原子核第1节原子核的组成讲义人教版高中物理选修35讲义练习.docx
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原子核第1节原子核的组成讲义人教版高中物理选修35讲义练习
第1节原子核的组成
1.物质发射射线的性质称为放射性。
放射性元素自发地发出射线的现象，叫做天然放射现象。
2．α射线是高速氦核流，β射线是高速电子流，γ射线是光子流。
3．原子核由质子和中子组成。
1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子，1932年查德威克证实了中子的存在。
4．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现天然放射现象，揭开了人们研究原子核结构的序幕。
一、天然放射现象
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现某些物质具有放射性。
2．物质发射射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。
3．原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
4．玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋（Po）和镭（Ra）。
二、三种射线
1．α射线：
实际上就是氦原子核，速度可达到光速的
，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2．β射线：
是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3．γ射线：
呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。
三、原子核的组成
1．质子的发现
卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子。
2．中子的发现
（1）卢瑟福预言：
原子核内可能还存在另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫做中子。
（2）查德威克用α粒子轰击铍（49Be）原子核获得了中子。
3．原子核的组成
原子核由质子、中子组成，它们统称为核子。
4．原子核的电荷数（Z）
等于原子核的质子数，等于原子序数。
5．原子核的质量数（A）
等于质子数与中子数的总和。
6．原子核的符号表示
ZAX，其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数。
7．同位素
具有相同的质子数而中子数不同的原子互称同位素。
1．自主思考——判一判
（1）放射性元素发出的射线可以直接观察到。
（×）
（2）放射性元素发出的射线的强度可以人工控制。
（×）
（3）放射性元素的放射性都是自发的现象。
（√）
（4）α射线是由高速运动的氦核组成的，其运行速度接近光速。
（×）
（5）β射线能穿透几毫米厚的铅板。
（×）
（6）γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱。
（√）
2．合作探究——议一议
（1）是否所有的元素都具有放射性？
提示：
原子序数大于或等于83的元素都具有放射性，原子序数小于83的元素很少具有放射性。
（2）要判断三种射线是否带电以及带正电荷还是负电荷，可以用什么方法？
提示：
方法一：
让射线垂直磁场方向射入磁场，发生偏转的带电，不偏转的不带电。
对于发生偏转的射线，根据偏转方向与磁场方向和速度方向的关系，依据左手定则可以判断带正电荷还是带负电荷。
方法二：
让射线垂直电场方向射入电场，发生偏转的带电，不偏转的不带电。
对于发生偏转的射线，根据偏转方向与电场方向的关系，依据电荷受力方向与电场强度方向的关系，可以判断带正电荷还是带负电荷。
（3）同一种元素的几种同位素，它们的化学性质相同吗？
为什么？
提示：
相同。
因为同位素具有相同的质子数，所以具有相同的核外电子数，元素的化学性质取决于核外电子，所以同位素的化学性质相同。
对三种射线的研究
1．α、β、γ射线性质、特征比较
射线种类
组成
速度
贯穿本领
电离作用
α射线
α粒子是氦原子核
He
约
c
很小，一张薄纸就能挡住
很强
β射线
β粒子是高速电子流
e
接近c
很大，能穿过几毫米厚的铝板
较弱
γ射线
波长很短的电磁波
等于c
最大，能穿过几厘米厚的铅板
很小
2．三种射线在电场和磁场中的偏转
（1）在匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，β粒子的偏移大，如图所示。
位移x可表示为x＝
at2＝
·
2∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
＝
×
×
＝37。
（2）在匀强磁场中：
γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，如图所示。
根据qvB＝
得R＝
∝
所以，在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
＝
×
×
＝
。
3．元素的放射性
如果一种元素具有放射性，那么不论它是以单质的形式存在，还是以某种化合物的形式存在，放射性都不受影响。
也就是说，放射性与元素存在的状态无关，放射性仅与原子核有关。
因此，原子核不是组成物质的最小微粒，原子核也存在着一定结构。
[典例] 如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于下表中的（ ）
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
[思路点拨] 解答此题应注意以下两点：
（1）能够穿过厚纸板的只有β和γ射线，α射线无法穿过。
（2）γ射线不偏转，β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则。
[解析] R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
[答案] C
三种射线的比较方法
（1）知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。
α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种。
（2）在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。
（3）α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强。
1．[多选]下列哪些现象能说明射线来自原子核（ ）
A．三种射线的能量都很高
B．放射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响
C．元素的放射性与所处的化学状态（单质、化合态）无关
D．α射线、β射线都是带电的粒子流
解析：
选BC 能说明放射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关，B、C正确。
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．α和β的混合放射源 B．纯α放射源
C．α和γ的混合放射源D．纯γ放射源
解析：
选C 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α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γ射线。
因此放射源可能是α和γ的混合放射源。
3．如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是（ ）
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
解析：
选C γ射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示γ射线，A、B、D项错；α射线中的α粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示α射线，由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏，故④表示α射线，C项对。
原子核的组成与数量关系
1．原子核的大小、组成和同位素
原子核
2．原子核的符号和数量关系
（1）符号：
ZAX。
（2）基本关系：
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．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，通常用这个整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。
4．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、不同中子数的原子核互称为同位素。
[典例] 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？
[思路点拨]
（1）原子核的核电荷数、质子数、核外电子数具有相等的关系。
（2）原子核的质量数等于核子数。
[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＝88×1.6×10－19C＝1.41×10－17C。
（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）1.41×10－17C （3）88
原子核的“数”与“量”辨析
（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。
1．某种元素的原子核用ZAX表示，下列说法中正确的是（ ）
A．原子核的质子数为Z，中子数为A
B．原子核的质子数为Z，中子数为A－Z
C．原子核的质子数为A，中子数为Z
D．原子核的质子数为A－Z，中子数为Z
解析：
选B 根据原子核的符号的含义：
A表示质量数，Z表示质子数，则中子数为A－Z，所以B正确。
2．在元素周期表中查到铅的原子序数为82，一个铅原子质量数为207，下列说法正确的是（ ）
A．核外有82个电子，核内有207个质子
B．核外有82个电子，核内有82个质子
C．核内有82个质子，207个中子
D．核内有125个核子
解析：
选B 在元素周期表中查到铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，则核外电子有82个。
根据质量数等于质子数与中子数之和可知，铅原子核的中子数为207－82＝125。
只有选项B正确。
3．[多选]下列说法正确的是（ ）
A.
X与
Y互为同位素
B.
X与
Y互为同位素
C.
X与
Y中子数相同
D.
U核内有92个质子，235个中子
解析：
选BC A选项中，X核与Y核的质子数不同，不能互为同位素；B选项中
X核与
mY核质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素；C选项中
X核内中子数为n－m，
Y核内中子数为（n－2）－（m－2）＝n－m，所以中子数相同；D选项中
U核内有143个中子，而不是235个中子。
1．[多选]天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是（ ）
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
解析：
选ACD 由三种射线的本质和特点可知，α射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而黑纸挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波，不会使原子核变成新核，故B错误；三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确。
2．在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是（ ）
A．γ射线的贯穿作用 B．α射线的电离作用
C．β射线的贯穿作用D．β射线的中和作用
解析：
选B 因α射线的电离作用使空气电离从而带电体所带的电荷很快消失，选项B正确。
3．原子核中能放出α、β、γ射线，关于原子核的组成，下列说法正确的是（ ）
A．原子核中有质子、中子、还有α粒子
B．原子核中有质子、中子、还有β粒子
C．原子核中有质子、中子、还有γ粒子
D．原子核中只有质子和中子
解析：
选D 在放射性元素的原子核中，2个质子和2个中子结合得较紧密，有时作为一个整体放出，这就是α粒子的来源，不能据此认为α粒子是原子核的组成部分。
原子核里是没有电子的，但中子可以转化成质子，并向核外释放一个电子，这就是β粒子。
原子核发出射线后处于高能级，再回到低能级时多余的能量以γ光子的形式辐射出来，形成γ射线，故原子核里也没有γ粒子，故D正确。
4．关于图中甲、乙、丙、丁四幅图的说法正确的是（ ）
A．甲图中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处观察不到闪光点
B．乙图中处于基态的氢原子能吸收能量为10.4eV的光子而发生跃迁
C．丙图中用弧光灯照射原来就带电的锌板时，发现验电器的张角变大，则锌板原来带负电
D．丁图中1为α射线，它的电离作用很强，可消除静电
解析：
选D 甲图中A处能观察到大量的闪光点，B处能看到较多的闪光点，C处也可以观察到很少的闪光点，故A错误；乙图中，处于基态的氢原子吸收光子能量发生跃迁，吸收的光子能量需等于两能级间的能级差，从基态氢原子发生跃迁到n＝2能级，需要吸收的能量最小，吸收的能量为－3.4eV－（－13.6eV）＝10.2eV，即受到能量为10.2eV的光子照射，可以从基态跃迁到n＝2能级，能量为10.4eV的光子不能被处于基态的氢原子吸收，故B错误；丙图中用弧光灯照射锌板，锌板上的电子逸出，锌板带上正电，发现验电器的张角变大，说明原来就带正电，故C错误；丁图中，根据左手定则可知，1带正电，为α射线，α射线的电离作用很强，可消除静电，故D正确。
5．某种元素具有多种同位素，正确反映这些同位素的质量数A与中子数N关系的是图（ ）
解析：
选B 质量数等于质子数与中子数之和，因此当中子数N增多时，质量数A也会增大，因此A、D错误；因为氢原子中只有一个质子，无中子，也就是中子数N为零时，质量数A不为零，因此B正确，C错误。
6．一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场，进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线。
解析：
三种射线α、β、γ中，穿透能力最弱的是α射线，所以α射线被铝箔挡住，穿过铝箔的是β和γ射线，γ射线在电场中不偏转，故a是γ射线，β射线在电场中受力偏转，故b为β射线。
答案：
γ β
7．如图为查德威克实验示意图，由天然放射性元素钋（Po）放射的α射线轰击铍时会产生粒子流A，用粒子流A轰击石蜡时，会打出粒子流B，经研究知道（ ）
A．A为中子，B为质子B．A为质子，B为中子
C．A为γ射线，B为中子D．A为中子，B为γ射线
解析：
选A 不可见射线A，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，轰击石蜡的不可见射线应该是中子。
8．下列说法中正确的是（ ）
A．γ射线在电场和磁场中都不会发生偏转
B．β射线比α射线更容易使气体电离
C．氢有三种同位素：
11H、12H、13H，它们中子数相等
D．原子核的电荷数即为原子核所带的电荷量
解析：
选A γ射线中γ光子不带电，故在电、磁场中不发生偏转，故A正确；α粒子电离能力很强，β射线电离能力较弱，故B错误；11H、12H、13H的核子数分别是1、2、3，质子数和核外电子数都是1，中子数等于核子数减质子数，故C错误；原子核的电荷量等于电荷数乘以1.6×10－19C，D错误。
9.如图所示，铅盒中的放射性物质从小孔中不断向外辐射含有α、β、γ三种射线的放射线（α射线的速度为0.1c，β射线的速度约为0.99c），空间未加电场和磁场时，右边荧光屏M上仅在其中心O处有一光斑，若在该空间施加如图所示的互相垂直的匀强电场和匀强磁场后，荧光屏上显示出了两个亮点，关于此时各种射线在荧光屏上的分布情况，以下说法正确的是（ ）
A．可能是α、γ射线打在O点，β射线打在O点上方的某一点
B．可能是α、γ射线打在O点，β射线打在O点下方的某一点
C．可能是β、γ射线打在O点，α射线打在O点上方的某一点
D．可能是β射线打在O点，α、γ射线打在O点下方的某一点
解析：
选B 因γ射线不带电，一定打在O点，若α粒子打到O点，则有Eq＝Bvαq，由于vα＝0.1c，vβ＝0.99c，对β粒子，必有EqEq>Bvαq，α粒子必定向下偏转，打到O点下方的某一点，故C错误。
10．[多选]质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，如图所示为某种质谱仪的原理图，现利用这种质谱仪对氢元素进行测量。
氢元素的三种同位素从容器A的下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条光谱线。
关于三种同位素进入磁场时速度大小的排列顺序和三条光谱的排列顺序，下列判断正确的是（ ）
A．进入磁场时速度从大到小的排列顺序是氚、氘、氕
B．进入磁场时速度从大到小的排列顺序是氕、氘、氚
C．a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚
D．a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕
解析：
选BD 加速过程中由动能定理得qU＝
mv2，则有v＝
，三种同位素电荷量q相同，速度的大小取决于质量的倒数，所以速度从大到小的排列顺序是氕、氘、氚，A错误，B正确；进入磁场后粒子做匀速圆周运动，由qvB＝m
，并把v代入，得r＝
，由于它们的电荷量均相同，那么氚核的偏转半径最大，所以a、b、c三条光谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕，故C错误，D正确。
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