2017-2018学年高中物理第三章原子核第4节原子核的结合能教学案教科版选修3_5

第1节原子核结构[目标定位] 1.了解质子和中子的发现过程.2.知道原子核的组成，理解核子、同位素的概念.3.了解核反应的概念，会书写核反应方程．一、质子和中子的发现1．质子的发现2．中子的发现二、原子核的组成1．组成：原子核由质子和中子组成，它们统称为核子．2．原子核的符号：A Z X，其中X为元素符号，A表示原子核的质量数，Z表示核电荷数．3．基本关系：核电荷数＝质子数＝原子序数；质量数＝质子数＋中子数＝核子数．4．同位素：具有相同的质子数、不同中子数的原子互称同位素．5．核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．6．核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子．例如：42He＋14 7N→17 8O＋11H.7．核反应中质量数守恒，电荷数守恒．一、质子的发现图11．1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验．实验装置如图1所示：T进气孔、A放射源、F铝箔、S荧光屏、M显微镜、C真空容器．2．实验过程：容器C里放有放射性物质A，从A放射出的α粒子射到铝箔F上，适当选取铝箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透过．在F的后面放一荧光屏S，M是显微镜，通过M可以观察到S是否有闪光．3．实验现象：开始，S上无闪光(因为α粒子没有穿过铝箔)．打开进气孔T的阀门，通入氮气，可以观察到S上有闪光．4．实验分析：容器C中通入氮气后，用显微镜观察到荧光屏上有闪光，闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的．5．新粒子性质研究(1)把这种粒子引进电磁场中，根据它在电磁场中的偏转，测出了它的质量和电荷量，进而确定它就是氢原子核，又叫质子．用符号表示为11H或p.(2)人们用同样的办法从其他元素的原子核中也轰击出了质子．6．实验结论：质子是原子核的组成部分．图2【例1】1919年卢瑟福通过如图2所示的实验装置，第一次完成了原子核的人工转变，并由此发现了质子．图中A为放射源发出的________粒子，B为________气．写出该实验的核反应方程：___________.答案α氮42He＋14 7N→17 8O＋11H解析题图为α粒子轰击氮原子核生成质子的实验装置，放射源A发出的是α粒子，B为氮气，其核反应方程为：42He＋14 7N→17 8O＋11H.二、中子的发现1．科学家在1930年利用Po放出的α射线轰击铍原子核时，产生了一种看不见的贯穿能力很强、不受电场和磁场影响的射线．2．1932年，约里奥·居里夫妇发现如果用来自铍的射线去轰击石蜡，能从石蜡中打出质子，如图3所示．图33．1932年，查德威克进一步研究这种射线时发现，这种射线是一种不带电的、质量接近质子的粒子流，即是卢瑟福猜想的中子．4．结论：中子是原子核的组成部分．【例2】如图4所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a，用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b，下列说法正确的是( )图4A．a为质子，b为中子B．a为γ射线，b为中子C．a为中子，b为γ射线D．a为中子，b为质子答案 D解析不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见粒子应该是中子，故D正确．三、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：A Z X.(2)基本关系：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．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．把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素．4．核反应、核反应方程(1)核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．(2)核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子．卢瑟福发现质子的核反应方程为42He＋14 7N→17 8O＋11H(3)核反应的规律：在核反应中，质量数和电荷数守恒．【例3】已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：(1)镭核中有几个质子？几个中子？(2)镭核所带电荷量是多少？(3)若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？(4)228 88Ra 是镭的一种同位素，让226 88Ra 和22888Ra 以相同速度垂直射入磁感应强度为B 的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径之比是多少？ 答案 (1)88 138 (2)1.41×10－17C (3)88(4)113∶114解析 因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的，原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和．由此可得：(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N 等于原子核的质量数A 与质子数Z 之差，即N ＝A －Z ＝226－88＝138.(2)镭核所带电荷量Q ＝Ze ＝88×1.6×10－19C≈1.41×10－17C.(3)镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，故核外电子数为88.(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供，故有Bqv ＝m v 2r，两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故r 226r 228＝226228＝113114. 借题发挥 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，叫做原子核的电荷数．(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，这个倍数叫做原子核的质量数． 针对训练 据报道，俄科学家成功合成了具有极强放射性的117号新元素，该元素目前尚未被命名，是在实验室人工创造的最新的超重元素．新元素有两种同位素，其中一种有176个中子，而另一种有177个中子，则：(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少？原子的核外电子数各为多少？ (2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少？(3)若用X 表示117号元素的元素符号，该元素的两种同位素用原子核符号如何表示？ 答案 (1)均为117 均为117 (2)293 294 (3)293117X294117X解析 (1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数，等于核内质子数．故117号元素的核电荷数和核内质子数均为117，原子呈中性，故核外电子数等于核内质子数，也为117. (2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和，故该元素中子数为176的原子核的质量数为117＋176＝293，中子数为177的原子核的质量数为117＋177＝294.(3)元素符号一般用A Z X表示，其中A表示质量数，Z表示核电荷数，由前两问可得该元素的两种同位素的原子核符号，中子数为176的原子核的符号为293117X，中子数为177的原子核的符号为294117X.【例4】完成下列核反应方程，并指出其中______________是发现质子的核反应方程，______________是发现中子的核反应方程．(1)14 7N＋10n―→14 6C＋________(2)14 7N＋42He―→17 8O＋________(3)10 5B＋10n―→________＋42He(4)94Be＋42He―→________＋10n(5)5626Fe＋21H―→5727Co＋________答案见解析解析(1)14 7N＋10n―→14 6C＋11H(2)14 7N＋42He―→17 8O＋11H(3)10 5B＋10n―→73Li＋42He(4)94Be＋42He―→12 6C＋10n(5)5626Fe＋21H―→5727Co＋10n其中发现质子的核反应方程是(2)．发现中子的核反应方程是(4)．质子与中子的发现1．(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答案ABC解析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．原子核的组成、核反应方程2．(多选)氢有三种同位素，分别是氕(11H)、氘(21H)、氚(31H)，则( )A．它们的质子数相等B．若为中性原子，它们的核外电子数相等C．它们的核子数相等D．它们的化学性质相同答案ABD解析氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和中性原子核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B两项正确；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．3．(多选)铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：2713Al＋42He→X＋10n.下列判断正确的是( )A.10n是质子B.10n是中子C．X是2814Si的同位素D．X是3115P的同位素答案BD解析由核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒知，X是3015P，故选项C错误，选项D正确；10n是中子，故选项A错误，选项B正确．4．以下是物理学史上3个著名的核反应方程x＋73Li―→2y y＋14 7N―→x＋17 8Oy＋94Be―→z＋12 6Cx、y和z是3种不同的粒子，其中z是( )A．α粒子 B．质子 C．中子 D．电子答案 C解析把前两个方程化简，消去x，即14 7N＋73Li＝y＋17 8O，可见y是42He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子10n.因此选项C正确．(时间：60分钟)题组一对质子、中子的理解1．(多选)关于原子核结构，下列说法正确的是( )A．原子是构成物质的基本单位B．原子核集中了原子的全部正电荷C．所有原子核中都有质子和中子D．原子核的电荷数就等于原子核外的电子数答案BD解析原子不是构成物质的基本单位，原子还可以再分为电子和原子核，A项错误；原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量，原子核的电荷数就等于原子核外的电子数，故B、D项正确；氢原子核中只有质子，故C项错误．2．在垂直于纸面向外的匀强磁场中，从A 处垂直于磁场飞出一批速度相同的中子、质子、电子、α粒子的粒子流，形成如图1所示的径迹，则中子的径迹是________，质子的径迹是________，电子的径迹是________，α粒子的径迹是________．图1答案 ② ③ ① ④解析 中子不带电，在磁场中不偏转，中子的径迹是②；电子带负电，在磁场中由左手定则可判断①为电子的径迹；质子、α粒子带正电，则粒子流向右偏转，再由qvB ＝mv 2R 得R ＝mvqB＝v B ·mq ，比较m q得③为质子的径迹，④为α粒子的径迹． 题组二 对原子核组成及同位素的理解 3．同位素是指( )A ．质子数相同而核子数不同的原子B ．核子数相同而中子数不同的原子C ．核子数相同而质子数不同的原子D ．中子数相同而核子数不同的原子 答案 A解析 原子序数相同(即核电荷数、质子数相同)而质量数不同(即核子数不同)的元素互为同位素，故A 对．4．人类探测月球时发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可作为未来核聚变的重要原料之一，氦的该种同位素应表示为( ) A.43He B.32He C.42He D.33He 答案 B解析 氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故应表示为32He ，因此B 正确． 5．两个同位素原子核符号分别为M A X 和NB Y ，则下列正确的是( ) A ．M ＝N B ．A ＝BC ．M －A ＝N －BD ．M －N ＝A －B答案 B解析 同位素原子核具有相同的质子数，不同的中子数，因而质量数也不相同，故选B. 6．(多选)一个原子核为21083Bi ，关于这个原子核，下列说法中正确的是( ) A ．核外有83个电子，核内有127个质子 B ．核外有83个电子，核内有83个质子C．核内有83个质子，127个中子D．核内有210个核子答案CD解析根据原子核的表示方法得质子数为83，质量数为210，故中子数为210－83＝127个，而质子和中子统称核子，故核子数为210个，因此C、D正确；由于不知道原子的电性，就不能判断核外电子数，故A、B不正确．7．据最新报道，放射性同位素钬166 67Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )A．32 B．67 C．99 D．166答案 A解析由题知该同位素原子核内核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与中性原子核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错．8．(多选)以下说法中正确的是( )A．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电B．原子核中的中子数一定跟核外电子数相等C．用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分D．绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子答案CD解析原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确．9．(多选)法国里昂的科学家发现一种只由四个中子构成的粒子，这种粒子称为“四中子”，也有人称之为“零号元素”．下列有关“四中子”粒子的说法正确的是( )A．该粒子不显电性B．在周期表中与氢元素占同一位置C．该粒子质量比氢原子小D．该粒子质量数为4答案AD解析由题目中信息可得：此粒子是由四个中子构成的粒子，所以它的核电荷数为零，故A 对，B错；而它的质量数为4，故C错，D对．10．下列说法正确的是( )A.234 90Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234B.94Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数答案 D解析A项钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；B项的铍核的质子数为4，中子数为5，所以B错；由于同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，因而C错，D对．题组三核反应方程11．对于核反应方程：11H＋10n―→21H，下列说法正确的是( )A.11H和21H是两种不同的元素B.11H和21H具有相同的质子数C.11H和21H具有相同的中子数D．核反应中质量数不守恒答案 B解析通过以下表格进行逐项分析：12.1234①31H＋X1→42He＋10n ②14 7N＋42He→17 8O＋X2③94Be＋42He→12 6C＋X3④2412Mg＋42He→2713Al＋X4则以下判断中正确的是( )A．X1是质子B．X2是中子C．X3是电子D．X4是质子答案 D解析根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为21H，A错；X2为11H，B错；X3为10n，C错；X4为11H，D对．13．(多选)一静止的铝原子核2713Al俘获一速度为1.0×107m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核2814Si.下列说法正确的是( )A．核反应方程为p＋2713Al→2814SiB．核反应过程中系统动量守恒C．核反应过程中系统能量不守恒D．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和答案AB解析根据质量数和电荷数守恒可得，核反应方程为p＋2713Al→2814Si，A正确；核反应过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，即伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D错误．14．一质子束入射到靶核2713Al上，产生核反应：11H＋2713Al→X＋10n，X代表核反应产生的新核．由反应式可知，新核X的质子数为________，中子数为________．答案14 13解析根据核反应过程电荷数守恒和质量数守恒，新核X的质子数为1＋13－0＝14，质量数为1＋27－1＝27，所以中子数＝27－14＝13.。

第2节 放射性__衰变(对应学生用书页码P34)一、天然放射现象的发现1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀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片感光。

物质放出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。

2．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)、镭(Ra)。

二、三种射线的本质1．α射线实际上就是氦原子核，速度可达到光速的110，其电离能力强，穿透能力较差。

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，它的速度更大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，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10－10m 以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。

三、原子核的衰变1．放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新原子核的变化叫衰变。

2．能放出α粒子的衰变叫α衰变，产生的新核，质量数减少4，电荷数减少2，新核在元素周期表中的位置向前移动两位，其衰变规律是A Z X ―→A －4Z －2Y ＋42He 。

3．能放出β粒子的衰变叫β衰变，产生的新核，质量数不变，电荷数加1，新核在元素周期表中的位置向后移动一位，其衰变规律AZ X ―→A Z ＋1Y ＋__0－1e 。

4．γ射线是伴随α衰变、β衰变同时产生的。

β衰变是原子核中的中子转化成一个电子，同时还生成一个质子留在核内，使核电荷数增加1。

四、半衰期1．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期。

2．放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的。

3．跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。

4．半衰期是大量原子核衰变的统计规律。

衰变公式：N ＝N 0(12)tτ，τ为半衰期，反映放射性元素衰变的快慢。

第3章原子核与放射性一、对核反应方程及类型的理解1．核反应方程的比较2.解题时注意事项(1)熟记一些粒子的符号：α粒子(42He)、质子(11H或p)、中子(10n)、电子(0－1e)、正电子(0＋1e)、氘核(21H)、氚核(31H)(2)注意在核反应方程中，质量数和电荷数是守恒的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒．【例1】在下列四个核反应中，X表示中子的是________；属于原子核的人工转变的是________．A.14 7N＋42He―→17 8O＋XB.2713Al＋42He―→3015P＋XC.21H＋31H―→42He＋XD.235 92U＋X―→9038Sr＋136 54Xe＋10X答案BCD AB解析在核反应中，不管是什么类型的核反应，都遵守电荷数守恒和质量数守恒．据此，可以判断未知粒子属于什么粒子，在A中，未知粒子的质量数为：14＋4＝17＋x，x＝1，其电荷数为：7＋2＝8＋y，y＝1，即未知粒子是质子(11H)；对B，未知粒子的质量数：27＋4＝30＋x，x＝1，其电荷数为：13＋2＝15＋y，y＝0，所以是中子(10n)；对C，未知粒子的质量数为：2＋3＝4＋x，x＝1，电荷数为：1＋1＝2＋y，y＝0，也是中子(10n)；对D，未知粒子质量数为235＋x＝90＋136＋10x，x＝1，电荷数为：92＋y＝38＋54＋10y，y＝0，也是中子(10n)．故方程中X是中子的核反应为B、C、D.属于原子核的人工转变的是A、B.针对训练完成下列核反应方程．A.147N＋42He―→178O＋________B.3015P ―→3014Si ＋________C. 23592U ＋10n ―→9038Sr ＋13654Xe ＋________ D.21H ＋31H ―→________＋10n其中属于衰变的是________，属于人工转变的是________． 答案 11H＋1e 1010n 42He B A解析 根据电荷数守恒和质量数守恒可完成核反应方程，然后由核反应的类型即可判断出反应的类型．二、半衰期及衰变次数的计算1．半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间．计算公式：n ＝N ⎝ ⎛⎭⎪⎫12n 或m ＝M ⎝ ⎛⎭⎪⎫12n，其中n ＝t T 1/2，T 1/2为半衰期．2．确定衰变次数的方法 (1)AZ X ―→A ′Z ′Y ＋n 42He ＋m 0－1e 根据质量数、电荷数守恒得A ＝A ′＋4n ，Z ＝Z ′＋2n －m二式联立求解得α衰变次数n 和β衰变次数m .(2)根据α衰变和β衰变(β衰变质量数不变)直接求解．【例2】 恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K 时，可以发生“氦燃烧”．(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：42He ＋________―→84Be ＋γ. (2)84Be 是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16s.一定质量的84Be ，经7.8×10－16s 后所剩下的84Be 占开始时的________．答案 (1)42He 或α (2)18或12.5%解析 (1)由质量数和电荷数守恒可得答案为42He 或α；(2)由题意可知经过了3个半衰期，故剩余的84Be 的质量m ＝m 0⎝ ⎛⎭⎪⎫123＝18m 0，故应填18或12.5%.【例3】 放射性元素23892U 衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成21083Bi ，而21083Bi 可以经一次衰变变成210a X(X 代表某种元素)，也可以经一次衰变变成 b81Tl ，210a X 和 b81Tl 最后都变成20682Pb ，衰变路径如图1所示．则( )图1A ．a ＝82，b ＝211B.21083Bi ―→210a X 是β衰变，21083Bi ―→ b81Tl 是α衰变 C.21083Bi ―→210a X 是α衰变，21083Bi ―→ b81Tl 是β衰变 D. b81Tl 经过一次α衰变变成20682Pb 答案 B解析 由21083Bi ―→210a X ，质量数不变，说明发生的是β衰变，同时知a ＝84.由21083Bi ―→ b81Tl 是核电荷数减2，说明发生的是α衰变，同时知b ＝206，由20681Tl ―→20682Pb 发生了一次β衰变．故选B.三、α衰变和β衰变在磁场中的运动轨迹分析α衰变和β衰变在磁场中的运动轨迹，一般思路为： 1．衰变过程中，质量数守恒、电荷数守恒． 2．衰变过程中动量守恒．3．带电粒子垂直于磁场方向做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力．4．静止的原子核发生α衰变和β衰变的规律以及它们在磁场中运动的轨迹特点如下表：【例4】 一个静止的氮核147N 俘获了一个速度为2.3×107m/s 的中子生成一个复核A ，A 又衰变成B 、C 两个新核，设B 、C 的速度方向与中子方向相同，B 的质量是中子的11倍，速度是106m/s ，B 、C 在同一磁场中做圆周运动的半径之比R B ∶R C ＝11∶30，轨迹如图2所示，求：图2(1)C 核的速度大小．(2)根据计算判断C 核是什么？ (3)写出核反应方程．答案 (1)3×106m/s (2)氦原子核(3)147N ＋10n→115B ＋42He解析 氦核吸收了一个中子变成复核不稳定，发生衰变，整个过程中，中子、氮核以及两个新核组成的系统过程前后都不受外界的干扰，所以整个系统在俘获与衰变过程中动量均守恒，利用这一点，可求出C 核的速度，然后根据粒子在磁场中的运动情况就可以判断出新核的种类，写出核反应方程．氮核俘获中子到衰变成B 、C 两个新核的过程中动量守恒m n v n ＝m B v B ＋m C v C ，①根据衰变规律，可知C 核的质量数为14＋1－11＝4. 由此解得v C ＝3×106m/s.再由带电粒子在洛伦兹力的作用下做圆周运动的知识R ＝mv Bq可得q B q C ＝m B v B R C m C v C R B ＝11×106×304×3×106×11＝52② q B ＋q C ＝7.③将②③联立，q C ＝2，而m C ＝4，则C 核是氦原子核，核反应方程式是147N ＋10n→115B ＋42He.。

第四节核力与结合能[目标定位] 1.知道核力及其性质.2.知道重核与轻核中中子数与质子数的数量多少关系.3.掌握结合能和平均结合能的概念.4.知道质量亏损，理解爱因斯坦质能方程，并能进行有关核能的计算．一、核力及其性质1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力．2．核力是一种很强的力，在它的作用范围内核力比库仑力大的多．3．核力是一种短程力．在约0.5×10－15～2×10－15m的距离内主要表现为引力；大于2×10－15 m的距离时核力就迅速减小为零；在小于0.5×10－15 m的距离内，核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起．二、重核与轻核原子核中的质子数又称为原子序数，排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫做重核，排在比较靠前的叫做轻核．一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等，但是大多数重核是中子多于质子．三、结合能1．结合能：根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量，这个能量叫做原子核的结合能．2．用高能量的γ光子照射氘核，可以使它分解为质子和中子，核反应方程是γ＋21H→11H＋10n.γ光子的能量大于或等于2.22 MeV.相反的过程，一个中子和一个质子结合成氘核会释放出2.22 MeV的能量．这个能量以γ光子的形式辐射出去．核反应方程是10n＋11H→21H＋γ.3．平均结合能：原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能．它反映了一个原子核结合的紧密程度，平均结合能越大，表示原子核结合得越稳定．4．爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2想一想有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？答案不对．在核反应中质量数守恒即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化．预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中一、对核力的理解核力是原子核内核子与核子之间的相互作用，它发生在质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间，是一种超短程力，且是一种强相互作用，在作用的范围内，核力远大于库仑力．【例1】(多选)对于核力，以下说法正确的是( )A．核力是弱相互作用，作用力很小B．核力是强相互作用的表现，是强力C．核子之间的距离小于0.5×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D．人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.5×10－15 m时核力的变化规律更清楚答案BC解析核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在2×10－15m之内，核力比库仑力大得多，因此选项B正确，A错误；核力在大于0.5×10－15 m且小于2×10－15m时表现为吸引力，且随距离的增大而减小；在距离小于0.5×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以选项C正确；人们对核力的了解还不是很清楚，这正是科学家们奋力攻克的堡垒，故选项D不正确．针对训练1 下列关于核力的说法正确的是( )A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用B．核力就是电磁力C．核力是短程力，作用范围在2×10－15 m之内D．核力与电荷有关答案 C解析核力是短程力，超过2×10－15m，核力急剧下降几乎消失，故C正确；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B错；核力与电荷无关，故D错．二、结合能与平均结合能的理解1．平均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图1所示．图1从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．2．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能．3．平均结合能又叫平均结合能，反映了原子核的稳定程度．平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，中等核子数的原子核，平均结合能较大，原子核较稳定．【例2】下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有( )A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能B．平均结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和平均结合能都大D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大答案 D解析核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，但平均结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D选项正确．借题发挥结合能、平均结合能的对比理解(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分解成核子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大．(2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大．针对训练 2 一个中子与某原子核发生核反应，生成一个氘核，其核反应方程式为____________________________．该反应放出的能量为Q，则氘核的平均结合能为________．答案10n＋11H―→21H Q 2解析方程式：10n＋11H―→21H核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能．它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子数为2， 所以平均结合能为Q2.三、质量亏损和核能的计算 1．对质能方程和质量亏损的理解 (1)质能方程爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E ＝mc 2. (2)质量亏损质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE ＝Δmc 2. 2．核能的计算方法 (1)根据质量亏损计算①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm . ②根据爱因斯坦质能方程ΔE ＝Δmc 2计算核能． 其中Δm 的单位是千克，ΔE 的单位是焦耳． (2)利用原子质量单位u 和电子伏特计算根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV ，即ΔE ＝Δm ×931.5 MeV.其中Δm 的单位是u ，ΔE 的单位是MeV.【例3】 某核反应方程为21H ＋31H→42He ＋X.已知21H 的质量为2.013 6 u ，31H 的质量为3.018 0 u ，42He 的质量为4.002 6 u ，X 的质量为1.008 7 u ．则下列说法中正确的是( ) A ．X 是质子，该反应释放能量 B ．X 是中子，该反应释放能量 C ．X 是质子，该反应吸收能量 D ．X 是中子，该反应吸收能量 答案 B解析 由题目所给核反应方程式，根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律，可得21H ＋31H→42He ＋10X ，X 为中子，在该反应发生前反应物的总质量m 1＝2.013 6 u ＋3.018 0 u ＝5.031 6 u ，反应后产物总质量m 2＝4.002 6 u ＋1.008 7 u ＝5.011 3 u ．总质量减少，出现了质量亏损．根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量，故B 正确．借题发挥 在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化．若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量．由于不明确质量亏损的含义与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量．【例4】已知氮核质量m N＝14.007 53 u，氧17核的质量m O＝17.004 54 u，氦核质量m He ＝4.003 87 u，氢核质量m H＝1.008 15 u，试判断：147N＋42He―→178O＋11H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？答案吸收能量 1.2 MeV解析反应前总质量：m N＋m He＝18.011 40 u，反应后总质量：m O＋m H＝18.012 69 u．可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量增加1 u，就会吸收931.5 MeV的能量，故ΔE＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 MeV.针对训练3 在某些恒星内，3个α粒子结合成1个12 6C核，12 6C原子的质量是12.000 0 u，－27 kg，则下列选项错误的是( )42He原子的质量是4.002 6 u．已知1 u＝1.66×10A．反应过程中的质量亏损是0.007 8 uB．反应过程中的质量亏损是1.29×10－29 kgC．反应过程中释放的能量是7.27 MeVD．反应过程中释放的能量是1.16×10－19 J答案 D解析由题意可得核反应方程为342He→12 6C＋ΔE，则核反应中的质量亏损为Δm＝(3×4.002 6－12. 000 0) u＝0.007 8 ×1.66×10－27kg≈1.29×10－29 kg，由质能方程得ΔE＝Δmc2≈1.29×10－29×(3×108)2 J＝1.161×10－12 J＝7.27 MeV，故A、B、C正确，D错.对核力和结合能的理解1．下列对核力的认识正确的是( )A．任何物体之间均存在核力B．核力广泛存在于自然界中的核子之间C．核力只存在于质子之间D．核力只发生在相距2×10－15m的核子之间，大于0.5×10－15m为吸引力，而小于0.5×10－15 m为斥力答案 D解析由核力的特点知道，只有相距2×10－15m的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子、中子与中子之间，由此知D选项正确．2．关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中不正确的是( )A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，核力做的功B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大答案 D解析原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做正功，释放能量．对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能也称为平均结合能．不同原子核的平均结合能不同．重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小．质量亏损和核能的计算3．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是( )A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能答案 D解析爱因斯坦质能方程E＝mc2，定量地指出了物体能量和质量之间的关系，A正确；由质能方程知，当物体的质量减少时，物体的能量降低，向外释放了能量；反之，若物体的质量增加了，则物体的能量升高，表明它从外界吸收了能量，所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化，故B、C正确，D错误．4．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3.当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)( )A．(m1＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2答案 C解析根据质能方程，ΔE＝Δmc2，其中Δm＝(m1＋m2－m3)，则ΔE＝(m1＋m2－m3)c2，C正确．5．一个锂核(73Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子．已知质子的质量是1.673 6×10－27 kg，锂核的质量是11.650 5×10－27 kg，氦核的质量是6.646 6×10－27 kg.(1)写出上述核反应的方程；(2)计算上述核反应释放出的能量．(保留3位有效数字)答案(1)73 Li＋11H―→242He(2)2.78×10－12 J解析(1)73 Li＋11H―→242He(2)核反应的质量亏损Δm＝m Li＋m p－2mα＝(11.650 5×10－27＋1.673 6×10－27－2×6.646 6×10－27) kg＝3.09×10－29 kg释放的能量ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2 J＝2.78×10－12 J(时间：60分钟)题组一对结合能的理解1．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C．平均结合能越大，原子核越不稳定D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能答案AB解析结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子平均结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；平均结合能越大，分开核子所需的能量越大，原子核越稳定，选项C错误；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D 错误．2．(多选)对结合能、平均结合能的认识，下列正确的是( )A．一切原子核均具有结合能B．自由核子结合为原子核时，可能吸收能量C．结合能越大的原子核越稳定D．平均结合能越大的原子核越稳定答案AD解析由自由核子结合成原子核的过程中，核力做正功，释放出能量；反之，将原子核分开变为自由核子时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；核子较多的原子核的结合能大，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确．题组二质量亏损、核能的计算3.如图1所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是( )图1A．将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量答案 C解析因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，A错，同理可得B、D错，C正确．4．对公式ΔE＝Δmc2的理解不正确的是( )A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少ΔmB．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是Δm答案 C解析一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．5．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是11H＋10n―→21H ＋γ，以下说法中正确的是( )A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和B．反应前后的质量数不变，因而质量不变C．γ光子的能量为Δmc2，Δm为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确答案AC解析核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，释放的能量会以光子的形式向外释放，核反应中会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒．故正确答案为A、C.6．原子质量单位为u,1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是( )A．(M－m1－m2)u·c2B．(m1＋m2－M)u×931.5 JC．(m1＋m2－M)c2D．(m1＋m2－M)×931.5 eV答案 C解析在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算，如果质量的单位是u，则利用1 u相当于931.5 MeV的能量计算，即ΔE＝Δm×931.5 MeV进行计算，故C 正确，A、B、D错．7．(多选)中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV 是氘核的结合能．下列说法正确的是( )A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子B．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零C．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零D．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零答案AD解析用能量小于结合能的光子照射氘核时，氘核一定不能分解，所以A正确，B错误；用能量大于结合能的光子照射氘核时，氘核可能分解，只要分解，分解出的质子和中子动能之和一定不为零(若动能之和为零就分不开了)，所以C错误，D正确．8．氘核和氚核聚变时的核反应方程为21H＋31H→42He＋10n，已知31H的平均结合能是2.78 MeV，21 H的平均结合能是 1.09 MeV，42He的平均结合能是7.03 MeV，则核反应时释放的能量为________MeV.答案17.6解析聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV.反应后生成的氦核的结合能E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV.由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量为ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV.题组三综合应用9．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子11H轰击静止的A E X ，生成两个动能均为8.9 MeV 的42He.(1 MeV ＝1.6×10－13J)(1)上述核反应方程为________________________________________________________________． (2)质量亏损为________kg.答案 (1)11H ＋73X ―→242He(或11H ＋73Li ―→242He) (2)3.1×10－29解析 (1)根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为11H ＋73X ―→242He 或11H ＋73Li ―→242He. (2)设反应前质子的动能为E k0，反应后42He 的动能为E k ，由于质量亏损而释放的能量为 ΔE ＝2E k －E k0＝(2×8.9－0.5) MeV ＝17.3 MeV ， 根据爱因斯坦质能方程，有Δm ＝ΔE c2＝17.3×1.6×10－1382 kg≈3.1×10－29 kg. 10．两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，中子的质量为1.008 7 u ，质子的质量为1.007 3 u ，氦核的质量为4.002 6 u ，试计算中子和质子生成1 kg 的氦时，要释放出多少核能？ 答案 6.59×1014J解析 先计算生成一个氦核释放的能量，再根据 1 kg 氦核的个数即可求出释放的总的核能．核反应方程 211H ＋210n ―→42He生成一个氦核过程的质量亏损Δm ＝(1.008 7 u ＋1.007 3 u)×2－4.002 6 u ＝0.029 4 u ， 释放的核能ΔE ＝0.029 4×931.5 MeV＝27.3861 MeV 生成1 kg 氦核释放的能量E ＝n ΔE ，E ＝1 0004×6.02×1023×27.3861×106×1.6×10－19 J≈6.59×1014J. 11．一个静止的铀核23292U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核228 90Th(原子质量为228.028 7 u)．(已知原子质量单位1 u ＝1.67×10－27kg ，1 u 相当于931.5 MeV 的能量) (1)写出铀核的衰变反应方程； (2)算出该衰变反应中释放出的核能；(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？ 答案 (1)232 92U ―→228 90Th ＋42He (2)5.50 MeV (3)5.41 MeV 解析 (1)232 92U ―→228 90Th ＋42He(2)质量亏损Δm ＝m U －m α－m Th ＝0.005 9 u11 ΔE ＝Δmc 2＝0.005 9×931.5 MeV≈5.50 MeV(3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等， 即p Th ＋(－p α)＝0，p Th ＝p α，E kTh ＝p 2Th2m Th，E k α＝p 2α2m α，E kTh ＋E k α＝ΔE所以α粒子获得的动能E k α＝m Th m α＋m Th ·ΔE ＝2284＋228×5.5 MeV≈5.41 MeV。

第2节原子核衰变及半衰期[目标定位] 1.知道什么是放射性、放射性元素、天然放射现象，能记住三种射线的特性.2.知道什么是原子核的衰变及衰变实质.3.理解半衰期的统计意义，学会利用半衰期解决相关问题．一、天然放射现象的发现1．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性．2．物质放出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，物质能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象．3．皮埃尔·居里夫妇发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)．二、放射线的本质1．三种射线：如图1中1是β射线，2是γ射线，3是α射线．图1(1)α射线是高速氦原子核粒子流．(2)β射线是高速运动的电子流．(3)γ射线是波长很短的电磁波．2．三种射线的特点(1)α射线：α粒子容易使空气电离，但穿透能力很弱．(2)β射线：β粒子穿透能力较强，但电离作用较弱．(3)γ射线：γ射线电离作用很弱，但穿透能力很强．三、原子核的衰变1．原子核的衰变：原子核放出α射线或β射线，而转变为新原子核的变化．原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．2．α衰变：原子核进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2.例：238 92U的α衰变方程为238 92U→234 90Th＋42He.3．β衰变：原子核进行β衰变时，质量数不变，电荷数增加1，例：234 90Th的β衰变方程为234 90Th→23491Pa＋0－1e.四、衰变的快慢——半衰期1．放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫半衰期．2．元素半衰期的长短是由原子核自身的因素决定的，跟原子所处的物理、化学状态和周围环境、温度没有关系．一、三种射线的本质及特点1．α、β、γ三种射线的性质、特征比较 种 类 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)带电荷量2e －e质 量4m p(m p ＝1.67× 10－27kg)m p1 836静止质量为零速 率0.1c 0.9c c贯穿本领 最弱用一张纸 就能挡住较强 能穿透几毫 米厚的铝板 最强 能穿透几厘 米厚的铅板电离作用 很强较弱很弱(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图2甲所示．图2(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示．【例1】 一置于铅盒中的放射源发射出的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，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3所示，则图中的射线a 为________射线，射线b 为________射线．图3答案γβ解析在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强；β射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a射线应为γ射线，b射线应为β射线．借题发挥三种射线的比较方法(1)α射线是α、β、γ三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸．(2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领的强弱．(3)要知道α、β、γ三种射线的本质，α、β射线是实物粒子，γ射线是光子．针对训练1 如图4，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是( )图4A．①表示γ射线，③表示α射线B．②表示β射线，③表示α射线C．④表示α射线，⑤表示γ射线D．⑤表示β射线，⑥表示α射线答案 C解析由三种射线的带电性质可以判断出①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，③④表示α射线，故C对．二、原子核的衰变1．α衰变：原子核进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2.α衰变的实质：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中释放出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象．2．β衰变：原子核进行β衰变时，质量数不变，电荷数增加1.β衰变的实质：原子核中的一个中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使核电荷数增加1，但β衰变不改变原子核的质量数，其转化方程为：10n―→11H＋0－1e.3．衰变规律衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．【例2】原子核238 92U经放射性衰变①变为原子核23490 Th，继而经放射性衰变②变为原子核234 91 Pa，再经放射性衰变③变为原子核234 92U.放射性衰变①、②和③依次为( )A．α衰变、β衰变和β衰变 B．β衰变、α衰变和β衰变C．β衰变、β衰变和α衰变 D．α衰变、β衰变和α衰变答案 A解析根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒特点，238 92U核与23490Th核比较可知，衰变①的另一产物为42He，所以衰变①为α衰变，选项B、C错误；234 91Pa核与234 92U核比较可知，衰变③的另一产物为0－1e，所以衰变③为β衰变，选项A正确，D错误．【例3】238 92U核经一系列的衰变后变为206 82Pb核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)206 82Pb与238 92U相比，质子数和中子数各少了多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程．答案(1)8次α衰变，6次β衰变(2)10 22(3)见解析解析(1)设238 92U衰变为206 82Pb经过x次α衰变和y次β衰变，由质量数守恒和电荷数守恒可得238＝206＋4x①92＝82＋2x－y②联立①②解得x＝8，y＝6.即一共经过8次α衰变和6次β衰变．(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数少1，而质子数增加1，故206 82Pb较238 92U质子数少10，中子数少22.(3)核反应方程为238 92U→206 82Pb＋842He＋60－1e.借题发挥衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．(2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2.(3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.三、对半衰期的理解1．对半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰变速率一定，不同元素的半衰期不同，有的差别很大．2．半衰期公式式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，T1/2表示半衰期．3．适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时刻衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核．【例4】氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤．它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一．其衰变方程是22286Rn―→21884Po＋________.已知22286Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16 g的22286Rn衰变后还剩1 g.答案42He 15.2解析根据质量数、电荷数守恒得衰变方程为222 86Rn→218 84Po＋42He.根据衰变规律m＝代入数值解得t＝15.2天．针对训练2 放射性元素(222 86Rn)经α衰变成为钋(218 84Po)，半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素222 86Rn的矿石，其原因是( )A．目前地壳中的222 86Rn主要来自于其他放射性元素的衰变B．在地球形成的初期，地壳中元素222 86Rn的含量足够高C．当衰变产物218 84Po积累到一定量以后，218 84Po的增加会减慢222 86Rn的衰变进程D.222 86Rn主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期答案 A解析元素半衰期的长短由原子核自身因素决定，一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关，C、D错；即使元素氡的含量足够高，经过漫长的地质年代，地壳中也几乎没有氡了，一定是来自于其他放射性元素的衰变，故A对，B错.三种射线的特性1. (多选)图5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( )图5A．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D．b为α射线，c为γ射线答案BC解析由题图可知电场线方向向右，α射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致，故α射线向右偏转，即c为α射线；β射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反，故β射线向左偏转，即a为β射线；γ射线不带电不发生偏转，即b为γ射线．故选项B、C正确．原子核的衰变2．原子核发生β衰变时，此β粒子是( )A．原子核外的最外层电子B．原子核外的电子跃迁时放出的光子C．原子核内存在着电子D．原子核内的一个中子变成一个质子时，放射出一个电子答案 D解析因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的，原子核内并不含电子，但在一定条件下，一个中子可以转化成一个质子和一个电子，一个质子可以转化成一个中子和一个正电子，其转化可用下式表示：10n―→11H＋0－1e，11H―→10n＋0＋1e.由以上两式可看出β粒子(电子)是由原子核内的中子转化而来，正电子是由原子核内的质子转化而来．3．贝克勒尔在120年前首先发现了天然放射现象，如今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用．下列属于放射性衰变的是( )A.14 6C→14 7N＋0－1eB.235 92U＋10n→139 53I＋9539Y＋210nC.21H＋31H→42He＋10nD.42He＋2713Al→3015P＋10n答案 A解析A属于β衰变，B属于裂变，C是聚变，D是原子核的人工转变，故选A项．对半衰期的理解及计算4．下列有关半衰期的说法正确的是( )A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度答案 A解析 放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关．故A 正确，B 、C 、D 错误．5．碘131的半衰期约为8天，若某药物含有质量为m 的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有( ) A.m 4 B.m 8 C.m 16 D.m32 答案 C解析 由半衰期公式m ′＝m (12)t T 1/2可知，m ′＝m (12)328＝116m ，故选项C 正确.(时间：60分钟)题组一 天然放射现象及三种射线的性质1．(多选)关于α、β、γ三种射线，下列说法正确的是( ) A ．α射线是原子核发射出的氦核，它的穿透能力最强 B ．β射线是电子流，它具有中等的穿透能力C ．γ射线一般伴随着α射线或β射线产生，它的穿透能力最强D ．γ射线是电磁波，它的穿透能力最弱 答案 BC解析 根据三种射线的性质可知：α射线是高速氦核流，β射是高速电子流，γ射线是光子流，在三种射线中，α射线的电离作用最强，穿透能力最弱，γ射线的电离作用最弱，穿透能力最强，β射线的电离作用和穿透能力居中，故B 、C 对，A 、D 错． 2．关于放射性元素发生衰变放射的三种射线，下列说法中正确的是( ) A ．三种射线一定同时产生 B ．三种射线的速度都等于光速C ．γ射线是处于激发态的原子核发射的D ．原子核衰变不能同时放射α射线和γ射线 答案 C解析 γ射线是在α衰变或β衰变后原子核不稳定而辐射出光子形成的，故C 对． 3.研究放射性元素射线性质的实验装置如图1所示．两块平行放置的金属板A 、B 分别与电源的两极a 、b 连接，放射源发出的射线从其上方小孔向外射出．则( )图1A ．a 为电源正极，到达A 板的为α射线B ．a 为电源正极，到达A 板的为β射线C ．a 为电源负极，到达A 板的为α射线D ．a 为电源负极，到达A 板的为β射线 答案 B解析 从图可以看出，到达两极板的粒子做类平抛运动，到达A 极板的粒子的竖直位移小于到达B 板粒子的，粒子在竖直方向做匀速直线运动，则据公式x ＝v 0t ＝v 0md 2qu可知，两个粒子初速度v 0相同，两极板电压u 相同，放射源与两极板的距离d2也相同，而电子的mq 小，所以电子的竖直位移小，故达到A 极板的是β射线，A 极板带正电，a 为电源的正极，故选项B 正确．4．如图2中R 是一种放射性物质，它能放出α、β、γ三种射线，虚线框内是匀强磁场，LL ′是厚纸板，MM ′是荧光屏，实验时发现在荧光屏上只有O 、P 两点处有亮斑．下列说法正确的是( )图2A ．磁场方向平行纸面竖直向上，到达O 点的射线是β射线，到达P 点的射线是α射线B ．磁场方向平行纸面竖直向下，到达O 点的射线是α射线，到达P 点的射线是β射线C ．磁场方向垂直纸面向外，到达O 点的射线是γ射线，到达P 点的射线是α射线D ．磁场方向垂直纸面向里，到达O 点的射线是γ射线，到达P 点的射线是β射线 答案 D解析 因为α粒子的贯穿本领较小，一张纸即可把它挡住，所以亮斑中不可能有α射线，A 、B 、C 错误；因为γ射线不带电，所以不受磁场约束，直接打在O 点，由左手定则知磁场方向垂直纸面向里，所以D 正确．题组二对原子核衰变的理解5．“朝核危机”引起全球瞩目，其焦点就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆．重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚239(239 94Pu)，这种钚239可由铀239(239 92U)经过n次β衰变而产生，则n为( )A．2 B．239 C．145 D．92答案 A解析β衰变规律是质量数不变，质子数增加1.239 94Pu比239 92U质子数增加2，所以发生2次β衰变，A对．6．原子核X经过一次α衰变成原子核Y，原子核Y再经一次β衰变成原子核Z，则下列说法中正确的是( )A．核X的中子数比核Z的中子数多2B．核X的质子数比核Z的质子数多5C．核Z的质子数比核X的质子数少1D．原子核X的中性原子的核外电子数比原子核Y的中性原子的核外电子数少1答案 C解析根据衰变规律，发生一次α衰变减少两个质子和两个中子，发生一次β衰变减少一个中子而增加一个质子．中性原子的核外电子数等于质子数，故可判知C对．7．放射性元素A经过2次α衰变和1次β衰变后生成一新元素B，则元素B在元素周期表中的位置较元素A的位置向前移动了( )A．1位B．2位C．3位D．4位答案 C解析原子核经过一次α衰变，电荷数减小2，经过一次β衰变，电荷数增加1，所以元素A经过2次α衰变和1次β衰变后电荷数减小3，生成的新元素在元素周期表中的位置向前移3位，C正确．8．在横线上填上粒子符号和衰变类型．(1)238 92U―→234 90Th＋________，属于________衰变(2)234 90Th―→234 91Pa＋________，属于________衰变(3)210 84Po―→210 85At＋________，属于________衰变(4)6629Cu―→6227Co＋________，属于________衰变答案(1)42He α(2)0－1e β(3)0－1e β(4)42He α解析根据质量数和电荷数守恒可以判断，(1)中生成的粒子为42He，属于α衰变；(2)中生成的粒子为0－1e，属于β衰变；(3)中生成的粒子为0－1e，属于β衰变；(4)中生成的粒子为42He，属于α衰变．题组三对半衰期的理解和计算9．(多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( )A．原子核全部衰变所需要的时间的一半B．原子核有半数发生衰变所需要的时间C．相对原子质量减少一半所需要的时间D．元素质量减半所需要的时间答案BD解析放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间叫做这种元素的半衰期，它与原子核全部衰变所需要的时间的一半不同．放射性元素发生衰变后成了一种新的原子核，原来的放射性元素原子核的个数不断减少；当原子核的个数减半时，该放射性元素的原子核的总质量也减半，故选项B、D正确．10．(多选)关于天然放射现象，下列叙述正确的是( )A．若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减少B．当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时，将发生β衰变C．在α、β、γ这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，α射线的电离能力最强D．铀核(238 92U)衰变为铅核(206 82Pb)的过程中，要经过8次α衰变和6次β衰变答案CD11.在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图3中a、b所示，由图可以判定( )图3A．该核发生的是α衰变B．该核发生的是β衰变C．磁场方向一定垂直纸面向里D．磁场方向向里还是向外不能确定答案BD解析本题考查对α粒子及β粒子的性质的了解，对动量守恒定律以及左手定则的应用能力．原来静止的核，放出粒子后，总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它们必带异种电荷，故应为β衰变；由于不知它们的旋转方向，因而无法判定磁场是向里还是向外，即都有可能．题组四综合应用11 12．天然放射性铀(238 92U)发生衰变后产生钍(234 90Th)和另一个原子核．(1)请写出衰变方程；(2)若衰变前铀(238 92U)核的速度为v ，衰变产生的钍(234 90Th)核速度为v 2，且与铀核速度方向相同，求产生的另一种新核的速度．答案 (1)见解析 (2)1214v 解析 (1)238 92U ―→234 90Th ＋42He(2)设另一新核的速度为v ′，铀核质量为238m ，由动量守恒定律得：238mv ＝234m v 2＋4mv ′得：v ′＝1214v . 13.在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图4所示)，今测得两个相切圆半径之比r 1∶r 2＝1∶44.求：图4(1)这个原子核原来所含的质子数是多少？(2)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由)答案 (1)90 (2)见解析解析 (1)设衰变后新生核的电荷量为q 1，α粒子的电荷量为q 2＝2e ，它们的质量分别为m 1和m 2，衰变后的速度分别为v 1和v 2，所以原来原子核的电荷量q ＝q 1＋q 2.根据轨道半径公式有r 1r 2＝m 1v 1Bq 1m 2v 2Bq 2＝m 1v 1q 2m 2v 2q 1， 又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m 1v 1＝m 2v 2，以上三式联立解得q ＝90e .即这个原子核原来所含的质子数为90.(2)因为动量相等，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比．所以圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹．。

第5节核力与结合能1．原子核内相邻核子之间的作使劲叫核力，把原子核内核子分开所需要的能量叫结合能。

2．结合能与核子数之比叫比结合能。

比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳固。

3．原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，那个现象叫做质量亏损。

一、核力与四种大体彼此作用1．核力(1)概念：原子核里的核子间的彼此作使劲。

(2)作用：把核子牢牢地束缚在核内，形成稳固的原子核。

2．核力的特点(1)核力是强彼此作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多。

(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内。

核力在大于0.8×10－15 m，小于1.5×10－15 m的范围内表现为吸引力，在小于0.8×10－15 m时表现为斥力。

(3)每一个核子只跟临近的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。

3．第四种彼此作用核物理学家在原子核内发觉了自然界的第四种彼此作用——弱彼此作用，弱彼此作用是引发原子核β衰变的缘故。

该作用也是短程力，其力程比强力更短，为10－18 m，作用强度比电磁力小。

4．四种大体彼此作用四种大体彼此作用包括万有引力、电磁力、强彼此作用和弱彼此作用，在相同距离上，电磁力大约比万有引力强1035倍。

二、原子核中质子与中子的比例1．较轻原子核：质子数和中子数大致相等。

2．较重原子核：中子数大于质子数，越重的原子核二者相差越多。

三、结合能与质量亏损1．结合能原子核是核子凭借核力结合在一路组成的，要把它们分开，也需要能量，这确实是原子核的结合能。

2．比结合能原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。

比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳固。

中等大小的核的比结合能最大，最稳固。

3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2。

4．质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。

1．自主试探——判一判(1)原子核中粒子所受的万有引力和电磁力能够达到平稳。

——教学资料参考参考范本——高中物理第三章原子核第1节原子核的组成与核力教学案教科版选修3_5______年______月______日____________________部门(对应学生用书页码P32)一、原子核的组成1．质子的发现为了探测原子核的结构，1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子。

实验表明质子是原子核的组成部分。

2．中子的发现卢瑟福发现质子后，预想核内还有一种不带电的中性粒子。

1932年，查德威克利用α粒子轰击铍时，证明了中子的存在。

3．原子核的组成(1)组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。

(2)原子核的符号：X，其中X表示元素，A表示质量数，Z表示核电荷数。

(3)基本关系：核电荷数＝质子数＝原子序数质量数＝质子数＋中子数＝核子数(4)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子核互称同位素。

如氢的三种同位素氕、氘、氚。

二、核力1．定义原子核内相邻核子之间的相互作用力，也称强力。

2．特点(1)在原子核的线度内，核力比库仑力大得多。

(2)核力是短程力，当两核子中心距离大于核子本身线度时，核力几乎完全消失。

(3)核力与电荷无关，质子与质子、中子与中子、质子与中子之间的核力是相等的。

[特别提醒] 质子越多的原子核需要更多的中子来维持核的稳定，在大而稳定的原子核中，中子数大于质子数。

三、核反应1．核反应用一定能量的粒子轰击原子核，改变原子核结构的过程。

2．核反应方程用原子核符号描述核反应过程的式子。

3．书写方程式的原则核反应方程必须满足反应前、后质量数和核电荷数都守恒。

1．判断：(1)卢瑟福发现了中子。

( )(2)具有相同质子数而中子数不同的原子核称为同位素。

( )(3)核反应只改变核外电子数，不会改变原子核的结构。

( )答案：(1)×(2)√(3)×2．思考：一个铅原子质量数为207，原子序数为82，其核外电子有多少个？中子数又是多少？提示：铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和的关系，铅原子核的中子数为207－82＝125(个)。