第十九章量子物理指导教学案

第十九章原子核史献计一．本章所体现的科学方法教育1．突出科学探究过程中的“猜想”环节的教育：对于微观世界，看不见摸不着，需要丰富的想象、足够的理性观测。例如，卢瑟福猜想原子核内可能还存在着另外一种粒子（中子）；核物理学家对核的猜想等。2．强调统计概念思想在微观世界探索中作用：在微观世界中，单个的微观事件是不可观测的，而量子理论对大量原子核的行为可以做出统计预测，如“半衰期”就是描述这种统计规律的一个概念。量子统计既考虑到粒子运动状态有不连续性，又考虑到同类微观粒子“全同性”（可用波函数描述）的统计规律。3．重视物理实验方法的教育：微观世界中的规律虽然具有统计规律性，但许多猜想假设仍然需要运用实验的方法进行实证，例如卢瑟福α散射实验、查德威克发现中子的实验、天然现象的发现历程中的一系列实验、哈恩裂变实验、费米核反应堆等实验都需要从原理上、实验过程、实验方法以及实验现象分析与实验数据的运用等角度来进行教育，虽然这些实验中学做不出来，但可以设计一些替代实验或动画演等，主要从原理、方法、现象分析等角度进行教学从而达到教育目标。3．渗透文献研究与调查研究的科学思想方法：课程标准内容要求出给的4个示例中有两项通过调查研究的方法进行的，两项是通过文献研究的方法进行的（当然这里讲的是主体方法，有时需要多种方法交叉运用）。课标活动建议中也都是采用的这种两方法进行的，所以，我们认为在教学过程中，要通过一些教学设计让学生体验调查研究与文献研究的方法（有些学生以为文献研究就是抄录文献资料，当然也包括一些教师也存在着这种思想观念）。二．课时分配建议单元划分章节内容课时第一单元原子核的组成1放射性元素的衰变1探测射线的方法1放射性的应用与保护1第二单元核力与结合能1重核的裂变1核聚变1第三单元粒子和宇宙1单元复习与检测2三．章节教学分析与设计要点1．原子核的组成（1）课标要求了解天然放射现象，知道从研究天然放射现象入手，揭示原子核内部的秘密。知道三种射线的特性，掌握通过电、磁偏转方面的知识判断三种射线的方法。知道原子核的组成、表示方法及同位素的概念。（2）教学过程中要让学生认清的几个问题a．有什么事实和理由可以说明放射性元素放出的射线来自原子核的内部？天然放射现象的发现对物质微观结构的研究有什么意义？b．当我们发现了质子，并在很多原子核中打出了质子以后，有什么理由可以认定原子核中一定还存在着另外不同种类的粒子？c．如何检测三种射线？三种射线有什么特性？d．原子核的组成以及同位素研究的意义。（3）重点难点扫描a．认识放射现象：原子序数大于83的所有天然存在的元素的原子核都不稳定，能自发地变为别种元素的原子核，同时放出射线。天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构。b．三种射线：项目α射线β射线γ射线本质高速氦核流高速电子流（高频）光子带电情况2个单位正电荷1个单位负电荷不带电质量4u（1/1840）u≈0放射速度0.1c0.99cc贯穿本领最弱：纸能档住较强：mm级铝板最强：cm级铅板电离本领最强较弱最弱感光作用感光感光感光产生机理核内两个中子和两个质子结合得比较紧密，有时会作用为一个整体从较大的原子核放射出来。核中的中子可以转化为一个质子和一个电子，产生电子从发射出来，形成β射线。原子核能量不连续，放射性原子核在发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于能级，当它向低能级跃迁时，辐射出γ射线是否是电磁波否否是原子核符号42He01ehνc．研究射线的方法：磁场偏转、电偏转。三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。⑶图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方。d．原子核组成：核子：质子和中子的统称。质量数（核内核子数）=质子数+中子数。e．同位素：①同一种元素的原子，核内质子数相同，核外电子数也相同，具有相同的化学性质。②核内质子数相同，核内中子数不同的原子。（4）典型例题例1α射线、β射线、γ射线、x射线、红外线，关于这5种射线的分类有如下一些说法，其中正确的是（ABC）A．前两种不是电磁波，后三种是电磁波B．前三种传播速度较真空中的光速小，后两种与光速相同C．前三种是原子核发生核反应时放出的，后两种是核外电子发生跃迁时放出的D．前两种是由实物粒子组成的，不具有波粒二象性，后三种是光子组成的，具有波粒二象性例2以下说法中正确的是（C）A．β射线粒子和电子是两种不同的粒子B．红外线的波长比X射线的波长长C．α粒子不同于氦原子核D．γ射线的贯穿本领比β粒子强例3有关同位素，下列说法中正确的是（ABC）A．同位素具有相同的化学性质B．同位素具有相同的核子数C．同位素具有相同的质子数D．同位素具有相同的中子数例4α射线中，α粒子的速度约为光速0.1倍，α粒子的质量为β粒子质量的7.3×103倍，如图所示，在有窄孔的铅盒底上，放有能放出α、β、γ三种射线的放射性元素，放出的三种射线都打在窄孔对面屏上的A点，要使三种射线分开，分别打在屏上的A、B、C三点（B到A的距离大于C到A的距离)，可在铅盒和屏之间加上（BC）A．垂直于纸面向里的匀强磁场B．垂直于纸面向外的匀强磁场C．水平向右的匀强电场D．水平向左的匀强电场2．放射性元素衰变（1）（2）（3）γααββγ（1）课标要求知道天然放射现象的原因是核的衰变；知道α衰变、β衰变及其衰变规律，会正确书写衰变方程式；了解半衰其的概念，理解半衰落其的意义并理解其统计含义。（2）重点难点扫描a．衰变规律：生成新核、过程质量数与电荷数守恒、伴随着能量的迁移。类型衰变方程规律α衰变新核电荷数减少质量数减少24β衰变新核电荷数增加质量数不变1射线是伴随α、β衰变放射出来的高频光子流。b．半衰期：半衰期是描述元素衰变快慢的物理量。放射性元素的原子核的半数发生衰变所需要的时间，称该元素的半衰期。研究表明，任何放射性元素，其原子核有半数发生衰变的时间是不变的。放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件都没有关系。不同元素的半衰期不同，半衰期只对大量原子核才有意义，衰变规律是统计规律。c．半衰的定量分析：Nt=N0t)21(、mt=m0t)21(（3）典型例题例1由原子核的衰变规律可知（C）A．放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线B．放射性元素发生β衰变时，新核的化学性质不变C．放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制D．放射性元素发生正电子衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1例2Th23290(钍)经过一系列α和β衰变，衰变为Pb20882(铅)，下列说法正确的是（ABD）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衰变例3为什么说半衰期短，放射性废料就容易处理?（半衰期短的放射性物质衰变得快，衰变结束所需的时间就短，所谓废料处理就是要求衰变结束前废料不能对人和环境造成污染，常用封闭、深埋的方法，故半衰期短，废料处理就容易。）例4A元素的半衰期是4天，B元素的半衰期是5天，相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA：mB=_____________。（1：2）例5碳14具有放射性，其半衰期τ=5686年，空气中碳12跟碳14的存在量之比约为10：1.2，活着的生物体中碳的这两种同位素之比与空气中相同，生物死亡后，不再吸收碳，碳14以τ=5686年的半衰期减少，因此测得生物遗骸中的碳12与碳14存量之比，再与空气中比较，可估算出生物死亡年代，现测得一古代遗骸中的碳14与碳12存量之比为空气中的三分之二，试计算古代遗骸距今的时间。（3326年）3．探测射线的方法（1）课标要求知道放射线的粒子与其他物质作用时会产生一些现象；知道用肉眼不能直接看到放射线可以用适当的仪器进行观察；了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。（2）重点难点扫描a．放射线的粒子与其他物质作用时产生的主要现象：①粒子使气体或液体电离，以这些离子为核心，过饱和气会产生云雾，过热液体会产生气泡；②使照相底片感光；③使荧光物质产生荧光。b．探测射线的常用仪器：云室、气泡室、计数器。云室原理：利用气体的中的离子作用为形成蒸气的凝结中心。当快速粒子穿过含有过饱和汽的气体空间时，在它的路径上产生许多离子，许多蒸气分子凝结在这些离子上，形成许多小液滴，这样，在粒子所飞过的路线上形成一条狭窄的雾带状痕迹，即粒子径迹。用很强的光从侧面照射，能够观察到这种痕迹，也可以利用照相机把它拍下来，从而探测到射线的存在并分析其行为。气泡室原理与云室相同似，不同的气泡室内装的液体，当射线通过过热的液体时，在射线粒子周围形成气泡。G—M（盖革—米勒）计数器原理：当某种射线进入盖革管内时，它使管内的气体电离，产生的电子在电场中被加速，能量越来越大，电子跟管中的气体分子碰撞时，又使气体分子电离产生电子，这样一个射线粒子进入管中时，可以产生大量电子。这些电子到达阳极，阳离子到达阴极，在外电路中产生一次脉冲放电，利用电子仪器可以把放电次数记录下来。G—M计数器特点：①放大倍数大，非常灵敏；②只能用于计数，不能区分射线的种类；③不适合于极快速的粒子计数；④对于两个粒子射来的时间间隔小于200μs时，计数器不能将其区分开来。c．利用传感器探测：教材中“做一做”用传感器测量放射性可以作为研究性学习课题让学生进行设计与研究。（3）典型例题例1如图所示，x为未知放射源，若将磁铁移开后，计数器所得的计数率保持不变，其后将薄铝片L移开，计数率大幅上升，则x为（D）A．纯β放射源B．纯γ放射源C．α、β混合放射源D．α、γ混合放射源放射源探测接收器MN计数器xNSL例2如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的____________射线对控制厚度起主要作用。当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调节得____________些。（β三种射线、大）4．放射性的应用与防护（1）课标要求知道什么是原子核的人工转变，什么是核反应，如何用核反应方程表示板反应；知道什么是放射性同位素及人造和天然放射性物质的主要不点；了解放射性在生产和科研领域的应用；知道放射性污染及其对人类和自然产生的严重危害，了解防护措施。（2）重点难点扫描a．核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程称之为核反应，核反应过程中满足质量数、电荷数守恒，另外能量与动量也是守恒。b．人工放射性同位素与天然放射性同位素：天然放射性同位素约四十多种，可以自发地发生射线。人工放射性同位素是指通过其他粒子轰击原子核，产生的新核具有放射性，目前人工制造的放射性同位素达1000多种，一般来计，人们在用到射线时，用的都是人造放射性同位素，而不是天然放射性物质。c．核反应方程式有书写：d．放射性的应用：对于放射性同位素放射线的应用应当重点介绍：①利用放出的γ射线检查金属部件是否存在裂痕等，用γ射线探伤。②利用射线的穿透本领与物质厚度和密度的关系来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。③利用射线使空气电离把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电等。放射性的应用射线应用探伤仪消除有害静电培育新种消灭害虫保存食物治疗恶性肿瘤示踪原子农作物检测诊断器质性和功能性疾病生物大分子结构及功能研究④利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌治病等。e．放射性污染和防护：对生物体的危害主要表现在穿透力、基因突变；对环境的危害表现在废料污染、对生物体组织的破坏、对空气、水源的污染等方面。防护措施：封存、深埋等。（3）典型例题例1下列关于放射线的说法中不正确的是（D）A．放射线可以用来进行工业探伤B．放射线可以使细胞发生变异C．放射同位素