原子核

原子核 类型：复习课
散 原子核
基础知识 一、原子的核式结构模型
1、汤姆生的“枣糕”模型
（1）1897年汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构，揭开了研究原子的序幕．
(2)“枣糕”模型：原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，电子像枣糕里的枣子一样镶嵌在原子里．
2、卢瑟福的核式结构模型1909～1911年，英国物理学家卢琴福和他的助手们进行了α粒子散射实验
(1)实验装置如图所示：
如图所示，用α粒子轰击金箔，由于金原子中的带电微粒对α粒子有库仓力作用，一些α粒子穿过金箔后改变了运动方向，这种现象叫做α粒子散射.
荧光屏可以沿着图中虚线转动，用来统计向不同方向散射的粒子数目.全部设备装在真空中.
(2)α粒子散射实验结果：
绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转.，极少数偏转角超过900，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到1800．
(3)现象解释：
认为原子中的全部正电荷和几乎所有质量都集中到一个很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿过金箔时都离核很远，受到的库仑力很小，它们的运动几乎不受影响.只有少数α粒子从原子核附近飞过，明显受到原子核的库仑力而发生大角度偏转.
核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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里绕着核旋转．
原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是呈电中性的．电子绕着核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力．
[说明] 核式结构模型的实验基础是α粒子散射实验，原子核是多么小，原子内部是多么“空”.
从α粒子散射的实验数据，估计原子核半径的数量级为10-14m～10-15m，而原子半径的数量级是10-10m.
二、天然放射性现象
1．放射性现象：贝克勒耳发现天然放射现象，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．通过对天然放射现象的研究，人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于83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：α射线、β射线、γ射线．
2、三种射线的本质和特性比较
①α射线：是氦核( He)流，速度约为光速的十分之一，在空气中射程几厘米，贯穿本领小，电离作用强.
②β射线：是高速的电子流，速度约为光速十分之几，穿透本领较大，能穿透几毫米的铝板，电离作用较弱.
③γ射线：是高能光子流，波长极短的电磁波，贯穿本领强，能穿透几厘米铅板，电离作用小.
[说明] 放射性元素有的原子核放出α射线，有的放出β射线，多余的能量以γ光子的形式射出.
种 类本 质质 量（u）电 荷（e）速 度（c）电 离 性贯 穿 性
α射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住
β射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板
γ射线光子001最弱最强，穿几cm铅版
三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：
3、原子核的衰变
定义：放射性元素的原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化称为衰变.
衰变规律：电荷数和质量数都守恒.
(1)α衰变的一般方程： → ＋ He?每发生一次α衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数减小2，质量数减少4．
α衰变的实质：是某元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)．(核内 )
(2)β衰变的一般方程： → ＋ e．每发生一次β衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数增加1，质量数不变．
β衰变的实质：是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子．(核内 )， +β衰变：
(3)γ射线是伴随α衰变或β衰变同时产生的、γ射线不改变原子核的电行数和质量数．
γ射线实质:是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子．
(4)半衰期 知放射性标志
定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间，叫这种元素的半衰期. （对大量原子核的统计规律）
用希腊字母τ表示公式： ，
[说明](1)半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的,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.
(2)半衰期只对大量原子核衰变才有意义，因为放射性元素的衰变规律是统计规律，对少数原子核衰变不再起作用.
(3)确定衰变次数的方法：设放射性元素 X经过n次α衰变m次β衰变后，变成稳定的新元素 Y，
则表示核反应的方程为： X→ Y+n He +m e. 由此可见确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组.
根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程 两式联立得：
三.原子核的人工转变核能
1．原子核的组成：质子和中子组成原子核。质子和中子统称为核子。
原子核的质量数等于其核子数，原子核的电荷数等于其质子数，原子核的中子数N等于其质量数A与电荷数Z之差，即N=A?Z。
质子质量= 1．007277u＝1．6725×10－27kg; 中子质量=1．008665u＝1．6748×10--27kg
具有相同的质子数、不同的中子数的原子核互称为同位素．
2．原子核的人工转变及其三大发现
原子核的人工转变：用人工方法使一种原子核变成另一种原子核的变化.用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，
反应方程 。式中 是靶核的符号， 为入射粒子的符号， 是新生核符号， 是放射出的粒子的符号。
①1919卢瑟福发现质子： N+ He→ O+ H
②1932年查德威克发现中子： Be+ He→ C+ n
③1934年约里奥居里夫妇发现放射性同位素和正电子 Al+ He → P+ n P→ Si+ e (其中， P是放射性同位素， e为正电子．)
3.放射性同位素的应用
⑴利用其射线：
利用α射线的电离作用，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电。
γ射线探伤:如利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤，γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，
利用放射线的贯穿本领了解物体的厚度和密度的关系,可以用放射性同位素来检查各种产品的厚度,密封容器中的液面高度,从而自动控制生产过程，
利用射线杀死体内的癌细胞等.用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程。
⑵作为示踪原子。如在生物科学研究方面，研究生物大分子结构及其功能。同位素示踪技术起着十分重要的作用。
在人工方法合成牛胰岛素的研制、验证方向、示踪原子起着重要的作用. 诊断甲状腺疾病的类型。
在输油管线漏的检查和对植物生长的检测方面，示踪原子都起着重要作用.用于研究农作物化肥需求情况，
⑶进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，半衰期短，可制成各种形状，强度容易控制）
四.核力与核能
1．核力：原子核的半径很小，其中的质子之间的库仑力很大，受到这么大的库仑斥力却能是稳定状态，一定还有另外一种力把各核子紧紧地拉在一起．这种力叫做核力(很强的短程力)
①核力是很强的力 ②核力作用范围小只在2．0×10－15 m短距离内起作用 ③每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用
2．核能
（1）结合能：核子结合成原子核时放出一定的能量，原子核分解成核子时吸收一定能量，这种能量叫结合能．
（2）质量亏损：核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损。
也可以认为．在核反应中，参加核反应的总质量m和核反应后生成的核总质量m/之差： Δm=m一m/
（3）爱因斯坦质能方程：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，
它们的关系是：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程。质能方程的另一个表达形式是：ΔE=Δmc2。
[说明]质能方程告诉我们质量和能量之间存在着简单的正比关系.物体的能量增大了,质量也增大了;能量减小了,质量也减小.
（4）核能计算：
①应用公式ΔE=Δmc 2时应选用国际单位，即ΔEM的单位为J，Δm的单位为kg，C的单位为m/s．
②1u相当于931．5MeV，其中u为原子质量单位：1u=1．660566×10－27kg ，lMev= l06 ev，leV＝1．6×10－19J
③应用公式ΔE=931．5Δm时，ΔE的单位为兆电子伏（MeV），Δm的单位为原子质量单位．
五.重核的裂变与轻核的聚变
1．重核的裂变（原子弹、核电站的原理）
①所谓重核即为质量数很大的原子核．裂变方程式例举：
②重核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量数的原子核的反应过程叫重核的裂变。在裂变的同时，还会放出几个中子和大量能量．
铀235裂变时，同时放出2?3个中子，如果这些中子再引起其他铀235核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，释放越来越多的能量，这种反应叫链式反应（原子弹的原理）．核反应堆是人类对核裂变能的利用。
铀235核能够发生接式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积．链式反应条件：①纯铀235；②达到临界体积
③核反应堆的构造：
A.核燃料??用铀棒(含 3%-4%的浓缩铀) B．减速剂??用石墨、重水或普通水( 只吸收慢中子)
C．控制棒??用镉做成(镉吸收中子的能力很强) D．冷却剂??用水或液态钠(把反应堆内的热量传递出去)
E．建很厚的水泥防护层屏蔽射线，还要考虑核废料的处理。
2．轻核的聚变（原子弹的原理） 优点：产能效率高，燃料的储量丰富，安全清洁，废料少易处理。
①所谓轻核是指质量数很小的原子核，如氢核、氘核等．
②某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程叫做轻核的聚变，同时放出大量的能量．方程： H＋ H→ He＋ n
轻核聚变条件：只能发生在超高温(需要几百万度高温)条件下，故轻核聚变也叫做热核反应．
(在太阳内部、原子弹的爆炸、激光聚焦才能达到这样的高温)。
受控热核反应：是人类对聚变能的利用，使得巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐释放出来，并加以利用。
六.粒子物理学
到19世纪末，人们认识到物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成。
20世纪30年代以来，人们认识了正电子、μ子、K介子、π介子等粒子。后来又发现了各种粒子的反粒子（质量相同而电荷及其它一些物理量相反）。
现在已经发现的粒子达400多种，形成了粒子物理学。按照粒子物理理论，可以将粒子分成三大类：媒介子、轻子和强子，其中强子是由更基本的粒子??夸克组成。从目前的观点看，媒介子、轻子和夸克是没有内部结构的“点状”粒子。
用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化。
规律方法 1。掌握典型的反应方程
1．四种核反应类型(衰变,人工核转变,重核裂变,轻核骤变)
⑴衰变： α衰变： (实质：核内 )α衰变形成外切(同方向旋)，
β衰变： (实质：核内的中子转变成了质子和中子 )
β衰变形成内切(相反方向旋)，且大圆为α、β粒子径迹。
+β衰变： （核内 ）
γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。
⑵人工转变： (发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在
(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍
(人工制造放射性同位素)
正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔
⑶重核的裂变：
在一定条件下(超过临界体积)，裂变反应会连续不断地进行下去，这就是链式反应。
⑷轻核的聚变： (需要几百万度高温，所以又叫热核反应)
所有核反应的反应前后都遵守：质量数守恒、电荷数守恒。（注意：质量并不守恒。）
2．理解原子核的变化
无论天然放射性元素的衰变，还是原子核的人工转变，都遵循电荷数守恒、质量数守恒（注意：质量并不守恒），动量守恒与能量守恒有关规律，除去会写核反应过程以外，还需结合以前学过的力学知识、电磁学知识进行有关计算．
3．理解核能与核能的计算
凡是释放核能的核反应都有质量亏损。核子组成不同的原子核时，平均每个核子的质量亏损是不同的，所以各种原子核中核子的平均质量不同。核子平均质量小的，每个核子平均放的能多。铁原子核中核子的平均质量最小，所以铁原子核最稳定。凡是由平均质量大的核，生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的。
核能的计算方法：
(1)根据爱因斯坦的质能亏损，用核子结合成原子核时的质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)即ΔE=Δmc2①
(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5(MeV)能量,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV即ΔE=Δm×931.5MeV②
注意：①式Δm的单位是千克(kg)，ΔE的单位是焦耳(J)；
②式中Δm的单位是指原子质量单位(u)(1u=1.660566×10-27 kg)，ΔE的单位是兆电子伏(MeV)。
(3)由核能的转化量来计算核能。
在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能转化为生成新核和新粒子的动能，因而在此情况下可应用力学原理??动量守恒和能量守恒来计算核能。
整个知识体系可归结为：两模型(原子的核式结构模型、波尔原子模型)；两方程(核反应方程、质能方程)；四变(衰变、人工转变、裂变、聚变)；六子(电子、质子、中子、正电子、 粒子、 光子)。4条守恒定律(电荷数守恒、质量数守恒、能量守恒、动量守恒)贯串全章。
高考对本章的考查：以α粒子散射实验、原子光谱为实验基础的卢瑟福原子核式结构学说和玻尔原子理论，各种核变化和与之相关的核反应方程、核能计算等。


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