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1 原子核的组成
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
素养 目标定位
目 标 素 养
1.通过了解天然放射现象的有关知识,正确理解天然放射现象及其规律。
2.通过对三种射线本质的了解,会利用电场、磁场区分它们。
3.理解原子核的组成,会正确书写原子核符号。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、天然放射现象
1.放射性:物质发出 射线 的性质。
2.放射性元素:具有 放射性 的元素。
3.天然放射现象:放射性元素 自发地 发出射线的现象。
微判断 (1)天然放射现象的发现揭示了原子核可以再分。
( )
(2)一定质量放射性元素发出的射线的强度可以人工控制。
( )
(3)放射性元素的放射性都是自发的现象。( )
(4)原子序数小于83的元素都不能放出射线。( )
√
×
√
×
二、射线的本质
1.α射线:实际上就是氦原子核,速度可达到光速的 ,其电离能力强,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:是高速电子流,速度可达光速的99%,它的穿透能力较强,电离能力较弱,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的
铝板 。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的电磁波,波长很短,在10-10 m以下,它的电离作用更小,但穿透能力更强,甚至能穿透几厘米厚的 铅板 或几十厘米厚的混凝土。
微思考 β射线的本质是高速电子流,示波器中的阴极射线的本质也是高速电子流,这两种射线的来源相同吗
提示:不同。阴极射线的电子来源于核外电子,β射线的电子来源于原子核。
三、原子核的组成
1.质子的发现。
1919年,卢瑟福用镭放射出的 α粒子 轰击氮原子核,从氮原子核中打出了质子。
2.中子的发现。
1932年,卢瑟福的学生 查德威克 通过实验证实了中子的存在。
3.原子核的组成。
原子核由质子和中子组成,组成原子核的质子和 中子 统称为核子。
4.原子核的电荷数。
原子核所带的电荷总是 质子 电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数,用字母Z表示。
5.原子核的质量数。
原子核的质量等于核内质子和 中子 的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于
单个核子 质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数,用字母A表示。
6.原子核的符号。
7.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,因而互称同位素。
微训练 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
课堂·重难突破
重难归纳
1.α、β、γ三种射线的比较。
一 三种射线的理解与应用
种类 α射线 β射线 γ射线
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
在电场或 磁场中 偏转 偏转 不偏转
2.三种射线在电场和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:在同一匀强电场中,α粒子和β粒子垂直于电场方向进入电场,粒子偏向相反方向做类平抛运动,根据粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动,偏移量可表示为 (式中x为粒子在初速度方向上移动的距离)。
(3)α射线和β射线在磁场中的偏转特点:在同一匀强磁场中,α粒子和β粒子垂直于磁场方向进入磁场,偏向相反方向做匀速
如图所示,R是一种放射性物质,虚线框内是垂直于纸面的匀强磁场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。
(1)匀强磁场的方向是垂直于纸面向里还是向外
(2)到达O点和P点的分别是什么射线
提示: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于纸面向里。
典例剖析
一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔,铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后,射线变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,如图所示,则图中的射线a和射线b分别为( )
A.α射线 β射线
B.β射线 γ射线
C.γ射线 α射线
D.γ射线 β射线
D
解析:放射源发射的α、β和γ三种射线中,α射线的穿透本领最弱,一张普通的纸就能挡住,不会穿过铝箔;β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝箔;γ射线的穿透本领最强,能穿透几厘米厚的铅板,故穿过铝箔的是β和γ射线,选项A、C错误。其中γ射线是光子流,不带电(电中性),在电场中不偏转,是射线a,β射线带负电,在电场中发生偏转,是射线b,故选项B错误,D正确。
规律总结 三种射线的比较方法
1.知道三种射线带电的性质,α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。α、β是实物粒子,而γ射线是光子流,属于电磁波的一种。
2.在电场或磁场中,通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线偏转方向,由于γ射线不带电,故运动轨迹仍为直线。
3.α粒子穿透能力较弱,β粒子穿透能力较强,γ射线穿透能力最强,而电离作用相反。
学以致用
(多选)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射线的轨迹是抛物线
C.α射线和β射线的轨迹是圆弧
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
AC
解析:由左手定则可知粒子向右射出后,在匀强磁场中带正电的α粒子受的洛伦兹力向上,带负电的β粒子受的洛伦兹力向下,轨迹都是圆弧,而γ射线不带电,做直线运动,选项B错误,A、C正确;如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场时,由于α粒子速度约是光速的 ,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,选项D错误。
重难归纳
二 原子核和同位素的理解
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组成的元素。
(2)原子的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。
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了
质子,下图为α粒子轰击氮原子核示意图。
(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
提示:(1)质子是原子核的组成部分。
(2)说明原子核内除质子外,还有其他粒子存在。
典例剖析
(多选)下列说法正确的是( )
答案:BC
特别提示 1.核电荷数与原子核的电荷量是不同的,组成原子核的质子的电荷量都是相同的,所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍,我们把核内的质子数叫核电荷数,而这些质子所带电荷的总和才是原子核的电荷量。
2.原子核的质量数与质量是不同的,也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数,原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
学以致用
据报道,放射性同位素钬 在医疗领域有重要应用,该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A.99 B.67
C.32 D.166
答案:C
解析:根据原子核内各量的关系可知核外电子数=质子数=67,中子数为166-67=99,故核内中子数与核外电子数之差为99-67=32,故选项C正确,A、B、D错误。
随堂训练
1.关于天然放射现象,下列说法正确的是( )
A.α射线是由氦原子核产生的
B.β射线是由原子核外电子电离产生的
C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生的
D.通过化学反应不能改变物质的放射性
答案:D
解析:α射线的本质是氦核,选项A错误;β射线是在β衰变中产生的,本质是高速电子束,选项B错误;γ射线是发生α衰变和β衰变时原子发生能级跃迁而产生的电磁波,选项C错误;物质的放射性由原子核内部自身的因素决定,与原子的化学反应和外部条件无关,选项D正确。
2.以下说法正确的是( )
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:钍核的质量数为234,质子数为90,选项A错误;铍核的质量数为9,中子数为5,选项B错误;由于同位素质子数相同而中子数不同,即质量数不同,选项C错误,D正确。
3.原子核能放出α、β、γ射线,关于原子核的组成,下列说法正确的是( )
A.原子核中有质子、中子,还有α粒子
B.原子核中有质子、中子,还有β粒子
C.原子核中有质子、中子,还有γ粒子
D.原子核中只有质子和中子
答案:D
解析:在放射性元素的原子核中,2个质子和2个中子结合得较紧密,有时作为一个整体放出,这就是α粒子的来源,不能据此认为α粒子是原子核的组成部分;原子核里是没有电子的,但中子可以转化成质子,并向核外释放一个电子,这就是β粒子;原子核发出射线后处于高能级,在回到低能级时多余的能量以γ光子的形式辐射出来,形成γ射线,故原子核里也没有γ粒子,故选项D正确。
4.(多选)氢有三种同位素分别为氕 ,下列说法不正确的是( )
A.它们的质子数相同 B.它们的质量数相同
C.它们的核子数相同 D.它们的中子数相同
答案:BCD
解析:同位素的质子数相同,核电荷数相同,中子数不同,质量数、核子数不同,选项B、C、D错误,A正确。
5.如图所示,X为未知的放射源,L为薄铝片,在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小,在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,则X可能是
( )
A.α和β的混合放射源
B.纯α放射源
C.α和γ的混合放射源
D.纯γ放射源
答案:C
解析:在放射源和计数器之间加上铝片后,计数器的计数率大幅度减小,说明射线中有穿透力很弱的粒子,即α粒子;在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,说明穿过铝片的粒子中无带电粒子,只有γ粒子。因此放射源可能是α和γ的混合放射源,选项C正确。第五章 原子核
1 原子核的组成
课后·训练提升
基础巩固
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
1.下列现象中,与原子核内部变化有关的是( )
A.α粒子散射现象
B.天然放射现象
C.光电效应现象
D.原子发光现象
答案:B
解析:天然放射现象中射线来自原子核,是原子核内部变化引起的,选项B正确,A、C、D错误。
2.若用x代表一个原子中核外电子数,y代表此原子的原子核内的质子数,z代表此原子的原子核内的中子数,则对于 Th来说( )
A.x=90,y=90,z=234
B.x=90,y=90,z=144
C.x=144,y=144,z=90
D.x=234,y=234,z=144
答案:B
解析:Th左上角的数为原子的质量数,即234,左下角的数为质子数,即y=90,所以电子数也是x=90,中子数z=234-90=144,选项B正确。
3.用“γ刀”进行手术,可以使病人在清醒状态下经过较短的时间完成手术,在此过程中,主要利用:①γ射线具有较强的穿透本领;②γ射线很容易绕过障碍物到达病灶区域;③γ射线具有很强的电离能力,从而使癌细胞电离而被破坏;④γ射线具有很高的能量。上述描述正确的是( )
A.①②
B.②③
C.①②③
D.①④
答案:D
解析:用“γ刀”进行手术,利用的是γ射线具有较强的穿透本领能够进入病灶区,再利用γ射线具有很高的能量杀死癌细胞,γ射线的电离本领最弱,故选项D正确。
4.在轧制钢板时需要动态地监测钢板厚度,其监测装置由放射源、探测器等构成,如图所示。该装置中探测器接收到的是( )
A.X射线 B.α射线
C.β射线 D.γ射线
答案:D
解析:放射源放出的是α射线、β射线、γ射线,无X射线,故选项A错误;另外α射线穿透本领最弱,一张纸就能将其挡住,而β射线穿透本领较强,能穿透几毫米厚的铝板,γ射线穿透本领最强,可以穿透几厘米厚的铅板,穿过轧制钢板的只能是γ射线,故选项B、C错误,D正确。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
5.天然放射性物质的放射线包括三种成分,下列说法正确的是( )
A.一张厚的黑纸能挡住α射线,但不能挡住β射线和γ射线
B.某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C.三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D.β粒子是电子,但不是原来绕核旋转的核外电子
答案:ACD
解析:由三种射线的本质和特点可知,α射线贯穿本领最弱,一张黑纸都能挡住,而黑纸挡不住β射线和γ射线,故选项A正确;γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波,不会使原子核变成新核,故选项B错误;三种射线中α射线电离作用最强,故选项C正确;β粒子是电子,来源于原子核,故选项D正确。
6.以下说法正确的是( )
A.原子中含有带负电的电子,所以原子带负电
B.原子核中的质子数一定与核外电子数相等
C.用粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子,因此人们断定质子是原子核的组成部分
D.绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷数跟质子电荷数之比,因此原子核内还存在一种不带电的中性粒子
答案:CD
解析:原子中除了带负电的电子外,还有带正电的质子,故选项A错误;对于中性原子来说,原子核中的质子数才跟核外电子数相等,故选项B错误;正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子,故选项C正确;因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷数跟质子电荷数之比,才确定原子核内必还有别的中性粒子,故选项D正确。
7.静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1,如图所示,则( )
A.α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B.原来放射性元素的核电荷数为90
C.反冲核的核电荷数为88
D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
答案:ABC
解析:由于微粒之间相互作用的过程中动量守恒,初始总动量为零,则最终总动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反,选项A正确;由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动,由qvB=得R=,若原来放射性元素的核电荷数为Q,则α粒子的轨道半径R1=,反冲核的轨道半径R2=,由p1=p2、R1∶R2=44∶1得Q=90,选项B、C正确;它们的速度大小与质量成反比,选项D错误。
三、非选择题
8.质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子(速度可看为零),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。
(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)
(2)1∶
解析:(1)离子在电场中被加速时,由动能定理得
qU=mv2
进入磁场时洛伦兹力提供向心力,qvB=
又x=2r
由以上三式得x=。
(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==1∶。
能力提升
一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)
1.物理学家通过对实验的深入观察和研究,获得正确的科学认知,推动物理学的发展。下列说法符合事实的是( )
A.麦克斯韦预言了关于光的电磁理论并通过一系列实验进行了证实
B.查德威克用α粒子轰击N获得反冲核O,发现了中子
C.贝克勒尔发现的天然放射现象,说明原子核有复杂结构
D.卢瑟福通过对阴极射线的研究,提出了原子核式结构模型
答案:C
解析:麦克斯韦预言了电磁波的存在,赫兹通过实验证实了麦克斯韦的电磁理论,选项A错误;卢瑟福用α粒子轰击N,获得反冲核O,发现了质子,选项B错误;贝克勒尔发现的天然放射现象,说明原子核具有复杂结构,选项C正确;卢瑟福通过对α粒子散射实验的研究,提出了原子的核式结构模型,选项D错误。
2.在贝克勒尔发现天然放射现象后,人们对放射线的性质进行了深入研究,发现α、β、γ射线的穿透本领不同。下图为这三种射线穿透能力的比较,图中射线①②③分别是( )
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,但不能穿透厚铝板和铅板,故②是β射线,故选项C正确。
3.原子核内部有( )
A.质子 B.α粒子
C.电子 D.光电子
答案:A
解析:根据原子核的内部结构可知,原子核是由质子和中子组成的,选项A正确,B、C、D错误。
4.如图所示,R为放射源,虚线范围内有垂直于纸面的磁场B,LL'为厚纸板,MN为荧光屏,今在屏上P点处发现亮斑,则到达P点处的放射性物质微粒和虚线范围内B的方向分别为( )
A.α粒子,B垂直于纸面向外
B.α粒子,B垂直于纸面向内
C.β粒子,B垂直于纸面向外
D.β粒子,B垂直于纸面向内
答案:D
解析:由于α粒子贯穿本领很弱,只能穿透几厘米空气,因此穿透厚纸板到达屏上P点的不可能是α粒子;由于γ粒子不带电,穿过B区域不会发生偏转,因此到达P点的也不可能是γ粒子;因此可知,到达P点的必然是β粒子,又由于β粒子带的是负电,因此用左手定则便可判断B的方向应该是垂直于纸面向内,选项D正确。
5.如图所示,X为未知放射源,它向右方发射放射线,P为一张厚度为0.5 mm左右的薄铝箔,铝箔右侧是一真空区域,内有较强磁场,Q为荧光屏,H是观察装置。实验时,若将磁场撤去,每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化,再将铝箔移开,则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加,则可知放射源X可能为( )
A.α和β的混合放射源
B.α和γ的混合放射源
C.β和γ的混合放射源
D.α、β和γ的混合放射源
答案:B
解析:将强磁场撤去,每分钟观察到荧光屏上的亮点数基本没有变化,说明磁场对射线粒子没有影响,可知射到屏上的是不带电的γ射线;再将厚0.5mm左右的薄铝箔移开,则每分钟观察到荧光屏上的亮点数明显增加,说明除接收到γ射线外,又收到了原来被铝箔P挡住的射线,而厚度为0.5mm左右的铝箔能挡住的只有α射线,所以此放射源应是α和γ的混合放射源,选项B正确。
二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)
6.下列说法正确的是( )
A.α射线与γ射线都是电磁波
B.β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流
C.从伦琴射线管的对阴极发出X射线时,对阴极中的原子核的结构并没有改变,只是原子从能量较高的定态跃迁到较低的定态
D.放射性元素有射线放出时,元素的原子核的组成一定发生变化
答案:CD
解析:α射线是实物粒子流,不是电磁波,选项A错误;β射线是原子核中的中子转变成质子而释放的电子流,不是核外电子电离后形成的,选项B错误;X射线是原子的内层电子受到激发后,原子从高能级向低能级跃迁而产生的,对阴极中的原子和原子核的结构没有改变,选项C正确;放射性元素有射线放出时,原子核一定发生了变化,选项D正确。
7.Ra是镭Ra的一种同位素,对于这两种镭的原子而言,下列说法正确的是( )
A.它们具有相同的质子数和不同的质量数
B.它们具有相同的中子数和不同的原子序数
C.它们具有相同的核电荷数和不同的中子数
D.它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质
答案:AC
解析:原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的,核内质子数均为88,核子数分别为228和226,中子数分别为140和138;原子的化学性质由核外电子数决定,因它们的核外电子数相同,故它们的化学性质也相同,选项A、C正确。
三、非选择题
8.茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线,对宇航员构成了很大的威胁。现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)。
(1)在不影响β和γ射线的情况下,如何用最简单的方法除去α射线
(2)余下的这束β和γ射线经过如图所示的一个使它们分开的磁场区域,请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。(画在图上)
(3)用磁场可以区分β和γ射线,但不能把α射线从γ射线束中分离出来,为什么 (已知α粒子的质量约是β粒子质量的8 000倍,α射线速度约为光速的,β射线速度约为光速)
答案:(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线
(2)如图所示
(3)α射线的圆周运动的半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离
解析:(1)由于α射线贯穿能力很弱,用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(3)α粒子和电子在磁场中偏转
根据R=, 对α射线有Rα=
对β射线有Re=
故=400
α射线穿过此磁场时,半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
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