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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 原子核的组成导学案
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 原子核的组成导学案，共12页。
[学习目标] 1.知道什么是放射性、放射性元素及天然放射现象.2.了解三种射线的本质，知道其特点.3.知道原子核的组成，知道原子核的表示方法，理解原子序数、核电荷数、质量数之间的关系.4.了解同位素的概念．
一、天然放射现象
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线．
2．物质发出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，叫作天然放射现象．
3原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线．
二、射线的本质
1．α射线：
(1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同．
(2)速度可达到光速的eq \f(1,10).
(3)电离作用强，穿透能力较弱，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：
(1)是高速电子流．
(2)它的速度更大，可达光速的99%.
(3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．
3．γ射线：
(1)是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下．
(2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土．
三、原子核的组成
1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子.
2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分.
3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.
4．原子核的符号
5．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素eq \\al(1,1)H、eq \\al(2,1)H、eq \\al(3,1)H.
1．判断下列说法的正误．
(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．( × )
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．( √ )
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．( × )
(4)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．( √ )
2．有关eq \\al(16, 8)O、eq \\al(17, 8)O、eq \\al(18, 8)O三种同位素的比较，试回答下列问题：
(1)三种同位素中哪一种粒子数是不相同的？______.
A．质子 B．中子 C．核外电子
(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__________.
(3)三种同位素的化学性质是否相同？__________.
答案 (1)B (2)eq \\al(18, 8)O (3)相同
解析 (1)同位素质子数相同、中子数不同，核外电子数与质子数相同，故粒子数不相同的是中子．
(2)eq \\al(16, 8)O、eq \\al(17, 8)O、eq \\al(18, 8)O的质量数分别是16、17、18，故eq \\al(18, 8)O质量最大．
(3)三种同位素质子数相同，故化学性质相同．
一、射线的本质
导学探究
如图1为三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图．
图1
(1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？
(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径，这说明什么问题？
答案 (1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．
(2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝eq \f(mv,qB)可知，α粒子的eq \f(m,q)应大于β粒子的eq \f(m,q)，即α粒子的质量应较大．
知识深化
α、β、γ三种射线的比较
(多选)(2020·奉新县第一中学高二月考)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，下图表示射线偏转情况中正确的是( )
答案 AD
解析 因α射线是高速氦核流，一个α粒子带两个正电荷，根据左手定则，α射线受到的洛伦兹力向左，因为α粒子质量大，在磁场中做圆周运动的半径大；β射线是高速电子流，带负电荷，受到的洛伦兹力向右，γ射线是光子流，是电中性的，故在磁场中不受磁场的作用力，轨迹不会发生偏转，故A正确，B错误；因α射线为氦核流，带正电，且α粒子的质量大，由类平抛运动规律知，α粒子侧向偏移量小；β射线为电子流，带负电，其侧向偏移量大，γ射线为高频电磁波，根据电荷所受电场力特点可知，向左偏的为β射线，不偏转的为γ射线，向右偏的为α射线，故C错误，D正确．
三种射线在磁场中偏转情况的分析
1．γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转．
2．α射线和β射线在电场中偏转的特点：在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移量大，根据粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，偏移量x可表示为：
x＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(1,2)·eq \f(qE,m)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(y0,v)))2∝eq \f(q,mv2)
所以，在同样条件下β与α粒子偏移量之比为
eq \f(xβ,xα)＝eq \f(e,2e)×eq \f(4mp,\f(mp,1 836))×eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,10)c))2,0.99c2)≈37＞1.
3．α射线和β射线在磁场中的偏转特点：在匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨迹半径小，偏移量大，根据qvB＝eq \f(mv2,R)得R＝eq \f(mv,qB)∝eq \f(mv,q).
所以，在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为eq \f(Rβ,Rα)＝eq \f(\f(mp,1 836),4mp)×eq \f(0.99c,\f(c,10))×eq \f(2e,e)≈eq \f(1,371)＜1.
针对训练 如图2所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，则下列关于磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线的判断，与实验相符的是( )
图2
答案 C
解析 由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转，O处亮斑为γ射线，能穿过厚纸板且在磁场中发生偏转的射线为β射线，再根据偏转方向，结合左手定则可知磁场方向垂直纸面向内，正确选项为C.
二、原子核的组成
导学探究
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图3所示为α粒子轰击氮原子核示意图．
图3
(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？
答案 (1)说明质子是原子核的组成部分．
(2)说明原子核中除了质子外还有其他粒子．
知识深化
1．原子核(符号eq \\al(A,Z)X)
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．同位素
(1)同位素指质子数相同、中子数不同的原子核．
(2)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．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同．
(2020·全国高三课时练习)已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226，试问：
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？
(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是多少？
(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？
(4)eq \\al(228, 88)Ra是镭的一种同位素，让eq \\al(226, 88)Ra和eq \\al(228, 88)Ra以相同的速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？
答案 (1)88 138 (2)88 1.408×10－17 C (3)88 (4)113∶114
解析 (1)原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的．原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，镭核中的质子数等于原子序数，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)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是：Z＝88
Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C＝1.408×10－17 C.
(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.
(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提向心力，
故有qvB＝meq \f(v2,r)
解得r＝eq \f(mv,qB)
二者的速度相同，又由于同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故eq \f(r226,r228)＝eq \f(m226,m228)＝eq \f(226,228)＝eq \f(113,114).
(多选)下列说法正确的是( )
A.eq \\al( n,m)X与eq \\al( n,m－1)Y互为同位素
B.eq \\al( n,m)X与eq \\al(n－1, m)X互为同位素
C.eq \\al( n,m)X与eq \\al( n－2,m－2)Y中子数相同
D.eq \\al(235, 92)U核内有92个质子，235个中子
答案 BC
解析 A选项中eq \\al( n,m)X与eq \\al( n,m－1)Y的质子数不同，不是互为同位素，A错误；B选项中 nmX与eq \\al(n－1, m)X的质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中eq \\al( n,m)X内中子数为n－m，eq \\al( n－2,m－2)Y内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，C正确；D选项中eq \\al(235, 92)U核内有235－92＝143个中子，而不是235个中子．
1．(三种射线的特性)关于α、β、γ三种射线的性质，下列说法中正确的是( )
A．α射线是带正电的高速粒子流，它的电离作用最弱
B．β射线是高速电子流，它的穿透能力最弱
C．γ射线是电磁波，它在真空中的传播速度等于光速
D．以上说法都不正确
答案 C
解析 α射线是高速粒子流，带正电，其电离作用最强，故A错误；β射线是高速电子流，有很强的穿透能力，故B错误；γ射线是一种电磁波，在真空中以光速传播，故C正确，D错误．
2.(射线的本质)(2020·全国高三课时练习)如图4所示，在某次实验中把放射源放入铅制成的容器中，射线只能从容器的小孔射出．在小孔前Q处放置一张黑纸，在黑纸后P处放置照相机底片，QP之间为垂直纸(非黑纸)面的匀强磁场(图中未画出)，整个装置放在暗室中．实验中发现，在照相机底片的a、b两处被感光(b点正对铅盒的小孔)，则下列有关说法正确的是( )
图4
A．天然放射现象说明原子具有复杂的结构
B．QP之间的匀强磁场垂直纸面向里
C．通过分析可知，打到a处的射线为β射线
D．此放射性元素放出的射线中只有α射线和β射线
答案 C
解析 天然放射现象说明原子核具有复杂的结构，选项A错误；因黑纸只能挡住α射线，则打到a点的为β射线，打到b点的为γ射线，由左手定则可知，QP之间的匀强磁场垂直纸面向外，选项B错误，C正确；此放射性元素放出的射线中有α射线、β射线和γ射线，选项D错误．
3．(原子核的组成)(2019·新余一中期末)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
答案 B
解析 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，选项B正确．
4．(原子核的组成及同位素)(2019·三亚市调研)氢有三种同位素，分别是氕(eq \\al(1,1)H)、氘(eq \\al(2,1)H)、
氚(eq \\al(3,1)H)( )
A．它们的质子数相等
B．它们的物理性质和化学性质均不相同
C．它们的核子数相等
D．它们的中子数相等
答案 A
解析 任意一种元素的几种同位素，具有相同的质子数、核电荷数和核外电子数，且化学性质相同，但质量数(核子数)和中子数都不相等，故选项A正确．
考点一 天然放射现象 射线的本质
1．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象．人们从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核的秘密．下列说法正确的是( )
A．法国物理学家贝可勒尔发现了X射线
B．德国物理学家伦琴发现，铀和含铀的矿物能够发出α射线
C．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子
D．居里夫妇通过实验发现了中子
答案 C
解析 法国物理学家贝可勒尔发现了铀和含铀的矿物能够发出射线，A错误；德国物理学家伦琴发现了伦琴射线，又叫X射线，B错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，并预言了中子的存在，C正确；查德威克通过实验发现了中子，D错误．
2．(2020·陕西高二期末)天然放射现象通常会放出三种射线，即α、β、γ射线，关于这三种射线，以下说法正确的是( )
A．云室中α射线径迹长而粗，这是因为α射线具有较强的穿透能力
B．β射线是高速质子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板
C．γ射线是能量很高的电磁波，在电场和磁场中都不偏转
D．用β射线照射带正电的验电器，则验电器的张角会变大
答案 C
解析 由于α粒子的电离本领大，贯穿本领小，所以α射线在云室中的径迹粗而短，故A错误；β射线是高速电子流，这种射线来源于原子核内部，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板，故B错误；γ射线是能量很高的电磁波，因其不带电，所以在电场和磁场中都不偏转，故C正确；β射线是高速电子流，用β射线照射带正电的验电器，与验电器中的正电荷中和，则验电器的张角会变小，故D错误．
3．以下事实可作为“原子核可再分”的依据是( )
A．天然放射现象 B．粒子散射实验
C．电子的发现 D．氢原子发光
答案 A
解析 粒子散射实验说明了原子的核式结构模型，故B错误．电子位于原子核外，不能说明原子核可再分，故C错误．氢原子发光说明核外电子的跃迁，不能说明原子核可再分，故D错误．
4．(2020·灵璧一中期末)在贝可勒尔发现天然放射现象后，人们对射线的性质进行了深入的研究，发现α、β、γ射线的穿透本领不同．如图1为这三种射线穿透能力的比较，图中射线①、②、③分别是( )
图1
A．γ、β、α B．β、γ、α
C．α、β、γ D．γ、α、β
答案 C
解析 α射线穿透能力最弱，不能穿透黑纸，故①为α射线；γ射线穿透能力最强，能穿透厚铝板和铅板，故③为γ射线；β射线穿透能力较强，能穿透黑纸，但不能穿透厚铝板，故②是β射线，故C正确．
5.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图2所示，其中( )
图2
A．C为氦原子核组成的粒子流
B．B为比X射线波长更长的光子流
C．B为比X射线波长更短的光子流
D．A为高速电子组成的电子流
答案 C
解析 A沿电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B在电场中不偏转，所以是γ射线；C在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子流，所以是β射线；γ射线的波长比X射线短，故本题选C.
6.(多选)如图3所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有( )
图3
A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线、β射线
B．α射线和β射线的轨迹是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
答案 AC
解析 由于γ射线不带电，故不偏转，打在b点；由左手定则可知，粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧，A、C正确，B错误．由于α粒子的速度约是光速的eq \f(1,10)，而β粒子的速度接近光速，所以在同样的复合场中不可能都做直线运动(如果一个打在b点，则另一个必然打在b点下方)，D错误．
考点二 原子核的组成
7．(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粒子
答案 CD
解析 原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错误；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错误；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，才确定原子核内还存在一种不带电的粒子，故D正确．
8．(2020·尚义县第一中学高二月考)一个eq \\al(235, 92)U(铀)原子核中的电荷数和中子数分别为( )
A．电荷数是92，中子数是235
B．电荷数是92，中子数是143
C．电荷数是235，中子数是92
D．电荷数是143，中子数是235
答案 B
解析 eq \\al(235, 92)U的质量数是235，核电荷数＝质子数＝92，中子数＝质量数－质子数＝235－92＝143，B正确．
9．α粒子可以表示为eq \\al(4,2)He，eq \\al(4,2)He中的4和2分别表示( )
A．4为核子数，2为中子数
B．4为质子数和中子数之和，2为质子数
C．4为核外电子数，2为中子数
D．4为中子数，2为质子数
答案 B
解析 根据eq \\al(A,Z)X所表示的意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的核电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.eq \\al(4,2)He符号左下角的2表示的是质子数或核外电子数，eq \\al(4,2)He符号左上角的4表示的是核子数，故选项B正确．
10．以下说法正确的是( )
A.eq \\al(222, 86)Rn为氡核，由此可知，氡核的质量数为86，氡核的质子数为222
B.eq \\al(9,4)Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数
答案 D
解析 A项氡核的质量数为222，质子数为86，所以A错误；B项铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素，即它们的质量数不同，所以C错误，D正确．
11．(多选)(2020·海安高级中学高二月考)质子数与中子数互换的核互为镜像核，例如eq \\al(3,2)He是eq \\al(3,1)H的镜像核，同样eq \\al(3,1)H也是eq \\al(3,2)He的镜像核．下列说法正确的是( )
A.eq \\al(13, 7 )N和eq \\al(13, 6)C互为镜像核
B.eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(16, 8)O互为镜像核
C.eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(15, 8)O互为镜像核
D．互为镜像核的两个核质量数相同
答案 ACD
解析 根据镜像核的定义及质量数A等于核电荷数Z和
中子数n之和，可知eq \\al(13, 7 )N和eq \\al(13, 6)C的质子数与中子数互换了，互为镜像核；eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(15, 8)O的质子数与中子数互换了，互为镜像核，故A、C正确. eq \\al(15, 7 )N的质子数为7，中子数为8；而eq \\al(16, 8)O的质子数和中子数都为8，没有互换，不是镜像核，故B错误．互为镜像核的质子数与中子数互换，质子数与中子数之和不变，所以互为镜像核的两个核质量数相同，故D项正确．
12．(2020·上海市高二期末)α射线、β射线、γ射线、阴极射线四种射线中由原子核内射出、属于电磁波的射线是________，不是原子核内射出的射线是________．
答案 γ射线 阴极射线
解析 α射线是高速运动的氦原子核，β射线是高速运动的电子流，γ射线是原子核能级跃迁时释放的射线，阴极射线来自于核外电子，故由原子核内射出、属于电磁波的射线是γ射线，不是原子核内射出的射线是阴极射线．
13.质谱仪是一种测量带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图4所示，离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x.
图4
(1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小；
(2)氢的三种同位素eq \\al(1,1)H、eq \\al(2,1)H、eq \\al(3,1)H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？
答案 (1)eq \f(2,B)eq \r( \f(2mU,q)) (2)1∶eq \r(2)∶eq \r(3)
解析 (1)离子在电场中被加速时，由动能定理得qU＝eq \f(1,2)mv2，
进入磁场时洛伦兹力提供向心力，
qvB＝eq \f(mv2,r)，又x＝2r，
由以上三式得x＝eq \f(2,B)eq \r(\f(2mU,q)).
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知，xH∶xD∶xT＝eq \r(mH)∶eq \r(mD)∶eq \r(mT)＝1∶eq \r(2)∶eq \r(3).
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流(高频电磁波)
质量
4mp(mp＝1.67×10－27kg)
eq \f(mp,1 836)
静止质量为零
带电荷量
2e
－e
0
速率
0.1c
0.99c
c
穿透能力
最弱，用一张纸就能挡住
较强，能穿透几毫米
最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土厚的铝板
电离作用
很强
较弱
很弱
在磁场中
偏转
偏转
不偏转
磁场方向
到达O点射线
到达P点射线
A
竖直向上
β射线
α射线
B
竖直向下
α射线
β射线
C
垂直线面向内
γ射线
β射线
D
垂直线面向外
β射线
γ射线
[学习目标] 1.知道什么是放射性、放射性元素及天然放射现象.2.了解三种射线的本质，知道其特点.3.知道原子核的组成，知道原子核的表示方法，理解原子序数、核电荷数、质量数之间的关系.4.了解同位素的概念．
一、天然放射现象
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线．
2．物质发出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，叫作天然放射现象．
3原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线．
二、射线的本质
1．α射线：
(1)是高速粒子流，其组成与氦原子核相同．
(2)速度可达到光速的eq \f(1,10).
(3)电离作用强，穿透能力较弱，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：
(1)是高速电子流．
(2)它的速度更大，可达光速的99%.
(3)电离作用较弱，穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．
3．γ射线：
(1)是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下．
(2)电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土．
三、原子核的组成
1．质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子.
2．中子的发现：卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子，查德威克通过实验证实了中子的存在，中子是原子核的组成部分.
3．原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子.
4．原子核的符号
5．同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子核组成的元素，在元素周期表中处于同一位置，它们互称为同位素．例如，氢有三种同位素eq \\al(1,1)H、eq \\al(2,1)H、eq \\al(3,1)H.
1．判断下列说法的正误．
(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力．( × )
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板．( √ )
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强．( × )
(4)原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．( √ )
2．有关eq \\al(16, 8)O、eq \\al(17, 8)O、eq \\al(18, 8)O三种同位素的比较，试回答下列问题：
(1)三种同位素中哪一种粒子数是不相同的？______.
A．质子 B．中子 C．核外电子
(2)三种同位素中，哪一个质量最大？__________.
(3)三种同位素的化学性质是否相同？__________.
答案 (1)B (2)eq \\al(18, 8)O (3)相同
解析 (1)同位素质子数相同、中子数不同，核外电子数与质子数相同，故粒子数不相同的是中子．
(2)eq \\al(16, 8)O、eq \\al(17, 8)O、eq \\al(18, 8)O的质量数分别是16、17、18，故eq \\al(18, 8)O质量最大．
(3)三种同位素质子数相同，故化学性质相同．
一、射线的本质
导学探究
如图1为三种射线在匀强磁场中的运动轨迹示意图．
图1
(1)α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？
(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径，这说明什么问题？
答案 (1)说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电．
(2)根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r＝eq \f(mv,qB)可知，α粒子的eq \f(m,q)应大于β粒子的eq \f(m,q)，即α粒子的质量应较大．
知识深化
α、β、γ三种射线的比较
(多选)(2020·奉新县第一中学高二月考)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，下图表示射线偏转情况中正确的是( )
答案 AD
解析 因α射线是高速氦核流，一个α粒子带两个正电荷，根据左手定则，α射线受到的洛伦兹力向左，因为α粒子质量大，在磁场中做圆周运动的半径大；β射线是高速电子流，带负电荷，受到的洛伦兹力向右，γ射线是光子流，是电中性的，故在磁场中不受磁场的作用力，轨迹不会发生偏转，故A正确，B错误；因α射线为氦核流，带正电，且α粒子的质量大，由类平抛运动规律知，α粒子侧向偏移量小；β射线为电子流，带负电，其侧向偏移量大，γ射线为高频电磁波，根据电荷所受电场力特点可知，向左偏的为β射线，不偏转的为γ射线，向右偏的为α射线，故C错误，D正确．
三种射线在磁场中偏转情况的分析
1．γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转．
2．α射线和β射线在电场中偏转的特点：在匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动，且在同样的条件下，β粒子的偏移量大，根据粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，偏移量x可表示为：
x＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(1,2)·eq \f(qE,m)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(y0,v)))2∝eq \f(q,mv2)
所以，在同样条件下β与α粒子偏移量之比为
eq \f(xβ,xα)＝eq \f(e,2e)×eq \f(4mp,\f(mp,1 836))×eq \f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,10)c))2,0.99c2)≈37＞1.
3．α射线和β射线在磁场中的偏转特点：在匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨迹半径小，偏移量大，根据qvB＝eq \f(mv2,R)得R＝eq \f(mv,qB)∝eq \f(mv,q).
所以，在同样条件下β与α粒子的轨迹半径之比为eq \f(Rβ,Rα)＝eq \f(\f(mp,1 836),4mp)×eq \f(0.99c,\f(c,10))×eq \f(2e,e)≈eq \f(1,371)＜1.
针对训练 如图2所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场B，LL′是一厚纸板，MN是荧光屏，实验时，发现在荧光屏O、P两处有亮斑，则下列关于磁场方向、到达O点的射线、到达P点的射线的判断，与实验相符的是( )
图2
答案 C
解析 由三种射线的本质知，γ射线在磁场中不偏转，O处亮斑为γ射线，能穿过厚纸板且在磁场中发生偏转的射线为β射线，再根据偏转方向，结合左手定则可知磁场方向垂直纸面向内，正确选项为C.
二、原子核的组成
导学探究
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图3所示为α粒子轰击氮原子核示意图．
图3
(1)人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？
答案 (1)说明质子是原子核的组成部分．
(2)说明原子核中除了质子外还有其他粒子．
知识深化
1．原子核(符号eq \\al(A,Z)X)
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．同位素
(1)同位素指质子数相同、中子数不同的原子核．
(2)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．同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数不同，所以它们的物理性质不同．
(2020·全国高三课时练习)已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226，试问：
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？
(2)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是多少？
(3)若镭原子呈中性，它核外有几个电子？
(4)eq \\al(228, 88)Ra是镭的一种同位素，让eq \\al(226, 88)Ra和eq \\al(228, 88)Ra以相同的速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？
答案 (1)88 138 (2)88 1.408×10－17 C (3)88 (4)113∶114
解析 (1)原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的．原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，镭核中的质子数等于原子序数，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)镭核的核电荷数和所带的电荷量分别是：Z＝88
Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C＝1.408×10－17 C.
(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88.
(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提向心力，
故有qvB＝meq \f(v2,r)
解得r＝eq \f(mv,qB)
二者的速度相同，又由于同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故eq \f(r226,r228)＝eq \f(m226,m228)＝eq \f(226,228)＝eq \f(113,114).
(多选)下列说法正确的是( )
A.eq \\al( n,m)X与eq \\al( n,m－1)Y互为同位素
B.eq \\al( n,m)X与eq \\al(n－1, m)X互为同位素
C.eq \\al( n,m)X与eq \\al( n－2,m－2)Y中子数相同
D.eq \\al(235, 92)U核内有92个质子，235个中子
答案 BC
解析 A选项中eq \\al( n,m)X与eq \\al( n,m－1)Y的质子数不同，不是互为同位素，A错误；B选项中 nmX与eq \\al(n－1, m)X的质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中eq \\al( n,m)X内中子数为n－m，eq \\al( n－2,m－2)Y内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，C正确；D选项中eq \\al(235, 92)U核内有235－92＝143个中子，而不是235个中子．
1．(三种射线的特性)关于α、β、γ三种射线的性质，下列说法中正确的是( )
A．α射线是带正电的高速粒子流，它的电离作用最弱
B．β射线是高速电子流，它的穿透能力最弱
C．γ射线是电磁波，它在真空中的传播速度等于光速
D．以上说法都不正确
答案 C
解析 α射线是高速粒子流，带正电，其电离作用最强，故A错误；β射线是高速电子流，有很强的穿透能力，故B错误；γ射线是一种电磁波，在真空中以光速传播，故C正确，D错误．
2.(射线的本质)(2020·全国高三课时练习)如图4所示，在某次实验中把放射源放入铅制成的容器中，射线只能从容器的小孔射出．在小孔前Q处放置一张黑纸，在黑纸后P处放置照相机底片，QP之间为垂直纸(非黑纸)面的匀强磁场(图中未画出)，整个装置放在暗室中．实验中发现，在照相机底片的a、b两处被感光(b点正对铅盒的小孔)，则下列有关说法正确的是( )
图4
A．天然放射现象说明原子具有复杂的结构
B．QP之间的匀强磁场垂直纸面向里
C．通过分析可知，打到a处的射线为β射线
D．此放射性元素放出的射线中只有α射线和β射线
答案 C
解析 天然放射现象说明原子核具有复杂的结构，选项A错误；因黑纸只能挡住α射线，则打到a点的为β射线，打到b点的为γ射线，由左手定则可知，QP之间的匀强磁场垂直纸面向外，选项B错误，C正确；此放射性元素放出的射线中有α射线、β射线和γ射线，选项D错误．
3．(原子核的组成)(2019·新余一中期末)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
答案 B
解析 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，选项B正确．
4．(原子核的组成及同位素)(2019·三亚市调研)氢有三种同位素，分别是氕(eq \\al(1,1)H)、氘(eq \\al(2,1)H)、
氚(eq \\al(3,1)H)( )
A．它们的质子数相等
B．它们的物理性质和化学性质均不相同
C．它们的核子数相等
D．它们的中子数相等
答案 A
解析 任意一种元素的几种同位素，具有相同的质子数、核电荷数和核外电子数，且化学性质相同，但质量数(核子数)和中子数都不相等，故选项A正确．
考点一 天然放射现象 射线的本质
1．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象．人们从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核的秘密．下列说法正确的是( )
A．法国物理学家贝可勒尔发现了X射线
B．德国物理学家伦琴发现，铀和含铀的矿物能够发出α射线
C．卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子
D．居里夫妇通过实验发现了中子
答案 C
解析 法国物理学家贝可勒尔发现了铀和含铀的矿物能够发出射线，A错误；德国物理学家伦琴发现了伦琴射线，又叫X射线，B错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，并预言了中子的存在，C正确；查德威克通过实验发现了中子，D错误．
2．(2020·陕西高二期末)天然放射现象通常会放出三种射线，即α、β、γ射线，关于这三种射线，以下说法正确的是( )
A．云室中α射线径迹长而粗，这是因为α射线具有较强的穿透能力
B．β射线是高速质子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板
C．γ射线是能量很高的电磁波，在电场和磁场中都不偏转
D．用β射线照射带正电的验电器，则验电器的张角会变大
答案 C
解析 由于α粒子的电离本领大，贯穿本领小，所以α射线在云室中的径迹粗而短，故A错误；β射线是高速电子流，这种射线来源于原子核内部，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板，故B错误；γ射线是能量很高的电磁波，因其不带电，所以在电场和磁场中都不偏转，故C正确；β射线是高速电子流，用β射线照射带正电的验电器，与验电器中的正电荷中和，则验电器的张角会变小，故D错误．
3．以下事实可作为“原子核可再分”的依据是( )
A．天然放射现象 B．粒子散射实验
C．电子的发现 D．氢原子发光
答案 A
解析 粒子散射实验说明了原子的核式结构模型，故B错误．电子位于原子核外，不能说明原子核可再分，故C错误．氢原子发光说明核外电子的跃迁，不能说明原子核可再分，故D错误．
4．(2020·灵璧一中期末)在贝可勒尔发现天然放射现象后，人们对射线的性质进行了深入的研究，发现α、β、γ射线的穿透本领不同．如图1为这三种射线穿透能力的比较，图中射线①、②、③分别是( )
图1
A．γ、β、α B．β、γ、α
C．α、β、γ D．γ、α、β
答案 C
解析 α射线穿透能力最弱，不能穿透黑纸，故①为α射线；γ射线穿透能力最强，能穿透厚铝板和铅板，故③为γ射线；β射线穿透能力较强，能穿透黑纸，但不能穿透厚铝板，故②是β射线，故C正确．
5.放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图2所示，其中( )
图2
A．C为氦原子核组成的粒子流
B．B为比X射线波长更长的光子流
C．B为比X射线波长更短的光子流
D．A为高速电子组成的电子流
答案 C
解析 A沿电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B在电场中不偏转，所以是γ射线；C在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子流，所以是β射线；γ射线的波长比X射线短，故本题选C.
6.(多选)如图3所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有( )
图3
A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线、β射线
B．α射线和β射线的轨迹是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b
答案 AC
解析 由于γ射线不带电，故不偏转，打在b点；由左手定则可知，粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧，A、C正确，B错误．由于α粒子的速度约是光速的eq \f(1,10)，而β粒子的速度接近光速，所以在同样的复合场中不可能都做直线运动(如果一个打在b点，则另一个必然打在b点下方)，D错误．
考点二 原子核的组成
7．(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粒子
答案 CD
解析 原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错误；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错误；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，才确定原子核内还存在一种不带电的粒子，故D正确．
8．(2020·尚义县第一中学高二月考)一个eq \\al(235, 92)U(铀)原子核中的电荷数和中子数分别为( )
A．电荷数是92，中子数是235
B．电荷数是92，中子数是143
C．电荷数是235，中子数是92
D．电荷数是143，中子数是235
答案 B
解析 eq \\al(235, 92)U的质量数是235，核电荷数＝质子数＝92，中子数＝质量数－质子数＝235－92＝143，B正确．
9．α粒子可以表示为eq \\al(4,2)He，eq \\al(4,2)He中的4和2分别表示( )
A．4为核子数，2为中子数
B．4为质子数和中子数之和，2为质子数
C．4为核外电子数，2为中子数
D．4为中子数，2为质子数
答案 B
解析 根据eq \\al(A,Z)X所表示的意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的核电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.eq \\al(4,2)He符号左下角的2表示的是质子数或核外电子数，eq \\al(4,2)He符号左上角的4表示的是核子数，故选项B正确．
10．以下说法正确的是( )
A.eq \\al(222, 86)Rn为氡核，由此可知，氡核的质量数为86，氡核的质子数为222
B.eq \\al(9,4)Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数
答案 D
解析 A项氡核的质量数为222，质子数为86，所以A错误；B项铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素，即它们的质量数不同，所以C错误，D正确．
11．(多选)(2020·海安高级中学高二月考)质子数与中子数互换的核互为镜像核，例如eq \\al(3,2)He是eq \\al(3,1)H的镜像核，同样eq \\al(3,1)H也是eq \\al(3,2)He的镜像核．下列说法正确的是( )
A.eq \\al(13, 7 )N和eq \\al(13, 6)C互为镜像核
B.eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(16, 8)O互为镜像核
C.eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(15, 8)O互为镜像核
D．互为镜像核的两个核质量数相同
答案 ACD
解析 根据镜像核的定义及质量数A等于核电荷数Z和
中子数n之和，可知eq \\al(13, 7 )N和eq \\al(13, 6)C的质子数与中子数互换了，互为镜像核；eq \\al(15, 7 )N和eq \\al(15, 8)O的质子数与中子数互换了，互为镜像核，故A、C正确. eq \\al(15, 7 )N的质子数为7，中子数为8；而eq \\al(16, 8)O的质子数和中子数都为8，没有互换，不是镜像核，故B错误．互为镜像核的质子数与中子数互换，质子数与中子数之和不变，所以互为镜像核的两个核质量数相同，故D项正确．
12．(2020·上海市高二期末)α射线、β射线、γ射线、阴极射线四种射线中由原子核内射出、属于电磁波的射线是________，不是原子核内射出的射线是________．
答案 γ射线 阴极射线
解析 α射线是高速运动的氦原子核，β射线是高速运动的电子流，γ射线是原子核能级跃迁时释放的射线，阴极射线来自于核外电子，故由原子核内射出、属于电磁波的射线是γ射线，不是原子核内射出的射线是阴极射线．
13.质谱仪是一种测量带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图4所示，离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可视为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x.
图4
(1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B，求x的大小；
(2)氢的三种同位素eq \\al(1,1)H、eq \\al(2,1)H、eq \\al(3,1)H从离子源S出发，到达照相底片的位置距入口处S1的距离之比xH∶xD∶xT为多少？
答案 (1)eq \f(2,B)eq \r( \f(2mU,q)) (2)1∶eq \r(2)∶eq \r(3)
解析 (1)离子在电场中被加速时，由动能定理得qU＝eq \f(1,2)mv2，
进入磁场时洛伦兹力提供向心力，
qvB＝eq \f(mv2,r)，又x＝2r，
由以上三式得x＝eq \f(2,B)eq \r(\f(2mU,q)).
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由(1)结果知，xH∶xD∶xT＝eq \r(mH)∶eq \r(mD)∶eq \r(mT)＝1∶eq \r(2)∶eq \r(3).
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流(高频电磁波)
质量
4mp(mp＝1.67×10－27kg)
eq \f(mp,1 836)
静止质量为零
带电荷量
2e
－e
0
速率
0.1c
0.99c
c
穿透能力
最弱，用一张纸就能挡住
较强，能穿透几毫米
最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土厚的铝板
电离作用
很强
较弱
很弱
在磁场中
偏转
偏转
不偏转
磁场方向
到达O点射线
到达P点射线
A
竖直向上
β射线
α射线
B
竖直向下
α射线
β射线
C
垂直线面向内
γ射线
β射线
D
垂直线面向外
β射线
γ射线
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