2011高中物理自主提升专题堂原子核

1进入虚拟课堂高三物理同步辅导教材（第5讲）一、本讲内容：原子核本章知识结构二、重点难点简析1．α粒子散射实验及其解释（1）α粒子散射现象①绝大多数的α粒子几乎不发生偏转；②少数α粒子则发生了较大的偏转；③极少数α粒子发生了大角度偏转（偏转角度超过900，有的甚至达到1800）。（2）α粒子散射现象的简单解释首先，由于质量的悬殊便可判定：α粒子的偏转不会是因为电子的影响，而只能是因为原子中除电子外的带正电的物质的作用而引起的；其次，原子中除电子外的带正电的物质不应是均匀分布的（否则对所有的α粒子来说散射情况应该是一样的），而“绝大多数”、“少数”和“极少数”α粒子的行为的差异，充分地说明这部分带正电的物质只能高度地集中在一个很小的区域内；另外，从这三部分行为不同的α粒子数量的差别的统计，不难理解卢瑟福为什么能估算出这个小区域的直径：10—15m。2．卢瑟福的“原子核式结构”（1）实验基础原子的核式结构以α粒子散射现象作为坚实的实验基础。（2）核式结构①原子的中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量均集中在核内；②带负电的电子在核外绕核旋转。（3）关于核式结构讨论应该指出的是：“原子有一个正电荷和质量高度集中的核”，这是以α粒子散射现象为坚实的实验基础的，而“带负电的电子绕核旋转”则只是卢瑟福的一种无可奈何的安排——电子如不绕核旋转把库仑力充作向心力，很难设想带正电的核为什么不会把带负电的电子吸过去而保持着原子的相对稳定性。卢瑟福的这种安排，实际上也正是他的经典的物质观念的一种反映。轻核的聚变重核的裂变核的人工转变核的天然衰变α粒子散射实验原子的核式结构原子核质量亏损热核反应质能关系三种射线核能核组成天然放射现象质子与中子的发现链式反应同位素半衰期衰变规律23．天然放射现象中的三种射线射线α射线β射线γ射线物质微粒氦核42He电子01e光子带电情况带正电（2e）带负电（－e）不带电速度约为101C接近CC贯穿本领小（空气中飞行几厘米）中（穿透几毫米铝板）大（穿透几厘米铅板）电离作用强次弱4．天然衰变中核变化规律在核的天然衰变中，核变化的最基本的规律是质量数守恒和电荷数守恒。（1）α衰变随着α衰变，新核在元素周期表中位置向前移2倍MZX－→42MZY+42He（2）β衰变随着β衰变，新核在元素周期表中位置向后移1倍MZX－→MZ1Y=01e（3）衰变随着衰变，变化的不是核的种类，而是核的能量状态。但一般情况下，衰变总是伴随着α衰变或β衰变进行的。5．关于半衰期（1）定义放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。（2）意义反映了核的衰变过程进行的快慢程度。（3）特征只由核本身的因素所决定，而与原子所处的物理状态和化学状态无关。（4）两种典型的错误认识第一，N0个某种放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变了一半，再经过一个半衰期T，全部衰变完了；第二，8个某种放射性元素的核，经过一个半衰期T，衰变了4个，再经过一个半衰期T，又衰变了2个。事实上，N0（大量）个某种放射性元素的核，经过时间t后剩下的这种核的人数为N=N0Tt/)21(而对于少量的核，无法确定其衰变所需的时间。6．核的人工转变，核组成，核能，裂变与聚变（1）核的人工转变①意义发现新粒子，搞清核结构；②几种著名的核转变意义方程首次完成者发现质子147N+42He→178O+11H卢瑟福发现中子94Be+42He→126C+n10发现正电子2713Al+42He→3015P+n10Si3014+01e（2）核组成①核=质子+中子（质子、中子统称核子）②质子数=原子序数=核电荷数中子数=质量数－原子序数③同位素质子数相同而中子数不同的核互称同位素；很多核的同位素具有放射性；放射性同位素通常应用其射线或用作示踪原子。（3）核能及相关问题①核力核子能集中于10—14米范围内而不致因质子间库仑力的作用而散开，充分证明核子间存在着核力；核力具备“短距”作用的特征。②核能由于核力的存在，因此在拆散核的过程中需克服核力做功，由此判断具有能——核能（结合能）。③质能关系爱因斯坦质能方程E=mc23④质量亏损从质能关系出发帮助计算核变化过程中核能的转移（化）而引入的物理量，与核反应中释放的核能关系为△E=△mc2在特定的单位制下，有1u=931.5MeV。（4）核裂变与核聚变重核的裂变与轻核的聚变都是获取大量核能的有效途径。三、典型例题分析例1．下列关于天然放射线的各种说法中正确的是（）A．在电场中射线不发生偏转，则必为r射线；B．在磁场中射线方向不发生偏转，则必为γ射线；C．电离作用最强的是α射线；D．贯穿本领最强的是γ射线.分析：要求熟悉三种天然射线的各种特性，并对粒子流在电、磁场中运动时的受力情况有所了解。解：即使是带正电的α粒子和带负电的β粒子，在电、磁场中运动时也可能只受到与运动方向平行的力或者不受力（运动方向与电场方向，磁场方向平行）而不发生偏转，故选项A、B均匀不对；三种射线中电离本领最强的是α射线，贯穿本领最强的是γ射线，故选项C、D均正确。应选C、D。例2．有甲、乙两种放射性元素，其半衰期分别为10d和20d，若经40d后两种元素剩余质量相同，则原来两种元素的质量之比为多少？分析：明确半衰期的物理意义不难得到N=N0Tt/)21(或m=m0Tt/)21(由此即可求解。解：由半衰期公式可知m1=m10=10/40)21(=161m10m2=m20=20/40)21(=41m20由题设条件又有m1=m2于是可得m10：m20=4：1例3．23892u核经过________次α衰变和_________次β衰变将变为20682Pb核。分析：注意到核衰变时所遵从的“质量数守恒”和“电荷数守恒”的规律即可简单求解。解：设共经历了x次α衰变和y次β衰变，同时注意到每经历一次α衰变质量数将减少4，电荷数将减少了2；而每经历一次β衰变只会使电荷数增加1而不会改变质量数，于是由238=206+4x82=92－2x+y使可解得x=8y=6例4．为测定某水库的存水量，将一瓶放射性性同位素溶液倒入水库中，已知这杯溶液每分钟衰变8×107次，其半衰期为2d，10d后从水库中取1m3的水样，测得其中的放射性同位素每分钟衰变10次，则该水库存水量为多少？分析：注意到同一种放射性元素在单位时间内发生衰变的次数与其质量成正比。解：设倒入水库中的放射性同位素原有质量为m0，经过10d后剩下的质量为m，且充分均匀地混合于水中，则在存水量为Qm3的水库中所取得的1m3水样中含有的该放射性同位素的质量为△m，4于是有m=m02/10)21(△m=Qm△m：m0=10：8×107由此可解得Q=2.5×105m3例5．两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量为2.0136u，氦核质量为3.0150u，中子质量为1.0087u，则（1）写出核反应方程；（2）算出释放核能；（3）若反应前两个氘核的功能均为0.355MeV，反应时发生的是正对撞，设反应后释放的核能全部转化为动能，则反应后氦核与中子的动能各为多大？分析：核反应中释放的能量可由爱因斯坦方程先计算出质量亏损后进而求得。解：（1）核反应方程为21H+21H→32He+10n（2）质量亏损为△m=2×2.0136―1.0087―3.0150=0.0035（u）而对应于1u的质量亏损，释放的核能为931.5MeV，于是上述核反应中释放的能量为△E=0.0035×931.5MeV=3.26MeV（3）设氘核21H，氦核32He，中子10n的质量数分别为m、m1、m2，于是有mσ－mσ=m1σ1－m2σ221mσ2=Ek=0.35MeV21m1σ21=1kE21m2σ22=2kE2Ek+△E=1kE+2kE由此解得1kE=2.97MeV2kE=0.99MeV单元检测一、选择题（每题4分，共56分）1．对于α粒子散射实验的装置的下列叙述，正确的是：（）A．实验器材包括放射源、金箔、荧光屏、显微镜；B．金箔厚度对实验无影响；5C．如改用其它的金属箔，将不会发生散射现象；D．实验装置可以放在空气中，也可以放在真空中。2．关于原子的核式结构，下列说法中错误的是：（）A．原子中绝大部分是空的，原子核很小；B．电子的原子核外绕核高速旋转，向心力是由库仑力提供；C．原子的几乎全部质量都集中在原子核上；D．原子核的半径数量级为10—10米。3．若放射性元素A、B的半衰期分别是4天和5天，则相同质量的A、B两种元素经20天后剩下的质量之比为：（）A．30：31B．31：30C．1：2D．2：14．氢核、中子、氘核质量分别为m1、m2和m3，那么氢核和中子结合为氘核时放出的能量为：（）A．m3c2；B．(m1+m2)c2；C．(m3―m1―m2)c2D．(m1+m2－m3)c25．下列哪些过程可以使原子核变为新的元素的核：（）A．原子核吸收一个中子；B．原子核放出一个α粒子；C．原子核放出一个β粒子；D．原子核吸收一个光子。6．如图5—1所示，由天然放射性元素钋（Po）放出射线X1，轰出铍（94Be）时会产生粒子流X2，用粒子流X2轰击石蜡时又会打出粒子流X3，经研究：（）图5—1A．X1是α粒子，X2是中子；B．X2是中子，X3是质子；C．X3是质子，X1是中子；D．X1是中子，X2是α粒子。7．原子中核外电子从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道上时：（）A．核外电子受力变小；B．原子的能量增大；C．核外电子的动能变大；D．原子的电势能变小。8．当α粒子穿过金箔发生大角度偏转的过程中，下列说法错误的是：（）A．α粒子一直受到金原子核的库仑引力作用；B．α粒子一直受到金原子核的库仑斥力作用；C．α粒子先受金原子核的库仑引力，后受库仑斥力；D．α粒子先受金原子核的库仑斥力，后受库仑引力。9．23290Th核经过一系列的α衰变和β衰变成为20882Pb，则（）A．Pb核比Th核少8个质子；B．Pb核比Th核少16个中子；C．共经历4次α衰变和6次β衰变；D．共经历6次α衰变和4次β衰变。10．放射性元素的半衰期：（）A．是原子核全部衰变所需时间的一半；B．是原子核质量减少一半所需的时间；C．是原子核有半数发生衰变所需的时间；D．与外界压强、湿度有关，与原子的化学状态无关。11．我们说氢、氘、氚互为同位素，这是因为它们具有相同的：（）A．质量数；B．质子数；C．中子数；D．核子数。12．中子比质子更容易击中原子核，其原因是由于中子：（）A．体积小；B．速度大；C．能量大；D．不带电。13．下列有关科学家和所涉及到的物理史实中，正确的说法是：（）A．居里夫妇用α粒子轰击铝箔时发现了正电子；铍O1x钋2x3x石蜡6B．卢瑟福的原子结构学说成功地解释了氢原子的发光现象；C．麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹用实验方法证实了电磁波的存在；D．玻尔建立了量子理论，解释了各种原子的发光现象。14．如图5—2所示，x为未知的放射源，先将磁铁移去，计数器所得的计数率保持不变，再将薄铝片L移去，计数器的计数率大幅度上升，则x中放射出的射线有：（）A．α射线；B．β射线；C．射线；D．无法判断。二、填充题（每题4分，共24分）15．放射性同位素的应用主要分两类：_____________和____________。16．如图5—3所示的是α粒子轰击图5—2147N核生成178O核和_____的径迹照片，其中a为α粒子的入射径迹，则b为________径迹，c为_______径迹。17．完成下列核反应方程21H+→（）+10n2311Na+（）→2411Na+11H图5—318．两种放射性元素的原子核acA和bdB，其半衰期分别T和2T，若经过2T后两种元素的核的质量相等，则开始时两种核的个数之比为________；若经过2T后两种核的个数相等，则开始时两种核的质量之比为________。19．如图5—4所示的匀强磁场中的A点，有一个静止的放射性元素的原子核，当它发生了________衰变时，射出的粒子及产生的新核轨道径迹如图中的两个圆，由此可以确定衰变时