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D.β粒子是电子,但不是原来绕核旋转的核外电子
【解析】选A、C、D。由三种射线的本质和特点可知,α射线穿透本领最弱,一张黑纸都能挡住,而挡不住β射线和γ射线,故A正确;γ射线是一种波长很短的光子,不会使原核变成新核,三种射线中α射线电离作用最强,故C正确;β粒子是电子,来源于原子核,故D正确。
2.英国物理学家卢瑟福在1899年发现,放射性物质放出的射线不是单一的,而是可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线,后来又分出γ射线。对于这三种射线,下列说法正确的是 (　　)
A.β射线来源于核外电子
B.γ射线是波长很短、能量很高的电磁波
C.α射线的穿透能力最强
D.γ射线的电离能力最强
【解析】选B。β射线来源于原子核内部的反应,是中子转变为质子和电子时产生的,故A错误;γ射线是波长很短、能量很高的电磁波,电离能力最弱,穿透能力最强,故B正确,D错误;α射线电离能力最强,穿透能力最弱,故C错误。
3.(多选)关于质子与中子,下列说法正确的是 (　　)
A.原子核(除氢核外)由质子和中子构成
B.质子和中子统称为核子
C.卢瑟福发现了质子,并预言了中子的存在
D.卢瑟福发现了中子,并预言了质子的存在
【解析】选A、B、C。原子核内存在质子和中子,中子和质子统称为核子,卢瑟福只发现了质子,以后又预言了中子的存在。
4.一个Pa原子核内的质子数、中子数、核子数分别为 (　　)
A.91个、91个、234个　　　　 B.143个、91个、234个
C.91个、143个、234个 D.234个、91个、143个
【解析】选C。原子核是由质子和中子组成的,质子和中子统称为核子Pa的原子序数为91,即质子数为91,核子数为234,中子数等于核子数减去质子数,即为234-91=143,故C正确,A、B、D错误。

情境:如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。

问题:(1)请你简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的为铝板,在三种射线中,你认为哪一种射线在厚度控制中起主要作用,为什么?
【解析】(1)放射线具有穿透本领,如果向前运动的铝板的厚度有变化,则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化,这种变化被转化为电信号输入到相应装置,进而自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,使铝板的厚度恢复正常。
(2)β射线起主要作用。因为α射线的穿透本领很小,一张薄纸就能把它挡住; γ射线的穿透本领非常强,能穿透几厘米的铝板,1 mm左右的铝板厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化不大; β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝板,当铝板的厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化较大,探测器可明显地反映出这种变化,使自动化系统作出相应的反应。
答案:见解析