1、第二课时原子原子核第一关：基础关展望高考基 础 知 识一、原子的核式结构模型知识讲解(1)粒子散射实验19091911年卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔的实验,获得了重要的发现.实验装置(如图所示)由放射源,金箔,荧光屏等组成.说明:a.整个实验过程在真空中进行.b.金箔很薄,粒子(He核)很容易穿过.实验现象与结果绝大多数粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数粒子发生了较大角度的偏转.极少数粒子偏转角超过90,有的几乎达到180,沿原路返回.(2)原子的核式结构卢瑟福依据粒子散射实验的结果,提出了原子的核式结构:在原子中心有一个很小的核,叫原子核,原子的全部正电荷和几乎全部质量都集
2、中在核里,带负电的电子在核外空间绕核旋转.(3)原子核的电荷与尺度原子核的电荷:原子核的电荷数就是核中的质子数,等于核外电子数,接近于原子序数.原子核的尺度:对于一般的原子核,核半径的数量级为10-15m,而原子半径的数量级为10-10m,两者相差十万倍,可见原子内部是十分!空旷的.活学活用1.卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析,提出（）A.原子的核式结构模型B.原子核内有中子存在C.电子是原子的组成部分D.原子核是由质子和中子组成的解析：粒子散射实验的结果是大部分粒子沿原来方向前进,少部分发生大角度偏转,极少数偏转角超过90甚至达到180,说明原子的几乎全部质量与全部正电荷都集中在很小的核上
3、.据此卢瑟福提出了原子的核式结构模型.答案：A二、天然放射现象知识讲解(1)元素自发地放出射线的现象叫做天然放射现象.首先由贝克勒尔发现.天然放射现象的发现,说明原子核还有复杂的结构.(2)具有放射性的元素叫做放射性元素,一般原子序数大于83的所有天然元素都具有放射性,原子序数小于83的天然存在的元素有些也有放射性,它们放射出来的射线共有三种.(3)三种射线的本质和特征活学活用2.如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是（）A.和的混合放射源B.纯放射源C.和的混合放
4、射源D.纯放射源解析：此题考查运用三种射线的性质分析问题的能力.在放射源和计数器之间 加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即粒子.在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,说明穿过铝片的粒子中无带电粒子,故只有射线.因此,放射源可能是和的混合放射源.答案：C三、原子核的组成知识讲解原子核是由质子,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.(1)原子核中的三个整数核子数:质子和中子质量差别非常微小,两者统称为核子,所以质子数和中子数之和叫核子数.电荷数(Z):原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数
5、表示原子核的电荷量,叫做原子核的电荷数.质量数(A):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,这个整数叫做原子核的质量数.(2)原子核中的两个等式核电荷数=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)同位素定义:具有相同质子数不同中子数的原子核,在元素周期表中处于同一位置,因而互称同位素.说明:原子核的质子数决定了核外电子的数目,也决定了电子在核外分布的情况,进而决定了这种元素的化学性质.同位素的化学性质相同.活学活用3.目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类
6、夸克组成.u夸克带电荷量为e,d夸克带电荷量为-e,e为元电荷.下列论断可能正确的是()A.质子由1个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和1个d夸克组成解析：因质子带电荷量为e，中子呈电中性，u夸克带电荷量为e，d夸克带电荷量为-e，显然质子应由2个u夸克和1个d夸克组成，中子应由1个u夸克和2个d夸克组成，故选项B正确.答案:B四、原子核的衰变知识讲解1.衰变规律：衰变He衰变e
7、2.形成原因：原子核中2个质子和2个中子结合后一起射出，形成衰变.原子核中的中子转化为质子和电子,形成衰变.射线是伴随衰变或衰变而产生的.2e3.半衰期意义:放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间.用希腊字母表示.公式:N余=N原（）t/ m余=m原（）t/式中N原、m原分别表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余分别表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期.半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强、温度等）或化学状态（如单质或化合物）无关.活学活用4.从U衰变为Pb，要经过衰变和衰变的次数是()A.14次衰变和
8、10次衰变B.7次衰变和4次衰变C.10次衰变和14次衰变D.4次衰变和7次衰变解析：设衰变和衰变的次数分别为x和y，则4x=235-207 (质量数守恒）2x-y=92-82 (电荷数守恒）解得x=7,y=4,故选B.答案:B五、核能知识讲解1.核能核子结合成原子核需要放出能量,这叫原子的结合能,称为核能.2.质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.3.爱因斯坦质能方程凡具有质量的物体都具有能量,物质的质量和能量间的关系为:E=mc2若原子核质量亏损m.对应释放的能量为E=mc2.活学活用5.一个铀238核发生衰变
9、而变成钍234核,已知铀核的质量为3.85313110-25kg,钍核的质量为3.78656710-25kg,粒子的质量为6.64672-27kg,试计算在这个衰变过程中要释放出多少能量?(结果保留2位有效数字)解析：在铀核衰变过程中的质量亏损为m=(3.85313110-25-3.78656710-25-6.6467210-27) kg=9.710-30kg释放的核能E=mc2=9.710-30(3108)2J8.710-13J六、重核的裂变与轻核的聚变知识讲解1.重核的裂变裂变：重核分裂成两个质量较小的原子核的核反应叫裂变.链式反应:裂变要在一定的条件下才能进行,比如铀235核受到中子轰击
10、时会发生裂变,而裂变时又要放出一些中子,这些中子又可引起其他的铀235核裂变,而使裂变反应不断进行下去,这种反应叫做链式反应.2.轻核的聚变聚变:轻核结合成质量较大原子核的核反应称为聚变.热核反应:聚变必须在轻核间的距离十分接近,即达到10-15m时才能进行.在极高温度下,原子核可以获得足够的动能克服库仑斥力而发生聚变,这种聚变反应叫做热核反应.活学活用6.据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置（又称“人造太阳”）已完成了首次工程调试.下列关于“人造太阳”的说法中正确的是()A.“人造太阳”的核反应方程是B.“人造太阳”的核反应方程是C.根据公式E=mc2可知，核燃
11、料的质量相同时，聚变反应释放的能量比裂变反应大得多D.根据公式E=mc2可知，核燃料的质量相同时，聚变反应释放的能量与裂变反应释放的能量相同解析：“人造太阳”是核聚变装置，故A正确，B错误.由于聚变的燃料是轻核，裂变燃料是重核，根据原子量知同等质量的聚变燃料比裂变燃料包含的原子核数目多，故能产生更多能量，C正确，选AC.答案：AC第二关：技法关解读高考解 题 技 法一、衰变规律的运用技法讲解运用衰变规律重点要掌握“退二进一”规律，即原子核发生衰变后，新核在元素周期表上要退2位，质量数减4；而衰变后，新核比旧核在元素周期表上的位置进1位，但质量数不变，另外在分析推理的过程中始终要牢记质量数和电荷
12、数守恒.典例剖析例1下列说法正确的是（）A. Ra衰变为Rn要经过1次衰变和1次衰变B. U衰变为Pa要经过1次衰变和1次衰变C. Th衰变为Rb要经过6次衰变和4次衰变D. U衰变为Rn要经过4次衰变和4次衰变解析：设Ra衰变为Rn要经过x次衰变和y次衰变，其衰变方程为RaRn+xHe+ye根据质量数守恒和电荷数守恒分别有226=222+4x,88=86+2x-y，解得x=1,y=0；可见选项A错误.设U衰变为Ra要经过n次衰变和m次衰变，其衰变方程为URa+nHe+me根据质量数守恒和电荷数守恒分别有238=234+4n,92=91+2n-m.解得n=1,m=1.选项B正确.同理可知选项C
13、正确，选项D错误.所以，正确答案为B、C.答案：BC二、核能的计算方法归纳技法讲解核能的计算是原子物理的重点知识和高考的热点问题,其基本方法是:(1)根据质量亏损计算,步骤如下a.根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损m.b.根据爱因斯坦质能方程E=mc2或E=mc2计算核能.c.计算过程中m的单位是千克,E的单位是焦耳.(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算明确原子质量单位u和电子伏特间的关系.由1 u=1.660610-27kg,1 eV=1.610-19J,得E=mc2=931.5MeV.根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量
14、单位数乘以931.5MeV,即得E=m931.5MeV.上式中,m的单位是u,E的单位是MeV.(3)利用平均结合能来计算核能原子核的结合能=核子的平均结合能核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差,就是该次核反应所释放(或吸收)的核能.(4)根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统,在核反应过程中的动量和能量是守恒的,因此,在题给的条件中没有涉及质量亏损,或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下,根据动量和能量的守恒可以计算出核能的变化.(5)应用阿伏加德罗常数计算核能若要计算具有宏观质量的物质中所
15、有原子核都发生核反应所放出的总能量,应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便.a.根据物体的质量m和摩尔质量M,由n=,求出物质的量，并求出原子核的个数N=NAn=NA.b.由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量E0（或直接从题目中找出E0）.c.再根据E=NE0求出总能量.典例剖析例2一个铀核衰变为钍核时释放出一个粒子，已知铀核的质量为3.85313110-25kg，钍核的质量为3.78656710-25kg,粒子的质量为6.6467210-27kg，在这个衰变过程中释放出的能量等于_J（保留二位有效数字）.解析：衰变前的铀核可认为是静止的，衰变后的产物粒子是运动的，这表明在衰
16、变过程中系统的机械能增加了，根据能的转化和能量守恒定律，这部分机械能是由核能转化而来的，这部分核能可以根据核反应过程中的质量亏损，根据爱因斯坦质能方程计算出来.设核反应前的质量和能量分别为m1,E1，则：E1=m1c2设核反应后的质量和能量分别为m2,E2，则：E2=m2c2两式相减得：E=mc2=mU-(mTh+ma)c2=3.853131-(3.786567+0.0664672)10-25(3108)2J=8.710-13J.答案：8.710-13J例3氘核和氚核聚变时的核反应方程为已知H的平均结合能是2.78 MeV, H的平均结合能是1.09 MeV, He的平均结合能是7.03 Me
17、V,试计算核反应时释放的能量.解析：聚变反应前氘核和氚核的总结合能E1=(1.092+2.783)MeV=10.52MeV反应后生成的氦核的结合能E2=7.034 MeV=28.12MeV由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量E=E2-E1=(28.12-10.52)MeV=17.6MeV第三关：训练关笑对高考随 堂 训 练1.某原子核AZX的质量为m,若用mp和mn分别表示一个质子和一个中子的质量,那么核子组成一个这种原子核释放的核能是()A.m-Zmp-(A-Z)mnc2B.Zmp+(A-Z)mn-mc2C.m-Zmn-(A-Z)mpc2D.Zmn+(A-Z)mp-mc2解析:核子
18、组成该种原子核后亏损的质量为Zmp+(A-Z)mn-m,据质能方程可知释放的能量为Zmp+(A-Z)mn-mc2,故正确答案为B.答案:B2.近段时间，朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目，其焦点问题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（Pu)，这种Pu可由铀239(U)经过n次衰变而产生，则n为()A.2B.239C.145D.92答案：A3.放射性同位素Na的样品经过6小时还剩下1/8没有衰变，它的半衰期是（）A.2小时B.1.5小时C.1.17小时D.0.75小时解析：本题考查考生对半衰期的理解，我们知道，放射性元素衰变一半所用时间
19、是一个半衰期，剩下的元素再经一个半衰期只剩下1/4，再经一个半衰期这1/4又会衰变一半只剩1/8，所以题中所给的6小时为三个半衰期的时间，因而该放射性同位素的半衰期应是2小时，也可根据m余=m原（）得=（），T=2（小时）答案：A4.在匀强磁场里有一个原来静止的放射性元素碳14，它所放射的粒子与反冲核的径迹在磁场中是两个相切的圆，圆的直径之比7:1，如图所示，那么，碳14的衰变方程是（）A.B.C.D.解析：因r=mv/qB，由动量守恒可知，放出的粒子和反冲核满足m1v1=m2v2，所以答案：C5.两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1.0087u，质子的质量为1
20、.0073u，氦核的质量为4.0026u,试计算用中子和质子生成1 kg的氦时，要释放出多少核能？解析：先计算出一个氦核释放的能量，再根据1 kg氦核的个数即可算出释放出总的核能.核反应方程,生成一个氦核过程的质量亏损m=(1.0087u+1.0073u)2-4.0026u=0.0294u,释放的能量E=0.0294931.5MeV=27.3861MeV,生成1kg氦核释放的能量E=nE=27.38611061.610-19J=6.591014J.答案：6.591014J课时作业四十八原子原子核1.三个原子核X、Y、Z、X核放出一个正电子后变为Y核，Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦核
21、（He），则下面说法正确的是()A.X核比Z核多一个质子B.X核与Z核少一个中子C.X核的质量数比Z核质量数大3D.X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍解析:设X原子核为X，则根据题意应有再据质量数和核电荷数的关系可得C、D正确，A、B错误.答案:CD2.放射性同位素钍232经、衰变会生成氡，其衰变方程为+x+x,其中()A.x=1,y=3B.x=2,y=3C.x=3,y=1D.x=3,y=2解析:由质量数和电荷数守恒可得：4x+220=2322x-y+86=90解得：x=3,y=2.答案:D3.一个氡核Rn衰变成钋核Po并放出一个粒子，其半衰期为3.8天.1 g氡经过7.6天衰变掉氡的质量，以
22、及Rn衰变成Po的过程放出的粒子是()A.0.25g,粒子B.0.75g,粒子C.0.25g,粒子D.0.75g,粒子解析:氡核半衰期为3.8天，7.6天为2个半衰期，所以1g氡7.6天衰变掉的质量为1g+(1g)=0.75g.由RnPo+He知Rn衰变成Po的过程中放出的粒子是He即粒子，所以B正确.答案:B4.印度第一艘自主研发的核潜艇于2009年7月26日正式下水，成为世界第六个拥有核潜艇的国家.核动力潜艇是潜艇中的一种类型，指以核反应堆为动力来源设计的潜艇.在核反应中有一种是一个U原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反应，其裂变方程为U+nX+Sr+10n，则下列叙述正确的是()A
23、.X原子核中含有54个质子B. X原子核中含有53个中子C.裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量D.裂变时释放能量，出现质量亏损，质量数不守恒解析：由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：X原子核中含有54个质子，78个中子，故A正确，BD错,释放能量不是质量变成了能量，而是亏损的质量以能量的形式释放，C错.答案：A5.铝箔被粒子轰击后发生了以下核反应：.下列判断正确的是()A. n是质子B. n是中子C.X是Si的同位素D.X是P的同位素解析: n的质量数为1应为中子，则A错误，B正确.从反应方程知X为X，其电荷数为15，质量数为30，是P的同位素.所以C错误，而D正确.答案:BD6.
24、中子和质子结合成氘核时，质量亏损为m，相应的能量E=mc2=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.用能量等于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解析:用能量小于等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
25、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.答案:AD7.一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个光子.已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c.下列说法正确的是()A.核反应方程是B.聚变反应中的质量亏损m=m1+m2-m3C.辐射出的光子的能量E=（m3-m1-m2）cD. 光子的波长=解析:由知A错；质量亏损m=m1+m2-m3,B正确；由E=mc2结合质量亏损知C错误；mc2=h=h,所以光子的波长=,因此，D错误.答案:B8.（山东临沂一模）如图所示是
26、原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象.下列说法中正确的是()A.若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量B.若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量C.若A能分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量D.若A能分裂成B、C，分裂过程一定要吸收能量解析:核反应过程中，核子数守恒，反应后比反应前核子平均质量减小，则反应过程一定要放出能量，反之，反应后核子平均质量增大，则反应过程中一定要吸收能量，由图象易知A、C正确.实际上在这里A项为轻核的聚变反应，C项为重核的裂变反应.答案:AC9.放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核时，往往会同时伴随_辐射.已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1
27、和T2，经过t=T1T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA:mB=_.解析:由半衰期公式m=m0()结合题意可得mA=mB,所以.答案:10.一个运动的粒子撞击一个静止的14N核，它们暂时形成一个复合核，随即复合核迅速转化成一个质子和另一个原子核.已知复合核发生转化需要能量1.19 MeV.那么要想发生上述核反应，入射的粒子的动能至少要多大？解析:粒子撞击N核形成复合核，应遵循动量守恒，即m1v0=(m1+m2)v由能量守恒可知，系统损失的动能变成复合核发生转化所需的能量，即m1v-(m1+m2)v2=1.19MeV联立两式解得入射粒子的动能m1v=1.53MeV
28、.答案:1.53MeV11.如图所示，有界的匀强磁场磁感应强度为B=0.05 T，磁场方向垂直于纸面向里，MN是磁场的左边界.在磁场中A处放一个放射源，内装Ra，Ra放出某种射线后衰变成Rn，试写出衰变方程.若A距磁场边界MN的距离OA=1.0 m时，放在MN左侧的粒子接收器收到垂直于边界MN方向射出的质量较小的粒子，此时接收器距过OA的直线1.0 m.据此可推算出一个静止镭核（Ra）衰变过程中释放的核能有多少？（取1 u=1.610-27kg，e=1.610-19C，结果保留三位有效数字）解析：衰变方程为.放出的粒子为粒子.垂直MN穿出磁场的粒子在磁场中运动的行迹应如图所示，即其轨迹半径R=
29、OA=1.0m.由qvB=m得v=m/s=2.5106m/sEk=6.410-27(2.5106)2J=2.010-14J,又Ra衰变过程中动量守恒，即mv=mRnvRn所以所以由能的转化和守恒定律得，释放的核能为E=Ek+EkRn=（1+) Ek=(1+)2.010-14J=2.0410-14J.答案：2.0410-14J12.一个静止的氮核N俘获一个速度为2.3107m/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的速度方向与中子速度方向相同，B的质量是中子的11倍，速度是106m/s，B、C在同一匀强磁场中做圆周运动的半径比为RB：RC=11：30.求：（1）C核的速度大小；（2）根据计算判断C核是什么核；（3）写出核反应方程.解析:（1）设中子的质量为m，则氮核的质量为14m，B核的质量为11m，C核的质量为4m，根据动量守恒可得：mv0=11mvB+4mvC,代入数值解得vC=3106m/s.（2）根据带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径公式：R=可得：所以;又qC+qB=7e解得：qC=2e,qB=5e,所以C核为He.(3)核反应方程答案:(1)3106m/s (2) He (3)