原子核

一. 教學(xué)內(nèi)容：

.

（2）核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn). 原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個(gè)原子是呈電中性的. 電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖引力.

（3）從α粒子散射實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)估算出原子核大小的數(shù)量級(jí)為10^－15-10^－14 m，原子大小的數(shù)量級(jí)為 10^?D10 m。

（二）天然放射性現(xiàn)象

1. 放射性現(xiàn)象：貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，使人們認(rèn)識(shí)到原子核也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，揭開(kāi)了人類(lèi)研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕. 通過(guò)對(duì)天然放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也具有放射性，它們放射出來(lái)的射線共有三種：α射線、β射線、γ射線.

2. 三種射線的本質(zhì)和特性

（1）α射線：速度約為光速1／10的氦核流，貫穿作用很弱，電離作用很強(qiáng).

（2）β射線：速度約為光速十分之幾的電子流，貫穿作用很強(qiáng)，電離作用較弱.

（3）γ射線：波長(zhǎng)極短的電磁波，貫穿作用最強(qiáng)，電離作用最弱.

三種射線在勻強(qiáng)磁場(chǎng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)、正交電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況比較：

3. 原子核的衰變規(guī)律

（1）α衰變的一般方程為 → He?每發(fā)生一次α衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數(shù)減小2，質(zhì)量數(shù)減少4. α衰變的實(shí)質(zhì)是某元素的原子核同時(shí)放出由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的粒子（即氦核）. （核內(nèi) ＋ ）

（3）γ射線是伴隨α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生的、γ射線不改變?cè)雍说碾姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù). 其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時(shí)，產(chǎn)生的某些新核由于具有過(guò)多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出光子.

（4）半衰期

A. 意義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間. 用希臘字母τ表示

公式： 。

式中 為入射粒子的符號(hào)， 是新生核符號(hào)， 是放射出的粒子的符號(hào)。

① 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為： 。

③ 約里奧?居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程為：

其中， P是放射性同位素， e為正電子.

3. 放射性同位素的應(yīng)用

⑴利用其射線：α射線電離性強(qiáng)，用于使空氣電離，將靜電泄出，從而消除有害靜電。γ射線貫穿性強(qiáng)，可用于金屬探傷，也可用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發(fā)生突變，可用于生物工程，基因工程。

⑵作為示蹤原子。用于研究農(nóng)作物化肥需求情況，診斷甲狀腺疾病的類(lèi)型，研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。

⑶進(jìn)行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。

一般都使用人工制造的放射性同位素（種類(lèi)齊全，半衰期短，可制成各種形狀，強(qiáng)度容易控制）。

（四）核力與核能

1. 核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫(kù)侖力很大，受到這么大的庫(kù)侖斥力卻處于穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起. 這種力叫做核力

①核力是很強(qiáng)的力

②核力作用范圍小，只在2. 0×10^－15 m短距離內(nèi)起作用

③每個(gè)核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用

2. 核能

（1）結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時(shí)放出一定的能量，原子核分解成核子時(shí)吸收一定的能量，這種能量叫結(jié)合能.

（2）質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。

也可以認(rèn)為，在核反應(yīng)中，參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m^/之差： Δm=m-m^/

（3）愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程：愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，它們的關(guān)系是：ΔΔ

鈾235核裂變時(shí)，同時(shí)放出2?D3個(gè)中子，如果這些中子再引起其他鈾235核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去，這種反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng). 鈾235核能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積.

③核反應(yīng)堆的構(gòu)造：

A.核燃料?D?D用鈾棒（含 只吸收慢中子）。

C. 控制棒?D?D用鎘做成（鎘吸收中子的能力很強(qiáng)）。

D. 冷卻劑?D?D用水或液態(tài)鈉（把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去）

2. 輕核的聚變

①所謂輕核是指質(zhì)量數(shù)很小的原子核，如氫核、氘核等.

②某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過(guò)程叫做輕核的聚變，同時(shí)放出大量的能量.

輕核聚變方程列舉 He＋ n

輕核聚變只能發(fā)生在超高溫（需要幾百萬(wàn)度高溫）條件下，故輕核聚變也叫做熱核反應(yīng).

（六）粒子物理學(xué)

到19世紀(jì)末，人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。

20世紀(jì)30年代以來(lái)，人們認(rèn)識(shí)了正電子、μ子、K介子、π介子等粒子。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子（質(zhì)量相同而電荷及其它一些物理量相反）。

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)400多種，形成了粒子物理學(xué)。按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類(lèi)：媒介子、輕子和強(qiáng)子，其中強(qiáng)子是由更基本的粒子?D?D夸克組成。從目前的觀點(diǎn)看，媒介子、輕子和夸克是沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)狀”粒子。

用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化。

【典型例題】

掌握典型的反應(yīng)方程

⑴衰變： α衰變： ）

β衰變： （核內(nèi) ）

γ衰變：原子核處于較高能級(jí)，輻射光子后躍遷到低能級(jí)。

⑵人工轉(zhuǎn)變： （發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)）

（發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)）

（人工制造放射性同位素）

⑶重核的裂變： （需要幾百萬(wàn)度高溫，所以又叫熱核反應(yīng)）

【例1】在盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)中，有少數(shù)α粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)，其原因是（ ）

A. 原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上

B. 正電荷在原子中是均勻分布的

C. 原子中存在著帶負(fù)電的電子

D. 原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中

，這說(shuō)明了這些α粒子受到很大的庫(kù)侖力，施力體應(yīng)是體積甚小的帶電實(shí)體。根據(jù)碰撞知識(shí)，我們知道只有質(zhì)量非常小的輕球與質(zhì)量非常大的物體發(fā)生碰撞時(shí)，較小的球才被彈回去，這說(shuō)明被反彈回去的α粒子碰上了質(zhì)量比它大得多的物質(zhì)實(shí)體，即集中了全部質(zhì)量和正電荷的原子核.

Pb（鉛），下列說(shuō)法正確的是（ ）

A. 鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子 B. 鉛核比釷核少16個(gè)中子

C. 共經(jīng)過(guò)4次α衰變和6次β衰變 D. 共經(jīng)過(guò)6次α衰變和4次β衰變

＝6（次）

再結(jié)合核電荷數(shù)的變化情況和衰變規(guī)律來(lái)判定β衰變的次數(shù)y應(yīng)滿足：

2x－ y＝90－ 82= 8 所以y＝2x?D8＝4（次） 即D也是正確的.

A. 原子核發(fā)生了α衰變 B. 原子核發(fā)生了β衰變

C. 原子核放出了一個(gè)正電子 D. 原子核放出了一個(gè)中子；

點(diǎn)評(píng)：本題僅僅只是判斷衰變的種類(lèi)，而沒(méi)有判斷軌跡是屬于哪種粒子的. 處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的原子核發(fā)生的衰變，它們的動(dòng)量大小相等，而新核的電量一般遠(yuǎn)大于粒子（α、β）的電量，又在同一磁場(chǎng)中，由洛侖茲力提供向心力時(shí)，其圓運(yùn)動(dòng)的半徑R＝mv／qB，此式的分子是相等的，分母中電量大的半徑小，電量小的半徑大，所以，一般情況下，半徑小的是新核的軌跡，半徑大的是粒子（α、β 或正電子）的軌跡.

【例4】下面是一核反應(yīng)方程 表示光速，則（ ）

A. X是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘C²

B. X是中子，核反應(yīng)放出的能量等于質(zhì)子質(zhì)量乘C²

C. X是質(zhì)子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與質(zhì)子的質(zhì)量和，再乘C²

D. X是中子，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與中子的質(zhì)量和，再乘C²

解：根據(jù)在核反應(yīng)中，質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)都守恒，可知核反應(yīng)方程中的X為中子，根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程ΔE=Δmc²知，核反應(yīng)放出的能量等于氘核與氚核的質(zhì)量和減去氦核與中子的質(zhì)量和，再乘以C²，答案為D。

【例5】 靜止的氡核 ，α粒子動(dòng)能為c，則該反應(yīng)中的質(zhì)量虧損為

A. B. 0 C. D.

，它們的動(dòng)能之比為4∶218，因此衰變釋放的總能量是 ，由質(zhì)能方程得質(zhì)量虧損是 。

答案：C

）經(jīng)過(guò)α、β衰變形成穩(wěn)定的鉛（u夸克和u夸克帶電量為 d夸克帶電量 e為基元電荷。下列論斷可能正確的是

A. 質(zhì)子由1個(gè)u夸克和1個(gè)u夸克和2個(gè)u夸克和1個(gè)u夸克和2個(gè)u夸克和2個(gè)u夸克和1個(gè)u夸克和1個(gè)u夸克和1個(gè) ⑵ _____

⑶ →_____ →_____

⑸ → 經(jīng)過(guò)6次 。由此，可以判定生成的超重元素的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別是

A. 124、259 B. 124、265 C. 112、265 D. 112、277

【試題答案

1. 解析：“由于原子核很小，α粒子十分接近它的機(jī)會(huì)很少，所以絕大多數(shù)α粒子基本上仍按直線方向前進(jìn)，只有極少數(shù)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)”。故選項(xiàng)A錯(cuò)誤。

用極端法，設(shè)α粒子在向重金屬核射去，如圖所示，所知α粒子接近核時(shí)，克服電場(chǎng)力做功. 其動(dòng)能減小，勢(shì)能增加；當(dāng)α粒子遠(yuǎn)離原子核時(shí)，電場(chǎng)力做功，其動(dòng)能增加，勢(shì)能減小，故選項(xiàng)B、C是錯(cuò)誤的。

答案：D

2. 解析： ，需經(jīng)過(guò) 8 次α衰變和 6次β衰變，每經(jīng)過(guò)一次β衰變就會(huì)有一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子，所以共有6個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子.

答案：A

3. 解析 原子 帶電量為 的帶電量為 ，⑵ ，⑷ ，從而可知 ，選項(xiàng)D正確。