2025年05月26日 星期一
学院| 上海家教第一家教家教推荐阅读!! |
原子核的人工转变 原子核的组成(二课时) ·教案
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
(五)作业
练习二：(2)、(3)、(4)、(5)、(6)．
原子核的结合能·教案
一、教学目标
1．物理知识方面的要求．
(1)了解核力的基本特点．
(2)理解原子核的结合能概念．
(3)掌握质能联系方程．
2．物理思想方面的教育．
人类从利用燃料的化学能到掌握利用原子核能的过程，反映了人类对物质世界的认识不断深化的过程．
二、重点、难点分析
1．质能联系方程．
2．质量转化为能量是一种误解．
三、主要教学过程
(一)引入新课
原子核是原子中体积很小但却集中了几乎原子全部质量的带正电的中心体，原子核的半径的数量级为10-15m．在极小的原子核中，存在着Z个质子，(A-Z)个中子．不难根据万有引力定律和库仑定律计算出原子核中的两个质子之间的万有引力与库仑力的比值，这一比值约为10-38！在巨大的库仑斥力作用下，通常的原子核却是异常稳定的．这说明在原子核中，除了质子之间的库仑斥力外，还应存在另一种力，它把核子紧密地联系在一起．
(二)教学过程设计
1．核力．
这种能够把核中的各种核子联系在一起的更为强大的力叫做核力．尽管人们对核力的研究有了重大进展，但对揭示核力的本质还相去甚远，许多问题有待进一步研究．
核力具有以下的一些特点：
(1)短程性．它只在10-15m内作用．当在2×10-15～3×10-15m区域的表现为一种很弱的吸引力．当在0.3×10-15～2×10-15m区域内表现为很强的吸引力，其强度比库仑力大两个数量级．正是这种强大的吸引力，使原子核中的质量不致因相互排斥而散开．当两个核子之间的距离小于0.3×10-15m时，将受很强的斥力，它保证了原子核不致坍缩．
(2)饱和性．核子的半径约为0.8×10-15m，由于上述核力的短程性可以看出，每个核子只与它相邻的核子有作用力，而不是与核中的所有核子都有作用力．
(3)电荷的无关性．即核中的核子，不论是质子与质子，中子与中子，质子与中子，它们之间的核力是一样的．
2．结合能．
由于原子核中的核子之间存在着强大的核力，使原子核组成一个十分坚固的集合体．如果把原子核拆成自由核子，需要克服强大的核力做十分巨大的功，或说需要巨大的能量．氘核是一个结构较为简单的原子核，实验表明，可用γ光子使氘核分解为1个质子和1个中子，这时的核反应方程是：
入射的光子的能量至少是2.22MeV．对于相反的过程，当 1个质子和 1个中子结合成1个氘核时，要放出2.22MeV的能量．这一能量以γ光子的形式辐射出去．
可见，当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．这个能量叫做原子核的结合能．
当然，2.22MeV的能量的绝对数量并不算大，但这只是组成1个氘核所放出的能量．如果组成的是6.02×1023个氘核时，放出的能量就十分可观了．与之相对照的是，使1摩的碳完全燃烧放出的能量为393.5×103J．折合为每个碳原子在完全燃烧时放出的能量只不过4eV．若跟上述核反应中每个原子可能放出的能量相比，两者相差数十万倍．
3．质能联系方程．
如何求出原子核的结合能呢？伟大的物理学家爱因斯坦从相对论得出质量和能量之间存在如下的关系：
E=mc2．
这个方程叫做爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程，式中c是真空中的光速，m是物体的质量，E是物体的能量．该方程表明：物体所具有的能量跟它的质量成正比．由于c2这个数值十分巨大，因而物体的能量是十分可观的、质量为1kg的物体所具有的能量为9×1016J，这一能量相当于一个100万kW的发电厂三年的发电量．对此，爱因斯坦曾说过：“把任何惯性质量理解为能量的一种贮藏，看来要自然得多．”物体贮藏着巨大的能量是不容置疑的，但是如何使这样巨大的能量释放出来？从爱因斯坦质能方程同样可以得出，物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δ的关系．
ΔE=Δmc2．
问题是；为了获得能量ΔE，怎样产生相应的Δm，当自由核子组成原子核时，要放出结合能，原子核的能量比组成原子核的核子的能量小，所以原子核的质量要比组成核的核子质量小．
4．质量亏损．
我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损．如果可以知道核的质量亏损，就可以根据质能方程，计算出原子核的结合能．
例如，氦核是由2个质子和2个中子组成的．1个质子的质量mp=1.007277u，1个中子的质量mn=1.008665u．这四个核子的质量为4.031884u，但氦核的质量为4.001509u．这里u表示原子质量单位，1u=1.660566×10-27kg．由上述数值，可以求出氦核的质量亏损Δm=4.031884-4.001509=0.030375u．在原子核物理学中，核子与核的质量通常都是用原子质量单位表示，而核的结合能通常用兆电子伏表示．按质能方程可以求出 1u=931.5 MeV，所以氦核的结合能为
0.030375×931.5=28.3 MeV．
练习(由学生自己完成)：氘核的质量为2.013553u，由此计算氘核的结合能．
解：mn=1.008665u，mp=1.007277u．
中子和质子的质量和：2.015941u．
质量亏损Δm=2.015941u-2.013553u=0.002388u．
氘核的结合能ΔE=Δmc2=0.002388×931.5=2.22 MeV．
5．正确认识质量亏损．
在谈到结合能和质量亏损时，有的学生误认为，当核子组成原子核时，有质量亏损，放出结合能的过程中，是质量变成能量．这是对质能方程的一种误解．按相对论，物体的质量是与速度有关的量，当物体的速度越大时，物体的质量越大．物体运动时的运动质量与物体静止时的静止质量间存在一定关系．当物体以远小于光速运动时，质量的这一变化很不明显．上述所说的质子、中子、原子核的质量都是指静质量．质量亏损，是静质量发生了变化，但在这一过程中，2.22 MeV的能量是以辐射光子形式放出的．光子的静质量为零，但这个光子的运动质量为：光子的能量/c2．由此可见，当计算进光子的质量后，虽说反应前后发生了质量亏损，这部分亏损，与光子的运动质量是相同的．反应前后的质量仍是守恒量，质量亏损并非这部分质量消失．当然，也就不存在质量转变成能量的问题．
(三)课堂小结
自然界中物体的质量和能量间存在着一定关系： E=mc2，可见物质世界贮藏着巨大能量．问题是，如何使贮藏的能量释放出来．人类以前利用的是燃料燃烧时释放的化学能．在发生化学反应时，是原子外层电子的得失．这种情况下，人类获取的能量可以说属于原子的“皮能”．在核反应时，可以产生较大一些的质量亏损，从而使人类获得了大得多的能量．这里的变化，属于原子核的变化，相应的能量称作原子核能．由前述二例可以看出，核反应中的质量亏损仍然是十分有限的．换句话说，即物体贮藏的能量是巨大的．迄今为止，人类所利用的能量还只是很小的一部分．如果，人类在探索中，能掌握新的方式，以产生更大的质量亏损，也就必然能够获得更为可观的能量．
(四)作业
《高中物理读本》第三册p．3321～2．
四、教学说明
1．大多数的原子核是十分稳定的，这充分反映了核力此时体现为强大的引力．此点不能讲得太过分，否则在强大的核力作用下，原子核虽不会散裂，但有可能坍缩．因而，对核力的短程性，略作了些补充．
2．在讲解“正确认识质量亏损”这部分内容时，需根据学生的可接受性，适当把握讲课的深度．
3．本节的中心内容是质能方程．现简介一下该公式的推导过程，供老师们参考．
按照相对论质量公式．
动量可表示为
由动能定理
如果质量的速度由0增加到v，获得的总动能
爱因斯坦认识到物体的惯性大小，即质量大小是与能量有关的，只相差一个常量因子c2．于是爱因斯坦给出了著名的质能方程
E=mc2．
前式可写为
mc2=EK+m0c2．
式中m0c2称作物体的静止能量，简称静能．mc2称作物体的总能理．因此，上式可说成是物体的总能量为物体的动能与静能之和．
|
原子 原子核 | |
|
| |
|
【教学结构】 原子结构 一、原子核式结构：原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，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里绕核旋转。 1．卢瑟福α粒子散射实验： （1）实验装置：铅盒内放有少量放射性元素钋，向外发射具有一定能量的α粒子，一束α粒子射线射到金箔上。穿过金箔的α粒子打到荧光屏上产生一个亮点，用显微镜可以观察到，整个装置放在真空容器中。 （2）实验现象：绝大部分α粒子穿过金箔后仍然沿原来方向前进；少数α粒子发生较大偏转，极少数α粒子偏转角大于90°，甚至有的α粒子原路返回。 （3）分析实验现象：绝大部分α粒子不改变运动方向，说明穿过时没受到阻碍。少数α粒子有较大偏转。其原因是这部分α粒子受到斥力的作用，施力者不是电子，因电子质量太小，只能是有一个带正电的大质量的“物体”、极少数α粒子方向改变180°，只能是带正电α粒子与大质量“物体”正碰的结果。比较绝大多数、少数、极少数，可知一定有一个体积很小“物体”存在，且带正电，集中了几乎原子的全部质量，得到原子核式结构的结论。 根据实验数据计算可知原子的直径约为10－10m，原子核直径约为10－14m。 二、玻尔原子理论：是本章教材的重点内容之一，应熟练掌握。 1．理论内容：（一）原子只能处于一系列不连续的能量状态中，这些状态是稳定的叫定态。（二）原子从一种定态（设其能量为EM），跃迁到另一个定态（设其能量为EN）时，它辐射或吸收一定频率的光子。光子的能量与两个定态能量之差的关系是：h·v=EM－EN。（三）原子的不同能量状态对应于电子的不同运行轨道，电子的可能轨道是不连续的。 2．氢原子的电子可能轨道的能级 用r1表示第一条可能轨道的半径，n是正整数，叫做量子数，表示轨道序数。rn=n2r1，En= 能级：原子在各定态的能量值。正常状态下，原子处于最低能级，电子在离原子核最近轨道上运动，这种定态叫基态，除去基态，电子在离原子核更远的轨道上运动，这些定态叫激发态。 3．玻尔理论对氢光谱的解释 （1）氢原子的能级图如图1所示。此能 级图是根 据En= 公式，记住E1=－13.6eV。 （2）氢光谱，参考教科首页插图，氢 明线光谱。可见到4条明线，均为可见 光，实际上在红光外侧有红
当电子从n=2，3，4，5……的能级跃迁到n=1 能级时，用h·v=En－E1，可计算出辐射出的光线均为紫外线。当电子从n=3，4，5，6能级跃迁到n=2能级时，辐出的光子正好四条明线相对应。当电子从n=5，6，7……跃迁到n=4的能级时，辐射出的光线在红外区。 由于氢原子各能级的值是一定的，跃迁时辐射光子的能量也是一定的，因此光谱线就是一定的，光谱线也就成为这种元素的特征谱线。 （3）吸收光谱也是特征谱线。白光通过稀薄氢气时，吸收了白光中某些频率的光子，从低能跃迁到高能级，而且只能吸收正好等于两个氢原子能级差的光子能量，所以吸收光子的能量与跃迁时辐射光子能量一样，在连续光谱上出现的暗线与氢产生的明线光谱线完全一样。 4．玻尔理论能成功解释氢光谱，但除氢以外的光谱与玻尔理论确定光谱差距很大，可见玻尔理论是有局限性的，能成功解释各种原子光谱的是量子力学。 原子核
一、天然放射现象 放射性：物质发射射线的性质。放射性元素：具有放射性的元素。 天然放射现象：物质自发地放出射线的现象。 1．对天然放射射线的研究：如图2所示的实验装置，铅盒中放有放射物质在窄孔正上方若放有照像底片、底片有一处感光。若在照像底片与铅盒之间放一对带电金属板，照像底片上有三处感光。在电场力作用下，将一束分为三束。 α射线：偏向B板，带正电，为α粒流，即 β射线：偏向A板，带负电，为高速电子流，即 γ射线：不偏转，不带电，为频率极高的电磁波，电离能力很弱，穿透能力很强。 α粒子只能是从原子核内放出来的，β粒子所具有的能量是核外电子不可能达到的，只能是从原子核内放出来的。γ射线是能量很高的光子，核外电子能级跃迁辐射光子的能量不可能达到γ光子所具有的能量，γ光子只能是原子核内部放出来。可见原子核是可以再分的，为研究原子核的结构提供了依据。 2．放射性元素的衰变 衰变：原子核放出某种粒子而转变成新核的变化叫原子核的衰变。 α衰变：原子核放出α粒子的衰变，其核反应方程为： β衰变：原子核放出β粒子的衰变，其核反应方程为： 3．半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。例如质量为8克的某种放射性元素有4克发生衰变所需时间不同，有的很短，例如氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天，有的很长。例如铀238衰变为钍234的半衰期为4.5×109年，半衰期由自身的因素决定与物理状态（温度、压强等）化学状态（单质、化合物）无关。 二、原子核的组成 1．原子核的人工转变：用人工的方法使原子核发生变化。 2．质子的发现：用α粒子轰击氮的原子核。 3．中子的发现：用α粒子轰击铍的原子核。 4．原子核的组成：原子核由质子和中子组成。 核子：质子和中子统称核子。原子的核电荷数等于质子数，原子质量数就等于质子数与中子数的和，质子数决定原子的化学性质。质子数等于元素序数。 同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子互称同位素。 5．核反应方程：在发生核反应过程遵守两个守恒：①核电荷数守恒，即反应前核电荷总数与反应后核电荷总数相同。质量数守恒，反应前原子核质量总数与反应后质量总数相等。例如：用α粒子轰击硼核产生一个质子和一个新核。设新核用x表示， 三、结合能 1．核力：把各种核子紧紧拉在一起的力。在核子间距离为2.0×10－15m内核力才存在。核力很强大，不是万有引力，也不是电磁力。在核力作用下原子核很坚固。 2．结合能：核子结合成原子核时要放出能量；原子核分解成核子时要吸收同样多的能量，这个能量叫做原子结合能。核子结合成某种原子核时结合能是一定的。 3．质能方程：E=mc2，c是真空中的光速，m物体的质量，E物体的能量。 △E=△mc2，表示物体能量增加了△E，物体质量也相应增加△m。 4．质量亏损：组成原子核的核子总质量与原子核质量之差。核子质量是一定的，某种元素原子核质量是一定的，因此核子结合成某种原子核时质量亏损是一定的，根据质能方程可解释，某种原子的结合是一定的。根据某种原子核的质量和组成该原子核质子，中子的个数就可计算质量亏损，计算出该种原子结合能。 5．平均结合能：用某种原子核的核子数去除该原子核的结合能，就是每个核子平均结合能。它表明结合成原子核或分解原子核时每个核子放出或吸收的能量。平均结合能越大的原子核越稳定，质量数中等，50~60的原子核平均结能大，质量数较小的或较大的原子核平均结合能都小，重核分裂为中等质量原子核时要放出能量，轻核结合成较重的原子核也要放出能量。 重核裂变：用中子轰击铀核时，铀核要裂变成两个中等质量原子核，同时放出2~3个中子，释放大量能量。 链式反应：铀核裂变放出2~3个中子，这些中子再引起其它铀核裂变，使铀核裂变不断进行，这种反应称之为链式反应。原子弹爆炸过程就是链式反应放出巨大能量的过程。 轻核聚变：轻核结合成质量较大的核，释放大量能量。这个核反应过程需要的条件是：几百万度的高温，故又称为热核反应。 1个 氢的爆炸过程是
【解题点要】 例一、在玻尔的氢原子模型中，电子的第一条（即离核最近的那条）可能轨道的半径为r1，则由此向外数第三条可能轨道的半径r3= 。电子在第三条轨道上运动时的动能EK= 。（已知基本电荷为e，静电恒量为K） 解析：由公式rn=n2r1，得r3=9r1 由原子核式结构可知，电子在原子核外做匀速圆周运动，原子核的正电与电子之间的库仑力为向心力。Ke2/r2=mυ2/r，Ek= 例二、一群氢原子处于n=4的激发态，当它们自发地跃迁到较低的能级时，下列判断中错误的是：（ ） A．可能辐射出六种不同频率的光子 B．从n=4的能级直接跃迁到n=1的能级时释放出波长最长的光子 C．从n=4的能级跃迁到n=3的能级时释放出频率最低的光子 D．从n=2的能级跃迁到n=1的能级时释放出波长最长的光子 解析：能级跃迁辐射、吸收光子的能量 hv=EM－EN，本题初始状态，M=4，N可能是1，2，3，可放出3种频率的光子，跃迁到3，2能级的电子还可以继续向低更低能级，可解释放光子频率有3种，共6种，A项不能选。每个能级的能量En与E1的关系是 答案为：B D 注意本题是选取错误的选项。 例三、 A．经历了8次α衰变和6次β衰变 B．铅核比铀核中子数少22个 C．铅核比铀核质子数少32个 D．衰变中有6个中子变成质子 解析：衰变过程中，每次α衰变放出α粒子，核电荷数少2，质量数少4，而每次β衰变释放出一个电子，核电荷数增1，质量数不变。从轴核与铅核质量数变化可知经历了8次α衰变，8次α衰变后新核的核电荷数应为76，比铅核的核电荷数多6，要经过6次β衰变才能成为铅。A选项正确。原子核由质子、中子组成，铀核中中子数为238－92=146，铅核中中子数为124，相差22，B选项正确。铀核质子数92，铅核质子数82，相差10，C选项不正确。D选项正确。答案为：A、B、D。 例四、下列核反应方程的括号内所填粒子名称正确的是（ ） A． C． 解析：核反应方程两条基本原则是：核电荷数守恒，质量数守恒，电子质量数为0，电荷数为－1，A选项核反应方程正确，α粒子 例五、氚核（ 解析：根据E=mc2，1μ=1.67×10－27×（3.00×108）2=931.5MeV（兆电子伏特）
质量亏损：△m=3.024607－3.01605=0.008557u △E=0.008557×931.5=7.97MeV。 核子的能量比氚核的能量大，所以应吸收能量，吸收能量为：8MeV。
【课余思考】 1．玻尔理论内容是什么？氢原子的轨道半径公式和能级公式。玻尔理论怎样成功解释了氢原子的光谱的规律。 2．什么是放射性元素？α射线、β射线、γ射线的本质是什么？三种射线各有什么特性？什么是α衰变、β衰变，它们的规律是什么？ 3．原子核是怎样组成的？会写核反应方程。
【同步练习】 1．当氢原子的电子处于第n条可能轨道时，下面说法中正确的是（ ） A．电子轨道半径rn=nr1 B．根据 C．原子从n能级跃迁到n－1能级时，辐射光子的波长是 D．大量处于这一状态的氢原子，可能辐射光子的种类是 2．原子的构式结构学说的实验基础是（ ） A．汤姆生对电子荷质比的测定 B．卢瑟福的α粒子散射实验 C．居里夫妇发现放射性元素 D．查德威克发现中子 3．按照玻尔理论的量子化轨道假设可推出氢原子核外电子轨道半径rn=n2r1，则下列判断中正确的是（ ） A．氢原子核外有无数个电子轨道，电子可能处于其中一条轨道上绕核运转 B．氢原子核外有几个电子，它们绕核运转轨道各不相同 C．第四条轨道上电子运转速率是第一条轨道上电子运转速率的4倍 D．第四条轨道上电子运转速率是第一条轨道上电子运转速率的 4．氢原子的核外电子由内层轨道转移到外层轨道的过程中（ ） A．电势能减少而电子动能增加，原子的能量增加 B．电势能减少而电子动能增加，原子的能量减少 C．电势能增加而电子动能减少，原子能量增加 D．电势能增加而电子动能减少，原子的能量减少 5．某个原子核x经一次α衰变变成原子核y，又经过一次β衰变同时放出一个r粒子，变成原子核z，下述说法不正确的是（ ） A．核z的中子数比核x少3 B．核x的质子数比核z多1 C．核y的质子数比核z多1 D．核z的质量数比核x少4 6．设质子的质量mp=1.007277u，中子质量mn=1.008865u，一个氢核质量 mα=4.001500u，则两个质子、两个中子结合成一个氦核时将会（ ） A．放出28.3MeV的能量 B．吸收28.3MeV的能量 C．放出4.53×10－11J的能量 D．吸收4.53×10－11J的能量 7．静止在匀强磁场中的 （1）生成的新核是什么？写出核反应方程式。 （2）生成的新核的速度大小和方向。 （3）若α粒子与新核间相互作用不计，则二者在磁场中运动轨道半径之比及周期之比各为多少？
【参考答案】 1．D 2．B 3．A D 4．C 5．C 6．A C 7．（1） |
原子核，俘获一个速度为7.7×104m/s的中子而发生核反应放出α粒子后变成一个新原子核，已知中子速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子速度为：2×104m/s，方向与中子速度方向相同求：
（2）－1.0×103m/s，与中子方向相反 （3）40 : 3 2 : 3天然放射性·教案
一、教学目标
1．在物理知识方面的要求．
(1)理解什么是“天然放射现象”，掌握天然放射线的性质；
(2)掌握原子核衰变规律，理解半衰期概念；
(3)结合天然放射线的探测问题，提高学生综合运用物理知识的能力．
2．在复习过程中，适当介绍天然放射性的发现过程，以及有关科学家的事绩，对学生进行科学道德与唯物史观的教育．
二、重点、难点分析
1．重点．
(1)衰变规律；
(2)用电场和磁场探测天然射线的基本方法．
2．难点：用力学和电学知识如何分析天然射线的性质．
三、主要教学过程
(一)引入新课
回顾法国物理学家贝克勒耳发现天然放射现象的经历，以及贝克勒耳为了试验放射线的性质，用试管装入含铀矿物插在上衣口袋中被射线灼伤、早期核物理学家多死于白血病(放射病)的故事．
(二)教学过程设计
天然放射性．
1．天然放射现象：某种物质自发地放射出看不见的射线的现象．
2．原子核的衰变：某种元素原子核自发地放出射线粒子后，转变成新的元素原子核的现象．
3．天然放射线的性质．(见下页表)
说明电离本领和贯穿本领之间的关系：α粒子是氦原子核，所以有很强的夺取其它原子的核外电子的能力，但以损失动能为代价换得原子电离，所以电离能力最强的α粒子，贯穿本领最弱；而γ光子不带电，只有激发核外电子跃迁时才会将原子电离，所以电离能力最弱而贯穿本领最强．
|
名称 |
构成 |
电量(e) |
质量(u) |
射出速度 |
电离能力 |
贯穿本领 |
|
α |
氦核 |
+2 |
4 |
0.1c |
最强 |
最弱 |
|
β |
电子 |
-1 |
|
0.9c |
较强 |
较强 |
|
γ |
光子 |
0 |
0 |
c |
最弱 |
最强 |
4．衰变规律．
(1)遵从规律：
质量数守恒(说明与“质量守恒定律”之区别)；
电荷数守恒；
动量守恒；
能量守恒．
说明：γ衰变是原子核受激发产生的，一般是伴随α衰变或β衰变进行的，即衰变模式是：α+γ，β+γ，没有α+β+γ这种模式！
(3)半衰期：放射性原子核衰变掉一半所用时间．
说明：某种原子核的半衰期与物理环境和化学环境无关，是核素自身性质的反映．
例1平衡下列衰变方程：
分析：因为α衰变改变原子核的质量数而β衰变不能，所以应先从判断α衰变次数入手：
每经过1次α衰变，原子核失去2个基本电荷，那么，钍核经过6次α衰变后剩余的电荷数与铅核实际的电荷数之差，决定了β衰变次数：
答案：6，4．
中放出的能量都转化为α粒子和氧核的动能．
(1)α粒子与氡核的动能之比；
(2)若α粒子与氡核的运动方向与匀强磁场的磁感线垂直，画出轨迹示意图，并计算轨道半径之比．
解：(1)衰变时动量守恒：
0=mαvα+MRnVRn，
(2)若它们在匀强磁场中，运动方向与磁感线垂直，轨道半径
但衰变时射出的α粒子与反冲核(Rn)都带正电荷，且动量大小相等，则它们在匀强磁场做圆周运动的轨迹是一对外切圆(图1)，轨道半径和粒子电量成反比：
例4 一束天然放射线沿垂直电力线的方向从中间进入到两块平行带电金属板M、N之间的匀强电场中，试问：
(1)射线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各是哪种射线？
(2)M、N各带何种电荷？
提示：参考天然放射线的性质．
解：γ射线不带电，所以是Ⅱ(直线)．
设带电粒子打到金属板上的位置为x，偏转的距离都是d/2，根据公式
代入上式，得比值
所以Ⅰ为α射线，Ⅲ为β射线，M带负电．
天然放射现象·教案
一、教学目标
1．在物理知识方面要求．
(1)了解天然放射现象，知道天然放射现象的实质是核的衰变．
(2)知道三种射线的特性，了解如何判断三种射线所带电性．
(3)知道α衰变和β衰变．
(4)了解半衰期的概念．
2．掌握α衰变和β衰变的规律，引导学生运用质量数守恒和电荷数守恒的规律正确地写出核反应方程式．
3．使学生了解天然放射现象说明原子核还有进一步的结构，它打开了人们认识原子核内部世界的大门，揭开了原子核物理的新篇章．
二、重点、难点分析
1．重点是使学生了解天然放射现象和它的实质，知道天然放射现象中放射出三种射线的特性．
2．正确了解半衰期的概念是本节的难点．
三、教具
1．分析判断三种射线带电性的实验．
2．列表总结三种射性的特性．
投影幻灯、投影片．
四、主要教学过程
(一)引入新课
复习提问：
1．上章原子结构中，主要知识有哪些？
2．卢瑟福的原子核式结构模型的内容是什么？
从原子结构的学习我们已明确原子不是不可再分的，它是由原子核和电子组成的．
通过卢瑟福的α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子核式结构模型．
学习玻尔原子理论，我们知道了原子处于一系列可能的能量状态．
而原子核是否可以再分，其内部结构如何是本章要学习的问题．在20世纪头10年卢瑟福提出原子核式模型时，人们很快意识到19世纪末科学家们发现的天然放射现象已经为人们打开了认识原子核内部世界的大门．
(二)教学过程设计
1．天然放射现象．
1895年发现X射线后，法国科学家贝克勒耳在研究X射线与可见光的联系时，将硫酸铀钾晶体与照相底片放在一起，他惊奇的发现：未经阳光照射的铀盐也能使底片感光．后来他又做了一系列有关实验，1896年贝克勒耳宣布，铀和含铀的矿物能发出某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光．
物质发射这种射线的性质，叫做放射性．具有放射性的元素，叫做放射性元素．
在贝克勒耳的建议下，居里夫妇对铀和铀的各种矿石进行了深入研究，并发现了两种放射性更强的新元素，即钋(Po)和镭(Ra)．其中“钋”是居里夫人为了纪念她的祖国波兰而命名的．
许多元素都有放射性，原子序数大于83的所有天然存在的元素都具有放射性．这种能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象．
由于发现放射性现象和对放射现象的研究，1903年贝克勒耳和居里夫妇一起获得诺贝尔物理学奖．
2．三种射线．
放射线元素放出的射线到底是什么呢？科学家用如图1的装置来研究(用投影幻灯打出)，在铅块窄孔的底上，放有放射性样品，孔的对面放着照相底片，没有电场时，底片显影后，正对窄孔有一个暗斑．在底片与铅块间加一电场，显影后底片上出现三个暗斑，带有正电的射线偏转较小，称为α射线，带负电的射线偏转较大，称为β射线，不发生偏转的射线不带电，称为γ射线．
科学家进一步研究了三种射线的成分和性质，如图2中表格所列(用投影幻灯打出)．
|
|
α |
β |
γ |
|
成分 |
|
|
电磁波λ很短 |
|
速度 |
1/10c |
接近c |
光速 |
|
贯穿本领 |
很小 |
很大 |
最强 |
|
电离能力 |
很强 |
很小 |
最小 |
图 2
的本领很小，一张薄铝箔或一张薄纸就能将它挡住，但有很强的电离作用，很容易使空气电离．
β粒子是高速电子，速度接近光速，贯穿本领很大，能穿透几毫米厚的铝板，但电离能力较弱．
γ射线是波长很短的电磁波，贯穿本领最强，能穿透几厘米厚的铅板，但电离能力最小．
三种射线都是从原子核中放射出来的，当放射性物质衰变时，有时放射α射线，有时放射β射线，同时伴有γ射线，因此在射线中同时有α、β、γ三种射线．放射线的发现揭示了原子核结构的复杂性，促使人们对它做进一步的研究．
3．放射性元素的衰变．
衰变：我们把原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变．
衰变过程遵守的原则：电荷数和质量数都守恒．
是U，氧为O；下标Z为电荷数，即核带的电量数，也是此元素的原子序数，如U为92，氧为8；上标M为质量数如U238为238，氧16为 16．即
α衰变：原子核放出α粒子的衰变叫做α衰变．
讨论提问：
写出U238α衰变的核反应方程式：
新生成的核可以通过查元素周期表得出．
归纳得到：α衰变后，新生成的核比原来的核质量数减少4，电荷数减少2，即新核在元素周期表中位置比原来核的位置向前移两位．其规律可以用通式表示：
其中X表示原来的原子核，Y为新生成的原子核．
β衰变：原子核放出β粒子的衰变叫做β衰变．
讨论提问：
新生成的元素Pa是镤．
归纳得到：β衰变后，新生成的核与原来的核质量数相同，电荷数增加1，即新核在元素周期表中位置比原来核的位置向后移了一位．其规律可以用通式表示：
γ射线：在原子核衰变过程中有过多的能量时，就会以光子的形式辐射出来，所以γ射线会伴随α、β射线同时产生，因此放射性物质发生衰变时，往往三种射线同时产生．
4．半衰期
放射性元素衰变有一定的速率．如氧222经α衰变变为钋218，每经过3.8天就有一半的氡发生衰变，即经过3.8天后剩下一半的氡，再经过3.8天，剩下的氡又有一半发生衰变，只剩下四分之一氡，再经3.8天剩下八分之一氡，再经3.8天剩下十六分之一氡，……．
半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间．
半衰期反映放射性元素衰变的速率，每种放射性元素都有一定的半衰期，如镭226变为氡222的半衰期为1620年；铀238变为钍234的半衰期为4.5×109年．半衰期只与元素本身有关，与元素所处的物理、化学状态及周围环境、温度都无关．
思考讨论：
10克镭226变为氡222的半衰期为1620年，有人说：经过1620年有一半镭发生衰变，还有镭2265克，再经过1620年另一半镭也发生了衰变，镭226就没有了，对吗？为什么？
归纳得到：不对，经过第二个1620年镭还剩2.5克，要正确理解半衰期的意义．
(三)课堂小结
1．许多物质都有放出α、β、γ射线的性质，称为放射性．具有放射性的元素叫做放射性元素．天然放射现象的发现为我们打开了认识原子核内部世界的大门．
2．三种放射线中，α粒子为氦核；β粒子为高速电子；γ粒子为波长很短的光子．了解它们各自的特点．
3．了解衰变．α衰变、β衰变的物理意义，会写相应的核反应方程式．
4．半衰期是反映放射性元素本身衰变快慢的物理量，要正确理解它的物理意义．
(四)课堂练习
1．写出以下元素进行一次α衰变的核反应方程式：
2．写出以下元素进行一次β衰变的核反应方程式：
(五)作业
练习一．
玻尔假设·教案
一、教学目标
1．了解玻尔的三条假设．
和量子数n的关系．
3．了解玻尔理论的重要意义．
二、重点、难点分析
1．玻尔理论是本节课的重点内容，通过学习玻尔的三条假设使学生了解玻尔把原子结构的理论向前推进了一步．
2．电子在可能的轨道上的能量是指电子总的能量，即动能和电势能的和，这点学生容易产生误解；对原子发光现象的解释也是学生学习的难点．
三、主要教学过程
(一)新课引入
前一节提到卢瑟福的原子核式结构学说跟经典的电磁理论产生了矛盾，这说明了经典的电磁理论不适用于原子结构．那么怎么解释原子是稳定的？又怎么解释原子发光的光谱不是连续光谱呢？
(二)教学过程设计
1．玻尔的原子模型．
(1)原子的稳定性．
经典的电磁理论认为电子绕原子核旋转，由于电子辐射能量，因此随着它的能量减少，电子运行的轨道半径也减小，最终要落入原子核中．
玻尔在1913年结合普朗克的量子理论针对这一问题提出新的观点．
玻尔假设一：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量．这些状态叫做定态．
说明：这一说法和事实是符合得很好的，电子并没有被库仑力吸引到核上，就像行星绕着太阳运动一样．这里所说的定态是指原子可能的一种能量状态，有某一数值的能量，这些能量包含了电子的动能和电势能的总和．
(2)原子发光的光谱．
经典的电磁理论认为电子绕核运行的轨道不断的变化，它向外辐射电磁波的频率应该等于绕核旋转的频率．因此原子辐射一切频率的电磁波，大量原子的发光光谱应该是连续光谱．
玻尔针对这一问题提出新的观点．
玻尔假设二：原子从一种定态(E初)跃迁到另一种定态(E终)时，它辐射(或吸收)一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即
hυ=E初-E终．
说明：这一说法也和事实符合得很好，原子发光的光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱．
(3)原子能量状态和电子轨道．
玻尔假设三：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应．原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的．
2．氢原子的轨道半径和能量．
玻尔从上述假设出发，利用库仑定律和牛顿运动定律，计算出了氢的电子可能的轨道半径和对应的能量．
根据计算结果概括为公式：
说明公式中r1、E1和 rn、En的意义，并说明 n是正整数，叫做量子数，r1=0.53×10-10m，E1=-13.6eV．
n=2，3，4…时，相应的能量为
E2=-3.4eV、E3=-1.51 eV、E4=-0.85eV…
E∞=0．
3．氢原子的能级．
氢原子的各种定态时的能量值叫做能极，根据以上的计算，可画出示意的能级图．
原子最低能级所对应的状态叫做基态，比基态能量高的状态叫激发态．
原子从基态向激发态跃迁，电子克服库仑引力做功增大电势能，原子的能量增加要吸收能量．
原子也可以从激发态向基态跃迁，电子所受库仑力做正功减小电势能，原子的能量减少要辐射出能量，这一能量以光子的形式放出．
明确：原子的能量增加是因为电子增加的电势能大于电子减少的动能；反之原子的能量减少是因为电子减少的电势能大于电子增加的动能．
原子无论吸收能量还是辐射能量，这个能量不是任意的，而是等于原子发生跃迁的两个能级间的能量差．
明确：一个原子可以有许多不同的能量状态和相应的能级，但在某一时刻，一个原子不可能既处于这一状态也处于那一状态．如果有大量的原子，它们之中有的处于这一状态，有的处于那一状态．氢光谱的观测就说明了这一事实，它的光谱线不是一个氢原子发出的，而是不同的氢原子从不同的能级跃迁到另一些不同能级的结果．
例1 氢原子的基态能量为E1，电子轨道半径为r1，电子质量为m，电量大小为e．氢原子中电子在n=3的定态轨道上运动时的速率为v3，氢原子从n=3的定态跃迁到n=1的基态过程中辐射光子的波长为λ，则以下结果正确的是 [ ]．
