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(共58张PPT)
第五章　原子与原子核
第二节　放射性元素的衰变
学习目标 学法与考法
1．知道放射现象的实质是原子核的衰变
2．知道两种衰变的基本性质，并掌握原子核的衰变规律(重难点)
3．理解半衰期的概念，知道半衰期的统计意义，会应用半衰期解决相关问题(重点) 学法：①通过放射现象和衰变的学习，理解原子核衰变的实质．②通过α衰变、β衰变学习能够熟练运用核衰变的规律写出核的衰变方程式．③通过半衰期的学习，正确理解半衰期并能够利用半衰期来进行简单计算
考法：①对衰变的实质的考查．②对衰变的规律和书写出核的衰变方程的考查．③对半衰期的理解和计算的考查
知识导图
课前 · 自主预习
1．对天然放射现象的认识
(1)1896年，法国物理学家___________发现某些物质具有放射性．
(2)物质放射出________的性质称为放射性；具有________的元素称为放射性元素；自发地放出________的元素叫作天然放射性元素．
(3)原子序数________或等于83的元素，都能自发地放出射线，原子序数________或等于83的元素，有的也能放出射线．
放射性的发现
贝可勒尔
射线
放射性
射线
大于
小于
1．定义：原子核放出________或________，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核，我们把这种变化称为原子核的衰变．原子核衰变时电荷数和质量数都_______．
2．衰变类型
(1)α衰变：
原子核衰变
α粒子
β粒子
守恒
减少4
减少2
(2)β衰变：
3．衰变规律
________守恒，________守恒．
不变
增加1
电荷数
质量数
当原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？当发生β衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？
【答案】原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数各减少2个．当发生β衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1.新核在元素周期表中的位置较旧核后移一位．
微思考
【答案】C
1．定义
放射性元素的原子核有__________发生衰变所需的时间．
2．特点
(1)不同的放射性元素，半衰期________，甚至差别非常大．
(2)放射性元素衰变的快慢是由______________________决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________．
半衰期
半数
不同
核内部自身的因素
无关
3．适用条件
半衰期描述的是____________，不适用于少数原子核的衰变．
4．半衰期公式
统计规律
什么是半衰期？对于某个或选定的几个原子核，可以根据该种元素的半衰期预测它的衰变时间吗？
【答案】半衰期是一个具有统计意义的物理量，是指放射性元素的大量原子核半数发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢程度，因此半衰期的统计规律只适用于含有大量原子的样品，与物理和化学状态无关，即一种放射性元素，不管它以单质存在还是以化合物的形式存在，或者对它加压、或者提高它的温度，都不能改变其半衰期．
微思考
【答案】C
课堂 · 重难探究
探究原子核的衰变
4．衰变方程的书写
(1)核反应过程一般是不可逆的，所以核反应只能用单向箭头，不能用等号．
(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律而杜撰出不符合实际的生成物来书写核反应方程．
(3)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能．
(4)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．
对衰变的实质的理解
例1　关于天然放射现象，下列说法正确的是 (　　)
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
【答案】D
【解析】α、β射线是天然放射性元素原子核衰变时产生的．γ射线是核反应过程中发生质量亏损时释放出来的，故A、B、C错误．放射性是核本身的一种性质，故D正确．
变式1　下列说法中正确的是 (　　)
A．β衰变放出的电子来自组成原子核的电子
B．β衰变放出的电子来自原子核外的电子
C．α衰变说明原子核中含有α粒子
D．γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波
【答案】D
【解析】原子核发生β衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放的电子，A、B错误；α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起从原子核中释放出来，γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波，故D正确．
【答案】C
变式2　(2023年武汉检测)下列哪些物理现象或物理实验能说明原子核内部有结构 (　　)
A．α粒子散射实验 B．天然放射性现象
C．氢原子光谱 D．光电效应
【答案】B
【解析】天然放射现象是原子核发生衰变而产生的，说明原子核内部是有结构的，B正确，A、C、D错误．
1．对放射性和射线的理解
(1)一种元素的放射性，与它是单质还是化合物无关，这说明一种元素的放射性和核外电子无关．
(2)射线来自于原子核，说明原子核是可以再分的．
对天然放射现象和三种射线的理解
2．三种射线的性质、特征比较
对三种射线性质的理解
例3　如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应符合下表中的 (　　)
【答案】C
选项 磁场方向 到达O点的射线 到达P点的射线
A 竖直向上 β α
B 竖直向下 α β
C 垂直纸面向里 γ β
D 垂直纸面向外 γ α
【解析】R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，γ射线不偏转，故打在O点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达P点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里．
变式3　天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知 (　　)
A．②来自于原子核外的电子
B．①的电离作用最强，是一种电磁波
C．③的电离作用较强，是一种电磁波
D．③的电离作用最弱，是一种电磁波
【答案】D
【解析】①射线能被一张纸挡住，说明它的穿透能力较差，①射线是α射线，α射线是高速运动的氦核流，它的穿透能力差，电离作用最强，B错误；②射线的穿透能力较强，能穿透纸和几毫米厚的铝板，说明它是β射线，β射线是高速电子流，β射线来自原子核，不是来自原子核外的电子，A错误；③射线的穿透能力最强，能够穿透几厘米厚的铅板，③射线是γ射线，γ射线的电离作用最弱，穿透能力最强，它是能量很高的电磁波，C错误，D正确．
三种射线在磁场或电场中偏转的问题
例4　(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外的匀强磁场，则下列说法中正确的有 (　　)
A．打在图中a、b、c三点的依次是β射线、γ射线和α射线
B．α射线和β射线的轨迹都是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹都是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向上的匀强电
场，则屏上的亮斑可能只剩下b
【答案】AC
变式4　放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，进入匀强电场中，偏转情况如图所示，由此可推断 (　　)
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．①表示γ射线，③表示β射线
C．②表示γ射线，③表示α射线
D．②表示γ射线，③表示β射线
【答案】C
【解析】α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，γ射线在磁场中一定不偏转，②为γ射线；电场中，α射线向右偏，β射线向左偏，①为β射线，③为α射线，C正确，A、B、D错误．
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，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．
3．α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．
对半衰期的理解及应用
2．对半衰期的理解
(1)不同元素的半衰期不同，半衰期越长衰变越慢；半衰期越短，衰变越快．
(2)半衰期是一个具有统计意义的物理量，一定量的放射性物质中的某一个具有放射性的原子核，经过多长时间发生衰变是偶然的，但数目巨大的放射性物质中，有一半原子核发生衰变的时间是稳定不变的，这就是半衰期的统计意义．
因此半衰期是指放射性元素的大量原子核半数发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢程度，因此半衰期的统计规律只适用于含有大量原子核的样品．
(3)半衰期是放射性元素的性质，只与原子核本身的性质有关，与物理和化学状态无关，即一种放射性元素，不管它以单质存在还是以化合物的形式存在，对它加压，或者提高它的温度，都不能改变其半衰期．
对半衰期的理解
例5　(多选)(2023年玉溪检测)某种放射性元素的半衰期为10天，则下列说法正确的是 (　　)
A．20个这种元素的原子核，经过10天后还有10个没有发生衰变
B．当环境温度升高的时候，其半衰期缩短
C．当这种元素以化合物形式存在的时候，其半衰期不变
【答案】CD
变式5　下列有关半衰期的说法正确的是 (　　)
A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快
B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长
C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度
D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度
【答案】A
【解析】放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A正确，B、C、D错误．
【答案】D
变式7　(2023年宁夏期末)锶－82的半衰期是25天，如果有140 g锶－82，那么只剩下17.5 g时需要经过的天数是 (　　)
A．25 B．45
C．65 D．75
【答案】D
理解半衰期应抓住两点
1．半衰期由核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件都无关．
2．半衰期是一个统计规律，适用于对大量原子核衰变的计算，对于少数原子核不适用．
小练 · 随堂巩固
1．(多选)关于原子核的衰变和半衰期，下列说法正确的是 (　　)
A．半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间
B．半衰期是指原子核有半数发生衰变所需要的时间
C．发生α衰变时产生的新原子核在元素周期表中的位置向后移动2位
D．发生β衰变时产生的新原子核在元素周期表中的位置向后移动1位
【答案】BD
【解析】由半衰期的定义可知，A错误，B正确．由α衰变和β衰变的实质可知，C错误，D正确．
2．(2023年上海联考)天然放射性的发现揭示了 (　　)
A．质子有复杂结构 B．分子有复杂结构
C．原子有复杂结构 D．原子核有复杂结构
【答案】D
【解析】天然放射性现象与元素的物理性质和化学性质均无关，而元素的化学性质由核外电子决定，表明放射性与核外电子无关，与原子核有关，可知天然放射性的发现揭示了原子核有复杂的结构，D正确．
3．关于放射性元素的α衰变和β衰变，下列说法中正确的是(　　)
A．原子核每放出一个α粒子，原子序数减少4
B．原子核每放出一个α粒子，原子序数增加4
C．原子核每放出一个β粒子，原子序数减少1
D．原子核每放出一个β粒子，原子序数增加1
【答案】D
【解析】发生一次α衰变，核电荷数减少2，质量数减少4，原子序数减少2；发生一次β衰变，核电荷数增加1，原子序数增加1.
【答案】B
5．碘131的半衰期约为8天．若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131 的含量大约还有 (　　)
【答案】C
6．(2023年驻马店检测)研究放射性元素射线性质的实验装置如图所示，放射源能放出α、β、γ三种射线，两块平行放置的金属板A、B分别与电源的两极连接．放射源发出的射线从其上方小孔向外射出，下列说法正确的是 (　　)
A．到达A板的射线穿透能力最强
B．到达B板的射线穿透能力最强
C．到达A板的射线为β射线，是原子核
内的中子转化为质子时放出的
D．到达B板的射线电离本领最强，可以用于治疗肿瘤
【答案】C
【解析】由图可知A板带正电，B板带负电，由于α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，故打在A板上的是β射线，打在B板上的是α射线，不发生弯曲的是γ射线，其中γ射线的穿透能力最强，可用于治疗肿瘤，A、B、D错误；到达A板的射线为β射线，由电子组成，是原子核内的中子转化为质子时放出的，C正确．(共67张PPT)
第五章　原子与原子核
第五节　裂变和聚变
学习目标 学法与考法
1．知道重核的裂变产物和链式反应发生的条件(重点)
2．知道核聚变，了解受控聚变反应(重点)
3．会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量(重难点) 学法：①通过学习核裂变，知道链式反应发生的条件，了解裂变反应堆的工作原理，了解常用裂变反应堆的类型．知道核电站的工作模式．②通过学习核聚变，了解聚变反应的特点及其条件，知道轻核的聚变能够释放出很多的能量，如果能加以控制将为人类提供广阔的能源前景
考法：①对链式反应、重核裂变的理解及核反应方程式书写的考查．②对聚变反应的特点、条件及核反应方程式书写的考查．③对核裂变与核聚变释放核能计算的考查
知识导图
课前 · 自主预习
1．重核的裂变
(1)核裂变：用________轰击铀核，铀核分裂成质量________的两部分，并释放出能量的核反应过程叫作核裂变．
(2)裂变能：核裂变________出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．核裂变是释放核能的方法之一．
(3)铀核裂变的产物多种多样，其中有代表性的有：
核裂变与链式反应
中子
相近
释放
链式反应
最小
临界体积
中子源
原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程吗？核裂变的条件是什么？
【答案】原子核释放粒子的过程不是核裂变的过程．核裂变的条件是发生链式反应．
微思考
(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是 (　　)
【答案】ACD
核聚变与受控热核反应
质量较大
能量
10-15 m
温度
热核反应
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是________，需要用________爆炸产生的高温高压引发核爆炸．
(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部________释放的核能．
氢弹
原子弹
聚变
2．受控热核反应
(1)聚变的优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁，而且生成的废物数量少、易处理．
(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
(3)控制方法．
①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是________．
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
环流器
激光
轻核发生聚变反应需要什么条件？太阳中发生的是可控热核聚变反应吗？
【答案】轻核发生聚变反应需要高温．太阳中发生的是不能实现人工控制的轻核聚变．
微思考
【答案】A
【解析】根据质量数和电荷数守恒可知，X的电荷数为1，质量数为1，故其为质子，A正确．
1．核电站
利用核能发电，它的核心设施是________，它主要由以下几部分组成．
(1)燃料：________．
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、重水或普通水作慢化剂．
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉____________的特性，就可以控制链式反应的速度．
核能利用
反应堆
铀棒
石墨
吸收中子
2．工作原理
核燃料________释放能量，使反应区温度升高．
3．能量输出
利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外____________，用于发电．
4．核污染的处理
在反应堆的外面需要修建很厚的____________，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，深埋地下．
裂变
循环流动
水泥层
放射性
核反应堆可以人工控制核反应速度吗？减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子吗？
【答案】核反应堆可以人工控制核反应速度．减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子，从而使更多的铀核产生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
微思考
(多选)为应对能源危机和优化能源结构，提高清洁能源的比重，我国制定了优先选择核能，其次加快发展风电和再生能源的政策，在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平，请根据所学物理知识，判断下列说法正确的是 (　　)
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小
【答案】ABD
【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错误；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．
课堂 · 重难探究
1．铀核的裂变和裂变方程
(1)核子受激发：当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状．
(2)核子分裂：核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出2或3个中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变就会不断地进行下去，释放出越来越多的核能．
探究重核裂变反应
3．裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
【答案】D
变式1　为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的 (　　)
A．铀块体积尽量制得小些
B．通过慢化剂将产生的中子减速
C．用镉棒作为慢化剂使中子减速
D．铀核裂变释放的中子直接去轰击另外的铀核
【答案】B
【解析】小于临界体积的铀块不可能发生链式反应，且即使大于临界条件，而核反应进行的快慢和体积无关，A错误；通过慢化剂将产生的中子减速，可以减小链式反应产生的快中子数量，即可进一步减慢链式反应，B正确；裂变核反应堆中，通常用慢化剂，比如重水等让快中子减速，而镉棒是用于控制中子数量的，C错误；裂变后释放的中子为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，D错误．
裂变中核能的计算
例2　原子质量单位为u，1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1 kg和m2 kg的原子核结合成质量为M的原子核时释放出的能量是 (　　)
A．(M－m1－m2) u×c2
B．(m1＋m2－M) u×931.5 J
C．(m1＋m2－M)c2
D．(m1＋m2－M)×931.5 eV
【答案】C
【解析】在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算，如果质量的单位是u，则利用1 u相当于931.5 MeV的能量计算，即ΔE＝Δm×931.5 MeV，则该题释放的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－M)c2，故选C．
重核裂变中核能的计算方法
解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏伽德罗常量把核能与重核质量联系起来．另外，在计算过程中要注意单位的统一．
1．聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．
探究核聚变反应
2．轻核聚变是放能反应
从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．核聚变的特点
(1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．
(2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去．
(3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
4．核聚变的应用
(1)核武器——氢弹：
一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置．它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸．
(2)可控热核反应：
目前处于探索阶段．
5．重核裂变与轻核聚变的区别
项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
项目 重核裂变 轻核聚变
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富.1 L海水中大约含有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
对核聚变的理解
例3　(多选)下列说法正确的是 (　　)
A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量
B．要使轻核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10-15m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功
D．热核反应只有在人工控制下才能发生
【答案】AB
【解析】由质能方程可知，A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错误．
【答案】A
对轻核聚变理解的两个误区
1．误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透彻，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
2．不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这是由对以上核反应方程的理解不深刻造成的．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：
核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
聚变中核能的计算
例4　一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 u.
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能有多大？
(3)平均每个核子释放的能量有多大？
1．核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据．
2．核能的计算关键是求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算．
1．核反应堆的组成
核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫作“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是用石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．
核能利用
2．核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施).核反应堆是人工控制链式反应的装置．
3．核电站发电的主要原理
核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高．水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
例5　(2023年连云港检测)关于核反应堆和轻核聚变，下列说法正确的是 (　　)
A．只要有中子打入铀块中就会发生链式反应
B．镉棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，将镉棒拔出一些
C．普通水能使中子减速
D．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10-10 m以内
【答案】C
【解析】要使铀块发生链式反应，需要铀块达到临界体积，A错误；镉棒吸收中子的能力很强，反应激烈时，应将镉棒插入一些，B错误；反应堆中最常使用的慢化剂主要是石墨、重水和普通水，C正确；要使轻核发生聚变，必须使轻核接近合力发生作用的距离，需要达到10-15m以内，D错误．
变式5　(多选)关于原子核反应堆，下面说法正确的是 (　　)
A．镉棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量
【答案】BD
【解析】核燃料即为用浓缩铀制成的铀棒，铀棒裂变时释放核能；镉棒具有很强的吸收慢中子的能力，通过控制镉棒插入的深度来控制链式反应的速度，即可控制反应堆的功率；石墨的作用是使裂变产生的快中子减速成为慢中子；冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热量，B、D正确，A、C错误．
小练 · 随堂巩固
1．20世纪60年代，我国以国防为主的尖端科技取得了突破性的发展.1964年，我国第一颗原子弹试爆成功；1967年，我国第一颗氢弹试爆成功．关于原子弹和氢弹，下列说法正确的是 (　　)
A．原子弹和氢弹都是根据核裂变原理研制的
B．原子弹和氢弹都是根据核聚变原理研制的
C．原子弹是根据核裂变原理研制的，氢弹是根据核聚变原理研制的
D．原子弹是根据核聚变原理研制的，氢弹是根据核裂变原理研制的
【答案】C
【解析】原子弹是根据重核裂变研制的，而氢弹是根据轻核聚变研制的，C正确，A、B、D错误．
2．铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是 (　　)
A．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C．若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D．能否发生链式反应与铀块的质量无关
【答案】C
【解析】要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于临界体积，但铀核的质量无论怎样，只要组成铀块的体积小于临界体积，则不会发生链式反应，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变．如果铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知A、B、D错误，C正确．
3．(多选)下列关于聚变的说法正确的是 (　　)
A．要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B．轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D．自然界中不存在天然的热核反应
【答案】ABC
【解析】轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到10-15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，D错误．
4．(多选)如图所示，托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置，这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词．根据以上信息，下述判断中可能正确的是 (　　)
A．这种装置的核反应原理是轻核发生聚变，同时释放出大量的能量，和太阳发光的原理类似
B．线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C．这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D．这种装置可以控制热核反应速度，使核聚变缓慢而稳定地进行
【答案】ABD
【解析】聚变反应原料在装置中发生聚变，放出能量，A正确；线圈通电时产生磁场，带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出，B正确；核电站的原理是裂变，托卡马克的原理是聚变，C错误；该装置使人们可以在实验中控制反应速度，平稳释放核能，D正确．
【答案】(1)核聚变　(2)放出　减少　3×10-29(共93张PPT)
第五章　原子与原子核
①物理观念：了解原子核的结构和特点，能说明原子核的衰变、裂变、聚变和放射现象．知道四种基本的相互作用．具有较为完整的物理观念．通过对这些内容的学习，完善学生对物质的认识，帮助学生形成相对完整、科学的物理观念．
②科学思维：能运用概率统计的方法理解半衰期，对天然放射性现象问题进行分析，研究“基本”粒子的夸克模型，通过这些内容的学习，进一步促进物理模型构建、科学推理、质疑、创新的物理学科核心素养的形成．
③科学探究：通过天然放射现象的发现，提出原子核具有复杂结构，形成猜想和假设，通过实验对三种射线性质进行探究，获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，对微观粒子的认识过程．这一切都体现了科学探究的物理学科核心素养．
④科学态度与责任：通过原子核内容的学习，知道所有物理结论都必须接受实践的检验，在学习和研究中做到实事求是，不迷信权威，能与他人合作．同时，知道科学技术对人类生活和社会发展的积极影响，但同时也会带来一系列问题，认识到人与自然是生命共同体，人类必须尊重自然，遵循自然规律．
本章重点①三种射线的本质、原子核的组成；②衰变的基本性质，原子核的衰变规律和半衰期；③核力、结合能与平均结合能，质量亏损和质能方程；④核裂变与核聚变的理解和释放核能的计算．
本章难点①原子核的衰变规律及半衰期；②理解质能方程和计算释放的核能； ③计算核裂变与核聚变释放的核能．
第一节　原子的结构
学习目标
1．了解汤姆孙原子模型(重点)
2．知道α粒子散射实验的现象、方法和结果(重难点)
3．知道原子的核式结构模型(重点、难点)
4．理解玻尔理论对氢原子光谱规律的解释(重点)
5．知道玻尔原子结构理论的主要内容(重点)
6．了解能级、跃迁、能量量子化及基态、激发态等概念(重点)
学法与考法
学法：①通过对α粒子散射实验结果的讨论与交流，培养学生对现象的分析和归纳中得出结论的逻辑推理能力；②通过核式结构模型的建立，体会建立模型研究物理问题的方法，理解物理模型的演化及其在物理学发展过程中的作用；③通过对原子结构认识的不断深入，使学生认识到人类对微观世界的认识是不断扩大和加深的，领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义；④通过对氢原子光谱的分析，了解原子的能级结构；⑤通过玻尔理论的学习，进一步了解氢光谱的产生
考法：①对α粒子散射实验现象的理解及现象分析的考查；②对卢瑟福的原子模型理解及现象分析的考查；③α粒子散射现象结合电场力的性质和能的性质考查；④考查对光谱、氢原子光谱的实验规律、经典理论的局限性的理解；⑤考查对玻尔理论的理解；⑥考查对跃迁和能级的理解和应用
知识导图
课前 · 自主预习
1．电子
(1)电子的发现说明原子具有一定的_______，即原子是由电子和其他物质组成的．
(2)电子发现的意义：电子的发现揭开了认识原子结构的序幕．
2．汤姆孙的原子模型
汤姆孙在1904年提出原子的枣糕模型：原子是一个________，正电荷______地分布在整个球内，电子像枣糕上的枣子一样__________，被正电荷吸引着．原子内正、负电荷______，原子整体呈中性．
原子核式结构的提出
结构
球体
均匀
嵌在球中
相等
3．α粒子散射实验目的
α粒子通过金箔时，用这些已知的粒子与金属内的原子__________，根据α粒子的__________来获得原子内部结构的信息．
4．α粒子散射实验方法
用由放射源发射的α粒子束轰击________，利用荧光屏接收、探测通过金箔后的α粒子偏转的情况．
相互作用
偏转情况
金箔
5．α粒子散射实验结果
__________α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了大角度偏转，有__________α粒子偏转角超过了90°，有的甚
至被_______弹回，α粒子被反射回来的概率竟然有_________．
绝大多数
极少数
原路
做α粒子散射实验时有哪些现象？为什么会出现这些现象？
【答案】α粒子散射实验的现象是：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了大角度偏转，有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被原路弹回．因为原子中带正电的部分集中在一个很小的核上．
微思考
卢瑟福指导他的助手进行的α粒子散射实验的示意图如图所示．放射源发射的α粒子打在金箔上，通过显微镜观察散射的α粒子．实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来方向前进，但少数α粒子发生了大角度偏转，极少数的角度甚至大于90°，于是，卢瑟福大胆猜想 (　　)
A．原子半径的数量级是10-10 m
B．原子核内存在质子和中子
C．原子内部有体积很小、质量很大的核
D．造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中电子的作用
【答案】C
【解析】原子半径的数量级是通过油膜法测出来的，该实验不能确定原子半径的数量级，A错误；卢瑟福用α粒子轰击氮核，证实了在原子核内存在质子，查德威克发现的中子，B错误；从绝大多数α粒子几乎不发生偏转，可以推测使粒子受到排斥力的金原子核体积极小，说明原子的中心有一个体积很小的核；从极少数α粒子发生了大角度的偏转，说明原子中心的核带有原子的全部正电和绝大部分质量，C正确；造成α粒子偏转的主要原因是它受到了原子中心正电荷的作用，D错误．
1．核式结构模型
(1)原子的内部有一个很小的核，叫_________，原子的全部正电荷和几乎___________都集中在原子核内，带负电的电子绕核运动．
(2)原子的核式结构模型又被称为___________．
2．原子的大小
(1)原子直径数量级：_______m.
(2)原子核直径数量级：_______m.
原子的核式结构
原子核
全部质量
行星模型
10-10
10-15
原子的核式结构模型是怎样的？
【答案】原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，原子中绝大部分是空的，原子核很小．
微思考
(多选)下列对原子结构的认识中，正确的是 (　　)
A．原子中绝大部分是空的，原子核很小
B．电子在核外旋转，库仑力提供向心力
C．原子的全部正电荷都集中在原子核里
D．原子核的直径大约是10-10 m
【答案】ABC
【解析】原子由位于原子中的带正电的原子核和核外带负电的电子构成，电子在核外绕核高速旋转，库仑力提供向心力，由此可判定B、C正确．原子中绝大部分是空的，原子核很小，原子核直径的数量级为10-15 m，而原子直径的数量级为10-10 m，A正确，D错误．
1．光谱定义
用光栅或棱镜可以把各种颜色的光按__________展开，获得光的波长(频率)和强度分布的记录，即光谱．
2．氢原子光谱的实验规律
(1)光谱研究的意义．
许多情况下光是由原子________电子的运动产生的，因此光谱研究是探索原子结构的重要途径．
氢原子光谱
波长
内部
(2)气体发光原理．
①气体放电：玻璃管中稀薄气体在强电场的作用下会电离，形成自由移动的正负电荷，于是气体变成导体，导电时会发光．
②氢光谱：从氢气放电管可以获得氢原子光谱．
3．经典理论的局限性
(1)用经典(电磁)理论在解释原子的_________和原子光谱的_______特征时遇到了困难．
(2)经典理论可以很好地应用于宏观物体，但不能用来解释________世界的现象．
稳定性
分立
原子
氢是自然界中最简单的元素，下列关于氢原子光谱的说法正确的是 (　　)
A．氢原子光谱是连续谱
B．氢原子光谱是氢原子的特征谱线
C．经典物理学可以解释氢原子光谱
D．不同化合物中的氢的光谱不同
【答案】B
【解析】原子光谱是线状谱，只能是一些分立的谱线，不是连续谱，A错误；不同原子的原子光谱是不同的，氢原子光谱是氢原子的特征谱线，明线光谱中的明线和吸收光谱中的暗线都是特征谱线，可以进行元素的光谱分析，B正确；经典物理学不可以解释氢原子光谱的分立特性，C错误；不同化合物中的氢的光谱相同，氢原子光谱是氢原子的特征谱线，D错误．
1．轨道量子论
原子中的电子在_________力的作用下，绕__________做圆周运动，围绕原子核运动的电子轨道只能是某些__________，所以电子绕核运动的轨道是__________的．
原子的能级结构
库仑
原子核
分立值
量子化
2．定态
电子在这些轨道上绕核转动是________的，且不产生__________.当电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，原子在不同的状态中具有________的能量，即原子的能量是________的，这些量子化的能量值叫作__________，原子具有确定能量的稳定状态，称为__________.能量最低的状态叫作________，其他的能量状态叫作________．
稳定
电磁辐射
不同
量子化
能级
定态
基态
激发态
3．跃迁
当电子从能量较高的定态轨道(其能量记为Em)________到能量较低的定态轨道(其能量记为En，m＞n)时，会________能量为hν的光子，该光子的能量hν＝________，这个式子被称为_______条件，又称_______条件．
跃迁
放出
Em－En
频率
辐射
电子能吸收任意频率的光子发生跃迁吗？
【答案】不能，电子能吸收任意频率的光子的前提是光子的能量大于0－En.
微思考
(多选)由玻尔理论可知，下列说法中正确的是 (　　)
A．电子绕核运动有加速度，就要向外辐射电磁波
B．处于定态的原子，其电子做变速运动，但它并不向外辐射能量
C．原子内电子的可能轨道是连续的
D．原子的轨道是不连续的
【答案】BD
【解析】按照经典物理学的观点，电子绕核运动有加速度，一定会向外辐射电磁波，很短时间内电子的能量就会消失，与客观事实相矛盾，由玻尔理论可知A、C错误，B正确；原子轨道是不连续的，D正确．
1．玻尔理论对氢光谱的解释
(1)按照玻尔理论，从高能级跃迁到低能级时辐射的光子的能量为hν＝__________．
(2)解释氢原子光谱的不连续性．原子从较高能级向低能级跃迁时放出光子的能量等于前后______________，由于原子的能级是________的，所以放出的光子的能量也是________的，因此原子的发射光谱只有一些分立的亮线．
玻尔理论
Em－En
两个能级差
分立
分立
2．玻尔理论的成果和局限性
(1)成功之处．
玻尔理论第一次将__________引入原子领域，提出了____________的概念，成功解释了________光谱的实验规律．
(2)局限性．
保留了__________的观念，把电子的运动仍然看作经典力学描述下的________运动．
(3)电子云．
原子中的电子没有确定的坐标值，我们只能描述电子在某个位置出现________的多少，把电子这种概率分布用疏密不同的点表示时，这种图像就像________一样分布在原子核周围，故称________．
量子观念
定态和跃迁
氢原子
经典粒子
轨道
概率
云雾
电子云
玻尔理论为什么能成功地解释氢光谱？
【答案】玻尔理论能成功地解释氢光谱是因为将量子理论引入了原子结构中．
微思考
(多选)已知氢原子的能级图如图所示，现用光子能量介于10～12.9 eV范围内的光去照射一群处于基态的氢原子，则下列说法中正确的是(　　)
A．在照射光中可能被吸收的光子能量有无数种
B．在照射光中可能被吸收的光子能量只有3种
C．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有6种
D．照射后可能观测到氢原子发射不同波长的光有3种
【答案】BC
课堂 · 重难探究
1．实验背景
α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据．在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型．
对发现原子核式结构模型实验的理解
2．否定汤姆孙的原子结构模型
(1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转．
(2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转．
(3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型．
3．大角度偏转的实验现象分析
(1)由于电子质量远小于α粒子质量，所以电子不可能使α粒子发生大角度偏转．
(2)使α粒子发生大角度偏转的只能是原子中带正电的部分．按照汤姆孙原子模型，正电荷在原子内是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的两侧斥力大部分抵消，因而也不可能使α粒子发生大角度偏转，更不能使α粒子反向弹回，这与α粒子散射实验现象相矛盾．
(3)实验现象表明原子绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上，否则α粒子大角度散射是不可能的．
对α粒子散射实验的理解
例1　(多选)如图为卢瑟福所做的α粒子散射实验装置的示意图，荧光屏和显微镜一起分别放在图中的A、B、C、D四个位置时，下列说法中正确的是 (　　)
A．相同时间内在A位置时观察到屏上的闪光次数最多
B．相同时间内在B位置时观察到屏上的闪光次数比放在C位置时稍少一些
C．放在D位置时屏上仍能观察到一些闪光
D．放在C、D位置时屏上观察不到闪光
【答案】AC
【解析】在卢瑟福α粒子散射实验中，α粒子穿过金箔后，绝大多数α粒子仍沿原来的方向前进，故A正确．少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度大于90°，极个别α粒子反弹回来，所以在B位置只能观察到少数的闪光，在C、D两位置能观察到的闪光次数极少，故B、D错误，C正确．
变式1　α粒子散射实验中，不考虑电子和α粒子的碰撞影响，是因为 (　　)
A．α粒子与电子根本无相互作用
B．α粒子受电子作用的合力为零，是因为电子是均匀分布的
C．α粒子和电子碰撞时受力极小，可忽略不计
D．电子很小，α粒子碰撞不到电子
【答案】C
解决α粒子散射实验问题的技巧
1．熟悉实验装置及原理．
2．核外电子不会使α粒子的速度发生明显改变．
3．汤姆孙的原子模型不能解释α粒子的大角度散射．
4．少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用.
5．绝大多数α粒子在穿过厚厚的金原子层时运动方向没有明显变化，说明原子中绝大部分是空的，原子的质量、电荷量都集中在体积很小的核内．
1．汤姆孙的原子结构模型与卢瑟福的原子核式结构对比
对卢瑟福的原子模型的理解
项目 汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型
分布情况 正电荷和质量均匀分布，负电荷镶嵌在其中 正电荷和几乎全部质量集中在原子中心的一个极小核内，电子质量很小，分布在很大空间内
项目 汤姆孙的葡萄干面包模型 卢瑟福的原子核式模型
受力情况 α粒子在原子内部时，受到的库仑斥力相互抵消，几乎为零 少数靠近原子核的α粒子受到的库仑力大，而大多数离核较远的α粒子受到的库仑力较小
偏转情况 不会发生大角度偏转，更不会被弹回 绝大多数α粒子运动方向不变，少数α粒子发生大角度偏转，极少数α粒子偏转角度超过90°，有的甚至被弹回
分析结论 不符合α粒子散射现象 符合α粒子散射现象
2．原子的核式结构模型对α粒子散射实验结果的解释
(1)当α粒子穿过原子时，如果离核较远，受到原子核的斥力很小，α粒子就像穿过“一片空地”一样，无遮无挡，运动方向改变很小．因为原子核很小，所以绝大多数α粒子不发生偏转．
(2)只有当α粒子十分接近原子核穿过时，才受到很大的库仑力作用，发生大角度偏转，而这种机会很少，所以有少数粒子发生了大角度偏转.
(3)如果α粒子正对着原子核射来，偏转角几乎达到180°，这种机会极少，如图所示，所以极少数粒子的偏转角度甚至大于90°.
3．原子内的电荷关系
原子核的电荷数与核外的电子数相等，非常接近它们的原子序数．
4．原子核的组成
原子核由质子和中子组成，原子核的电荷数等于原子核的质子数．
5．原子半径的数量级是10-10 m，原子核半径的数量级是10-15 m，两者相差10万倍之多．
对卢瑟福的原子核式模型的理解及应用
例2　1909年，卢瑟福和他的学生盖革·马斯顿一起进行了著名的α粒子散射实验，实验中大量的粒子穿过金属箔前后的运动情形如图所示，则下列描述正确的是 (　　)
A．α粒子散射实验现象中观察到绝大多数粒子发生了大角度偏转
B．α粒子散射实验现象能够说明原子中带正电的物质占据的空间很小
C．根据α粒子散射实验不可以估算原子核的大小
D．该实验证实了汤姆孙原子模型的正确性
【答案】B
【解析】α粒子散射实验现象中观察到绝大多数粒子基本上仍沿原来的方向前进，有少数α粒子(约占八千分之一)发生了大角度偏转，A错误；α粒子散射实验现象能够说明原子中带正电的物质占据的空间很小，这样才会使α粒子在经过时受到很强的斥力，才可能使α粒子发生大角度的偏转，B正确；原子核的半径是无法直接测量的，一般通过其他粒子与核的相互作用来确定，α粒子散射是估计核半径的最简单的方法，C错误；该实验否定了汤姆孙原子模型的正确性，D错误．
变式2　(多选)下列是卢瑟福对α粒子散射实验的解释，正确的是 (　　)
A．使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力
B．使α粒子产生偏转的力是库仑力
C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
【答案】BCD
【解析】原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错误，B正确；由于原子核非常小，绝大多数粒子经过时离核较远因而运动方向几乎不变，只有离核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D正确．
1．轨道量子化
轨道半径只能是一些不连续的分立值，不可能出现介于这些轨道半径之间的其他值．
2．能量量子化
(1)电子在可能轨道上运动时，虽然是变速运动，但它并不释放能量，原子是稳定的，这样的状态也称之为定态．
对氢原子能级的理解
(2)由于原子的可能状态(定态)是不连续的，具有的能量也是不连续的．这样的能量值，称为能级．量子数n越大，表示能级越高．
(3)原子的能量包括：原子的原子核与电子所具有的电势能和电子运动的动能．
3．跃迁
原子从一种定态(设能量为E2)跃迁到另一种定态(设能量为E1)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．
可见，电子如果从一个轨道到另一个轨道，不是以螺旋线的形式改变半径大小的，而是从一个轨道上“跳跃”到另一个轨道上．玻尔将这种现象叫作电子的跃迁．
对原子能级的理解
例3　(多选)按照玻尔原子理论，下列表述正确的是 (　　)
A．核外电子运动轨道半径可取任意值
B．氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量越大
C．电子跃迁时，辐射或吸收光子的能量由能级的能量差决定，即hν＝Em－En(m>n)
D．氢原子从激发态向基态跃迁的过程，可能辐射能量，也可能吸收能量
【答案】BC
【解析】根据玻尔理论，核外电子运动的轨道半径是确定的值，而不是任意值，A错误；氢原子中的电子离原子核越远，能级越高，能量越大，B正确；由跃迁规律可知C正确；氢原子从激发态向基态跃迁的过程中，应辐射能量，D错误．
变式3　(多选)关于玻尔的原子模型，下述说法中正确的有 (　　)
A．它彻底否定了经典的电磁理论
B．它发展了卢瑟福的核式结构学说
C．它完全抛弃了经典的电磁理论
D．它引入了普朗克的量子理论
【答案】BD
【解析】原子核式结构模型与经典电磁理论的种种矛盾说明，经典电磁理论已不适用于原子系统，玻尔从光谱学成就得到启发，利用普朗克的能量量子化的概念，提出了量子化的原子模型；但在玻尔的原子模型中仍然认为原子中有一很小的原子核，电子在核外绕核做匀速圆周运动，电子受到的库仑力提供向心力，并没有完全抛弃经典的电磁理论．
理解玻尔原子模型的关键点
1．电子绕核做圆周运动时，不向外辐射能量．
2．原子辐射的能量与电子绕核运动无关，只由跃迁前后的两个能级差决定．
3．处于基态的原子是稳定的，而处于激发态的原子是不稳定的．
4．原子的能量与电子的轨道半径相对应，轨道半径大，原子的能量大，轨道半径小，原子的能量小．
1．能级图的理解
如图所示为氢原子能级图．
(1)能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－13.6 eV.En代表电子在第n个轨道上运动时的能量．
对氢原子光谱、玻尔理论的理解
3．光子的发射
原子由高能级向低能级跃迁时以光子的形式放出能量，放出的光子的频率取决于：hν＝Em－En(Em、En是始末两个能级且m>n).能级差越大，放出光子的频率就越高．
4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1时能量不足，则可激发到n能级的问题．
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如，自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值(E＝En－Ek)，就可使原子发生能级跃迁．
5．原子的电离
若入射光子的能量大于原子的电离能，如处于基态的氢原子电离能为13.6 eV，则原子也会被激发跃迁，这时核外电子脱离原子核的束缚成为自由电子，光子能量大于电离能的部分成为自由电子的动能．
对原子能级和能级跃迁的理解
例4　(多选)关于氢原子能级的跃迁，下列叙述中正确的是 (　　)
A．用波长为60 nm的X射线照射，可使处于基态的氢原子电离出自由电子
B．用能量为10.2 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
C．用能量为11.0 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
D．用能量为12.5 eV的光子照射，可使处于基态的氢原子跃迁到激发态
【答案】AB
变式4　如图所示为氢原子的能级图．用光子能量为13.06 eV的光照射一群处于基态的氢原子，可能观测到氢原子发射不同波长的光有 (　　)
A．15种
B．10种
C．4种
D．1种
【答案】B
对跃迁中光子的能量的理解
例5　(多选)一群处于基态的氢原子吸收某种光子后，向外辐射了ν1、ν2、ν3三种频率的光子，且ν1>ν2>ν3，则 (　　)
A．被氢原子吸收的光子的能量为hν1
B．被氢原子吸收的光子的能量为hν2
C．ν1＝ν2＋ν3
D．hν1＝hν2＋hν3
【答案】ACD
【解析】氢原子吸收光子能向外辐射出三种频率的光子，说明氢原子从基态跃迁到了第三能级，在第三能级不稳定，又向低能级跃迁，发出光子，其中第三能级跃迁到第一能级的光子能量最大，为hν1，从第二能级跃迁到第一能级的光子能量比从第三能级跃迁到第二能级的光子能量大，其能级跃迁图如题图所示．由能量守恒可知，氢原子一定是吸收了能量为hν1的光子，则hν1＝hν2＋hν3，ν1＝ν2＋ν3，故A、C、D正确．
【答案】C
2．跃迁中光子的能量
(1)若光子的能量大于处于某一定态的原子的电离能，则可被吸收，多余的能量变为电子的动能．
(2)当一个氢原子从某一轨道向另一轨道跃迁时，可能的情况只有一种，但大量的氢原子就可能出现多种情况．
小练 · 随堂巩固
1．α粒子散射实验中，使α粒子发生散射的原因是 (　　)
A．α粒子与原子核外电子碰撞
B．α粒子与原子核发生接触碰撞
C．α粒子发生明显衍射
D．α粒子与原子核的库仑力作用
【答案】D
2．(2023年肇庆期末)1909年，密立根因通过油滴实验测得了电子电荷量而荣获1923年诺贝尔物理学奖．密立根油滴实验原理如下：带负电的油滴自油滴盒顶部入口飘入油滴盒，油滴盒区域内存在匀强电场．通过显微镜观测油滴的运动情况测得油滴的电荷量．某次实验观测到某一带负电油滴在油滴盒内正好做匀速运动．设油滴质量为m，油滴盒内电场强度为E，重力加速度为g，忽略空气阻力，下列说法正确的是 (　　)
A．油滴盒内电场强度方向竖直向上
B．带电油滴所受的电场力和重力是一对相互作用力
C．油滴所带电荷量q＝
D．油滴所带电荷量可以是任意值
【答案】C
3．英国物理学家卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现了α粒子的散射现象．如图所示，O表示金原子核的位置，则能合理表示该实验中经过金原子核附近的α粒子的运动轨迹的图是 (　　)
【答案】D
【解析】α粒子散射实验中，α粒子受到金原子核的斥力作用，故A、B、C错误；越靠近原子核的粒子受到的斥力越大，轨迹的偏转角越大，且库仑力指向轨迹的内侧．故D正确．
4．光谱分析为深入原子世界打开了道路．关于光谱，下列说法正确的是 (　　)
A．原子发射连续光谱是因为电子绕原子核运动的变化是连续的
B．玻尔的原子理论能成功的解释各种原子光谱的实验规律
C．原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应
D．进行光谱分析时，可以用连续谱，也可以用线状谱
【答案】C
【解析】电子绕原子核运动的变化都是不连续的，我们看到的原子光谱都是线状谱，A错误；玻尔原子理论仅能成功的解释氢原子光谱的实验规律，B错误；原子都是由原子核和电子组成的，但不同原子的原子结构不同，各种原子的原子光谱都有各自的特征谱线，原子吸收光谱中的每一条暗线都跟这种原子的发射光谱中的一条亮线相对应，C正确；只有线状谱和吸收光谱与原子的结构有关，可以用来鉴别物质，D错误．
5．(2023年南京联考)量子理论是现代物理学两大支柱之一，量子理论的核心观念是“不连续”．关于量子理论，以下说法错误的是 (　　)
A．普朗克为解释黑体辐射，首先提出“能量子”的概念，他被称为“量子之父”
B．爱因斯坦实际上是利用量子观念和能量守恒解释了光电效应
C．康普顿效应证明光具有动量，也说明光是不连续的
D．氢原子中，量子数N越大，核外电子的速率越大
【答案】D
6．(2023年衡阳期末)“北斗三号”采用星载氢原子钟，其精度比“北斗二号”的星载铷原子钟提高一个数量级．如图所示为氢原子的部分能级图，以下判断正确的是 (　　)
A．处于n＝3能级的大量氢原子可以辐射任意频率的光子
B．欲使处于基态的氢原子被激发，可用12.09 eV的光子照射
C．当氢原子从n＝5的状态跃迁到n＝3的状态时，要吸收光子
D．用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时不能发生光电效应
【答案】B
【解析】处于n＝3能级的大量氢原子只能辐射出等于能级差能量频率的光子，所以n＝3能级的大量氢原子最多可以辐射3种频率的光子，A错误；能级1与能级3的能量之差为12.09 eV ，所以可用12.09 eV的光子照射使处于基态的氢原子可以被激发，B正确；当氢原子从n＝5的状态跃迁到n＝3的状态时，从高能级往低能级跃迁要辐射光子，C错误；用n＝2能级跃迁到n＝1能级辐射出的光子的能量为10.2 eV，该光子的能量大于金属铂的逸出功6.34 eV，所以去照射金属铂(逸出功为6.34 eV)时能发生光电效应，D错误．
7．(2023年承德期末)氢原子能级图如图所示，用某单色光照射大量处于基态的氢原子后，氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系，则该单色光的光子能量为 (　　)
A．14.14 eV
B．12.75 eV
C．12.09 eV
D．10.20 eV
【答案】B
【解析】巴耳末系是高能级氢原子跃迁到2能级的谱线图，根据题意可知氢原子辐射的光对应谱线只有两根谱线属于巴耳末系，则氢原子从4能级跃迁到2能级时有两根谱线属于巴耳末系，则单色光的光子能量为E＝－0.85 eV－(－13.6 eV)＝12.75 eV，故选B．(共34张PPT)
第五章　原子与原子核
第四节　放射性同位素
学习目标 学法与考法
1．知道放射性同位素和人工放射性同位素及其核反应方程(难点)
2．了解放射性在生产和科学领域的应用(重点)
3．知道射线的危害及防护 学法：①通过阅读和思考，认识放射性同位素．②通过对放射性同位素的学习，掌握它在工农业生产和科技发展中的应用．③通过对放射性同位素的学习，了解射线的危害，从而正确地进行防护
考法：①对放射性同位素的认识及放射性同位素应用的考查．②对射线的危害及防护的考查
知识导图
课前 · 自主预习
1．发现放射性同位素
(1)具有相同________而________不同的原子，在元素周期表中处于______位置，因而互称同位素．
(2)具有________的同位素，叫作放射性同位素．
(3)发现放射性同位素和正电子的核反应方程：
放射性同位素的发现及其应用
质子数
中子数
同一
放射性
ν代表________，它是一种_________，质量_____________.
中微子
中性粒子
近似为零
2．放射性同位素的应用
放射性同位素的应用主要分为三类：
(1)________的应用；(2)__________的应用；(3)________的应用．
射线
示踪原子
半衰期
3．射线的危害及防护
(1)危害：人体受到长时间大剂量的射线照射，就会使________、________、器官受到损伤，破坏人体______分子结构，有时甚至会引发癌症，或者造成下一代遗传上的缺陷，过度照射时，人常常会出现________、四肢无力、________等多种症状，重者甚至死亡．
(2)防护：辐射防护的基本方法有________防护、________防护和________防护．要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染，要防止射线过多地长时间地照射人体．
细胞
组织
DNA
头痛
贫血
时间
距离
屏蔽
人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一．氦的该种同位素应表示为 (　　)
【答案】B
课堂 · 重难探究
1．放射性同位素分类
可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过60多种，而人工放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素．
探究放射性同位素
2．人工放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制．
(2)可以制成各种所需的形状．
(3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理．因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素．
3．放射性同位素的主要应用
(1)利用它的射线．
①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性．
②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期等．
③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症．
(2)作为示踪原子：放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质，通过探测放射性同位素的射线确定其位置．
放射性同位素的理解
例题　正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是：将放射性同位素15O注入人体，参与人体的代谢过程.15O在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像．根据PET原理，回答下列问题：
(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．
(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是 (　　)
A．利用它的射线
B．作为示踪原子
C．参与人体的代谢过程
D．有氧呼吸
(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应______________．(填“很长”“很短”或“长短均可”)
变式1　以下说法正确的是 (　　)
A．如图甲是风力发电的国际通用标志
B．如图乙是氢原子的能级示意图，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级时吸收了一定频率的光子
C．如图丙是光电效应实验示意图，则此时验电器的金属杆上带的是负电荷
D．如图丁是电子束穿过铝箔后的衍射图样，该实验现象说明实物粒子也具有波动性
【答案】D
【解析】图甲是辐射标志(亦称三叶草)，不是风力发电的国际通用标志，A错误；图乙是氢原子的能级示意图，结合氢光谱可知，氢原子从n＝3能级跃迁到n＝1能级时辐射一定频率的光子，B错误；当光照射锌板时，金属板失去电子，将带正电，所以与之相连的验电器的指针将发生偏转，此时验电器的金属杆带的是正电荷，C错误；图丁是电子束穿过铝箔后的衍射图样，由于衍射是波特有的性质，所以该实验现象说明实物粒子也具有波动性，D正确．
变式2　(2023年宿迁期末)磷32是磷的一种放射性同位素，在农业研究中常用作示踪原子．将含磷31的材料置于反应堆中辐射，反应产生的磷32会混于稳定的磷31中．如果将该材料取出，测量发现磷31和磷32的含量相等，28天后磷32的含量占磷元素总量的20%，则磷32的半衰期为 (　　)
A．28天 B．14天
C．7天 D．3.5天
【答案】B
放射性同位素应用的两点提醒
1．利用它的射线：α射线的电离作用，γ射线的贯穿本领和生物作用，β射线的贯穿本领．
2．作为示踪原子：多数情况下用β射线，因为γ射线难以探测到．
小练 · 随堂巩固
【答案】ABD
【解析】氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和核外电子数相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B正确，C错误；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．
2．(多选)放射性同位素钴60能放出较强的γ射线，其强度容易控制，这使得γ射线得到广泛应用．下列属于γ射线应用的是 (　　)
A．医学上制成γ刀，不需要开颅即可治疗脑肿瘤
B．机器运转时常产生很多静电，用γ射线照射机器可将电荷导入大地
C．铝加工厂将接收到的γ射线信号输入计算机，可对薄铝板的厚度进行自动控制
D．用γ射线照射草莓、荔枝等水果，可延长保存期
【答案】AD
【解析】γ射线的电离作用很弱，不能使空气电离成为导体，B错误；γ射线的穿透能力很强，薄铝板的厚度变化时，接收到的信号强度变化很小，不能控制铝板厚度，C错误；γ射线能量很大，可以杀菌，延长水果的保存期，对肿瘤细胞有很强的杀伤作用，A、D正确．
3．放射性同位素能被用作示踪原子，以下说法错误的是 (　　)
A．放射性同位素不改变其化学性质
B．放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C．半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D．放射性同位素容易制造
【答案】D
【解析】放射性同位素用作示踪原子，主要是用放射性同位素替代没有放射性的同位素参与的正常的物理、化学、生物过程，既要利用化学性质相同，也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响，同时还要考虑放射性的危害，因此，A、B、C正确，D错误．
4．医生用同位素123I对病人进行诊断，使其很快恢复健康，123I的特性是 (　　)
A．半衰期长，并迅速从体内清除
B．半衰期长，并缓慢从体内清除
C．半衰期短，并迅速从体内清除
D．半衰期短，并缓慢从体内清除
【答案】C
【解析】在人体内作为示踪原子应该是半衰期短，并能迅速从体内消除的元素，以减小危害和遗留．
【答案】D
6．关于放射性同位素的应用，下列说法正确的有 (　　)
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的
B．利用β射线的贯穿性可以为金属探伤
C．用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
【答案】D
【解析】利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性，使空气分子电离成导体，将静电泄出，A错误；γ射线的贯穿性强，可用以金属探伤，用于医疗时，对人体细胞伤害太大，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，D正确，B错误；DNA变异并不一定都是有益的，C错误．
7．用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然放射性同位素只不过60几种，而目前人工制造的同位素已达1 000多种，每种元素都有放射性同位素，放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用．
(1)如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的是厚度为1 mm的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要控制作用的是______射线．
(2)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一物质，为此曾采用放射性同位素碳14作________．
【答案】(1)β　(2)示踪原子
【解析】(1)β射线起主要作用，因为α射线的贯穿本领很小，一张薄纸就能把它挡住，更穿不过1 mm的铝板；γ射线的贯穿本领很强，能穿过几厘米的铅板，1 mm左右的铝板厚度发生变化时，透过铝板的γ射线强度变化不大；β射线的贯穿本领较强，能穿过几毫米的铝板，当铝板厚度发生变化时，透过铝板的β射线强度变化较大，探测器可明显地反映出这种变化，使自动化系统做出相应的反应．
(2)把掺入碳14的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经多次重新结晶后，得到了放射性碳14分布均匀的牛胰岛素结晶，这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素合为一体，它们是同一物质．把这种放射性同位素的原子掺到其他物质中去，让它们一起运动迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可以知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可了解某些不容易查明的情况或规律，人们把这种用途的放射性同位素叫作示踪原子．(共63张PPT)
第五章　原子与原子核
第三节　核力与核反应方程
学习目标
1．掌握原子核的组成，知道核子与质子、中子关系(重点)
2．掌握质量数、电荷数和核子数间的关系(重点)
3．知道核力及四种基本相互作用的概念和特点(重点)
4．理解结合能和比结合能的概念，知道核反应中的质量亏损(重点)
5．知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系，能进行基本的核能计算(重难点)
学法与考法
学法：①通过对原子核组成的认识，培养自学和归纳能力；②通过掌握质量数、电荷数和核子数间的关系，树立辩证唯物主义的科学观和世界观；③通过学习四种基本相互作用及其特点，初步了解相互作用统一的思想和在物理学发展中探索的作用；④通过结合能和比结合能的学习，理解核反应中的质量亏损；⑤通过爱因斯坦质能方程的学习，增强理解能力、推理能力及数学计算能力
考法：①考查对原子核组成的认识及质量数、电荷数和核子数间的关系；②对核力、结合能和比结合能理解的考查；③对质量亏损和质能方程的考查；④对核能的计算的考查
知识导图
课前 · 自主预习
1．质子的发现
1919年，________用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子，测定了它的电荷和质量，确定它是氢原子核，叫作________，用______或________表示，其质量为mp＝______________．
2．中子的发现
(1)卢瑟福的预言：原子核内可能还有一种________的粒子，名字叫中子．
原子核的组成
卢瑟福
质子
p
1.67×10-27 kg
不带电
(2)查德威克的发现：用实验证实了中子的存在，用________表示，中子的质量非常接近质子的质量．
3．原子核的组成
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以________数和________数之和叫核子数．
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷总是质子电荷的________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．
n
质子
中子
整数
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内__________和________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____________．
(4)
质子
中子
质量数
质子数
中子数
质子数
原子核的核子数等于质子数吗？质量数就是原子核的质量吗？
【答案】原子核的核子数等于质子数与中子数之和．原子核的质量等于原子中质子和中子的质量之和；质量数是将原子内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加而得到的数值．
微思考
【答案】B
1．核反应的四种类型：________、人工转变、裂变和________．
2．核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接．
3．核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程．
4．核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化．
5．核反应遵循电荷数和质量数守恒．
核反应方程
衰变
聚变
1．核力
原子核内________之间的相互作用力．
2．核力的特点
(1)核力是____________的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在__________m之内．
(3)核力的饱和性：每个核子只跟______________发生核力作用．
核力与四种基本相互作用
核子
强相互作用
1.5×10-15
相邻的核子
3．四种基本相互作用
原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的吗？
【答案】不是，是核力．
微思考
下列关于核力的说法正确的是 (　　)
A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用
B．核力就是电磁力
C．核力是短程力，作用范围在1.5×10-15 m之内
D．核力与电荷有关
【答案】C
【解析】核力是短程力，作用范围在1.5×10-15 m之内，超过1.5× 10-15 m，核力急剧下降，几乎消失，C正确．核力与万有引力、电磁力不同，A、B错误．核力与电荷无关，D错误．
1．结合能
原子核是________凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要________，这就是原子核的结合能．
2．比结合能
原子核的结合能与________之比，称作比结合能，也叫________结合能．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越____________，中等大小的原子核的比结合能最大，最稳定．
结合能
核子
能量
核子数
平均
牢固、稳定
3．质能方程
物体的能量与它们质量的关系是E＝________.
4．质量亏损
原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象．
mc2
小于
核子结合成原子核时是放出能量还是吸收能量？结合能越大，原子核越稳定吗？
【答案】核子结合成原子核时是放出能量．比结合能越大，原子核越稳定．
微思考
【答案】A
课堂 · 重难探究
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，但它们的中子数可能不同，所以它们的物理性质不同．
对原子核的组成的理解
【答案】BC
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，
2．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．
1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)引力相互作用，万有引力主要在宏观尺度上起到明显作用．万有引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状．万有引力是长程力．
(2)电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体．
探究核力与四种基本相互作用
(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．
(4)弱相互作用：弱相互作用是引起原子核β衰变的原因，即引起中子－质子转变的原因．弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为10-18 m，作用强度则比电磁力小．
2．核力的性质
(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现．
(2)核力是短程力．约在10-15 m数量级时起作用，距离大于0.8× 10-15 m时为引力，距离小于0.8×10-15 m时为斥力，距离为10×10-15 m时核力几乎消失．
(3)核力具有饱和性．核子只对相邻的少数核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用．
(4)核力具有电荷无关性．
对核力的理解
例2　下列对核力的认识正确的是 (　　)
A．任何物体之间均存在核力
B．核力广泛存在于自然界中的核子之间
C．核力只存在于质子之间
D．核力只发生在相距1.5×10-15 m内的核子之间，大于0.8×10-15 m为吸引力，而小于0.8×10-15 m为斥力
【答案】D
【解析】由核力的特点知道，只有相距1.5×10-15 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，D正确，A、B、C错误．
变式2　下列说法正确的是 (　　)
A．比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核要释放核能
B．重核发生裂变时需要吸收能量
C．核力是核子间的万有引力和库仑力的合力
D．中子与中子之间的核力一定大于中子与质子间的核力
【答案】A
【解析】比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核时，总结合能增加，因此要释放核能，A正确；重核裂变时有质量亏损，释放能量，B错误；核力是核子间的强相互作用力，C错误；核力是短程力，与核子间的距离有关，由于距离未知，则中子与中子之间的核力不一定大于中子与质子间的核力，故D错误．
记忆核力特点的技巧
1．核子包括质子和中子，而中子不带电，所以核力与电荷无关．
2．原子核非常小，所以核力属于短程力．
3．质子间的核力比库仑力大得多，属于强相互作用力．
1．比结合能与原子核稳定的关系
(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定．
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定．
探究结合能和质量亏损
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能．例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能．
2．对质能方程和质量亏损的理解
(1)质能方程．
质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2.
(2)质量亏损．
质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2.
3．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算．
①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.
②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算．
根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 MeV.其中Δm的单位是u，ΔE的单位是 MeV.
对结合能和比结合能的理解
例3　(2023年南宁检测)原子核的比结合能曲线如图所示，根据该曲线，下列判断中正确的有 (　　)
【答案】C
【答案】B
1．比结合能的大小反映了原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定．
2．结合能ΔE＝nE由核子数和比结合能共同决定．
3．中等质量的原子核的比结合能较大，因而中等质量的原子核较稳定．
对质量亏损和质能方程的理解
例4　(多选)关于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法正确的是 (　　)
A．虽然太阳不断地向外辐射能量，但它的总质量是不改变的
B．理论上用该公式能计算手电筒向外释放一定能量的光所减少的质量
C．若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示核反应释放的核能
D．地球不断地吸收太阳辐射的能量，因此地球的总质量可能不断地增大
【答案】BD
【解析】太阳释放出大量能量，质量减小，A错误；理论上该公式能计算手电筒向外释放一定能量的光所减少的质量，B正确；若m表示核电站参与反应的铀235的质量，则E表示其具有的能量，不表示核反应释放的核能，C错误；若地球向外辐射的能量小于从外界获得的能量，那么地球的质量将不断增大，D正确．
【答案】D
质能方程反映了质量与能量的对应关系，物体的能量跟其质量成正比，即一定的能量必定对应着一定的质量，质量不能转化为能量．
核能的计算
例5　(2023年全国卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献．由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J．假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s) (　　)
A．1019 kg B．1024 kg
C．1029 kg D．1034 kg
【答案】C
【答案】B
1．计算过程中Δm的单位是kg，ΔE的单位是J.
2．若Δm的单位是u，ΔE的单位是 MeV，可直接利用公式ΔE＝Δm ×931.5 MeV来计算核能．
小练 · 随堂巩固
1．科学研究表明，自然界存在四种基本相互作用．我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力实质上属于 (　　)
A．引力相互作用
B．电磁相互作用
C．强相互作用和弱相互作用的共同作用
D．四种基本相互作用的共同作用
【答案】B
【解析】分子力作用范围约在10-10 m数量级上，强相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范围在10-15 m和10-18 m之内，在这个距离上分子力不存在．在分子力作用范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在，但由于电磁力远大于万有引力，引力相互作用可以忽略不计，因此分子力本质上属于电磁相互作用．
2．下列关于核力、原子核的结合能、比结合能的说法正确的是 (　　)
A．维系原子核稳定的力是核力，核力就是表现为相邻核子间的相互吸引力
B．核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力比库仑力小
C．比结合能小的原子核分解成比结合能大的原子核时会释放核能
D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
【答案】C
【解析】维系原子核稳定的力是核力，核力可以表现为相邻核子间的相互吸引力，又可以表现为排斥力，A错误；核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力远比库仑力大，B错误；比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故C正确；根据质能方程可知，自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故D错误．
3．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是 (　　)
A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm
B．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2
C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量
D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子与组成的原子核的质量之差就是Δm
【答案】ABD
【解析】一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2，B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，C错误．
4．如图所示是原子核的核子平均质量A与原子序数Z的关系图像，下列说法正确的是 (　　)
A．若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量
B．若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量
C．若C、B能结合成A，结合过程一定要释放能量
D．若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量
【答案】A
【解析】D、E平均核子质量大于F平均核子质量，D、E结合成F，出现质量亏损，要释放能量，A正确、B错误，C、B结合成A，F、C结合成B都是质量增加，结合过程要吸收能量，C、D错误．
5．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是 (　　)
A．m3c2 B．(m1＋m2)c2
C．(m3－m2－m1)c2 D．(m1＋m2－m3)c2
【答案】D
【解析】质子和中子结合成原子核氘核时，总质量减小了，即质量亏损Δm＝m1＋m2－m3.依据质能方程可知，放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2.
解：反应前总质量mN＋mHe＝18.011 40 u，
反应后总质量mO＋mH＝18.012 69 u，
因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，所吸能量为ΔE＝Δmc2＝[(mO＋mH)－(mN＋mHe)]c2＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV＝1.2 MeV.

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