第二十二章原子核复习3.doc

2005.8 第二十二章 原子核一、原子模型 原子核1.汤姆生模型（枣糕模型）汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构2.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）α粒子散射实验：用α粒子轰击金箔，结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转为解释这一现象必须假设原子中带正电荷的部分集中在一个很小的核上，由于电子质量很小，因此这个很小的核还应该占有原子的绝大多数质量卢瑟福由α粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m3.玻尔模型4.原子核研究表明，原子核由质子和中子组成质子和中子的质量非常接近一个原子质量单位，质子带正电，电荷量是一个元电荷；中子不带电质子和中子统称核子原子核的电荷数Z等于质子数，等于原子序数，等于中性原子的核外电子数。

原子核的质量数A等于核内的核子数用表示质量数为A，电荷数为Z的某种元素X的原子核，也可写成例如可写成或写成铀235原子核的质子数决定了中性原子的核外电子数，也决定了核外电子的排布情况，因此决定了该元素的化学性质同种元素的原子核中，质子数相同，但中子数可能不同具有相同质子数而有不同中子数的原子，在元素周期表中处于同一位置，因此互称同位素同种元素的不同同位素一定具有相同的化学性质，但可以有不同的物理性质二、天然放射现象 衰变 1.天然放射现象贝克勒尔发现铀和含铀矿物能够自发地发出看不见的射线这种性质叫放射性具有放射性的元素叫放射性元素这种现象叫天然放射现象原子序数大于82的所有元素都具有放射性，原子序数小于83的某些元素也具有放射性天然放射现象的发现，使人们认识到原子核也有复杂结构（因为放射性不受单质或化合物的影响，所以与核外电子无关，这些射线只可能是从原子核中放射出来的）2.各种放射线的性质比较种 类本 质质量（u）电荷（e）速度（c）电离性贯穿性α射线氦核4+20.1最强最弱，纸能挡住β射线电子1/1840-10.99较强较强，穿几mm铝板γ射线光子001最弱最强，穿几cm铅版三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较：β γ αα　γ　　 β⑴　　　　　　　 ⑵　　　　　　　　　　 　 ⑶O Aabc如⑴、⑵图所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。

⑶图中γ肯定打在O点；如果α也打在O点，则β必打在O点下方；如果β也打在O点，则α必打在O点下方β射线的速度比α射线的速度大得多，若α粒子所受的电场力和洛伦兹力平衡，那么β粒子所受的电场力一定小于洛伦兹力；若β粒子所受的电场力和洛伦兹力平衡，那么α粒子所受的电场力一定大于洛伦兹力例1．如图所示，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 A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B.α射线和β射线的轨迹都是抛物线C.α射线和β射线的轨迹都是圆弧 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解：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，轨迹都是圆弧由于α粒子速度约是光速的1/10，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动（如果一个打在b，则另一个必然打在b点下方放射源探测接收器MN例2．如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置假如放射源能放射出α、β、γ三种射线，而根据设计，该生产线压制的是3mm厚的铝板，那么是三种射线中的____射线对控制厚度起主要作用。

当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时，将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调_______一些解：α射线不能穿过3mm厚的铝板，γ射线又很容易穿过3mm厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响而β射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的β射线的强度发生较明显变化即是β射线对控制厚度起主要作用若超过标准值，说明铝板太薄了，应该将两个轧辊间的距离调节得大些3.衰变原子核放出α粒子或β粒子后，就变成新的原子核，这种变化称为原子核的衰变⑴α衰变： （核内）⑵β衰变： （核内）原子核衰变时电荷数和质量数都守恒电荷数以基本电荷e为单位，一定是整数；质量以原子质量单位u为单位，一般不是整数，我们把它的整数部分叫做质量数质量数不同于质量以后会了解，在核发生变化时，反应前和反应后的总质量是有微小变化的，不过这种变化不足以影响质量数原子核发生α衰变后，质量数减小4，电荷数减小2，在元素周期表中的位置向前移2位原子核发生β衰变后，质量数不变，电荷数增加1，在元素周期表中的位置向后移1位⑶原子核也有能级，而且能级越低越稳定发生α衰变、β衰变后产生的新核往往处于高能级。

当它向低能级跃迁时，辐射γ光子，这种变化也叫做γ衰变γ射线经常是伴随α衰变和β衰变而产生的原子核发生γ衰变后，质量数、电荷数都不变，在元素周期表中的位置也不变一个放射性的原子核在一次衰变中不可能同时放出α粒子和β粒子但放射性物质连续发生衰变时，放出的射线中就会同时具有α、β、γ三种射线⑷+β衰变： （核内，其中是正电子原子核发生+β衰变后，质量数不变，电荷数减小1，在元素周期表中的位置向前移1位例3．放射性同位素经过一系列衰变后成为稳定的，其中发生了_____次α衰变和______次β衰变解：因为只有α衰变才影响质量数，所以先根据质量数守恒计算α衰变的次数为8次，然后再根据电荷数守恒计算β衰变的次数为6次4.半衰期放射性元素衰变的快慢是有规律的我们把放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫做这种元素的半衰期，记做T设初始时刻放射性元素原子核的个数为N0，经过时间t后，剩余的这种放射性原子核的个数为Nt，则可演变成 或，式中m表示放射性物质的质量，n 表示单位时间内放出的射线粒子数以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量半衰期是由原子核内部本身的因素决定的，跟原子所处的物理状态、化学状态无关。

例4．一块含铀的矿石质量为M，其中铀元素的质量为m铀发生一系列衰变，最终生成物为铅已知铀的半衰期为T，那么下列说法中正确的有 A.经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了 B.经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m/4发生了衰变 C.经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩m/8 D.经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2解：经过两个半衰期后矿石中剩余的铀应该还有m/4，经过三个半衰期后还剩m/8因为衰变产物大部分仍然留在该矿石中，所以矿石质量没有太大的改变本题选C三、核反应1.核反应用人工的方法也能使原子核发生变化在核物理学中，把原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程，称为核反应卢瑟福发现质子的核反应） （查德威克发现中子的核反应） （人工制造出放射性同位素的核反应）在核反应中，同样遵从电荷数守恒和质量数守恒用人工的办法使原子核发生变化，从各种元素的原子核中都能轰击出质子和中子，因此证明原子核是由质子和中子组成的质子和中子统称为核子除了天然放射性同位素外，各种元素都已经有了人工制造的放射性同位素。

2.放射性同位素的应用⑴利用其射线：α射线电离性强，用于使空气电离，将静电泄出，从而消除有害静电γ射线贯穿性强，可用于金属探伤，也可用于治疗恶性肿瘤各种射线均可使DNA发生突变，可用于生物工程，基因工程⑵作为示踪原子用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能⑶进行考古研究利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位半衰期短，废料容易处理可制成各种形状，强度容易控制）3.放射性污染和防护放射性物质会对环境造成污染如核电站核泄露、放射线诊断和治疗时剂量过大、家庭装修中所用石材含有超标的放射性等防护方法：核电站的核反应堆用厚厚的水泥层封住；核废料要放在厚金属箱内深埋；对生活中可能有放射性的物质要注意防范例5．完成下列核反应方程：⑴N+n →C+_____ ⑵ N+He →O+_____⑶ B+n →_____+He ⑷Be+He →_____+n ⑸Fe+H →Co+_____解：根据质量数守恒和电荷数守恒，可以判定：⑴H ⑵H ⑶Li ⑷C ⑸n四、核能1.核能核反应中放出的能叫核能。

2.质量亏损核子结合生成原子核，所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些，这种现象叫做质量亏损3.质能方程爱因斯坦的相对论指出：物体的能量和质量之间存在着密切的联系：E = mc2，这就是爱因斯坦的质能方程质能方程的另一个表达形式是：ΔE=Δmc2如果核反应前后系统发生了质量亏损，则系统的能量一定也减小了，所以一定放出了能量以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位在非国际单位里，可以利用1u相当于931.5MeV的关系它表示1原子质量单位的质量跟931.5MeV的能量相对应在有关核能的计算中，要根据已知和题解的要求选定单位制例6．的原子量是232.0372u，发生α衰变后变为，其原子量是228.0287u，α粒子的质量是4.0026u计算此次α衰变释放的核能ΔE解：先计算反应过程中的质量亏损：Δm=232.0372u-228.0287u-4.0026u=0.0059u由于1u相当于931.5MeV能量，因此释放的核能为ΔE=0.0059×931.5MeV=5.5 MeV例7．一个氢原子的质量为1.6736×10-27kg，一个锂原子的质量为11.6505×10-27kg，一个氦原子的质量为6.6467×10-27kg。

一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，⑴写出核反应方程，并计算该反应释放的核能是多少？⑵1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能？解：⑴H+Li →2He，反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉由质能方程ΔE=Δmc2得释放核能ΔE=2.76×10-12J⑵1mg锂原子含锂原子个数为10-6÷11.6505×10-27=8.584×1019个，每个锂原子对应的释放能量是2.76×10-12J，所以共释放8.584×1019×2.76×10-12J= 2.37×108J核能五、重核的裂变和轻核的聚变ABC。