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物理选修第三册第一节 天然放射现象 原子核的衰变备课课件ppt
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这是一份物理选修第三册第一节 天然放射现象 原子核的衰变备课课件ppt，文件包含第十五章原子核课件pptx、第十五章原子核原卷版docx、第十五章原子核解析版docx等3份课件配套教学资源，其中PPT共60页， 欢迎下载使用。
天然放射现象揭示了原子核也是有结构的。物理学家利用人工方法，发 现了组成原子核的粒子。对原子核结构的研究，使人类进入了开发和利用 核能的时代。同时，随着大型粒子加速器的建设和使用，物理学家掌握了 打开原子核的“利器”；种类繁多的亚原子粒子相继被发现。更为奇特的是， 物理学最大的研究对象——宇宙和最小的研究对象——基本粒子居然联系起 来了。人类对物质结构、相互作用乃至宇宙早期演化的认识不断深入。
第一节 天然放射现象 原子核的衰变
α 粒子散射实验表明原子核的存在。物理学家在研究原子 结构的同时，也开始对原子核进行深入的研究。1896 年，法国 物理学家贝克勒尔 将含铀矿石放在用两张不透光的 黑纸包裹的照相底片上并放在阳光下暴晒，试图观察强光能否 使矿石放出 X 射线。结果照相底片感光了，底片上留下了矿石 轮廓的像。贝克勒尔稍后发现，放在避光抽屉中的含铀矿石依 然能使照相底片感光，而且照相底片上出现了非常清晰的含铀 矿石的廓影 。贝克勒尔意识到，是铀或含铀矿石发 出的某种未知的不可见射线使包在黑纸中的照相底片感光。
我们将物质自发放出射线的现象称为天然放射现 象，将物质发射射线的性质称为放射性(radiactivity)。 如果元素具有放射性，则称为放射性元素(radiactive element)。
贝克勒尔建议法国物理学家 M. 居里 (M. Curie， 1867— 1934) 和她的丈夫 P. 居里 (P. Curie ，1859— 1906) 继续深入研究铀和各种含铀矿石的放射性。不久，居里夫 妇从含铀矿石中分离出两种具有很强放射性 的新元素，命名为钋 (P) 和镭 (Ra) 。M. 居里认为，放 射性并不是铀元素所特有的性质，它具有普遍性。现在我 们知道，原子序数大于 83 的所有天然存在的元素都具有 放射性，原子序数小于 83 的元素中，有的也有放射性。
放射性：物质发射射线的性质称为放射性。
放射性元素：具有放射性的元素称为放射性元素。
天然放射现象：放射性元素自发地放出射线的现象。
放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．
放大了1000倍的铀矿石
在放射性现象中放出的射线是什么东西呢？它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外，还有些什么性质呢？这些射线带不带电呢？带什么电？
放射性说明了原子核具有复杂结构
⑴把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。
这三种射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。
⑵在射线经过的空间施加磁场。
②两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；且电性相反。
③另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。
如果α射线、β射线都是带电粒子流，按照图5.1-1中标出的径迹判断，它们分别带什么电荷？ 如果不用磁场而用电场判断它们带电的性质，两个电极怎样放置可以使三种射线大致沿图示的方向偏转？
× × × × ×× × × × ×× × × × ×× × × × ×
波长极短的电磁波（光子）
射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的上述作用叫作电离作用。
由于与物质中的微粒作用时会损失自己的能量，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。（最弱）
穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。（较弱）
甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土（最强）
电离作用：射线飞行途中遇到原子并将其部分能量转移给原子 中的电子，使这个电子脱离核的束缚成为自由电子。
元素的放射性是原子的性质还是原子核的性质？放射性的发现有何重要意义?
实验发现，如果一种元素具有放射性，无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。（即放射性与元素所处的化学状态无关）
放射性的强度也不受温度、外界压强的影响（即放射性与元素存在的物理状态无关）。这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
射线与核外电子无关，它来自原子核。说明原子核内部是有结构的。
由微观粒子构成的射线，肉眼是看不见的。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威尔逊云室就是一种常用的射线探测装置。
α射线，β射线都是高速运动的粒子，能量很高，Y射线是波长很短的光子，能量也很高。从原子内部能够射出这样高能的粒子，这使科学家们意识到原子核是一个能量的宝库。
原子核自发地放出 α粒子或 β粒子而转变为新核的现象。
天然放射现象中原子核自发地放出 α 射线或 β 射线，这样由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，就变成另一种原子核。 我们把这种变化称为原子核的衰变。
原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。
比如铀238核放出一个α 粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，就变成了钍234核。
在α衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。
发生一次α衰变，困为原子序数减小2，所以相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移2位。
α衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。
原子核自发放出β粒子而转变为新核的过程叫β衰变。
β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子。
α衰变实质是核内的两个质子转化成了一个氦核。
放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。
α、β、γ三种射线同时出现
放出ɑ粒子和γ射线：ɑ衰变
放出β粒子和γ射线：β衰变
说明： 1.中间用单箭头，不用等号； 2.是质量数守恒，不是质量守恒; 3.方程及生成物要以实验为基础,不能杜撰。
注意：质量数守恒指衰变前后核子的总数不变，并不是质量不变！
【思考】设放射性元素 经过n 次α衰变和 m 次β衰变后，变成稳定的新元素 ，试分析：（1）衰变方程（2）衰变次数n 和 m
设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态。当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为V1．动量守恒关系0＝mv＋MV或mv＝－MV
α衰变和β衰变在磁场中的轨迹分析
2．在磁场中径迹的特点
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
若放射性元素原来的质量为m0 、原子数为N0；剩余的质量m，剩余的原子数为N，半衰期为?，半衰期个数为n，经过时间t，则：
⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。不同元素半衰期不同。⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。
氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天 镭226衰变为氡222的半衰期为1620年 铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年
半衰期是表示放射性元素本身衰变快慢的物理量。不同元素的半衰期不同，有的差别很大。例如：
衰变的半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。
比如某原子核半衰期是2天，现在有两个这样的原子核，那么过两天后是不是就剩下一个了？
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状念和外部条件没有关系。例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为圧力.温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
【例题1】关于天然放射现象，下列说法正确的是（ ）A.天然放射现象表明原子内部有一定结构B.升高温度可以改变原子核衰变的半衰期C.β射线是原子核外的电子形成的电子流D.三种射线中γ射线的穿透能力最强，电离作用最小
天然放射现象表明原子核内部有一定结构，故A错误；原子核衰变的半衰期由自身结构决定，与物理条件和化学状态无关，故升高温度不能改变原子核衰变的半衰期，故B错误；发生一次β衰变，实际是原子核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，这个电子被抛射出来，故C错误；三种射线中γ射线是不带电的光子，穿透能力最强，电离作用最小，故D正确。
【例题3】(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是（ ）A.铀238的半衰期为90亿年B.地球的年龄大约为45亿年C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3
【例题4】(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是（ ）A.铀238的半衰期为90亿年B.地球的年龄大约为45亿年C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3
——1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现质子。
电量：e=1.602×10-19C
质量：mp=1.672×10-27kg
戏称：卢打“氮” 卢打“蛋”
后来，人们用同样的方法，从氟、钠、铝的原子核中打出了质子，由此断定质子是原子核的组成部分。
卢瑟福发现质子的核反应方程：
原子核是只由质子组成的吗？如果原子核中只有质子，那么，任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比。但事实是这样的吗？
如果原子核中内只有质子，则：
说明原子核还有其他组成部分
1920年，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子(neutrn)。1932年， 卢瑟福的学生查德威克用实验证实。
1932年，英国物理学家查德威克又发现了中子，用符号n表示。通过研究证明中子的质量和质子的质量非常接近，但是不带电，是中性粒子。在对各种原子核进行的实验中，发现质子和电子是组成原子核的两种基本粒子。
查德威克发现中子的核反应方程：
mn=1.674927471×10-27 kg
mp=1.672×10-27kg
原子=原子核+核外电子
mn＝1.674927471×10-27 kg
电量+：e=1.602×10-19C
中子质量比质子质量约大千分之一
=质子数=原子序数=荷外电子数
=核子数=质子数+中子数
电荷数(原子序数）
原子核的电荷数不是它所带的电荷量，质量数也不是它的质量。
原子核符号（元素符号）
表示：带2个单位正电荷，即有2个质子和4－2＝2个中子。
电荷数是2，质量数是4。
电荷数是92，质量数是235。
表示：带92个单位正电荷，即有92个质子和235－92＝143个中子。
原子核的质子数决定了核外电子数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质。因此，同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，它们就会具有相同的化学性质。
同位素：质子数相同，中子数不同（质量数A当然不同），则互为同位素。
碳有两种同位素，符号分别是
质子数相同（电荷数相同 ）
1、定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或发生状态变化的过程。
3、规律：质量数和电荷数都守恒
2、条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。
⑴1919 年，卢瑟福发现质子的核反应。
⑵1932 年查德威克发现中子的核反应。
⑶1934 年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应。
4、原子核人工转变的三大发现
很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
1、放射性同位素的分类
2、人工放射性同位素的优势（与天然的放射性物质相比）
⑵半衰期短，废料易处理。
(3)可以制成各种需要的形状。
在钢板一面，放置γ射线源，另一面放着接收装置。那么钢板越厚，接收到了射线信号越弱，根据信号强度就可以测量金属板的厚度。
——利用γ射线具有很强的穿透性
3、放射性同位素及其应用
——γ射线对细胞有很强的杀伤力
利用钴60的γ射线治疗癌症（放疗）
——γ射线遗传基因发生变异
——γ射线可以杀死细菌
医学方面：人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后会聚集在甲状腺内。给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病。
—— 同位素化学性质相同，这样就可以用放射性同位素了解各元素的流向。
【例题1】(多选)对放射性的应用，下列说法中正确的是( )A.射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体正常细胞不会有伤害作用B.对有放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理C.γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制容器里，而不能随意放置D.对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
【例题2】(多选)对放射性的应用，下列说法中正确的是( )A.射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体正常细胞不会有伤害作用B.对有放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理C.γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制容器里，而不能随意放置D.对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？
猜想：难道是万有引力？
原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。 在核子之间一定存在着第三种力，把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。
⑵核力是短程力。约在10-15m 数量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为1.5×10-15m 时核力几乎消失，距离小于 0.8×10-15m 时为斥力，因此核子不会融合在一起。
⑴核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多（比库仑力强137倍）。
⑶核力与电荷无关。（核力与核子电荷无关）
⑷核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。
电荷间、电流间、磁体间
组成原子核的核子之间
距离增大时，急剧减小
距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多
四种基本相互作用的对比
引起原子核β衰变的原因
相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能。最后撞在一起，一部分动能变成热并散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们能量。
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量。
如图5.3-3，氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？
γ为光子，其能量ε≥27.386MeV，反应才能发生
γ为光子，其能量ε＝27.386MeV
把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量相等。
原子核分解成核子时所吸收的能量。
吸收27.386MeV
也是核子结合成原子核而释放的能量
组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。
2、比结合能（平均结合能）：
意义：它反映了一个原子核稳定程度，比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。
核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。
★★3、比结合能与原子核稳定的关系：(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
(1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小。(2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。
核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量有多大？我们可能计算出来吗？
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大
使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
⑴铀核裂变的一种典型情形
（最典型的一种核反应方程式）
⑵铀核的三分裂、四分裂
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。
（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
（3）链式反应的条件:①有足够浓度的铀235②有足够数量的慢中子③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。
足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。
③镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。
⑵核反应堆的防护措施：
由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。
第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块
可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。
第二道屏障——燃料元件包壳
由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。
将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。
在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。
利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。 （2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染； ②核废料处理困难。
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
⑴用加速器加速原子核
2、核聚变普遍存在于宇宙中
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
3、核聚变的利用——氢弹
带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
中国科学院的环流器装置
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
【例题】核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，分别是( )A．核燃料、慢化剂、碰撞系统、传热系统B．核燃料、慢化剂、发热系统、传热系统C．核燃料、慢化剂、冷却系统、控制调节系统D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
2、我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。
3、我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
4、一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ ）A.这个反应的核反应方程是B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
5、 (多选)关于重核裂变的说法正确的是( )A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂变过程中释放能量，质量亏损
6、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是( )A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
7、如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是( )A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
8、关于核反应堆，下列说法正确的是( )A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
图中显示的是质子对质子碰撞后粒子的轨迹。20世纪，人们通过对粒子碰撞和宇宙线的观测，发现了很多新粒子。这些新发现的粒子分为哪几类？彼此间有什么关系？
直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。
所以，从20世纪后半期起，就将"基本"二字去掉，统称为粒子。
科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构
1931——1970年发现的新粒子
部分新粒子的实验发现年代
21971——2001年发现的新粒子
1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。
利用加速器和对撞机，人们发现了更多的粒子。
⑶1971——2001年发现的新粒子
现在已经发现的粒子达到400多种
①研究宇宙线发现新的粒子
②利用加速器发现新的粒子
粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去发现的粒子相同，电荷等其他性质相反。
由反粒子构成的物质叫反物质
反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。
1、强子：参与强相互作用的粒子。
2、轻子：不参与强相互作用的粒子。
电子电子中微子μ子μ子中微子τ子和τ子中微子
根据相互作用的性质分类
3、规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。
光子中间玻色子（W和Z玻色子）胶子
4、希格斯玻色子：希格斯场的量子激发。
希格斯玻色子别称上帝粒子，是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。
2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子，与希格斯玻色子特征有吻合之处。
这种玻色子是物质的质量之源，是电子核夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。
现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。
下夸克d 上夸克u 奇夸克s
粲夸克c 底夸克b 顶夸克t
介子（夸克和反夸克组成）
每种夸克都有对应的反夸克
夸克的“禁闭”：夸克不能以自由的状态单个出现
夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。在夸克模型的基础上，科学家们发展出了描述强相互作用的系统理论——量子色动力学。以量子色动力学和电弱统一理论为核心，人们已经完成了一整套关于粒子的理论，称为粒子物理标准模型。
标准模型和大量实验吻合得很好，取得了很大的成功。在标准模型中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
华人科学家在粒子物理学领域的杰出贡献
赵忠尧(1902-1998)
第一个发现正电子的人，比安德逊早两年。
王淦昌(1907-1998)
探测中微子的理论，发现超子的反粒子，研究宇宙线中介子衰变
提出基本粒子第一个复合模型，宇称不守恒理论，1955年获诺贝尔奖
主要从事粒子物理和场论领域的研究，宇称不守恒理论，1955年获诺贝尔奖
吴健雄(1912-1997）
实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒
发现J粒子，领导阿尔法磁谱仪项目，1976年获诺贝尔奖
【例题】关于粒子，下列说法正确的是( )A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子都是带电的粒子C．夸克模型是研究各类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【例题】目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的。u夸克所带的电荷量为 ,d夸克所带的电荷量为 ,e为元电荷,下列论断中可能正确的是( )
A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
【例题】关于粒子,下列说法正确的是( )A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B.强子都是带电粒子C.夸克模型是探究轻子结构的理论D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【例题】(多选)下列说法正确的是( )A.目前还未发现轻子的内部结构B.自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子不适用C.反粒子与其对应的粒子相遇时,会发生湮灭现象D.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子
现代实验中还没有发现轻子的内部结构,故A正确;能量守恒定律等对基本粒子也适用,故B错误;反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷,反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象,故C正确;质子是最早发现的强子,故D正确。
天然放射现象揭示了原子核也是有结构的。物理学家利用人工方法，发 现了组成原子核的粒子。对原子核结构的研究，使人类进入了开发和利用 核能的时代。同时，随着大型粒子加速器的建设和使用，物理学家掌握了 打开原子核的“利器”；种类繁多的亚原子粒子相继被发现。更为奇特的是， 物理学最大的研究对象——宇宙和最小的研究对象——基本粒子居然联系起 来了。人类对物质结构、相互作用乃至宇宙早期演化的认识不断深入。
第一节 天然放射现象 原子核的衰变
α 粒子散射实验表明原子核的存在。物理学家在研究原子 结构的同时，也开始对原子核进行深入的研究。1896 年，法国 物理学家贝克勒尔 将含铀矿石放在用两张不透光的 黑纸包裹的照相底片上并放在阳光下暴晒，试图观察强光能否 使矿石放出 X 射线。结果照相底片感光了，底片上留下了矿石 轮廓的像。贝克勒尔稍后发现，放在避光抽屉中的含铀矿石依 然能使照相底片感光，而且照相底片上出现了非常清晰的含铀 矿石的廓影 。贝克勒尔意识到，是铀或含铀矿石发 出的某种未知的不可见射线使包在黑纸中的照相底片感光。
我们将物质自发放出射线的现象称为天然放射现 象，将物质发射射线的性质称为放射性(radiactivity)。 如果元素具有放射性，则称为放射性元素(radiactive element)。
贝克勒尔建议法国物理学家 M. 居里 (M. Curie， 1867— 1934) 和她的丈夫 P. 居里 (P. Curie ，1859— 1906) 继续深入研究铀和各种含铀矿石的放射性。不久，居里夫 妇从含铀矿石中分离出两种具有很强放射性 的新元素，命名为钋 (P) 和镭 (Ra) 。M. 居里认为，放 射性并不是铀元素所特有的性质，它具有普遍性。现在我 们知道，原子序数大于 83 的所有天然存在的元素都具有 放射性，原子序数小于 83 的元素中，有的也有放射性。
放射性：物质发射射线的性质称为放射性。
放射性元素：具有放射性的元素称为放射性元素。
天然放射现象：放射性元素自发地放出射线的现象。
放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．
放大了1000倍的铀矿石
在放射性现象中放出的射线是什么东西呢？它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的性质以外，还有些什么性质呢？这些射线带不带电呢？带什么电？
放射性说明了原子核具有复杂结构
⑴把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。
这三种射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。
⑵在射线经过的空间施加磁场。
②两束在磁场中向不同的方向偏转，这说明它们是带电粒子流；且电性相反。
③另一束在磁场中不偏转，说明它不带电。
如果α射线、β射线都是带电粒子流，按照图5.1-1中标出的径迹判断，它们分别带什么电荷？ 如果不用磁场而用电场判断它们带电的性质，两个电极怎样放置可以使三种射线大致沿图示的方向偏转？
× × × × ×× × × × ×× × × × ×× × × × ×
波长极短的电磁波（光子）
射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的上述作用叫作电离作用。
由于与物质中的微粒作用时会损失自己的能量，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。（最弱）
穿透能力较强，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。（较弱）
甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土（最强）
电离作用：射线飞行途中遇到原子并将其部分能量转移给原子 中的电子，使这个电子脱离核的束缚成为自由电子。
元素的放射性是原子的性质还是原子核的性质？放射性的发现有何重要意义?
实验发现，如果一种元素具有放射性，无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。（即放射性与元素所处的化学状态无关）
放射性的强度也不受温度、外界压强的影响（即放射性与元素存在的物理状态无关）。这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
射线与核外电子无关，它来自原子核。说明原子核内部是有结构的。
由微观粒子构成的射线，肉眼是看不见的。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威尔逊云室就是一种常用的射线探测装置。
α射线，β射线都是高速运动的粒子，能量很高，Y射线是波长很短的光子，能量也很高。从原子内部能够射出这样高能的粒子，这使科学家们意识到原子核是一个能量的宝库。
原子核自发地放出 α粒子或 β粒子而转变为新核的现象。
天然放射现象中原子核自发地放出 α 射线或 β 射线，这样由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，就变成另一种原子核。 我们把这种变化称为原子核的衰变。
原子核自发放出α粒子而转变为新核的过程叫α衰变。
比如铀238核放出一个α 粒子后，质量数减少4，电荷数减少2，就变成了钍234核。
在α衰变中，新核的质量数与原来的核的质量数有什么关系？相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移还是向后移？要移动几位？你能概括出α衰变的质量数、核电荷数变化的一般规律吗？
在这个衰变过程中，衰变前的质量数等于衰变后的质量数之和；衰变前的电荷数等于衰变后的电荷数之和。
发生一次α衰变，困为原子序数减小2，所以相对于原来的核在元素周期表中的位置，新核在元素周期表中的位置应当向前移2位。
α衰变过程中质量数守恒，核电荷数守恒。
原子核自发放出β粒子而转变为新核的过程叫β衰变。
β衰变实质是核内的中子转化成了一个质子和一个电子。
α衰变实质是核内的两个质子转化成了一个氦核。
放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出γ光子。γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
当放射性物质连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ射线辐射。这时，放射性物质发出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线。
α、β、γ三种射线同时出现
放出ɑ粒子和γ射线：ɑ衰变
放出β粒子和γ射线：β衰变
说明： 1.中间用单箭头，不用等号； 2.是质量数守恒，不是质量守恒; 3.方程及生成物要以实验为基础,不能杜撰。
注意：质量数守恒指衰变前后核子的总数不变，并不是质量不变！
【思考】设放射性元素 经过n 次α衰变和 m 次β衰变后，变成稳定的新元素 ，试分析：（1）衰变方程（2）衰变次数n 和 m
设有一个质量为M0的原子核，原来处于静止状态。当发生一次α(或β)衰变后，释放的粒子的质量为m，速度为v，产生的反冲核的质量为M，速度为V1．动量守恒关系0＝mv＋MV或mv＝－MV
α衰变和β衰变在磁场中的轨迹分析
2．在磁场中径迹的特点
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
若放射性元素原来的质量为m0 、原子数为N0；剩余的质量m，剩余的原子数为N，半衰期为?，半衰期个数为n，经过时间t，则：
⑴元素的半衰期由原子核内部的因素决定，只与元素的种类有关，跟元素所处的物理或化学状态无关。不同元素半衰期不同。⑵半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。
氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天 镭226衰变为氡222的半衰期为1620年 铀238衰变为钍234的半衰期长达4.5×109年
半衰期是表示放射性元素本身衰变快慢的物理量。不同元素的半衰期不同，有的差别很大。例如：
衰变的半衰期描述的对象是大量的原子核，不是个别原子核，这是一个统计规律。
比如某原子核半衰期是2天，现在有两个这样的原子核，那么过两天后是不是就剩下一个了？
放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状念和外部条件没有关系。例如，一种放射性元素，不管它是以单质的形式存在，还是与其他元素形成化合物，或者对它施加压力、提高温度，都不能改变它的半衰期。这是因为圧力.温度或与其他元素的化合等，都不会影响原子核的结构。
【例题1】关于天然放射现象，下列说法正确的是（ ）A.天然放射现象表明原子内部有一定结构B.升高温度可以改变原子核衰变的半衰期C.β射线是原子核外的电子形成的电子流D.三种射线中γ射线的穿透能力最强，电离作用最小
天然放射现象表明原子核内部有一定结构，故A错误；原子核衰变的半衰期由自身结构决定，与物理条件和化学状态无关，故升高温度不能改变原子核衰变的半衰期，故B错误；发生一次β衰变，实际是原子核内的一个中子转化为一个质子和一个电子，这个电子被抛射出来，故C错误；三种射线中γ射线是不带电的光子，穿透能力最强，电离作用最小，故D正确。
【例题3】(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是（ ）A.铀238的半衰期为90亿年B.地球的年龄大约为45亿年C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3
【例题4】(多选)地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算.测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化的规律如图所示，图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数.由此可以判断下列选项正确的是（ ）A.铀238的半衰期为90亿年B.地球的年龄大约为45亿年C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3
——1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现质子。
电量：e=1.602×10-19C
质量：mp=1.672×10-27kg
戏称：卢打“氮” 卢打“蛋”
后来，人们用同样的方法，从氟、钠、铝的原子核中打出了质子，由此断定质子是原子核的组成部分。
卢瑟福发现质子的核反应方程：
原子核是只由质子组成的吗？如果原子核中只有质子，那么，任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比。但事实是这样的吗？
如果原子核中内只有质子，则：
说明原子核还有其他组成部分
1920年，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，他把这种粒子叫作中子(neutrn)。1932年， 卢瑟福的学生查德威克用实验证实。
1932年，英国物理学家查德威克又发现了中子，用符号n表示。通过研究证明中子的质量和质子的质量非常接近，但是不带电，是中性粒子。在对各种原子核进行的实验中，发现质子和电子是组成原子核的两种基本粒子。
查德威克发现中子的核反应方程：
mn=1.674927471×10-27 kg
mp=1.672×10-27kg
原子=原子核+核外电子
mn＝1.674927471×10-27 kg
电量+：e=1.602×10-19C
中子质量比质子质量约大千分之一
=质子数=原子序数=荷外电子数
=核子数=质子数+中子数
电荷数(原子序数）
原子核的电荷数不是它所带的电荷量，质量数也不是它的质量。
原子核符号（元素符号）
表示：带2个单位正电荷，即有2个质子和4－2＝2个中子。
电荷数是2，质量数是4。
电荷数是92，质量数是235。
表示：带92个单位正电荷，即有92个质子和235－92＝143个中子。
原子核的质子数决定了核外电子数目，也决定了电子在核外的分布情况，进而决定了这种元素的化学性质。因此，同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，它们就会具有相同的化学性质。
同位素：质子数相同，中子数不同（质量数A当然不同），则互为同位素。
碳有两种同位素，符号分别是
质子数相同（电荷数相同 ）
1、定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或发生状态变化的过程。
3、规律：质量数和电荷数都守恒
2、条件：用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变。
⑴1919 年，卢瑟福发现质子的核反应。
⑵1932 年查德威克发现中子的核反应。
⑶1934 年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应。
4、原子核人工转变的三大发现
很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。
1、放射性同位素的分类
2、人工放射性同位素的优势（与天然的放射性物质相比）
⑵半衰期短，废料易处理。
(3)可以制成各种需要的形状。
在钢板一面，放置γ射线源，另一面放着接收装置。那么钢板越厚，接收到了射线信号越弱，根据信号强度就可以测量金属板的厚度。
——利用γ射线具有很强的穿透性
3、放射性同位素及其应用
——γ射线对细胞有很强的杀伤力
利用钴60的γ射线治疗癌症（放疗）
——γ射线遗传基因发生变异
——γ射线可以杀死细菌
医学方面：人体甲状腺的工作需要碘，碘被吸收后会聚集在甲状腺内。给人注射碘的放射性同位素碘131，然后定时用探测器测量甲状腺及邻近组织的放射强度，有助于诊断甲状腺的器质性和功能性疾病。
—— 同位素化学性质相同，这样就可以用放射性同位素了解各元素的流向。
【例题1】(多选)对放射性的应用，下列说法中正确的是( )A.射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体正常细胞不会有伤害作用B.对有放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理C.γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制容器里，而不能随意放置D.对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
【例题2】(多选)对放射性的应用，下列说法中正确的是( )A.射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体正常细胞不会有伤害作用B.对有放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理C.γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制容器里，而不能随意放置D.对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
原子核是由中子和质子构成的。在原子核那样狭小的空间里，是什么力量把带正电的质子紧紧地束缚在一起而不飞散开呢？
猜想：难道是万有引力？
原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。 在核子之间一定存在着第三种力，把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
是核力把核子束缚在核内，形成稳定的原子核。
定义：能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力叫做核力。
⑵核力是短程力。约在10-15m 数量级时起作用，距离大于0.8×10-15m时为引力, 距离为1.5×10-15m 时核力几乎消失，距离小于 0.8×10-15m 时为斥力，因此核子不会融合在一起。
⑴核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多（比库仑力强137倍）。
⑶核力与电荷无关。（核力与核子电荷无关）
⑷核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。
电荷间、电流间、磁体间
组成原子核的核子之间
距离增大时，急剧减小
距离增大时，急剧减小，比强相互作用小得多
四种基本相互作用的对比
引起原子核β衰变的原因
相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能。最后撞在一起，一部分动能变成热并散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们能量。
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、让氢原子吸收光子等途径使它得到相应的能量。
如图5.3-3，氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的，要把它们分开，需要吸收能量。反过来，4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么，把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系？
γ为光子，其能量ε≥27.386MeV，反应才能发生
γ为光子，其能量ε＝27.386MeV
把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量相等。
原子核分解成核子时所吸收的能量。
吸收27.386MeV
也是核子结合成原子核而释放的能量
组成原子核的核子越多，它的结合能越高。因此，有意义的是它的结合能与核子数之比。
2、比结合能（平均结合能）：
意义：它反映了一个原子核稳定程度，比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能。
核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。
★★3、比结合能与原子核稳定的关系：(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
(1)结合能大的原子核，比结合能不一定大，结合能小的原子核，比结合能不一定小。(2)核的大小与原子核稳定的关系方面：中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。
核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量有多大？我们可能计算出来吗？
较重的核分裂成中等大小的核，较小的核合并成中等大小的核的过程中，都有可能释放出能量。核电站以及原子弹、氢弹等核武器，利用的就是这些核能。在这些装置中，核能是怎样被转化和使用的呢？
核子结合成铁原子核或铁附近的原子核时，每个核子平均放出的能量大
使较重的核分裂成中等大小的核，比结合能会增加，发生质量亏损，释放结合能。
20世纪30年代，物理学家的一个重大发现改变了人类历史。原子核在“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。
1938年底，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的过程中发现，生成物中有原子序数为56的元素钡。
奥地利物理学家迈特纳和弗里施对此做出了解释，铀核在被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块。弗里施借用细胞分裂的生物学名词，把这类核反应定名为核裂变。
核裂变：重核受粒子打击，分裂成质量较小的核，释放核能的反应。
⑴铀核裂变的一种典型情形
（最典型的一种核反应方程式）
⑵铀核的三分裂、四分裂
1947年我国著名物理学家钱三强、何泽慧夫妇在巴黎首先观察到中子轰击铀核的三分裂和四分裂现象。
铀核裂变的产物是多种多样的，其他裂变方程还有:
当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，这种反应叫核裂变的链式反应。
（2）临界体积和临界质量：使裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积，相应的质量叫做临界质量。
铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时，就有可能不到铀核而跑到铀核外面去，链式反应不能继续。只有当铀核足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个核，使链式反应进行下去。
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
（3）链式反应的条件:①有足够浓度的铀235②有足够数量的慢中子③发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。
足以维持链反应正常进行的裂变材料质量叫临界质量(critical mass)。 铀-235 的临界质量约为 1 kg，质量超过1 kg 则发生爆炸。
发生链式反应的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
一个铀235核裂变时释放的能量如果200MeV估算，1kg铀235全部裂变时放出的能量就相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能!
原子弹是利用重核的裂变反应制成的,高纯度的铀或钚超过临界体积时发生链式反应,在极短时间内能够释放大量核能，发生猛裂爆炸。
原子弹的结构有“内爆式”和“枪式”两种。
通过可控制的链式反应来释放核能的装置。
①铀棒：由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成，它是核反应堆的燃料。②石墨(或重水)：石墨(或重水)作为慢化剂，附着在铀棒周围，使反应生成的快中子变为慢中子，便于被铀235“捉”住，发生核裂变。
③镉棒：主要作用是吸收中子，控制反应速度，所以叫作控制棒。④水泥防护层：屏蔽射线，防止放射性污染。
第一回路中的水被泵压入反应堆，通过堆芯时核心反应放出的热使水的内能增加，水温升高。第一回路的水进入交换器，把热量传给第二回路的水，然后又被泵压回反应堆。
在热交换器内，第二回路中的水被回热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
原子核的链式反应可以在人工控制下进行，使核能较平缓地释放出来，这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。
⑵核反应堆的防护措施：
由1m多厚的钢筋混凝土制成，整个核反应堆都装在安全壳中。
第一道屏障——耐高温腐蚀的陶瓷体燃料芯块
可以把98%以上的裂变产物滞留在芯块内。
第二道屏障——燃料元件包壳
由优质的锆合金制成，具有良好的密封性。
将燃料棒和一回路的水完全罩住，防止燃料元件包壳少量射线泄漏。
在反应堆外面修建很厚的水泥层，用来屏障裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性。需要装入特制的容器深埋地下。
利用水或者液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
（1）优点：①污染小；②可采储量大；③比较经济。 （2）缺点：①一旦核泄漏会造成严重的核污染； ②核废料处理困难。
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫做核聚变。
一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时（同时放出一个中子），释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3-4倍，核反应方程：
要使轻核发生核聚变，必须使它们的距离达到10-15 m以内，核力才能起作用。由于原子核都带正电，要使它们接近到这种程度，必须克服巨大的库仑斥力。也就是说，原子核要有很大的动能才会“撞”到一起。什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生核聚变呢？
当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
⑵对物质加热到很高的温度108～109K
⑴用加速器加速原子核
2、核聚变普遍存在于宇宙中
科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持90亿~100亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！
热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳和很多恒星的内部温度高达107K以上，因而在那里进行着激烈的热核反应，不断向外界释放着巨大的能量。
太阳每秒释放的能量约为3.8×1026 J，地球只接受了其中的二十亿分之一。太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有７亿吨原子核参与碰撞，转化为能量的物质是400万吨。
1967年6月17日，我国首枚氢弹爆炸成功
3、核聚变的利用——氢弹
带电粒子运动时在均匀磁场中受洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
中国科学院的环流器装置
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
【例题】核反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置，它主要由四部分组成，分别是( )A．核燃料、慢化剂、碰撞系统、传热系统B．核燃料、慢化剂、发热系统、传热系统C．核燃料、慢化剂、冷却系统、控制调节系统D．核燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统
2、我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
与核裂变相比轻核聚变更为安全、清洁，A正确；自然界中最容易发现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，不是任意两个原子核都能发生核聚变，B错误；两个轻核发生聚变结合成质量较大的核时，放出巨大的能量，根据E＝mc2可知，聚变反应中存在质量亏损，则总质量较聚变前减少，C错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，核子的平均质量减少，核子的比结合能增加，D正确。
3、我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”(如图)2018年获得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度，为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础.下列关于聚变的说法正确的是（ ）A.核聚变比核裂变更为安全、清洁B.任何两个原子核都可以发生聚变C.两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加D.两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
4、一个氘核和一个氚核经过核反应后生成一个氦核和一个中子，同时放出一个γ光子。已知氘核、氚核、中子、氦核的质量分别为m1、m2、m3、m4，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法中正确的是（ ）A.这个反应的核反应方程是B.这个核反应既不是聚变反应也不是裂变反应C.辐射出的γ光子的能量E＝(m3＋m4－m1－m2)c2
5、 (多选)关于重核裂变的说法正确的是( )A.重核裂变为两个中等质量的核时，重核的中子数要比裂变后的两个中等质量核的中子数多B.只要用中子轰击铀块，就一定能发生链式反应C.为了使裂变的链式反应容易发生，不能利用裂变时产生的中子D.裂变过程中释放能量，质量亏损
6、铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法正确的是( )A.铀块的质量是重要因素，与体积无关B.为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子C.若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生D.裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
7、如图所示是慢中子反应堆的示意图，对该反应堆的下列说法中正确的是( )A．铀235容易吸收快中子后发生裂变反应B．快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应C．控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些D．要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
8、关于核反应堆，下列说法正确的是( )A.铀棒是核燃料，裂变时释放核能B.镉棒的作用是控制反应堆的功率C.石墨的作用是吸收中子D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
图中显示的是质子对质子碰撞后粒子的轨迹。20世纪，人们通过对粒子碰撞和宇宙线的观测，发现了很多新粒子。这些新发现的粒子分为哪几类？彼此间有什么关系？
直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒。
所以，从20世纪后半期起，就将"基本"二字去掉，统称为粒子。
科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构
1931——1970年发现的新粒子
部分新粒子的实验发现年代
21971——2001年发现的新粒子
1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。
利用加速器和对撞机，人们发现了更多的粒子。
⑶1971——2001年发现的新粒子
现在已经发现的粒子达到400多种
①研究宇宙线发现新的粒子
②利用加速器发现新的粒子
粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去发现的粒子相同，电荷等其他性质相反。
由反粒子构成的物质叫反物质
反粒子（反物质）最显著的特点是当它们与相应的正粒子（物质）相遇时，会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子。
1、强子：参与强相互作用的粒子。
2、轻子：不参与强相互作用的粒子。
电子电子中微子μ子μ子中微子τ子和τ子中微子
根据相互作用的性质分类
3、规范玻色子：传递各种相互作用的粒子。
光子中间玻色子（W和Z玻色子）胶子
4、希格斯玻色子：希格斯场的量子激发。
希格斯玻色子别称上帝粒子，是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。
2012年7月4日科学家宣布发现了一个新粒子，与希格斯玻色子特征有吻合之处。
这种玻色子是物质的质量之源，是电子核夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。
现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别。
1964年，美国科学家盖尔曼等人提出了夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。
下夸克d 上夸克u 奇夸克s
粲夸克c 底夸克b 顶夸克t
介子（夸克和反夸克组成）
每种夸克都有对应的反夸克
夸克的“禁闭”：夸克不能以自由的状态单个出现
夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。在夸克模型的基础上，科学家们发展出了描述强相互作用的系统理论——量子色动力学。以量子色动力学和电弱统一理论为核心，人们已经完成了一整套关于粒子的理论，称为粒子物理标准模型。
标准模型和大量实验吻合得很好，取得了很大的成功。在标准模型中，夸克、轻子、规范玻色子和希格斯玻色子是组成物质的几类最基本的粒子。
华人科学家在粒子物理学领域的杰出贡献
赵忠尧(1902-1998)
第一个发现正电子的人，比安德逊早两年。
王淦昌(1907-1998)
探测中微子的理论，发现超子的反粒子，研究宇宙线中介子衰变
提出基本粒子第一个复合模型，宇称不守恒理论，1955年获诺贝尔奖
主要从事粒子物理和场论领域的研究，宇称不守恒理论，1955年获诺贝尔奖
吴健雄(1912-1997）
实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒
发现J粒子，领导阿尔法磁谱仪项目，1976年获诺贝尔奖
【例题】关于粒子，下列说法正确的是( )A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子都是带电的粒子C．夸克模型是研究各类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【例题】目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的。u夸克所带的电荷量为 ,d夸克所带的电荷量为 ,e为元电荷,下列论断中可能正确的是( )
A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
【例题】关于粒子,下列说法正确的是( )A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B.强子都是带电粒子C.夸克模型是探究轻子结构的理论D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【例题】(多选)下列说法正确的是( )A.目前还未发现轻子的内部结构B.自然界存在着的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子不适用C.反粒子与其对应的粒子相遇时,会发生湮灭现象D.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子
现代实验中还没有发现轻子的内部结构,故A正确;能量守恒定律等对基本粒子也适用,故B错误;反粒子与其相应的粒子带等量异种电荷,反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象,故C正确;质子是最早发现的强子,故D正确。
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