高考第一轮复习第十四讲原子与原子核

克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波1第十四讲原子与原子核一、α粒子散射实验原子的核式结构α粒子散射实验结果：α粒子穿过金箔后，绝大多数沿原方向前进，少数发生较大角度偏转，有的甚至被弹回。核式结构模型：原子中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部的质量都集中在原子核，带负电的电子在核外空间绕核旋转。原子半径大约为10-10m，核半径大约为10-15～10-14m。1.装置及过程：图为α粒子散射实验的示意图，用放射源产生的α射线轰击金箔(金箔的延展性最好)。利用荧光屏和显微镜围绕金箔沿着图中虚线转动在近360°的范围内观察，用来统计向不同方向散射的粒子的数目。全部设备装在真空中，防止α粒子与尘埃的撞击。2.实验现象：如图大部分α粒子在穿过金箔时距离原子核很远受到的斥力很小，它们的运动几乎不受影响；只有少数的α粒子从原子核附近飞过，明显地受到原子核的库仑斥力而发生大角度偏转。按照卢瑟福的核式结构模型、原子内部是十分“空旷”的。二、天然放射现象α射线β射线γ射线半衰期元素自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。放射性物质放出的射线有三种：①α射线是高速α粒子流。α粒子的电荷数是2，质量数是4，实际上就是氦原子核。②β粒子是高速电子流。③γ射线不带电，它是能量很高的电磁波。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期。1.天然放射现象(1)法国科学家贝克勒尔首先发现天然放射现象，揭示了人类研究原子核结构的序幕。(2)原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性。2.三种射线的本质和特性，核的衰变(1)α射线：速度约为101光速的氦核流，贯穿本领最弱，电离作用最强。(2)β射线：高速运动的电子流，速度可达光速99%，贯穿本领较弱，电离作用较强。(3)γ射线：光子，贯穿本领很强，电离作用最弱。克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波2(4)放射性元素的半衰期与物质所处的物理状态及化学状态无关。它是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，仅与原子核的内部因素有关。它描述放射性元素衰变快慢。(5)半衰期计算公式：N′=N0(21)nm′=m0(21)n其中n=vt式中：N′、m′为衰变后剩余的原子数量和质量，N0、m0为衰变前原子数量和质量，n为半衰期个数，t是所用时间。三、.原子核的人工转变原子核的组成放射性同位素及其应用原子核人工转变：用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，即，其中为靶核的符号，x为入射粒子，是新核，Y是放射出粒子的符号。发现质子的方程：(卢瑟福)发现中子的方程：(查德威克)发现正电子的方程：(伊丽芙·居里夫妇)原子核的组成统称为核子。核反应方程遵循两个守恒关系，即核电荷数守恒和质量数守恒有些同位素具有放射性叫做放射性同位素其主要应用是：①利用它的射线作探测或辐射等。②作为示踪原子。1.对于原子核的组成原子核既然是由质子和中子组成的，那为什么还会从原子核里发射出α粒子、β粒子？实际上，发射出来的α粒子和β粒子仍是原子核内的质子和中子结合或转化而成的。α粒子是原子核内的2个质子和2个中子结合在一起发射出来的，β粒子是原子核内的中子转化为质子时产生发射出来的。所以不能因为从原子核中发射出α粒子和β粒子就认为原子核也是由它们组成的。2.关于核反应方程的书写常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型。无论写哪种类型的核反应方程都应注意以下几点：(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒的规律。有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律(例如裂变和聚变方程常含能量项)。(2)核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向。不能把箭头写成等号。(3)在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上，然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数，最后根据未知数(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波31.α衰变：α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)，每发生一次α衰变，新元素与原元素比较，荷电荷数减少2，质量数减少4，即：2.β衰变：β衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子。每发生一次β衰变，新元素与原元素比较，核电荷数增加1，质量数不变。即：3.γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变和β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数。4.确定衰变次数的方法：设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为：根据电荷守恒和质量守恒列方程：A=A′+4nz=z′+2n+(-m)得：四、核能爱因斯坦质能方程1.核能：核子结合成原子核(或原子核分解成核子)时，要放出(吸收)巨大的能量，称为核能。2.质量亏损：组成原子核的各个核子的总质量与原子核的质量之差叫核的质量亏损。3.质能方程(1)爱因斯坦质能方程E=mc2注意：一定质量m总是跟一定能量mc2相对应，m增大，E也增大，m减小，E也减小。(2)核能的计算：先求出质量亏损，再由质能方程ΔE=Δmc2计算出对应放出(或吸收)的能量。4.核力：核子之间的作用力。(1)核力与核子是否带电无关，质子与质子之间，质子与中子之间，中子与中子之间都可以有核力作用。(2)核力是短程力，只在2×10-15m的极短距离内有核力作用，超过这个距离，核力就迅速减小到零，由于质子和中子的半径约为0.8×10-15m，所以每个核子只能跟它的相邻的核子间才有力的作用。(3)核力是很强的力。5.原子核的结合能，克服核力做功，使原子核分解为单个核子时吸收的能量，或若干单个核子在核力的作用下结合成原子核时放出的能量叫做原子核的结合能，简称核能。【难点突破】核能的计算方法：1.根据爱因斯坦的质能亏损，用核子结合成原子核时的质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)，即：ΔE=Δmc2①2.根据1原子质量单位(u)相当于931.5(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV，即：ΔE=Δm×931.5MeV②克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波4注意：①式Δm的单位是千克(kg)，ΔE的单位是焦耳(J)；②式中Δm的单位是指原子质量单位(u)(1u=1.660566×10-27kg)，ΔE的单位是兆电子伏(MeV)。3.由核能的转化量来计算核能。在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能，因而在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒来计算核能。五、重核的裂变链式反应轻核的聚变裂变：重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应。链式反应：铀核裂变时放出几个中子，再引起其他铀核裂变而使裂变反应不断进行。聚变：轻核结合成质量较大的核的反应过程称为聚变，伴随释放大量的核能。1.核反应中有什么样的核反应可以释放出能量？(1)核子的平均质量(原子核的质量除以核子的个数)与原子序数的关系：铁原子核中核子的平均质量最小，原子序数比铁大的核，原子序数越大，核子的平均质量越大；原子序数比铁小的核，原子序数越小，核子的平均质量也越大。(2)如图：如果原子序数较大的重核A分裂成原子序数小一些的核B和C，或者原子序数很小的轻核D、E结合成一个原子序数大一些的F核，都会有质量亏损，都会放出巨大的核能。2.链式反应的临界体积重核俘获一个中子后分裂为两个(或多个)中等质量核的反应过程，重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量的核能，为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积。因为铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素，原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了，能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。3.轻核发生聚变，必须使两个核间的距离十分接近，达到10-15m的近距离由于原子核都是带正电的，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。这就要使原子核具有很大的动能，这就要把它们加热到很高的温度。当物质达到几百万摄氏度以上的高温时，剧烈的热运动使得一部分原子核已经具有足够的动能，可以克服相互间的库仑斥力，在碰撞时发生聚变，因此，聚变反应又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。太阳内部和许多恒星内部，温度高达107K以上，热核反应在那里激烈地进行着。氢弹是利用热核反应制造的一种大规律杀伤武器。六、核反应堆核电站可控核反应核电站利用核能发电，它的核心设施是核反应堆。可控核反应即热核反应，在极高温度下轻核产生的聚变反应。1.核反应堆的组成(1)核燃料：铀棒(2)减速剂：石墨、重水或普通水(有时叫轻水)(3)控制棒：镉(吸收中子的能力很强)(4)防护层：厚厚的水泥外层2.热核反应和裂变反应相比，具有许多优越性(1)热核反应释放的能量，就相同质量的核燃料来讲，比裂变反应大的多。(2)裂变时产生的放射性物质，处理起来比较困难，热核反应在这方面的问题要简单的多。(3)热核反应所用燃料——氘，地球上的储量非常丰富。克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波51、在卢瑟福的α粒子散射实验中，有少数α粒子发生大角度偏转，其原因是（）A．原子中存在着带负电的电子B．正电荷在原子中是均匀分布的C．原子的正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上D．原子只能处于一系列不连续的能量状态中2、关于α、β、γ射线和X射线以下说法正确的是（）A．都是波长极短，频率很高的电磁波B．都是原子内层电子受激辐射的C．都是原子核发生衰变时产生的D．以上说法都不对3、23290Th经过一系列α和β衰变，成为20882Pb，下列说法中正确的是（）A．铅核比钍核少8个质子B．铅核比钍核少16个中子C．共经过4次α衰变和6次β衰变D．共经过6次α衰变和4次β衰变4．下图为卢瑟福和他的同事们做a粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，观察到的现象描述正确的是（）A．在A位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数最多B．在B位置时，相同时间内观察到屏上的闪光次数只比在A位置时稍少些C．在C、D位置时，屏上观察不到闪光D．在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少5．关于原子和原子核，下列说法中正确的是（）A．卢瑟福根据散射的实验结果，提出了原子的核式结构模型B．根据爱因斯坦的质能方程，可求出原子核的结合能C．氕、氘、氚核中具有相同的中子数和不同的核子数，所以是氢的同位素D．氢原子吸收一个光子从低能级跃迁到高能级，氢原子的动能增加了6．太阳能是由于太阳内部高温高压条件下的热核聚变反应形成的，其核反应方程是（）A．1401214HHe+2e→B．1441717281N+HeO+H→C．235113690192054380U+nXe+Sr+10n→D．238234492902UTh+He→7．图中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（）A．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射线克拉玛依高级中学物理高考复习讲义交变电流电磁场与电磁波6D．b为α射线、c为γ射线8．目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性情性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是（）A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就一定剩下一个原子核了B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子衰变成质子所产生的C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线