2016-2017学年高中物理第十九章原子核1原子核的组成课件新人教版选修.ppt

第十九章 原子核 1 原子核的组成 学 习 目 标 重 点 难 点 1.了解放射性及放射 性元素的概念 . 2.理解三种射线的形 成及本质，知道三 种射线的特点 . 3.了解原子核的组成， 知道原子核的表示 方法，掌握原子序 数、核电荷数、质 量数之间的关系 . 4.理解同位素的概念 . 重点 1.三种射线的形 成及本质 . 2.原子核的组成 . 难点 三种射线的本 质及特点 . 知识点一 天然放射现象及三种射线 提炼知识 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 或 等于 83 的元素 ， 都能自发地发出 射线 ， 原子序数 小于 83 的元素 ， 有的也能放出射线 4 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 和镭 Pa 5 三种射线：在射线经过的空间施加磁场 ， 射线分 成三束 ， 其中两束在磁场中向不同的方向偏转 ， 说明这 两束是带电粒子流 ， 另一束在磁场中不偏转 ， 说明这一 束不带电 ， 这三束射线分别叫作 射线、 射线、 射线 6 、 、 三种射线的比较 种类 射线 射线 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 2 e e 0 速率 0. 1 c 0. 99 c 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 铅板 最强 ， 能穿透几厘米 厚的 铅板 电离 作用 很强 较弱 很弱 判断正误 1 放射性元素发出的射线可以直接观察到 ( ) 2 放射性元素发出的射线的强度可以人工控制 ( ) 3 三种射线中 ， 带正电的射线为氦核 ， 带负电的为 电子 ， 不带电的为中子 ( ) 小试身手 1 天然放射现象的发现揭示了 ( ) A 原子不可再分 B 原子的核式结构 C 原子核还可再分 D 原子核由质子和中子组成 解析： 本题涉及物理学史的一些知识汤姆孙发现了 电子说明原子可再分；卢瑟福通过 粒子散射实验提出了 原子的核式结构 ；贝克勒尔发现 了天然放射现象 ，说明了 原子核也有着复杂的结构； 天然放射现象的发现揭示了原子核还可再分；卢瑟福 用 粒子轰击氮核，发现了质子，查德威克用 粒子轰 击铍核打出了中子，使人们认识到原子核是由质子和中子 组成的，所以正确选项为 C . 答案： C 知识点二 原子核的组成 提炼知识 1 质子的发现 2 中子的发现 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 ， 在元素周期表中处于 同一位置 ， 它们互称为同位素 判断正误 1 原子核是由质子、中子、电子组成的 ( ) 2 核电荷数等于核内质子数和 中子数之和 ( ) 3 卢瑟福发 现了电子和质子 ( ) 小试身手 2 ( 多选 ) 氢有三种同位素 ， 分别是氕 ( 1 1 H ) 、氘 ( 2 1 H ) 、 氚 ( 3 1 H ) ， 则 ( ) A 它们的质子数相等 B 它们的核外电子数相等 C 它们的核子数相等 D 它们的中子数相等 解析： 氕、氘、氚的核子数分别为 1 、 2 、 3 ， 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，所以本题 A 、 B 选项 正确 答案： AB 拓展一 天然放射现象 1 天然放射现象 贝克勒尔的发现 1896 年 ， 法国物理学家贝克勒尔发现：铀和含铀的 矿物能够发出一种看不见的射线 ， 这种射线能穿透黑纸 而使照相底片感光这种元素自发 地放出射线的现象叫 作天然放射现象 物质发射看不见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研究发现 ， 自然界中原子序 数大于或等于 83 的所有元素 ， 都能自发地放出射线；原 子序数小于 83 的元素 ， 有的也具有放射性后来 居里夫 人发现了两种放射性很强的元素 钋和镭虽然具有天 然放射性的元素的种类很多 ， 但它们在地球上的含量很 少 2 对放射性的研究 (1) 研究方法：让放射线通过电场或磁场来研究其性 质 把样品放在铅块的窄孔底上 ， 在孔的对面放 着 照相底片，在没有磁场时，发现在底片上正对孔的 位置感光了 若在铅块和底片之间放一对磁极 ， 使 磁场方向跟射线方向垂直 ， 结果在底片上有三个地 方感光了 ， 说明在磁场作用下 ， 射线分为三束 ， 表明这些 射线中有的带电 ( 正电和负电 ) ， 有的不带电 ， 如图所示 ， 由三种粒子组成 从感光位置知道 ， 带正电的射线偏转较小 ， 这种射 线叫 射线；带负电的射线偏转较大 ， 这种射线叫 射 线；不偏转的射线叫 射线 (2) 各种射线的性质、特性 射线：经研究发现 ， 射线是高速粒子流 ， 粒子 带两个单位正电荷 ， 质量数 为 4 ， 即 粒子是氦核 ， 其速 度可达光速的 1 10 ， 有较大的动能 特性：贯穿本领弱 ， 但电离作用强 ， 能使沿途的空 气电离 射线：经实验证实 ， 射线是电子流 ， 其速度可 达光速的 99 %. 特征：贯穿本领较强 ， 能穿透黑纸 ， 甚至穿透几毫 米厚的铝板 ， 但电离作用较 弱 射线是一种波长很短的电磁波 光子流 ， 是能 量很高的电磁波 ， 波长 10 10 m. 特征：贯穿本领更强 ， 能穿透几厘米厚的铅板 ， 但 电离作用更弱 注： 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 在一定的结构 3 天然放射现象的意义 天然放射现象说明原子核是有内部结构的元素的 放射性不受单质和化合物存在形式的影响化学反应决 定于核外的电子 ， 能量有限 ， 不可能放出 粒子 ， 也不 可能放出高速的电子和 光子来 ， 因此三种射线只能是从 原子核内放出的说明原子核是有 复杂结构的 【典例 1 】 如图所示 ， 一天然放射性物质射出三种射 线 ， 经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域 ( 方向如图 所示 ) ， 调整电场强度 E 和磁感应强度 B 的大小 ， 使得在 MN 上只有两个点受到射线照射下面的哪种判断是正确 的 ( ) A 射到 b 点的一定是 射线 B 射到 b 点的一定是 射线 C 射到 b 点的一定是 射线或 射线 D 射到 b 点的一定是 射线 解析： 射线不带电 ， 在电场或磁场中它都不受场的 作用 ， 只能射到 a 点 ， 因此 D 选项不对；调整 E 和 B 的 大小 ， 既可以使带正电的 射线沿直线前进 ， 也可以使带 负电的 射线沿直线前进沿直线前进的条件是电场力与 洛伦兹力平衡 ， 即 Eq qvB . 已知 粒子的速度比 粒子的速度小得多 ， 当我们 调节使 粒子沿直线前进时 ， 速度大的 粒子向右偏转 ， 有可能射到 b 点；当我们调节使 粒子沿直线前进时 ， 速 度较小的 粒子也将会向右偏 ， 也有可能射到 b 点 ， 因此 C 选项正确 ， 而 A 、 B 选项都不对 答案： C 名师点评 分析三种粒子的带电和受力情况 ， 就会推知其偏转情 况 ， 从而得出正确答案 1 下列现象中 ， 与原子核内部变化有关的是 ( ) A 粒子散射现象 B 天然放射现象 C 光电效应现象 D 原子发光现象 解析： 粒子散射实验表明了原子内部有一个很小的 核 ， 并没有涉及核内部的变化 ， 故 A 项错误；天然放射 现象是原子核内部发生变化自发的放射出 粒子或电子 ， 从而发生 衰变或 衰变 ， 故 B 项正确； 光电效应是原子核外层电子脱离原子核的束缚而逸 出 ， 没 有涉及原子核的变化 ， 故 C 项错误；原子发光是 原子跃迁形成的也没有涉及原子核的变化 ， 故 D 项错误 答案： B 拓展二 原子核的组成 1 质子的发现 (1) 1919 年 ， 卢瑟福用 粒子轰击氮原子核 ， 结果从 氮核中打出了一种粒子 ， 并测定了它的电荷量与质量 ， 知 道它是氢原子核 ， 把它叫作质子 ( p ) ， 后来人们又从其他 原子核中打出了质子 ， 故确定质子是原子核的组成部分 (2) 质子带正电荷 ， 电荷量与一个电子所带电荷量相 等 ， 质子的质量为 m p 1.672 623 1 10 27 k g. 2 中子的发现 (1) 卢瑟福的预言 1920 年卢瑟福提出了一种大胆的猜想：原子核内除 了质子外，还存在一种质量与质子的质量大体相等但不 带电的粒子，并认为这种不带电的中性粒子是由电子进 入质子后形成的 (2) 查德威克的发现 查德威克验证了他的老师卢瑟福 12 年前的预言 ， 原 子核中确实存在着中性的、质量几乎与质子相同的粒子 ， 并把它叫作中子 ( n ) (3) 中子的质量为 m n 1.674 928 6 10 27 k g. 3 原子核的组成 (1) 核子：质子和中子统称为核子 (2) 原子核的组成： 由核子组成 ， 即由质子和中子组 成 (3) 电荷数：原子核所带的电荷总是质 子电荷的整数 倍 ， 这个整数表示原子核的电荷量 ， 叫作原子核的电荷 数 ， 用 Z 表示 (4) 质量数：原子核的质量等于核内质子和中子的质 量的总和 ， 而质子与中子的质量几乎相等 ， 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 ， 用 A 表示 (5) 原子核的符号： A Z X. 注： X 为元素符号 ， A 表示质量数 ， Z 表示电荷数 ( 即 原子序数 ) 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 4 同位素 原子核内的质子数决定了元素的化学性质 ， 同种 元 素的原子质子数相同 ， 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 定义：具有相同质子数、不同中子数的原子互称同 位素 例如氢的三种同位素：氕 ( 1 1 H ) 、氘 ( 2 1 H ) 、氚 ( 3 1 H ) 【典例 2 】 镭的原子序数是 88 ， 原子核质量数是 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) 若镭原子呈中性 ， 它核外有几个电子？ (4) 228 8 8 Ra 是镭的一种同 位素 ， 让 226 8 8 Ra 和 228 8 8 Ra 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 的轨道半径之比是多少？ 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 2 26 88 13 8. (2) 镭核所带电量 Q Ze 88 1.6 10 19 C 1.41 10 1 7 C. (3) 核外电子数等于核电荷数 ， 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 为洛伦兹力 ， 故有 qvB m v 2 r ， r mv qB ， 两种同位素具有相同的核电荷数 ， 但质量数不同 ， 故 r 226 r 288 226 228 1 13 1 14 . 答案： 见解析 名师点评 核电荷数与原子核的电荷量是不同的 ， 组成原子核的 质子的电荷量都是相同的 ， 所以原 子核的电荷量一定是质 子电荷量的整数倍 ， 我们把核内的质子数叫核电荷数 ， 而 这些质子所带电荷量的 总和才是原子核的电荷量 本题容 易把核电荷数误认为是原子核的电荷量而造成错解 2 天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验 结果如图所示 ， 由此可推知 ( ) A 来自于原子核外的电子 B 的电离作用最强 ， 是一种电磁波 C 的电离作用较强 ， 是一种电磁波 D 的电离作用最弱 ， 属于原子核内释放的光子 解析： 解答 本题要把握以下思路： ( 1) 从穿透能力判 断三种射线的种类； (2) 三种射线的性质从穿透能力上看： 能穿透铝板进入铅版 ， 必然是 射线 ， 射线是原子 核内发出的高频光子 ， 属于电磁波 ， 电离作用弱 ， 故 D 正确 ， C 错误； 能穿透纸板进入铝板 ， 必然是 射线 ， 是原子核 内发射出的电子流 ， A 错误；纸板能够挡住 ， 则 是 射线 ， 它的电离作用最强 ， 但它是氦的原子核 ， 不是电磁 波 ， B 错误 . 答案： D 3 ( 多选 ) 下列说法 正确的是 ( ) A. n m X 与 n m 1 Y 互为同位素 B. n m X 与 n 1 m Y 互为同位素 C. n m X 与 n 2 m 2 Y 中子数相同 D. 235 92U 核内有 92 个质子 ， 235 个中子 解析： A 选项中 ， X 核与 Y 核的质子数不同 ， 不互 为同位素 B 选项中 n m X 核与 n 1 m Y 核质子数都为 m ， 而 质量数不同 ， 所以互为同位素 C 选项中 n m X 核内中子数 为 n m ， n 2 m 2 Y 核内中子数为 ( n 2) ( m 2) n m ， 所 以中子数相同 D 选项中 235 92 U 核内有 143 个中子 ， 而不 是 235 个中子 答案： BC 典型问题 三种射线在电磁场中 偏转情况分析 1 射线不论在电场还是磁场中 ， 总是做匀速直线 运动 ， 不发生偏转根据上述特点 ， 在电场或磁场中不 发生偏转的射线是 射线 2 射线和 射线在电场中偏转的特点：在匀强电 场中 ， 和 粒子沿相反方向做类 平抛运动 ， 且在同样的 条件下 ， 粒子的偏移量大根据粒子在电场力方向做初 速度为零的匀加速直线运动 ， 偏移量 x 可表示为： x 1 2 at 2 1 2 qE m y 0 v 2 q mv 2 . 所以 ， 在同样条件下 与 粒子偏移量之比为 x x e 2 e 4 m p m p 1836 1 c 10 2 c 2 371. 3 射线和 射线在磁场中的偏转特点：在匀强磁 场中 ， 和 粒子沿相反方向做匀速圆周运动 ， 且在同样 条件下 ， 粒子的轨道半径小 ， 偏转大根据 qvB mv 2 R 得 R mv qB mv q . 所以 ， 在同样条件下 与 粒子的轨道半径之比为 R R m p 1 836 4 m p c c 10 2 e e 1 371 1. 根据上述径迹特点 ， 即使电场和磁场方向未知 ， 也 可以区分射线的种类 【典例】 将 、 、 三种射线分别射入匀强磁场 和匀强电场 ， 射线偏转情况正确的是 ( ) 解析： 已知 粒子带正电 ， 粒子带负电 ， 射线不 带 电 ，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、 负电荷在电场中受电场力方向不同， 可知 A 、 B 、 C 、 D 四幅图中 ， 、 粒子的偏转方向 都是正确的 ， 但偏转的程度需要进一步判 断 带电粒子在磁场中做匀速圆周运动 ， 其半径 r mv Bq ， 将其数据代入 ， 则 粒子与 粒子的半径之比为： r r m m v v q q 4 1 1 836 0.1 c 0.99 c 1 2 371 1 . 由此可见 ， A 正确 ， B 错误 带电粒子垂直进入匀强电场 ， 设初速度为 v 0 ， 垂直电 场线方向位移为 y ， 、 粒子沿电场偏转距离之比为 x x q q m m v 2 v 2 2 1 1 1 836 4 （ 0.99 c ） 2 （ 0.1 c ） 2 1 37 . 由此可见 ， C 错误 ， D 正确 答案： AD 名师点评 由轨迹判断区分三种射线 ， 一要清楚三种射线的本质 和特点 ， 二要结合带电粒子在电磁 场中的运动规律 某放射源放出三种射线 ， 其中 射线为高速电子流 ， 质量约为质子质量的 1 1 800 ， 速度接近光速； 射线为氦 核流 ， 速度约为光速的 1 10 . 如图所示 ， 当射 线射入同一匀强磁场中后 ， 若不考虑速度 对质量的影响 ， 则 射线和 射线在磁场 中做匀速圆周运动的轨道半径之比约为 ( ) A 1 90 B 1 180 C 1 360 D 1 720 解析： 洛伦兹力始终与速度垂直 ， 粒子做匀速圆周运 动 ， 根据洛伦兹力提供向心力 ， qv B mv 2 r ， 解得 ， r mv Bq ， 故 粒子与 粒子的轨道半径之比为 r r m v Bq m v Bq 36 0 ， r r 1 360 ， 选项 C 正确 答案： C