高中物理 第3章 原子核 1 原子核的组成与核力教师用书 教科版选修3-5

1．原子核的组成与核力

学习目标知识脉络1.掌握原子核的组成，知道核子和

同位素的概念．(重点)

2．知道核力的概念及特征．(重点)

3．知道核反应的定义，会正确书写

核反应方程.

原子核的组成

[先填空]

1．质子的发现(如图3-1-1所示)

图3-1-1

2．中子的发现(如图3-1-2所示)

图3-1-2

3．原子核的组成

由质子和中子组成，它们统称为核子．

4．原子核的符号

5．同位素

具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称同位素．例如，氢有三种同位素，11H、21H、31H.

[再判断]

1．原子核的核子数等于质子数．(×)

2．质量数就是原子核的质量．(×)

3．在元素周期表中处在同一位置上，而质量数不同的元素叫同位素．(√)

[后思考]

同一种元素的几种同位素，它们的化学性质相同吗？为什么？

【提示】相同．因为同位素具有相同的质子数，所以具有相同的核外电子数，元素的化学性质取决于核外电子，所以同位素的化学性质相同．

1．原子核的组成

原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电．不同的原子核内质子和中子的个数并不相同．

2．原子核的符号和数量关系

(1)符号：A Z X.

(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

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，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同．把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素．

1．α粒子可以表示为42He，42He中的4为__________，2为________．

【解析】根据42He所表示的物理意义，原子核的质子数决定核外电子数，原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数．原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即为核内的核子数.42He符号的左下角表示的是质子数或核外电子数，即为2，42He 符号左上角表示的是核子数，即为4.

【答案】质子数与中子数之和(或质量数) 质子数

2．下列说法正确的是( )

【导学号：11010033】

A.n m X与n m-1Y互为同位素

B.n m X与n-1m Y互为同位素

C.n m X与n-2m-2Y中子数相同

D.235 92U核内有92个质子，235个中子

E.235 92U核内有92个质子，143个中子

【解析】A选项中，X核与Y核的质子数不同，不能互为同位素；B选项中n m X核与n-1m Y核质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素；C选项中n m X核内中子数为n－m，n-2m-2Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同；235 92U核内有143个中子，而不是235个中子．

【答案】BCE

3．已知镭的原子序数是88，原子核的质量数是226.试问：

(1)镭核中有几个质子？几个中子？

(2)镭核所带电荷量是多少？

(3)若镭原子呈电中性，它核外有几个电子？

(4)228 88Ra是镭的一种同位素，让226 88Ra和228 88Ra以相同速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨迹半径之比是多少？

【解析】因为原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的，

原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和．由此可得：

(1)镭核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数N 等于原子核的质量数A 与质子数Z 之差，即N ＝A －Z ＝226－88＝138.

(2)镭核所带电荷量Q ＝Ze ＝88×1.6×10－19 C≈1.41×10－17 C. (3)镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，故核外电子数为88.

(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力，故有Bqv ＝m v 2

r ，r ＝

mv qB

.两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故

r 226r 228＝

226228＝

113

114

.

【答案】 (1)88 138 (2)1.41×10－17 C (3)88 (4)113∶114

原子核的“数”与“量”辨析

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量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．

核 力

[先填空] 1．核力

原子核内核子之间的相互作用力． 2．核力的特征

(1)核力是强力，在原子核内，核力比库仑力大得多．

(2)核力是短程力，当两核子中心相距大于核子本身线度时，核力几乎完全消失．

(3)核力与电荷无关，质子与质子，质子与中子，以及中子与中子之间的核力是相等的．

3．原子核的稳定性

质子数越多的原子核，就需要有更多的中子来维持核的稳定，在大而稳定的原子核中，中子的数量多于质子．

[再判断]

1．原子核内的质子间均存在核力和库仑力．(×)

2．稳定原子核的质子数总是与中子数相等．(×)

3．对质子数较多的原子核，其中的中子数起到增加核力、维系原子核稳定的作用．(√) [后思考]

原子核是由中子和质子组成的，在原子核狭小的空间里，带正电的质子为什么能挤在一起而不飞散？

【提示】组成原子核的相邻的核子间存在核力．

1．原子核中核子比例关系：自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等；对于较重的原子核，中子数大于质子数．越重的原子核，两者相差越多．

2．形成原因及原子核的稳定性

(1)原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力非常小，较多的质子聚集在一起的核力不足以平衡它们之间的库仑力，原子核就不稳定了．这时，不再成对地增加质子和中子，而只增加中子，中子与其他核子间没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维系原子核的稳定性．

(2)核力的饱和性：稳定的重原子核里，中子数要比质子数多．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，如果我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．所以，原子核的大小也受到限制．

4．关于核力，下列说法中正确的是( )

【导学号：11010034】A．原子核内每个核子只跟与它们相邻的核子间才有核力作用

B．核力既可能是引力，又可能是斥力

C．核力对核子做正功，原子核要释放核能

D．原子核内的某一核子与其他核子间都有核力作用

E．原子核内相距较远的两个核子间没有核力作用，不一定有库仑力作用

【解析】核力有时表现为引力，有时表现为斥力，但不是说核力既可能是引力，又可能是斥力，故B错误；核力是短程力，只有在2.0×10－15 m左右的范围内起作用，故A正确，D错误；核子结合成原子核时，核力对核子做正功，原子核释放一定的能量，故C正确；原子核内两核子相距较远时没有核力作用，核内质子与中子间不会有库仑力作用，E正确．

【答案】ACE

5．核子结合成原子核的下列说法中，正确的是( )

A．原子核内的核子间均存在核力

B．原子核内的质子间均存在核力和库仑力

C．当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时，其间势能一定减小

D．质子数较多的原子核，其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用

E．原子核内的相邻核子间的核力与核子是否带电无关

【解析】由于核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，与核子是否带电无关，由此知A、B错误，E正确；当n个核子靠近到核力作用范围内，而距离大于0.8×10－15 m时，核力表现为引力，在此过程中核力必做正功，其间势能必定减小，形成原子核后距离一般不小于0.8×10－15m，故C正确；质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力，但各个质子间均有很强的库仑斥力，随着质子数的增加，其库仑力增加，对于稳定的原子核，必须存在较多的中子才能维系二者的平衡，故D正确．

【答案】CDE

1核力是强力，只存在于相邻核子之间.

2核力的存在与核子是否带电及电性无关.

3原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关.

核反应

[先填空]

1．核反应

原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．

2．核反应方程

用原子核符号描述核反应过程的式子．

3．核反应规律

在核反应中，质量数和电荷数守恒．

[再判断]

1．卢瑟福发现质子的过程就是原子核的人工转变过程．(√)

2．核反应方程只要满足质量数、电荷数守恒可以随便写．(×)

[后思考]

书写核反应方程时为什么不能用等号连接？

【提示】核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单箭头表示反应方向．

1．核反应的条件

用α粒子、质子、中子，甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变．

2．核反应的实质

用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开，而是粒子打入原子核内部使核发生了转变．

3．原子核人工转变的三大发现

(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应：

14 7N＋42He→17 8O＋11H

(2)1932年查德威克发现中子的核反应：

94Be＋42He→12 6C＋10n

(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应：2713Al＋42He→3015P＋10n；3015P→3014Si＋01e.

4．人工转变核反应与衰变的比较

(1)不同点：原子核的人工转变是一种核反应，是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生，而衰变是原子核的自发变化，它不受物理和化学条件的影响．

(2)相同点：人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒，反应前后粒子总动量守恒．

6．以下是物理学史上3个著名的核反应方程

x＋73Li→2y y＋14 7N→x＋17 8O y＋94Be→z＋12 6C

x、y和z是3种不同的粒子，下列说法正确的是( )

A．x为α粒子

B．x为质子

C．y为α粒子

D．y为电子

E．z为中子

【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子11H，y为42He即α粒子，z 为中子10n.

【答案】BCE

7．完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的．

(1)10 5B＋42He→13 7N＋( )

(2)94Be＋( )→12 6C＋10n

(3)2713Al＋( )→2712Mg＋11H

(4)14 7N＋42He→17 8O＋( )

(5)2311Na＋( )→2411Na＋11H

(6)2713Al＋42He→10n＋( )；3015P→3014Si＋( )

【解析】(1)10 5B＋42He→13 7N＋10n

(2)94Be＋42He→12 6C＋10n

由此核反应使查德威克首次发现了中子．

(3)2713Al＋10n→2712Mg＋11H

(4)14 7N＋42He→17 8O＋11H

此核反应使卢瑟福首次发现了质子．

(5)2311Na＋21H→2411Na＋11H

(6)2713Al＋42He→10n＋3015P；

3015P→3014Si＋ 0＋1e(正电子)

此核反应使约里奥—居里夫妇首次发现了正电子．

【答案】见解析

书写核反应方程的四条重要原则

(1)质量数守恒和电荷数守恒；

(2)中间用箭头，不能写成等号；

(3)能量守恒(中学阶段不作要求)；

(4)核反应必须是实验中能够发生的．