1、第2讲 原子核 近代物理初步第十五章一、原子的结构1.电子的发现：人们认识原子有复杂的结构是从1897年汤姆生发现电子开始的.2.粒子散射实验：卢瑟福用粒子轰击金箔时，发现绝大多数粒子穿过金箔后仍能沿原来方向前进；少数粒子却发生较大角度的偏转，并且有极少数粒子偏转角超过了90，有的甚至被反弹.3.原子的核式结构：粒子散射实验是卢瑟福提出原子核式结构模型的实验基础.原子核式结构学说认为：在原子的中心有一个很小的核（称为原子核），原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核高速旋转.从粒子散射实验的数据可以估算出原子核的大小约为10-1510-14m，原子的大小约为
2、10-10m.如图15-2-1所示为卢瑟福和他的同事们做粒子散射实验的装置示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下面关于观察到的现象的说法中正确的是（）图15-2-1ADA.放在A位置时，相同时间内观察到荧光屏上的闪光次数最多B.放在B位置时，相同时间内观察到荧光屏上的闪光次数最多C.放在C、D位置时，屏上观察不到闪光D.放在D位置时，屏上仍能观察到一些闪光，但次数极少粒子散射实验现象是：绝大多数的粒子没有偏转，沿原方向前进，所以A项对，B项错；有少数的粒子发生较大角度偏转，有的甚至超过90，所以C、D处都能观察到粒子，只是数量少而已，所以C项错，D项对.二、原子核
3、1.天然放射性现象：某些元素自发地放出某些射线的性质.贝克勒尔发现天然放射现象，使人们认识到原子核也有复杂结构，揭开了人类研究原子核结构的序幕.原子序数大于84的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于84的天然存在的元素有些也具有放射性，它们放射出来的射线共有三种：射线、射线、射线.2.三种射线的本质和特性：说明：研究它们的方法是利用三种射线在电场或磁场中偏转情况不同.种类射线射线射线组成氦核电子光子符号42He0-1e速度c/100.99cc贯穿本领最弱较强最强电离本领最强较强最弱三种射线在匀强磁场、匀强电场中偏转情况比较：3.原子核的组成卢瑟福用粒子轰击氮原子核而发现质子.查德威克用粒
4、子轰击铍核发现中子.由此确定原子核由质子和中子组成.质子和中子统称为核子.原子核的质量数等于其核子数，原子核的核电荷数等于其原子序数.4.同位素具有相同的质子数和不同中子数的原子互称为同位数.如图15-2-2所示，x为一未知放射源，P为薄铝箔，当x放射源稳定时，计数器的计数率(单位时间内接受射线的次数)稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走P，则计数器的计数率大幅上升，说明x为()A.纯粒子放射源B.纯粒子放射源C.粒子和粒子的混合放射源D.粒子和粒子的混合放射源图15-2-2D薄铝箔完全可以阻挡粒子，所以能进入计数器的一定没有粒子；粒子和粒子都可以穿透薄铝箔，但由于粒
5、子是电子，在磁场的作用下会发生偏转，将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，说明一定没有粒子；抽走P，则计数器的计数率大幅上升，说明一定有其他的粒子进入了计数器，而这种粒子一定不是粒子，只能是粒子，所以D正确.三、原子核的衰变和衰变规律1.衰变：原子核由于自发地放出某种粒子而转化为新核的变化.说明：它不是物理变化也不是化学变化.2.衰变规律(1)衰变：实质：-44-22XY+HeAAZZ，11410222 nHe(2)衰变：实质：(3)射线：是伴随射线或射线产生的，射线是衰变后的新原核子放出的.说明：A.衰变的特点：自发地、无法控制的、能量无法利用.B.同一原子核不能同时发生衰变和衰变.0
6、11XYAZZe，11001-1nHe+3.半衰期(1)定义：放射性元素衰变有一定的速率，我们把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，用表示.(2)公式：mm0/2t/说明：A.半衰期由该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、化合物等)无关.B.对于某一个特定的核来说，何时衰变是偶然的，半衰期仅是对大量原子核的统计规律.比如研究200个铀的原子核经过一个半衰期后还剩多少个铀的原子核是没有意义的.4.放射性同位素的应用(1)利用放射线：利用射线的贯穿本领，利用射线的电离作用等.(2)作为示踪原子.(2010上海)某放射性元素经过1
7、1.4天有7/8的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为()A11.4天 B7.6天C5.7天 D3.8天D四、核反应及核反应方程核反应应遵守下列守恒定律：1.电荷守恒：反应前后的电荷数不变；2.质量数守恒：反应前后的总质量数不变；3.动量守恒:反应前后系统的总动量不变.4.能量守恒：反应前后系统的能量形式可以发生变化，但总能量(包括和质量相联系的能量)不变；说明：(1)核反应方程只能用“”连接，不能用“=”连接，用“”连接，指示反应方向.(2)写核反应方程必须要有依据，决不能毫无根据地编造.5.几个重要的核反应方程(1)卢瑟福发现质子的方程：(2)查德威克发现中子的方程：(3)发现人工放射性的方
8、程：实质：1441717281N+HeO+H941214260Be+HeC+n274301303001321501514+1Al+HeP+n,PSi+e.11010+1Hn+e?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（42He)，则下面说法正确的是()A.X核比Z核多一个质子B.X核比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CD由题写出核反应方程：由 以 上两个核反应方程可知X核比Z核多两个质子，X核比Z核多一个中子，X核的质量数比Z核质量数大3，X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍.0 11XY
9、e,AABB1-34-11-22Y+HZ+HeAABB，五、核能1.结合能：原子核的结合能与其核子数之比叫每个核子的平均结合能.不同原子核的平均结合能不同，轻核和重核的平均结合能都较小，中等质量数的原子核，平均结合能较大，质量数为5060的原子核平均结合能最大.2.爱因斯坦的质能方程：Emc2说明：(1)质能方程只是能量和质量的数学对应关系方程，不表示能量和质量有转化关系.只表示如果它的能量增加了E，那么它的质量也相应的增加m，反之亦然.(2)质量亏损m：由于核子结合成原子核时放出了结合能，因此核的质量跟组成它的核子的质量比较起来就要小一些，这叫做核的质量亏损.(3)由于质量数为5060的原子
10、核平均结合能最大，所以小核结合成这些核或大核分裂成这些核时都要放出结合能，即轻核聚变，重核裂变都能放出核能.3.核能的获得(1)重核的裂变重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平均结合能大，因此重核分裂成中等质量的核时，会有一部分结合能释放出来，这种核反应叫裂变.如铀核裂变.或说明：当中子打击铀235后，应形成处于激发状态的复核，复核裂变为两个质量差不多相等的碎片，同时放出23个中子，这些中子如能再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，这种反应叫链式反应.显然，链式反应要不断进行下去的一个重要条件是每个核裂变时产生的中子数要在一个以上.235114489192056360U+nBa
11、+Kr+3 n235113690192054380U+nXe+Sr+10 n(2)轻核的聚变轻核的结合能更小，某些轻核结合成质量较大的核时，能释放出更多的结合能，这种轻核结合成质量较大的核叫做聚变.如：说明：使核发生聚变，必须使它们接近到10-15m.一种办法是把核加热到很高温度，使核的动能足够大，能够克服相互间的库仑斥力，在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度，因此这种反应又叫做热核反应.23411120H+HHe+n+17.60eV(3)应用重核裂变：原子弹，原子反应堆；氢核聚变：氢弹，可控热核反应.4.核能的计算(1)质量亏损m的单位为千克时，公式Emc2中都采用国际标准单位.(2)由于1
12、u的质量亏损对应的核能为Emc2931.5MeV，则质量亏损m的单位为u(或原子量)时Em931.5MeV.科学家发现在月球上含有丰富的32He(氦3)，它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为 32He+32He211H+42He.关于 32He聚变下列表述正确的是()A.聚变反应不会释放能量B.聚变反应产生了新的原子核C.聚变反应没有质量亏损D.目前核电站都采用32He聚变反应发电B聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量.但目前核电站都采用铀核的裂变反应.在卢瑟福的粒子散射实验中，有少数粒子发生大角度偏转，其原因是
13、()A.原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在一个很小的核上B.正电荷在原子中是均匀分布的C.原子中存在着带负电的电子D.原子只能处于一系列不连续的能量状态中对卢瑟福粒子散射实验、原子模型的理解.A粒子散射实验中，有少数粒子发生了较大偏转.并且有极少数粒子的偏转超过了90，有的甚至被反弹回去，偏转角达到180，这说明了这些粒子受到很大的库仑力，施力体应是体积甚小的带电实体.根据碰撞知识，我们知道只有质量非常小的轻球与质量非常大的物体发生碰撞时，较小的球才被弹回去，这说明被反弹回去的粒子碰上了质量比它大得多的物质实体，即集中了全部正电荷和绝大部分质量的原子核.关于粒子散射实验，下列说法中正确的是(
14、)A.绝大多数粒子经过重金属箔后，发生了角度不太大的偏转B.粒子在接近原子核的过程中，动能减少，电势能减少C.粒子离开原子核的过程中，动能增大，电势能增大D.对粒子散射实验的数据进行分析，可以估算出原子核的大小D由于原子核很小，粒子十分接近它的机会很少，所以绝大多数粒子基本上仍按直线方向前进，只有极少数发生大角度的偏转.故选项A错误.用极端法，设粒子在向重金属核射去，如图所示，可知粒子接近核时，克服电场力做功，其动能减少，电势能增加；当粒子远离原子核时，电场力做正功，其动能增加，电势能减小，故选项B、C是错误的.23892U衰变为22286Rn要经过m次衰变和n次衰变，则m，n分别为（）A.2
15、，4B.4，2C.4，6D.16，6衰变规律.写出衰变总方程式：由电荷数守恒有：92862m-n由质量数守恒有：2382224m解之得：m4，n2.B2382224092862-1URn+He+n em2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过（钙48）轰击（锎249）发生核反应，成功合成了第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素，实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次衰变后，变成质量为282的第112号元素的原子核，则上述过程中的粒子x是（）AA.中子B.质子C.电子D.粒子由电荷数守恒有：118=3x32112，解之得：x0，即x为
16、中子.在衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出.中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中11H的核反应，间接地证实了中微子的存在.(1)中微子与水中的11H发生核反应，产生中子(10n)和正电子(0+1e)，即中微子+11H 10n+0+1e可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是.(填写选项前的字母)A.0和0B.0和1C.1和0D.1和1A(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子()，即0+1e+0-1e 2.已知正电子和电子的质量都为9.110-31k
17、g，反应中产生的每个光子的能量约为J.正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是.(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小.8.210-14遵循动量守恒粒子的动量物质波的波长由mnme，知pne,hp k2pmE，核反应方程与核能.(1)核反应过程质量数和核电荷数均守恒，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A项正确.(2)两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，由E=mc2，故一个光子的能量为代入数据得2E，148.2 10J.2E正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒.(3)物质波的波长为要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即因为mnme，所以pne.hp，k2pmE，
