散 原子核
基礎(chǔ)知識 一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型
1、湯姆生的“棗糕”模型
（1）1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認識到原子有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了研究原子的序幕．
(2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里．
2、盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型1909～1911年，英國物理學(xué)家盧琴福和他的助手們進行了α粒子散射實驗
(1)實驗裝置如圖所示：
如圖所示，用α粒子轟擊金箔，由于金原子中的帶電微粒對α粒子有庫倉力作用，一些α粒子穿過金箔后改變了運動方向，這種現(xiàn)象叫做α粒子散射.
熒光屏可以沿著圖中虛線轉(zhuǎn)動，用來統(tǒng)計向不同方向散射的粒子數(shù)目.全部設(shè)備裝在真空中.
(2)α粒子散射實驗結(jié)果：
絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但有少數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn).，極少數(shù)偏轉(zhuǎn)角超過900，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達到1800．
(3)現(xiàn)象解釋：
認為原子中的全部正電荷和幾乎所有質(zhì)量都集中到一個很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的庫侖力很小，它們的運動幾乎不受影響.只有少數(shù)α粒子從原子核附近飛過，明顯受到原子核的庫侖力而發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn).
核式結(jié)構(gòu)模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)．
原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個原子是呈電中性的．電子繞著核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對它的庫侖引力．
[說明] 核式結(jié)構(gòu)模型的實驗基礎(chǔ)是α粒子散射實驗，原子核是多么小，原子內(nèi)部是多么“空”.
從α粒子散射的實驗數(shù)據(jù)，估計原子核半徑的數(shù)量級為10-14m～10-15m，而原子半徑的數(shù)量級是10-10m.
二、天然放射性現(xiàn)象
1．放射性現(xiàn)象：貝克勒耳發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，使人們認識到原子核也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕．通過對天然放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也具有放射性，它們放射出來的射線共有三種：α射線、β射線、γ射線．
2、三種射線的本質(zhì)和特性比較
①α射線：是氦核( He)流，速度約為光速的十分之一，在空氣中射程幾厘米，貫穿本領(lǐng)小，電離作用強.
②β射線：是高速的電子流，速度約為光速十分之幾，穿透本領(lǐng)較大，能穿透幾毫米的鋁板，電離作用較弱.
③γ射線：是高能光子流，波長極短的電磁波，貫穿本領(lǐng)強，能穿透幾厘米鉛板，電離作用小.
[說明] 放射性元素有的原子核放出α射線，有的放出β射線，多余的能量以γ光子的形式射出.
種 類本 質(zhì)質(zhì) 量（u）電 荷（e）速 度（c）電 離 性貫 穿 性
α射線氦核4+20.1最強最弱，紙能擋住
β射線電子1/1840-10.99較強較強，穿幾mm鋁板
γ射線光子001最弱最強，穿幾cm鉛版
三種射線在勻強磁場、勻強電場、正交電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)情況比較：
3、原子核的衰變
定義：放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓Q為衰變.
衰變規(guī)律：電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒.
(1)α衰變的一般方程： → ＋ He?每發(fā)生一次α衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數(shù)減小2，質(zhì)量數(shù)減少4．
α衰變的實質(zhì)：是某元素的原子核同時放出由兩個質(zhì)子和兩個中子組成的粒子(即氦核)．(核內(nèi) )
(2)β衰變的一般方程： → ＋ e．每發(fā)生一次β衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數(shù)增加1，質(zhì)量數(shù)不變．
β衰變的實質(zhì)：是元素的原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子時放射出一個電子．(核內(nèi) )， +β衰變：
(3)γ射線是伴隨α衰變或β衰變同時產(chǎn)生的、γ射線不改變原子核的電行數(shù)和質(zhì)量數(shù)．
γ射線實質(zhì):是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變時,產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子．
(4)半衰期 知放射性標(biāo)志
定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間，叫這種元素的半衰期. （對大量原子核的統(tǒng)計規(guī)律）
用希臘字母τ表示公式： ，
[說明](1)半衰期由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(tài)(如壓強、溫度等)或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)或化合物)無關(guān).
(2)半衰期只對大量原子核衰變才有意義，因為放射性元素的衰變規(guī)律是統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)原子核衰變不再起作用.
(3)確定衰變次數(shù)的方法：設(shè)放射性元素 X經(jīng)過n次α衰變m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素 Y，
則表示核反應(yīng)的方程為： X→ Y+n He +m e. 由此可見確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個二元一次方程組.
根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列方程 兩式聯(lián)立得：
三.原子核的人工轉(zhuǎn)變核能
1．原子核的組成：質(zhì)子和中子組成原子核。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。
原子核的質(zhì)量數(shù)等于其核子數(shù)，原子核的電荷數(shù)等于其質(zhì)子數(shù)，原子核的中子數(shù)N等于其質(zhì)量數(shù)A與電荷數(shù)Z之差，即N=A?Z。
質(zhì)子質(zhì)量= 1．007277u＝1．6725×10－27kg; 中子質(zhì)量=1．008665u＝1．6748×10--27kg
具有相同的質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)的原子核互稱為同位素．
2．原子核的人工轉(zhuǎn)變及其三大發(fā)現(xiàn)
原子核的人工轉(zhuǎn)變：用人工方法使一種原子核變成另一種原子核的變化.用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程，
反應(yīng)方程 。式中 是靶核的符號， 為入射粒子的符號， 是新生核符號， 是放射出的粒子的符號。
①1919盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子： N+ He→ O+ H
②1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子： Be+ He→ C+ n
③1934年約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子 Al+ He → P+ n P→ Si+ e (其中， P是放射性同位素， e為正電子．)
3.放射性同位素的應(yīng)用
⑴利用其射線：
利用α射線的電離作用，用于使空氣電離，將靜電泄出，從而消除有害靜電。
γ射線探傷:如利用鈷60放出的很強的γ射線來檢查金屬內(nèi)部有沒有砂眼和裂紋，這叫γ射線探傷，γ射線貫穿性強，可用于金屬探傷，
利用放射線的貫穿本領(lǐng)了解物體的厚度和密度的關(guān)系,可以用放射性同位素來檢查各種產(chǎn)品的厚度,密封容器中的液面高度,從而自動控制生產(chǎn)過程，
利用射線殺死體內(nèi)的癌細胞等.用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發(fā)生突變，可用于生物工程，基因工程。
⑵作為示蹤原子。如在生物科學(xué)研究方面，研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其功能。同位素示蹤技術(shù)起著十分重要的作用。
在人工方法合成牛胰島素的研制、驗證方向、示蹤原子起著重要的作用. 診斷甲狀腺疾病的類型。
在輸油管線漏的檢查和對植物生長的檢測方面，示蹤原子都起著重要作用.用于研究農(nóng)作物化肥需求情況，
⑶進行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質(zhì)文物的產(chǎn)生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素（種類齊全，半衰期短，可制成各種形狀，強度容易控制）
四.核力與核能
1．核力：原子核的半徑很小，其中的質(zhì)子之間的庫侖力很大，受到這么大的庫侖斥力卻能是穩(wěn)定狀態(tài)，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起．這種力叫做核力(很強的短程力)
①核力是很強的力 ②核力作用范圍小只在2．0×10－15 m短距離內(nèi)起作用 ③每個核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用
2．核能
（1）結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時放出一定的能量，原子核分解成核子時吸收一定能量，這種能量叫結(jié)合能．
（2）質(zhì)量虧損：核子結(jié)合生成原子核，所生成的原子核的質(zhì)量比生成它的核子的總質(zhì)量要小些，這種現(xiàn)象叫做質(zhì)量虧損。
也可以認為．在核反應(yīng)中，參加核反應(yīng)的總質(zhì)量m和核反應(yīng)后生成的核總質(zhì)量m/之差： Δm=m一m/
（3）愛因斯坦質(zhì)能方程：愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質(zhì)量之間存在著密切的聯(lián)系，
它們的關(guān)系是：E = mc2，這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。質(zhì)能方程的另一個表達形式是：ΔE=Δmc2。
[說明]質(zhì)能方程告訴我們質(zhì)量和能量之間存在著簡單的正比關(guān)系.物體的能量增大了,質(zhì)量也增大了;能量減小了,質(zhì)量也減小.
（4）核能計算：
①應(yīng)用公式ΔE=Δmc 2時應(yīng)選用國際單位，即ΔEM的單位為J，Δm的單位為kg，C的單位為m/s．
②1u相當(dāng)于931．5MeV，其中u為原子質(zhì)量單位：1u=1．660566×10－27kg ，lMev= l06 ev，leV＝1．6×10－19J
③應(yīng)用公式ΔE=931．5Δm時，ΔE的單位為兆電子伏（MeV），Δm的單位為原子質(zhì)量單位．
五.重核的裂變與輕核的聚變
1．重核的裂變（原子彈、核電站的原理）
①所謂重核即為質(zhì)量數(shù)很大的原子核．裂變方程式例舉：
②重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質(zhì)量數(shù)的原子核的反應(yīng)過程叫重核的裂變。在裂變的同時，還會放出幾個中子和大量能量．
鈾235裂變時，同時放出2?3個中子，如果這些中子再引起其他鈾235核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進行下去，釋放越來越多的能量，這種反應(yīng)叫鏈式反應(yīng)（原子彈的原理）．核反應(yīng)堆是人類對核裂變能的利用。
鈾235核能夠發(fā)生接式反應(yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積．鏈式反應(yīng)條件：①純鈾235；②達到臨界體積
③核反應(yīng)堆的構(gòu)造：
A.核燃料??用鈾棒(含 3%-4%的濃縮鈾) B．減速劑??用石墨、重水或普通水( 只吸收慢中子)
C．控制棒??用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強) D．冷卻劑??用水或液態(tài)鈉(把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳遞出去)
E．建很厚的水泥防護層屏蔽射線，還要考慮核廢料的處理。
2．輕核的聚變（原子彈的原理） 優(yōu)點：產(chǎn)能效率高，燃料的儲量豐富，安全清潔，廢料少易處理。
①所謂輕核是指質(zhì)量數(shù)很小的原子核，如氫核、氘核等．
②某些輕核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的反應(yīng)過程叫做輕核的聚變，同時放出大量的能量．方程： H＋ H→ He＋ n
輕核聚變條件：只能發(fā)生在超高溫(需要幾百萬度高溫)條件下，故輕核聚變也叫做熱核反應(yīng)．
(在太陽內(nèi)部、原子彈的爆炸、激光聚焦才能達到這樣的高溫)。
受控?zé)岷朔磻?yīng)：是人類對聚變能的利用，使得巨大的熱核反應(yīng)能量不以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸釋放出來，并加以利用。
六.粒子物理學(xué)
到19世紀末，人們認識到物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。
20世紀30年代以來，人們認識了正電子、μ子、K介子、π介子等粒子。后來又發(fā)現(xiàn)了各種粒子的反粒子（質(zhì)量相同而電荷及其它一些物理量相反）。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達400多種，形成了粒子物理學(xué)。按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強子，其中強子是由更基本的粒子??夸克組成。從目前的觀點看，媒介子、輕子和夸克是沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點狀”粒子。
用粒子物理學(xué)可以較好地解釋宇宙的演化。
規(guī)律方法 1。掌握典型的反應(yīng)方程
1．四種核反應(yīng)類型(衰變,人工核轉(zhuǎn)變,重核裂變,輕核驟變)
⑴衰變： α衰變： (實質(zhì)：核內(nèi) )α衰變形成外切(同方向旋)，
β衰變： (實質(zhì)：核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)變成了質(zhì)子和中子 )
β衰變形成內(nèi)切(相反方向旋)，且大圓為α、β粒子徑跡。
+β衰變： （核內(nèi) ）
γ衰變：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級。
⑵人工轉(zhuǎn)變： (發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng))(盧瑟福)用α粒子轟擊氮核,并預(yù)言中子的存在
(發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng))(查德威克)釙產(chǎn)生的α射線轟擊鈹
(人工制造放射性同位素)
正電子的發(fā)現(xiàn)(約里奧居里和伊麗芙居里夫婦)α粒子轟擊鋁箔
⑶重核的裂變：
在一定條件下(超過臨界體積)，裂變反應(yīng)會連續(xù)不斷地進行下去，這就是鏈式反應(yīng)。
⑷輕核的聚變： (需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應(yīng))
所有核反應(yīng)的反應(yīng)前后都遵守：質(zhì)量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒。（注意：質(zhì)量并不守恒。）
2．理解原子核的變化
無論天然放射性元素的衰變，還是原子核的人工轉(zhuǎn)變，都遵循電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒（注意：質(zhì)量并不守恒），動量守恒與能量守恒有關(guān)規(guī)律，除去會寫核反應(yīng)過程以外，還需結(jié)合以前學(xué)過的力學(xué)知識、電磁學(xué)知識進行有關(guān)計算．
3．理解核能與核能的計算
凡是釋放核能的核反應(yīng)都有質(zhì)量虧損。核子組成不同的原子核時，平均每個核子的質(zhì)量虧損是不同的，所以各種原子核中核子的平均質(zhì)量不同。核子平均質(zhì)量小的，每個核子平均放的能多。鐵原子核中核子的平均質(zhì)量最小，所以鐵原子核最穩(wěn)定。凡是由平均質(zhì)量大的核，生成平均質(zhì)量小的核的核反應(yīng)都是釋放核能的。
核能的計算方法：
(1)根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能虧損，用核子結(jié)合成原子核時的質(zhì)量虧損(Δm)的千克數(shù)乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)即ΔE=Δmc2①
(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5(MeV)能量,用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位乘以931.5MeV即ΔE=Δm×931.5MeV②
注意：①式Δm的單位是千克(kg)，ΔE的單位是焦耳(J)；
②式中Δm的單位是指原子質(zhì)量單位(u)(1u=1.660566×10-27 kg)，ΔE的單位是兆電子伏(MeV)。
(3)由核能的轉(zhuǎn)化量來計算核能。
在無光子輻射的情況下，核反應(yīng)中釋放的核能轉(zhuǎn)化為生成新核和新粒子的動能，因而在此情況下可應(yīng)用力學(xué)原理??動量守恒和能量守恒來計算核能。
整個知識體系可歸結(jié)為：兩模型(原子的核式結(jié)構(gòu)模型、波爾原子模型)；兩方程(核反應(yīng)方程、質(zhì)能方程)；四變(衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變)；六子(電子、質(zhì)子、中子、正電子、 粒子、 光子)。4條守恒定律(電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、能量守恒、動量守恒)貫串全章。
高考對本章的考查：以α粒子散射實驗、原子光譜為實驗基礎(chǔ)的盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說和玻爾原子理論，各種核變化和與之相關(guān)的核反應(yīng)方程、核能計算等。
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