第5章原子核第1節(jié)原子核的組成一、天然放射現(xiàn)象1.放射性：物質(zhì)發(fā)出射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素。2.放射性的發(fā)現(xiàn)(1)1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)某些物質(zhì)具有放射性。(2)瑪麗·居里和她的丈夫皮埃爾·居里發(fā)現(xiàn)了兩種放射性更強的新元素，命名為釙(Po)、鐳(Ra)。3.天然放射現(xiàn)象放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象，叫作天然放射現(xiàn)象。原子序數(shù)大于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數(shù)小于或等于83的元素，有的也能發(fā)出射線。二、射線的本質(zhì)1.α射線：是α粒子流，速度可達到光速的110，其電離能力強，穿透能力較弱，在空氣中2.β射線：是電子流，速度可以接近光速，電離作用較弱，穿透能力較強，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。3.γ射線：呈電中性，是能量很高的電磁波，波長很短，在10-10m以下。它的電離作用更弱，但穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘米厚的混凝土。三、原子核的組成1.質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)2.中子的發(fā)現(xiàn)3.原子核的組成：質(zhì)子和中子都是原子核的組成成分，它們統(tǒng)稱為核子。4.原子核的符號5.同位素核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱同位素。例如，氫有三種同位素，分別是

11H、12四、天然放射現(xiàn)象及三種射線1.α、β、γ射線性質(zhì)、特征比較α射線β射線γ射線組成高速氦核流高速電子流光子流(高頻電磁波)電荷量2e-e0質(zhì)量4mpmp靜止質(zhì)量為零符號

2

?1γ速度可達0.1c可達0.99cc垂直進入電場或磁場的偏轉(zhuǎn)情況偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)不偏轉(zhuǎn)穿透能力最弱較強最強電離作用很強較弱很弱2.三種射線在勻強電場和勻強磁場中的偏轉(zhuǎn)特點(1)在同一勻強電場中，相同條件下，α射線偏移量較小，β射線偏移量較大，γ射線不偏移。(2)在同一勻強磁場中，相同條件下，α射線偏轉(zhuǎn)半徑較大，β射線偏轉(zhuǎn)半徑較小，γ射

線不偏轉(zhuǎn)。3.元素的放射性如果一種元素具有放射性，那么不論它是以單質(zhì)的形式存在，還是以某種化合物的形式存在，都具有放射性。放射性的強度也不受溫度、外界壓強的影響。也就是說，放射性與元素存在的狀態(tài)無關(guān)，僅與原子核有關(guān)，射線來自原子核。因此，原子核也存在著一定結(jié)構(gòu)。五、原子核的組成1.原子核的“數(shù)”與“量”的辨析(1)原子核的電荷數(shù)與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質(zhì)子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量總是質(zhì)子電荷量的整數(shù)倍，我們把這個整數(shù)叫原子核的電荷數(shù)，而這些質(zhì)子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量。(2)原子核的質(zhì)量數(shù)與質(zhì)量是不同的。原子核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)叫作原子核的質(zhì)量數(shù)，原子核的質(zhì)量等于核內(nèi)質(zhì)子和中子的質(zhì)量的總和。第2節(jié)放射性元素的衰變一、原子核的衰變1.定義：原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數(shù)變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變。2.衰變的類型：一種是α衰變，另一種是β衰變，而γ射線是伴隨α衰變或β衰變產(chǎn)生的。3.經(jīng)典衰變方程(1)α衰變：放出α粒子的衰變，如

92238U→

90(2)β衰變：放出β粒子的衰變，如

90234Th→4.衰變規(guī)律：原子核衰變時電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。二、半衰期1.定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。2.決定因素：放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學(xué)狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。不同的放射性元素，半衰期不同。三、核反應(yīng)1.定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或者發(fā)生狀態(tài)變化的過程。2.原子核的人工轉(zhuǎn)變：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，核反應(yīng)方程為

714N+24He3.遵循規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。四、放射性同位素及其應(yīng)用輻射與安全1.放射性同位素：具有放射性的同位素。2.放射性同位素的應(yīng)用(1)射線測厚儀：工業(yè)部門可以使用放射性同位素發(fā)出的射線來測厚度。(2)放射治療：在醫(yī)療方面，患了癌癥的病人可以接受放射治療。(3)培優(yōu)、保鮮：利用γ射線照射種子，會使種子的遺傳基因發(fā)生變異，經(jīng)過篩選，可以培育出新品種。用γ射線照射食品可以殺死使食物腐敗的細菌，抑制蔬菜發(fā)芽，延長保存期。(4)示蹤原子：一種元素的各種同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，用放射性同位素替換非放射性的同位素后可以探測出原子到達的位置。3.輻射與安全人類一直生活在放射性的環(huán)境中，過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染。五、原子核的衰變及半衰期的理解與應(yīng)用1.確定原子核衰變次數(shù)的方法設(shè)放射性元素?X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素?Y，則衰變方程為

ZAX→Z'A'Y+根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可列式A=A'+4n，Z=Z'+2n-m以上兩式聯(lián)立解得n=A?A'4，m=A?A'2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。2.兩種衰變的比較衰變類型α衰變β衰變方程通式

ZAX→Z?2

ZAX→Z+1衰變實質(zhì)原子核內(nèi)兩個質(zhì)子和兩個中子結(jié)合成一個α粒子原子核內(nèi)的一個中子變成質(zhì)子，同時放出一個電子201n+21

01n→1勻強磁場中軌跡的形狀??規(guī)律應(yīng)用電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒、動量守恒3.半衰期的理解(1)半衰期是表示放射性元素衰變快慢的物理量。不同的放射性元素，半衰期不同，有的差別很大。(2)半衰期是一個統(tǒng)計概念，是對大量的原子核衰變規(guī)律的總結(jié)，對于一個特定的原子核，無法確定其何時發(fā)生衰變。4.半衰期公式N余=N原12tτ，m余=m012tτN余、m余分別表示衰變后的尚未發(fā)生衰變的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。第3節(jié)核力與結(jié)合能一、核力與四種基本相互作用1.四種基本相互作用?2.核力及核力的特點(1)核力：原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核。這種作用稱為強相互作用。(2)核力的特點：距離增大時，強相互作用急劇減小，它的作用范圍只有約10-15m，即

原子核的大小，超過這個界限，這種相互作用實際上已經(jīng)不存在了，它是短程力。二、結(jié)合能1.結(jié)合能原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。這個能量也是核子結(jié)合成原子核而釋放的能量。組成原子核的核子越多，它的結(jié)合能越大。2.比結(jié)合能原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，叫作比結(jié)合能，也叫作平均結(jié)合能。比結(jié)合能越

大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。三、質(zhì)量虧損1.愛因斯坦質(zhì)能方程：E=mc2。2.質(zhì)量虧損原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個現(xiàn)象叫作質(zhì)量虧損。質(zhì)量虧損表明，的確存在著原子核的結(jié)合能。3.核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)的質(zhì)量虧損Δm與它們在相互結(jié)合過程中放出的能量的關(guān)系為ΔE=Δmc2。4.比結(jié)合能的特點(1)不同原子核的比結(jié)合能是不一樣的。(2)中等大小的核的比結(jié)合能最大(平均每個核子的質(zhì)量虧損最大)，這些核最穩(wěn)定。四、結(jié)合能和質(zhì)量虧損1.比結(jié)合能與原子核穩(wěn)定的關(guān)系(1)比結(jié)合能的大小能夠反映原子核的穩(wěn)定程度，比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。(2)當比結(jié)合能較小的原子核轉(zhuǎn)化成比結(jié)合能較大的原子核時，就可能釋放核能。例如，一個核子數(shù)較大的重核分裂成兩個核子數(shù)小一些的核，或者兩個核子數(shù)很小的輕核結(jié)合成一個核子數(shù)大一些的核，都能釋放出巨大的核能。2.質(zhì)量虧損與質(zhì)能方程(1)質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失。(2)質(zhì)能方程E=mc2說明一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系。質(zhì)能方程揭示了質(zhì)量和能量的不可分割性，建立了這兩個屬性在數(shù)值上的關(guān)系，但不等于這兩個量可以相互轉(zhuǎn)化。(3)根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量增加，則總能量增加；

質(zhì)量減少，則總能量減少，這時質(zhì)能方程也寫作ΔE=Δmc2。3.計算核能的方法(1)根據(jù)質(zhì)量虧損計算核能先計算質(zhì)量虧損Δm：根據(jù)核反應(yīng)方程及各原子核的質(zhì)量，計算核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損Δm。再計算核能ΔE：若Δm的單位是千克，則應(yīng)用ΔE=Δmc2計算核能，ΔE的單位是焦耳；

若Δm的單位是u，則應(yīng)用ΔE=Δm×931.5MeV計算核能，ΔE的單位是MeV。(2)根據(jù)能量守恒和動量守恒來計算核能參與核反應(yīng)的粒子所組成的系統(tǒng)，在核反應(yīng)過程中的動量和能量是守恒的，因此，利用動量守恒和能量守恒可以計算出核能的變化。(3)利用比結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能=原子核的比結(jié)合能×核子數(shù)。核反應(yīng)中反應(yīng)前系統(tǒng)內(nèi)所有原子核的總結(jié)合能與反應(yīng)后生成的所有新核的總結(jié)合能之差，就是該次核反應(yīng)所釋放(或吸收)的核能。釋放能量→總結(jié)合能增加吸收能量→總結(jié)合能減小第4節(jié)核裂變與核聚變第5節(jié)“基本”粒子一、核裂變的發(fā)現(xiàn)1.核裂變的發(fā)現(xiàn)1938年年底，德國物理學(xué)家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實驗中發(fā)現(xiàn)，生成物中有原子序數(shù)為56的元素鋇。重核被中子轟擊后分裂成兩個質(zhì)量差不多的新原子核，這類核反應(yīng)定名為核裂變。2.鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多樣的，其中一種典型的反應(yīng)是

92235U+

01n→56所以放出能量。3.鏈式反應(yīng)：由重核裂變產(chǎn)生的中子使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去的過程。4.發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件：發(fā)生核裂變物質(zhì)的體積大于臨界體積或物質(zhì)的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。二、反應(yīng)堆與核電站1.核能釋放的控制：通過可控制的鏈式反應(yīng)實現(xiàn)核能釋放的裝置稱為核反應(yīng)堆。2.慢化劑：反應(yīng)堆中，為了使核裂變產(chǎn)生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”。常用的慢化劑有石墨、重水和普通水。3.控制棒為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，當反應(yīng)過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。4.能量輸出核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻。5.核污染的處理在反應(yīng)堆外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽核裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。三、核聚變1.定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。2.經(jīng)典反應(yīng)：12H+13H3.發(fā)生核聚變的條件要使輕核發(fā)生核聚變，必須使它們的距離達到10-15m以內(nèi)，核力才能起作用。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服巨大的庫侖斥力，這就要求原子核具有足夠的動能。有一種方法，就是把它們加熱到很高的溫度，當物質(zhì)的溫度高達幾百萬開爾文時，一部分原子核發(fā)生核聚變，因此核聚變又叫熱核反應(yīng)。4.實例(1)太陽能：太陽的主要成分是氫。太陽的中心溫度達1.6×107K，在此高溫下，氫核聚變成氦核的反應(yīng)不停地進行著，太陽能就來自太陽內(nèi)部核聚變釋放的核能。(2)氫彈：目前，人工產(chǎn)生的熱核反應(yīng)主要用在核武器上，那就是氫彈，需要用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。5.核聚變的優(yōu)點(1)輕核聚變產(chǎn)能效率高。(2)地球上核聚變?nèi)剂系膬α控S富。(3)輕核聚變更為安全、清潔。6.實現(xiàn)可控熱核反應(yīng)的方案(1)磁約束：利用磁場約束參加反應(yīng)的物質(zhì)。目前性能最好的一種磁約束裝置是環(huán)流器。(2)慣性約束：核聚變物質(zhì)因自身的慣性，在極短時間內(nèi)來不及擴散就完成了核反應(yīng)。在慣性約束下，用高能量密度的激光或X射線從各個方向照射反應(yīng)物，使它們“擠”在一起發(fā)生反應(yīng)。四、“基本”粒子1.粒子的分類(1)強子：強子是參與強相互作用的粒子。質(zhì)子和中子都是強子。(2)輕子：輕子不參與強相互作用。最早發(fā)現(xiàn)的輕子是電子，后來發(fā)現(xiàn)的輕子有電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。(3)規(guī)范玻色子：規(guī)范玻色子是傳遞各種相互作用的粒子，如光子、中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子。光子傳遞電磁相互作用，中間玻色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強相互作用。(4)希格斯玻色子：希格斯玻色子是希格斯場的量子激發(fā)。基本粒子因與希格斯場耦合而獲得質(zhì)量。五、核裂變與核聚變(1)原子核受激發(fā)：當中子進入鈾235后，便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)合核，復(fù)合核中由于核子的劇烈運動，使核變成不規(guī)則的形狀。(2)原子核分裂：核子間的距離增大，核力迅速減弱，使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊，同時放出2或3個中子。這些中子又引起其他鈾核裂變，這樣，裂變就會不斷地進行下去，釋放出越來越多的核能。2.發(fā)生鏈式反應(yīng)的條件(1)鈾塊的體積大于臨界體積。(2)鈾塊的質(zhì)量大于臨界質(zhì)量。以上兩個條件滿足一個，則另一個條件自動滿足。導(dǎo)師點睛

(1)鈾核的裂變只能