2018版高中物理第3章原子核与放射性第1节原子核结构教师用书

第1节 原子核结构

质 子 和 中 子 的 发 现

[先填空]

1．质子的发现

(1)实验：为探测原子核的结构，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子．

(2)结论：质子是原子核的组成部分．

2．中子的发现

(1)卢瑟福的预想

卢瑟福发现质子后，预想核内还有一种不带电的中性粒子，并给这种“粒子”起名为中子．

(2)中子的发现是许多科学家研究的结晶．

①1930年，用钋发出的α射线轰击铍时，会产生一种不受电场和磁场影响、穿透能力很强的射线．

②1932年，约里奥·居里夫妇用这种射线轰击石蜡，能从石蜡中打出质子．

③1932年，查德威克对云室中这种射线进行研究，发现这种射线是一种不带电、质量接近质子的粒子流，即为中子．

[再判断]

1．卢瑟福在α粒子散射实验中发现了质子．(×)

2．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在．(√)

3．玻尔在实验中发现了中子．(×)

[后思考]

卢瑟福是如何证明α粒子轰击氮原子核产生的新核是质子的？

【提示】 卢瑟福把这种粒子分别引进电场和磁场，根据该粒子在电场和磁场中的偏转，测出了其质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫质子．

[核心点击]

1．质子的发现

(1)实验背景

电子的发现使人们认识到，原子不再是构成物质的基本单位，进一步研究发现，原子的中心有一个原子核，原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量．原子核的结构如何？1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验．

(2)实验装置(如图3­1­1所示

)

图3­1­1

T 进气孔、A 放射源、F 铝箔、S 荧光屏、M 显微镜，C 真空容器．

(3)实验过程

容器C 里放有放射性物质A ，从A 放射出的α粒子射到铝箔F 上，适当选取铝箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不能透过．在F 的后面放一荧光屏S ，M 是显微镜，通过M 可以观察到S 是否有闪光．

(4)实验现象

开始，S 上无闪光(因为α粒子没有穿过铝箔) ．打开进气孔T 的阀门，通入氮气，可以观察到S 上有闪光．

(5)实验分析

容器C 中通入氮气后，用显微镜观察到荧光屏上有闪光，闪光一定是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的．

(6)新粒子性质研究

①把这种粒子引进电磁场中，根据它在电磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，进而确定它就是氢原子核，又叫质子．用符号表示为1H 或1p.

②人们用同样的办法从其他元素的原子核中也轰击出了质子．

(7)实验结论

质子是原子核的组成部分．

2．中子的发现

(1)科学家在1930年利用Po 放出的α射线轰击铍原子核时，产生了一种看不见的贯穿能力很强、不受电场和磁场影响的射线．

(2)1932年，约里奥·居里夫妇发现如果用来自铍的射线去轰击石蜡，能从石蜡中打出质子，如图3­1­2所示． 11

图3­1­2

(3)1932年，查德威克进一步研究这种射线时发现，这种射线是一种不带电的、质量接近质子的粒子流，即是卢瑟福猜想的中子．

(4)结论：中子是原子核的组成部分．

1．卢瑟福发现质子后，预想到原子核中还有中子的存在，其判断依据与下列事实相符的是( )

A ．电子数与质子数相等

B ．原子核的质量大约是质子质量的整数倍

C ．原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些

D ．质子和中子的质量几乎相等

【解析】 卢瑟福发现原子核的核电荷数与原子核的质量数不相等，大约是原子核质量数的一半或少一些，因此预想到在原子核内还存在有质量而不带电的中性粒子，即中子，故符合事实的是C.

【答案】 C

2．如图3­1­3所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图，由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a ，用粒子流a 轰击石蜡后会打出粒子流b ，则粒子流a 为________，粒子流b 为________．

图3­1­3

【解析】 不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子，因为质子就是氢核，而石蜡中含有大量氢原子，轰击石蜡的不可见粒子应该是中子，故a 为中子，b 为质子．

【答案】 中子 质子

3．1919年卢瑟福通过如图3­1­4所示的实验装置，第一次完成了原子核的人工转变，并由此发现了质子．图中A 为放射源发出的________粒子，B 为________气．写出该实验的核反应方程：________________________________________________________________________.

【导学号：64772039】

图3­1­4

【解析】 题图为α粒子轰击氮原子核生成质子的实验装置，放射源A 发出的是α粒子，B 为氮气，其核反应方程为：2He ＋ 7N→ 8O ＋1H.

【答案】 α 氮 2He ＋ 7N→ 8O ＋1

H

1 卢瑟福通过原子核的人工转变发现了质子并预言了中子的存在.

2 查德威克首先从实验中发现了中子，证实了卢瑟福的预言.

3 在卢瑟福发现质子的实验装置中，穿过铝箔到达荧光屏的不可能是放射源放出的α粒子

.

原 子 核 的 组 成

[先填空]

1．原子核的组成

(1)组成：原子核由质子和中子组成，并将质子和中子统称为核子．

(2)原子核的符号：Z X ，其中X 为元素符号；A 表示原子核的质量数，Z 表示核电荷数．

(3)两个基本关系： ①核电荷数＝质子数＝原子序数． ②质量数＝质子数＋中子数＝核子数．

2．同位素 具有相同质子数、不同中子数的原子，如氢的三种同位素1H 、1H 、1H.

3．核反应与核反应方程

(1)核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．

(2)核反应方程：用原子核符号描述核反应过程的式子．

(3)核反应规律：在核反应中，质量数和核电荷数守恒．

[再判断]

1．原子核内只有质子而没有中子．(×)

2．同位素具有相同的物理、化学性质．(×) [**************]A

3．核反应方程只要满足质量数、电荷数守恒可以随便写．(×)

[后思考]

铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，其核外电子有多少个？中子数又是多少？

【提示】 铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和的关系，铅原子核的中子数为207－82＝125(个) ．

[核心点击]

1．原子核的大小和组成

2．对核子数、电荷数、质量数的理解

(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．

(2)电荷数(Z ) ：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，通常用这个数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数．

(3)质量数(A ) ：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，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，这个倍数叫作原子核的质量数．

3．同位素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，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，所以它们的物理性质不同．把具有相同质子数、不同中子数的原子互称为同位素．

4．(多选) 已知 88Ra 是 88Ra 的一种同位素，则下列说法正确的是( )

A ．它们具有相同的质子数和不同的质量数

B ．它们具有相同的中子数和不同的原子序数

C ．它们具有相同的核电荷数和不同的中子数

D ．它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质

【解析】 原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的，且原子核内的质量数(核子数) 等于核内质子数与中子数之和．由此知这两种镭的同位素核内的质228226

子数均为88，核子数分别为228和226，中子数分别为140和138；原子的化学性质由核外电子数决定，因为它们的核外电子数相同，所以它们的化学性质也相同．故正确答案为A 、

C.

【答案】 AC

5．完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子的．

A. 5B ＋2He→ 7N ＋( )

B. 4Be ＋( )→ 6C ＋0n

C. 13Al ＋( )→12Mg ＋1H

D. 7N ＋2He→ 8O ＋( )

E. 92U→ 90Th ＋( )

F. 11Na ＋( )→11Na ＋1H

【解析】 A. 5B ＋2He→ 7N ＋0n

B. 4Be ＋2He→ 6C ＋0n 此核反应使查德威克首次发现了中子

C. 13Al ＋0n→12Mg ＋1H

D. 7N ＋2He→ 8O ＋1H 此核反应使卢瑟福首次发现了质子

E. 92U→ 90Th ＋2He

F. 11Na ＋1H→11Na ＋1H

【答案】 见解析

6．已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226. 试问：

(1)镭核中有多少个质子？多少个中子？

(2)镭核所带的电荷量是多少？

(3)呈中性的镭原子，核外有多少个电子？

【解析】 (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 ＝226－88＝138.

(2)镭核所带电荷量：Q ＝Ze ＝88×1.6×10－[***********][***********][***********][1**********]413 C＝1.41×10－17 C.

(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.

【答案】 (1)88 138 (2)1.41×10－17 C

(3)88

原子核的“数”与“量”辨析技巧

(1)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．

(2)原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同．原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和．

学业分层测评(八)

(建议用时：45分钟)

[学业达标]

1．(多选) 关于质子与中子，下列说法正确的是( )

A ．原子核(除氢核外) 由质子和中子构成

B ．质子和中子统称为核子

C ．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在

D ．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在

【解析】 原子核(除氢核外) 由质子和中子构成，质子和中子统称为核子，卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在，查德威克用α粒子轰击铍发现了中子，故A 、B 、C 正确，D 错误．

【答案】 ABC

2．人类探测月球发现，月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一，氦的这种同位素应表示为( ) 【导学号：64772102】

A. 3He

C. 2He 44B. 2He D. 3He

333【解析】 氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故可写作2He ，因此B 正确，A 、C 、

D 错误．

【答案】 B

3．(多选) α粒子击中氮14核后放出一个质子，转变为氧17核( 8O) ．在这个氧原子核中有( )

A ．17个电子

B ．9个中子

C ．8个质子

D ．这个氧原子核中不可能存在处于游离态的电子或正电子

【解析】 根据原子核的构成，核电荷数为8，即质子数为8，核外电子数为8，质量数为17，所以中子数为17－8＝9，原子核内没有游离的正电子，所以答案为B 、C 、D.

【答案】 BCD

4．(多选) 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 核少一个中子

B ．X 核的质量数比Z 核的质量数大3

C ．X 核与Z 核的总电荷是Y 核电荷的2倍

17

D ．X 核的电荷数比Z 核的电荷数大2

【解析】 设原子核X 的核电荷数为n ，质量数为m ，则由已知可得两个核反应方程式分别为：

m

n X→01e ＋ m n －1Y

m n －1Y ＋11H→42He ＋m －3n －2Z

因此比较X 、Y 、Z 的质量数与核电荷数，可判定B 、C 、D 均正确．

【答案】 BCD

5．有些元素的原子核可以从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子(如从离原子核最近的K 层电子中俘获电子，叫“K俘获”)，当发生这一过程时( ) 【导学号：64772040】

A ．新原子是原来原子的同位素

B ．新原子核比原来的原子核少一个质子

C ．新原子核将带负电

D ．新原子核比原来的原子核少一个中子

【解析】 原子核“俘获”一个电子后，带负电的电子与原子核内带正电的质子中和，原子核的质子数减少1，中子数增加1，形成一个新原子，新原子与原来的原子相比，质子数不同，中子数也不同，但核子数相同，不是同位素，所以B 正确．

【答案】 B

6．(多选) 以下说法中正确的是( )

A ．原子中含有带负电的电子，所以原子带负电

B ．原子核中的中子数一定跟核外电子数相等

C ．用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分

D ．绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子

【解析】 原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的原子核，故A 错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B 错；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C 正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D 正确．

【答案】 CD

7．以下是物理学史上3个著名的核反应方程

1417912x ＋7

3Li→2y y ＋ 7N→x ＋ 8O y ＋4Be→z ＋ 6C

x 、y 和z 是3种不同的粒子，其中z 是________．

【解析】 把前两个方程化简，消去x ，即 7N ＋3Li ＝y ＋ 8O ，可见y 是2He ，结合第三个147174

方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z 是中子0n.

【答案】 0n

8．一个静止的氮核 7N 俘获了一个速度为2.3×10m/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10 m/s，B 、C 在同一匀强磁场中做圆周运动的半径之比R B ∶R C ＝11∶30，求：

(1)C核的速度大小；

(2)根据计算判断C 核是什么；

(3)写出核反应方程．

【解析】 氮核吸收了一个中子变成的复核不稳定，将发生衰变．整个过程中，中子、氮核以及两个新核组成一个系统，过程前后都不受外界的任何干扰，所以整个系统在俘获与衰变过程中动量均守恒．利用这一点，可以求出C 核的速度．然后根据粒子在磁场中的运动情况就可以判断核的种类，写出核反应方程．

(1)氮核从俘获中子到衰变成B 、C 两个新核的过程动量守恒，有m n v n ＝m B v B ＋m C v C 根据质量数守恒规律，可知C 核的质量数为14＋1－11＝4.

由此解得v C ＝3×10 m/s.

(2)由带电粒子在洛伦兹力的作用下做圆周运动时R ＝6614711mv qB

q B m B v B R C 11×106×305＝＝① q C m C v C R B 4×3×106×112

q B ＋q C ＝7②

将①②式联立求解得q C ＝2，而A C ＝4，则C 核是氦原子核．

(3)核反应方程式是 7N ＋0n→ 5B ＋2He.

【答案】 见解析

[能力提升]

9．(多选) 有两束均由质子和氘核混合组成的粒子流，第一束中的质子和氘核具有相同的动量，第二束中的质子和氘核具有相同的动能．现打算将质子和氘核分开，有以下一些做法，这些方法中可行的是( )

A ．让第一束粒子流垂直电场方向进入匀强电场后穿出

B ．让第二束粒子流垂直电场方向进入匀强电场后穿出

C ．让第二束粒子流垂直磁场方向进入匀强磁场后穿出

D ．让粒子流垂直于电场方向进入速度选择器，适当调节两板间电场强度大小，让粒子流从板间穿出

【解析】 在电场中，电场方向上的偏移量为

1qEl m qEl y at 2＝＝22p 4E k

22141114

在磁场中，轨道半径为

mv p 2mE k R ＝qB qB qB

所以，以相同的动量进入电场和以相同的动能进入磁场能分开．适当调节速度选择器两板间电场强度，可使质子满足Eq ＝Bvq ，沿直线飞出，则氘核将沿电场方向偏转，倾斜穿出，故A 、C 、D 正确．

【答案】 ACD

10．(多选) 铝箔被α粒子轰击后发生了以下核反应：13Al ＋2He ―→X＋0n. 下列判断正确的是( )

A. 0n 是质子

C ．X 是14Si 的同位素

12812741B. 0n 是中子 D ．X 是15P 的同位素 311【解析】 0n 表示质量数为1，电荷数为0，是中子的表示符号，B 对．根据核反应的

质量数守恒和电荷数守恒可推得产生的X 元素的质量数为30，电荷数为15，即15P 的同位素，D 对．

【答案】 BD

11．1993年，中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素202 78Pt ，制取过程如下：

(1)用质子轰击铍靶94Be 产生快中子，核反应方程：___________________________；

(2)用快中子轰击汞204 80Hg ，反应过程可能有两种：

①生成202 78Pt ，放出氦原子核，核反应方程：__________________________；②生成202 78Pt ，放出质子、中子，核反应方程：_________________________________________

________________________________________________________________________.

【解析】 根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程．

(1)94Be ＋11H ―→95B ＋10n.

(2)①204 80Hg ＋10n ―→202 78Pt ＋32He ；②204 80Hg ＋10n ―→202 78Pt ＋211H ＋10n.

【答案】 见解析

12．1930年发现，在真空条件下用α粒子(2He) 轰击铍(4Be) 时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子，查德威克认定这种粒子就是中子．

(1)写出α粒子轰击铍核的核反应方程；

(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰，已知中子的质量为m n 、初速度为v 0，与碳核碰后的速率为v 1，运动方向与原来运动方向相反，碳核质量视为12m n ，求碳核与中子碰撞后的速率；

(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场，测得碳核做圆周运动的半径4931

为R ，已知元电荷的电荷量为e ，求该磁场的磁感应强度大小. 【导学号：64772041】

【解析】 (1)94112

4Be ＋2He ―→0n ＋ 6C.

(2)根据动量守恒定律有

m n v 0＝－m n v 1＋12m n v 2，

解得：v v 1＋v 02＝12.

(3)根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有6eBv v 2

2＝12m n 2/R

解得：B ＝m n v 1＋v 0

6eR 【答案】 (1)94112

4Be ＋2He ―→0n ＋ 6C

v 1＋v 0m n v 1＋v 0

12(3)6eR 11