高中物理人教版 (新课标)选修31 原子核的组成教案

原子核的组成

第一课时

一、教学目标

 1．在物理知识方面要求．

(1)了解原子核的人工转变．了解它的方法和物理过程．

(2)了解质子和中子是如何被发现的．

(3)会写核反应方程式．

(4)了解原子核的组成，知道核子和同位素的概念．

2．掌握利用能量和动量守恒的思想来分析核反应过程．从而培养学生运用已知规律来分析和解决问题的能力．

3．通过发现质子和中子的历史过程，使学生认识通过物理实验研究和探索微观结构的研究方法及体会科学研究的艰巨性和严谨性．

 二、重点、难点分析

 1．重点是使学生了解原子核的人工转变和原子核的组成．在原子核的人工转变中发现了质子和中子，它是确定原子核组成的实验基础．

2．用已经学过的能量和动量守恒以及有关的知识来分析核反应过程，是本节的难点．

 三、教具

 1．分析卢瑟福做的“α粒子轰击氮原子核的实验”．

2．讲解约里奥·居里和伊丽芙·居里夫妇做的“用来自铍的射线去轰击石蜡的实验”．

用投影幻灯、投影片．

 四、主要教学过程

  (一)引入新课

复习提问：

1．什么是天然放射现象？天然放射性元素放射出哪几种射线？这些射线的成分是什么？

天然放射现象说明原子核存在着复杂的内部结构，为了了解原子核的组成，人们开始寻找研究原子核组成的有效方法，那就是原子核的人工转变．

(二)教学过程设计

1．质子的发现．

(1)原子核的人工转变．

是指为了了解原子核的组成，人们有目的的用高速粒子去轰击某些元素的原子核，通过对核反应过程及其产生的新粒子的研究，了解原子核的内部结构和粒子的本质及特点．

(2)α粒子轰击氮原子核的实验．

1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，第一次实现了原子核的人工转变，有了很重要的发现．

实验装置如图1所示(用投影幻灯打出装置的示意图)，容器C中放有放射性物质A，从A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后面放一荧光屏S，用显微镜M观察荧光屏．

实验现象：当在荧光屏上恰好观察不到闪光后，通过阀门T往容器C里通入氮气，此时卢瑟福从荧光屏S上又观察到了闪光．

实验结论：实验表明，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．

(3)质子的发现．

讨论提问：引导学生用已经学过的知识分析怎样知道新粒子的性质．

①若想知道新粒子的性质，必须测出粒子的什么有关物理量？

归纳得到：测出粒子的电性、电量、质量和速度等．

②用什么方法可以知道新粒子的电性？

归纳得到：可将粒子引入电场或磁场中，观察粒子的偏转轨迹．

如图2所示，在匀强电场中粒子的轨道是抛物线，若粒子向下偏转，说明粒子带正电；若向上偏转，说明粒子带负电．

如图3所示，在匀强磁场中粒子的轨道是圆，若粒子向上做圆运动，说明粒子带正电，若粒子向下做圆运动，说明粒子带负电．

实验证明：这个新粒子带正电．

③用什么方法可测出粒子的速度？

归纳得到：使粒子通过一个正交的电磁场，如图4所示，调节B或E的值，使粒子在正交场中，沿入射方向做匀速直线运动，则可知此时

实验说明：这个新粒子速度很大，有很强的穿透能力．

归纳得到：使粒子通过匀强电场，根据粒子的偏转量y求出．或使粒子在匀强磁场中做圆周运动，根据半径R求．

如图5，在匀强电场中，粒子的偏转量为y：

U为两极板间电压，则可测出荷质比为：

如图6，在匀强磁场中，粒子做圆运动的半经为R．

结论：通过对新粒子的研究与测定，确定它就是氢原子核，又叫质

(4)对核反应过程的研究．

这个质子是α粒子从氮核中直接打出的，还是α粒子打进氮核后形成的复核发生衰变时放出的呢？

分析：若质子是α粒子从氮核中直接打出来的，如图7中甲图，碰撞过程中应有四条径迹；若α粒子打进氮核后形成一个复核，这个复核立即衰变后放出一个质子，碰撞过程中应如图7中乙图所示，有三条径迹．

为弄清这个问题，英国物理学家布拉凯特在充满氮的云室里做了α粒子轰击氮核的实验，并拍摄了两万多张云室的照片，终于从40多万条α粒子径迹中发现有8条产生了分叉(见课本上图)，分析可知有三条径迹，分叉后的细长径迹是质子的径迹，另一条短粗的径迹是新生核的径迹，α粒子的径迹在跟核碰撞后不再出现，因此这个核反应过程中α粒子打进氮核后形成复核，复核衰变后放出质子．从质量数守恒和电量数守恒可知，其反应方程式为

从布拉凯特的实验中，可知40多万条径迹中只有8条分叉，可见科学研究工作的艰巨性，并且可以看到科学实验的重要作用．

5．结论．

后来人们用同样的方法使氟、钠、铝等发生了类似的转变，都产生了质子．

由于各种原子核里都能打出质子来，可见质子是原子核的组成部分．

(三)课堂小结

1．原子核的人工转变是研究原子核内部结构的重要方法．

2．为了了解原子核的内部结构，卢瑟福首先做α粒子轰击氮核的实验．即用高能粒子轰击原子核是实现原子核人工转变的基本方法．

3．用α粒子轰击原子核的核反应过程是α粒子先与被轰击的原子核形成新的不稳定的复核，然后复核立即衰变放出质子并形成新核．

4．质子是原子核的组成部分．

(四)作业

1．练习二(1)．

方程式．

第二课时

(一)引入新课

复习提问：

1．卢瑟福通过什么实验产生了质子？试写出这个实验的核反应方程式．

质子的发现引导人们更进一步去研究原子核的内部结构，10多年后，科学家经过深入研究发现了原子核中另一种新的基本粒子——中子．

(二)教学过程设计

1．中子的发现．

(1)卢瑟福的假说．

质子发现后，有人提出原子核可能是由带正电的质子组成的．但这设想在解释除氢原子核外的其他原子核时遇到了困难，大多数原子核的电荷数与质量数不相等，如铀238的电荷数为92，若都由质子组成，其质量数也应是92，而除质子外剩下146的质量数是什么呢？

1920年，根据以上分析，卢瑟福曾预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把它叫做中子．

(2)约里奥·居里夫妇的实验．

1930年发现，用钋(Po)放出的α粒子轰击铍(Be)时产生一种射线，这种射线贯穿能力极强，能穿透十几厘米厚的铅板，当时人们已知的射线中只有γ射线能穿透铅板，所以认为这种射线为γ射线．

1932年约里奥·居里夫妇用这种射线去轰击石蜡(含有大量氢原子)，竟从石蜡中打出质子，如图8(用投影幻灯片打出)，由于被打出质子能量很大，与γ射线的能量不符合，但这射线究竟是什么？约里奥·居里夫妇没有得出最后的结论．

(3)查德威克实验．

1932年英国物理学家查德威克仔细研究了这种射线，发现它是中性粒子流，在磁场中不偏转，它的速度不到光速的十分之一，因此排除了它是γ射线的可能．

后查德威克用这种射线轰击氢原子和氮原子，结果打击了一些氢核(质子)和氮核，并测量出被打出的氢核和氮核的速度，由此推算出这种射线的质量．

测量结果表明，被打出的原子核的速度是不同的，如被打出的氢核的速度有大有小，查德威克认为其中速度最大的氢核是由于未知射线中的粒子与它正碰的结果，其他速度较小的是由于斜碰的结果．

(4)中子的发现．

分析：查德威克认为它们之间的碰撞是弹性正碰；设未知粒子质量为m，速度为v，氢核的质量为mH，最大速度为 v′H，并认为氢核在打出前为静止的，那么根据动量守恒和能量守恒可知：

mv=mv′+mH·v′H，                                      (1)

其中v′是碰撞后未知粒子的速度，由此可得：

同样可求出未知射线与氮原子碰撞后，打出的氮核的速度

查德威克在实验中测得氢核的最大速度为v′H=3.3×109cm/s，氮核的最大速度为

v′N=4.7×108cm/s．

将速度的最大值代入方程(6)，可得：

可得：m=1.15mH．

查德威克还用别的物质代替氢和氮重做这个实验，可得到同样的结果．

后来更精确实验测出，此粒子质量非常接近于质子质量，只比后者大千分之一多(此粒子质量是 1.674920×10-27kg，质子质量是1.672614×10-27kg)．

查德威克发现的这种与质子质量差不多的粒子，由于不带电，所以

发现中子的核反应方程式为

实验证实，从许多原子核里都能打出中子，可见中子也是原子核的组成部分．

中子的发现是物理学发展史上的一件大事，由于中子不带电，所以更容易接近或打进原子核．不少科学家用中子轰击原子核，进一步揭示了物质的微观结构，对近代物理学的发展起了很大作用．

由此也可看出科学的预言和假说的重要作用，它可引导人们发现新的事实和规律．中子的发现的历史事实也使我们明确，在科学研究中要时刻保持严谨的态度，否则会像约里奥．居里夫妇一样与中子这样重要的发现失之交臂．由于发现了中子，查德威克获得1935年诺贝尔物理学奖．中子的发现是科学假设和理论推证相结合的产物，也是查德威克与许多物理学家共同努力的结果．查德威克事后说：“先进的科学知识通常是很多人劳动的成果．”

2．原子核的组成．

中子发现后，原子核是由质子和中子组成的看法很快得到了公认．

质子和中子统称为核子，质子带一个单位正电荷，质量数为1；中子不带电，质量数也是1．

在核中：电荷数=质子数=核外电子数．

质量数=质子数+中子数．

14，所以中子数为14-7=7，则氮核是由7个质子和7个中子组成的．

同位素：具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素．如

在天然放射现象中，放射出的三种射线：α粒子是氦核，它是由2个质子和2个中子结合在一起从核中发射出来的，其核反应方程式为

β粒子是电子，这是由中子转化为质子和电子，其核反应方程式为

γ射线是由光子组成，后面会讲到．

(三)课堂小结

1．在原子核由质子组成的说法遇到困难时，卢瑟福预言：原子核中可能存在着与质子质量差不多的不带电粒子，称为中子．

2．查德威克通过对许多实验的分析，并运用动量守恒和能量守恒的规律，测量并计算出被一些人误认为γ射线的粒子的电性和质量，从而发现了质量与质子差不多，不带电的中性粒子——中子．

3．原子核是由质子和中子组成的．它的电荷数等于质子数，它的质量数等于质子数加中子数．

4．了解同位素的意义．知道天然放射现象中α粒子和β粒子的形成及核反应方程式．

(四)复习提问

2．一个中子以速度v0与一静止的原子核作正面弹性碰撞，原子核的质量为A，则该原子核得到的能量E2与中子的起始能量E0之比为

(1)证明上述关系式．

根据弹性碰撞的规律可列出动量守恒和动能守恒的方程：若中子质量为m0．原子核质量为mA=Am0．

(1)m0v0=m0v′+mAv，                                 (1)

(2)因为A=12，则可求