2021学年1 原子核的组成学案

这是一份2021学年1 原子核的组成学案，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，法国物理学家贝克勒尔发现，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α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)是电子流．
(2)速度可以接近光速．
(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)是一种电磁波，波长很短的光子，波长在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：核中质子数相同而中子数不同的原子，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
(2020·江苏苏州高二期末)如图2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( )
图2
A．②⑤表示γ射线，①④表示α射线
B．②⑤表示γ射线，③⑥表示α射线
C．③④表示α射线，①⑥表示β射线
D．①④表示β射线，③⑥表示α射线
答案 C
解析 因α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，则由电场中的偏转情况可知，③表示α射线，①表示β射线，②表示γ射线；根据左手定则，结合在磁场中的偏转情况可知，④表示α射线，⑥表示β射线，⑤表示γ射线．故选C.
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,0.99c2)≈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3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3
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4所示为α粒子轰击氮原子核示意图．
图4
(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)
原子核eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(大小：很小，半径的数量级为10－15～10－14 m,组成\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(质子：电荷量e＝＋1.6×10－19 C, 质量mp＝1.672 6×10－27 kg,中子：电荷量为0, 质量mn＝1.674 9×10－27 kg))))
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．
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，所受洛伦兹力提向心力，
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).
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质子数相同
D.eq \\al(235, 92)U核内有92个质子，235个中子
答案 B
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的质子数为m，eq \\al( n－2,m－2)Y的质子数为m－2，质子数不同，C错误；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，D错误.
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)如图5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5
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γ射线，选项D错误．
3．(原子核的组成)(2021·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)(2021·三亚市调研)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．(2020·吕叔湘中学高二月考)发现天然放射现象的意义在于使人类认识到( )
A．原子具有一定的结构
B．原子核具有复杂的结构
C．原子核中含有质子
D．原子核中含有质子和中子
答案 B
解析 天然放射现象中，原子核发出射线，同时有电子或α粒子产生，因此说明了原子核可以再分，具有复杂的结构．故选B.
2．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．法国物理学家贝克勒尔发现了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 法国物理学家贝克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．
3．(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．
4．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．
5．(2020·灵璧一中期末)在贝克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．
6.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.
考点二 原子核的组成
7．对原子的认识，错误的是( )
A．原子由原子核和核外电子组成
B．原子核的质量就是原子的质量
C．原子核的电荷数就是核内的质子数
D．原子序数等于核电荷与电子电荷大小的比值
答案 B
解析 原子由原子核和核外电子组成，故A正确；原子核的质量与电子的质量和就是原子的质量，故B错误；原子核的电荷数就是核中的质子数，故C正确；原子序数等于核电荷与电子电荷大小的比值，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中的2表示的是质子数或核外电子数，eq \\al(4,2)He中的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．(2021·长春市第一中学高二月考)下列关于原子核的相关说法中正确的是( )
A．天然放射现象的发现说明了原子核是可以再分的
B．原子核的电荷数不是它所带的电荷量，但质量数是它的质量
C．卢瑟福通过实验发现了质子和中子
D．原子核eq \\al(234, 90)Th的核内有90个中子
答案 A
解析 天然放射现象中，原子核发出射线，因此说明了原子核可以再分，故A项正确；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，故B项错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，查德威克通过实验发现了中子，故C项错误；原子核eq \\al(234, 90)Th的质子数为90，中子数为144，故D项错误．
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3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3
(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，
进入磁场时离子所受洛伦兹力提供其做圆周运动的向心力，
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，能穿透几毫米厚的铝板
最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
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