资源简介

原子核
一、原子核的组成
历史背景
1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光。
1900年居里夫妇对铀和含铀的各种矿石进行了深入研究。他们发现了一种沥青中的含铀物质，根据它的含铀量计算、发出的射线不会太强，但实际测得的射线要强得多。进一步研究后，发现这种沥青中还存在着两种能够发出更强射线的新元素，居里夫妇把新元素命名为钋和镭。 居里夫妇是在好几顿沥青中历时将近4年才提炼出来0.1g镭，及其不容易。
物质发射射线的性质称为放射性．具有发射性的元素称为放射性元素．元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象。后来发现放射性并不是少数元素才有的，原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。
随后人们对这种射线开始了研究，射线的本质是什么？出了穿透纸片还有什么其他的能力？射线是否带电等...
经过多年的研究后总结出如下特点
射线名称 本质 特点 电离能力 穿透能力 产生条件
α射线 α射线是高速粒子流，粒子带正电，实际上就是氦原子核。 电荷量是电子的2倍，质量是氢原子的4倍，电子质量的7300倍，速度可以达到光速的1/10 强 弱，只能穿过一张纸 α衰变时产生
β射线 β射线是高速电子流 它的速度更大，可达光速的99％ 弱 强，能穿过几毫米厚的铝板 β衰变时产生
γ射线 γ射线是能量很高的电磁波 波长很短，在10-10m以下，速度就是光速 很弱 很强能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。 是原子核能级跃迁时释放出的射线

三中射线的发现意味着原子核内部还存在复杂的结构，而且原子核还可以发生变化，称为另一种原子
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，得到了质子 p
研究表明：质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所以质子就是氢原子核。mp=1.67×10-27kg
原子核只由质子组成吗?如果原子核中只有质予，那么任何一种原子核的质量与电荷量之比，都应该等于质子的质量与电荷量之比。实际并不是这样，绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值。卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子：它的质量与质子相同，但是不带电。他将这种粒子叫做中子。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。 查德威克通过α粒子轰击铍核，发现了中子n。
研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带电，是中性粒子.
质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且都是原子核的组成成分，所以统称核子。
原子核中的两个等式:
(1)核电荷数=质子数=原子序数=荷外电子数
(2)质量数=核子数=质子数+中子数
几种常用的原子核的表示
α粒子 质子 中子 电子
从知识点难度来说上面几句话都是初中的东西，但是从个人书写笔记的角度看，没有这个就缺少了完整性，所以还是带过一下

二、放射性元素的衰变
一、原子核的衰变
1．定义
原子核放出 α粒子或 β粒子转变为新核的变化叫做原子核的衰变
表格对比
名称 实质 举例 规律 普遍式子
α衰变 原子核内少两个质子和两个中子，并放出α粒子 衰变前后电荷数与质量数都不变
β衰变 原子核内的一个中子变成质子， 同时放出一个电子

注意点分析
1.是质量数守恒，不是质量守恒。这两者的区别后面后解释，衰变也是伴随着质量亏损的。
2. γ射线的产生：γ射线经常是伴随着α射线和β射线产生的，没有γ衰变。
3.一种元素只能发生一种衰变，但在一块放射性物质中可以同时放出α、β和γ三种射线。
4.衰变时元素属性，与物化环境无关。

二、半衰期
1.意义： 表示放射性元素衰变快慢的物理量
2.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间
不同的放射性元素其半衰期不同
3.公式：

C-14半衰期，用于测量漫长的时间
注意点分析：
1.半衰期的长短是由原子核内部本身的因素决定的，与原子所处的物理、化学状态无关 。
2.半衰期是一个统计规律，只对大量的原子核才适用，对少数原子核是不适用的。

三、探测射线的方法和现象
1、威尔逊云室
原理：不同射线的电离能力不同
构造：一个圆筒状容器，底部可以上下移动，上盖是透明的，内有干净空气
实验时，加入少量酒精，使室内充满饱和的酒精蒸汽，然后迅速向下拉动活塞，室内气体膨胀，温度降低，酒精蒸汽达到过饱和状态。这时如果有粒子在室内气体飞过，就会说使沿途的气体分子电离，过饱和酒精蒸汽会以这些离子为核心凝结成雾滴。从而显示出射线的径迹。
注意：在云室中观察到的径迹本质是小液滴，不是组成射线的粒子。
射线名称 云室径迹（现象） 原因分析
α射线 直而粗 a粒子质量大，不易改变方向，电离本领大，沿涂产生的粒子多
β射线 细而弯曲 粒子质量小，跟气体碰撞易改变方向，电离本领小，沿途产生的离子少
γ射线 难以观察，几乎没有 γ射线，而且电离能力很弱。


2.气泡室
原理上和威尔逊云室相似，不同的是气泡室里面充的液体，比如液态氢。液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。
轨迹特点：
因为气泡室中存在一个垂直的磁场，所以粒子做的是圆周运动。在与气泡室内微粒碰撞的过程中，粒子的能量会有所损失，所以运动半径会逐渐减小，形成一个螺旋状的圆。
气泡室的优点：
它的空间和时间分辨率高；工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。

3. 盖革米勒计数器
结构：管外面是一根玻璃管，里面是一个接在电源负极的导电圆筒，筒的中间有一条接正极的金属丝。管中装有低压的惰性气体（如氩，氖等，压强约为10~20kPa）和少量的酒精蒸汽或溴蒸汽。在金属丝和圆筒两极加上一定的电压，约1000v，这个电压稍低于管内气体的电离电压。

盖革一米勒计数器的特点
1.盖革-米勒计数器放大倍数很大,非常灵敏,用它来检测放射性是很方便的。
2.盖革-米勒计数器只能用来计数,而不能区分射线的种类。
3.盖革- 米勒计数器不适合极快速的粒子计数。

四、放射性的应用与防护
1、核反应：核反应：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。在核反应中，质量数和电荷数都守恒。
卢瑟福用α粒子轰击氮核，生成质子和氧17.第一次实现了原子核的人工转变。

查德威克用α粒子轰击铍核发现中子 n：

用α粒子、质子、中子等去轰击其它元素的原子核，也都产生类似的转变。
与上文讲的天然放射反应有所不同，用一张表格说明
比较项目 原子核衰变（天然放射） 原子核的人工转变（核反应）
反应条件 自发进行，无需条件 利用α粒子、质子、中子或γ光子作为“炮弹”轰击靶核
反应本质 核子数变化，形成新核 核子重组，形成新核
典型反应
核反应方程式特点 箭头左边只有一个放射性原子核 箭头左边有靶核和“炮弹”
核反应规律 质量数守恒(但质量不守恒)、电荷数守恒
方程式书写原则 尊重实验事实，不能仅仅依据守恒定律主管臆造


2、人工放射性同位素
有些元素的同位素具有放射性，叫做放射性同位素
1934年，约里奥—居里夫妇 发现α粒子轰击的铝片中含有放射性磷 ：

反应生成物 P 是磷的一种同位素，自然界没有天然的 ，它是通过核反应生成的人工放射性同位素

与天然的放射性物质相比，人造放射性同位素有以下特点：
1、放射强度容易控制
2、可以制成各种需要的形状
3、半衰期更短,放射性废料容易处理
3、放射性同位素的应用
①利用它的射线
A、由于γ射线贯穿本领强，可以用来γ射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹，所用的设备叫γ射线探伤仪．
B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
C、利用射线使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。
D、利用射线照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病等
②作为示踪原子：
工业、农业及生物研究 。棉花在结桃、开花的时候需要较多的磷肥，利用磷的放射性同位素制成肥料喷在棉花叶面上，被植物吸收，然后每隔一定时间用探测器测量棉株各部位的放射性强度，就可知道什么时候磷的吸收率最高、磷在作物体内能存留多长时间、磷在作物体内的分布情况等。

五、核力与结合能
在了解核力之前先回复一下自然界的四中基本相互作用力

1.万有引力：引力主要在宏观和宇观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。
2.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，使分子结合成液体与固体。
电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小
3.强相互作用：作用范围在原子核内，强力将核子束缚在一起。
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10－18m，作用强度则比电磁力小。
物理学家一直梦想将自然界的四种相互作用纳入某种统一的理论中，即物理学大一统思想。爱因斯坦为此做了大半生的努力，但没有成功。
核力的定义及特点
定义：能够把原子核中的核子（质子和中子）束缚在一起的强相互作用力的力，叫做核力。
特点：
（1） 核力是强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。
（2）核力是短程力。作用范围在1.5×10-15m之内，大于0.8×10-15m时为吸引力, 随距离增大而减小，超过1.5×10-15m时核力几乎消失，小于0.8×10-15m时为斥力，因此核子不会融合在一起也不会四散分开
（3）核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。
（4）核力具有电荷无关性。（见书本P79图）
原子核内中子与质子数量的关系
特点1：轻核的质子数和中子数大致相等；
原因分析：对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。
特点2：重核的质子数明显少于中子数。
原因分析：对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力因核子间距的变大而显著减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；但如果只增加中子，由于中子之间只有相互吸引的核力却不存在库仑力，故有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。
思考：若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？
不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们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。
在宇宙演化的进程中，各种粒子有机会进行各种组合，但那些不稳定的组合很快就瓦解了，只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。现在观察到的天然放射性元素，则正在瓦解之中。
结合能与比结合能
1.概念：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。 如：
2.组成原子核的核子越多，它的结合能越高。
那么就有个问题了：结合能越大原子核是不是越难被拆散？即：结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度？
答案：不是！
比结合能：结合能与核子数之比，称做为比结合能。也叫平均结合能。
比结合能=
意义：比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
理解：核子结合成原子核时，平均每个核子所释放的结合能，它也等于把原子核拆散成每个核子时，外界提供给每个核子的平均能量。
规律：较轻核和较重核的核子平均结合能较小,稳定性较差;中等质量核的核子平均结合能较大，稳定性较好。
用两张图来描述这个规律

从图中可以发现：中等大小的核的比结合能最大，但是每个核子的平均质量最小，这些核最稳定。
这边可以解释上文中出现的一个问题，为什么核反应方程中质量数守恒但是质量不守恒，因为不同原子核内每个核子的平均质量发生了变化。这部分确实的质量就是叫做质量亏损
质量亏损：把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损。
原子分解为核子时，质量增加；
核子结合成原子核时，质量减少。
注意：质量亏损并非质量消失,而是减少的质量m以能量形式辐射，这个在大学物理中称为动质量。（爱因斯坦在广义相对论中提出的概念），因此质量守恒定律不被破坏.
爱因斯坦质能方程：E=mc2
关于质能方程的计算运用
1.根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。这个比较好理解，相当于数值的直接带入。
2.根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算。因1个原子质量单位(u)相当于931 .5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。
对第二种方法进行分析：
碳12的质量为1.993×10- 26kg,一个原子质量单位是碳12质量的1/12.
1eV=1.60×10^-19J
根据质能方程E=mc^2,当这些物质全部转化为能量
E=1.993×10- 26kg*(299792458m/s)^2/12
=931.5MeV
例：（原子量为232.0372u）衰变为（原子量为228.0287u）时，释放出粒子（的原子量为4.0026u）。
（1）写出衰变方程，（2）计算衰变过程中释放的能量
解：（1）衰变方程

（2）衰变后的质量亏损
=232.0372u(222.0287u+4.0026u)= 0.0059u
释放的能量：
= 0.0059931.5MeV=5.5MeV
这种计算过程在今年的高考中也出现了，所以重点提一下

六、核裂变
原子核裂变在今天看来原理好像不是那么难以理解，一般的高中生都能略知一二，但是在历史上该过程的发现确实非常曲折。这里我简单描述一下这个历史故事。一下内容参考于
《原子核裂变的发现:历史与教训——一纪念原子核裂变现象发现60周年》
作者：何泽慧，顾以藩(中国科学院高能物理研究所,北京100039)
原子核裂变本来在1934-1935年就可以完成，但是推迟到1938年年底才得以实现。
1934年3月,费米开始了利用中子轰击原子核诱生人工放射性的实验研究.两个月后,当他和他的合作者用氡一铍中子源照射铀样品时,他们实际上是在实验室中首次实现了铀核裂变;当他们采用自制的盖革计数管在照射后的铀样品.上测得多种感生的强放射性时，他们实际上观测到的是裂变产物的放射性;当他们采用淀积方法分离出了半衰期为13min的放射性元素并排除其为铅、铋以及从氡到铀的同位素的可能性时,他们实际上得到的(根据事后的推断)是裂变碎片锝的同位素。然而费米本人对于他们观察到的实验事实作出了错误的解释，认为实现了生成超铀元素的反应，而半衰期为13min的放射性产物是第93号元素(也可能是94或95号元素),但是关于重核裂变的正确答案实际上就在那时已经被提出来了。
猜到正确答案的是德国女化学家诺达克，她针对费米的发现在1934年9月发表《论第93号元素》，认为费米等人采用“排除其他可能性的方法”来证明第93号元素的存在是“决非成功的”，并设想一种“全新的核反应” 图像：“可以想象，当重核被中子轰击时，该核可能分裂成几大块，这些裂片无疑将是已知元素的同位素，而不是被辐照元素的近邻.”然而，诺达克的论文没有得到重视。如果诺达克的这些意见在当时能得到足够的重视的话，那么众多科学家的共同努力下核裂变现象的发现就指日可待了。然而历史却向着另外一个方向错误的越走越远。
当时费米小组成员在对待诺达克的质疑甚至批评时的态度其实是拒绝的，也没有公开回应。与此同时，远在柏林的哈恩--迈特钠小组和巴黎的居里小组也都看到了诺达克的论文。从一些当事者的回忆来看，其态度也是拒绝的。
那么在1934~1938年这四年年时间，人们到底在干什么呢？
他们想发现“超铀元素”，铀238是当时最终的原子，人们将所有的热情都放在的发现一个比铀238更重的原子上。
在1937~1938年居里和萨维奇先后发表了4篇论文，报道了令人惊讶的结果，他们改变了哈恩小组的一贯做法，对经过快中子及慢中子照射的铀样品的全部放射性(而不是仅仅分离出具有过渡元素性质的放射性成分)进行研究,发现了一个先前未曾报道过的新放射性,其半衰期为3.5h,而化学性质似乎与钍相仿(1937年8月1日)由于哈恩和迈特纳的强烈质疑,她们作了进一步的研究，肯定了R3. 5h放射性(她们把它称作R3. 5h)的存在而放弃了认为是钍的看法.随后，又根据R3.5h在进行化学分离时随同镧载体沉淀出来的特点将它设想为锕(1938年3月21日).当她们进--步试行把设想为锕的R3. 5h与镧分离时，却得到了R3. 5h浓集在镧的那部分中的意外结果（1938年5月30日）
到那个时候居里和萨维奇也没有得出R3. 5h是镧的裂变产物的结论。但是这个新发现引起了哈恩小组的探索。
随后叙述他们“颇费踌躇地发表”的新实验结果.文章宣称:“我们得出了我们的‘镭同位素’具有钡的性质的结论.”在接着的讨论中,若明若暗地点到了核裂变的概念，说“Ba十Ma[锝]质量数之和=138+ 101,得到了239 !文章结尾生动地描绘出了作者在确认核裂变的历史性时刻从核物理旧框框中挣脱出来的惶感心情:“作为化学家,我们实在应该修订上面给出的衰变纲图，在Ra, Ac和Th的地方写上Ba,La和Ce的符号.然而,作为工作十分接近物理学领域的核化学家’,我们还不能迈出这么大的一步,因为它违反了核物理的所有以往经验.或许这里有一系列不寻常的巧合给我们造成了假象.”
哈恩在这篇论文发表以前将结果寄给了那时已经流亡到瑞典的原合作者迈特纳.后者和她的外甥弗里施进行了深入的讨论,从物理上确认了铀核在中子作用下分解为两部分的反应形式，并在不久发表在《自然》(Nature)杂志.上的文章中首次使用了“裂变”这个名词.于是,哈恩和斯特拉斯曼在他们的下一篇论文（发表日期1939年2月10日)中，一改上一篇论文的不肯定的保留语气,开始信心十足地根据核裂变的图像来报道他们的实验结果了。
在自然科学的探索道路上存在很多类似这种对新事物的彷徨和不确定，就像现在的量子力学，足以颠覆99%的人的世界观，我们需要的是对新事物的探索精神，而不是一味的守旧。

下面正式讲解核裂变
重核裂变：物理学中把重核分裂成两个较轻的核时，释放出核能的反应叫做核裂变。
1939年，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变。
教材中主要以铀为例进行了讲解
铀235的裂变方式有多种
1、
2、
3、
链式反应：确定了核裂变反应以后，各国物理学家立即想到根据原子核的组成规律，重核中中子数多于质子数，轻核质子数与中子数相等.重核裂变成两个轻核，必将出现中子过剩的情况.如果过剩的中子继续轰击别的重核，就可以进行链式反应了
定义：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫做核裂变的链式反应．
链式反应发生的条件：铀块的质量大于临界质量，或者铀块的体积大于临界体积。
解释：从反应原理上来看，只要有中子进入铀块就会发生核反应，其实并不是如此，因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过时，可能还没有碰到一个铀核就跑到铀块外面去了。我们把能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积。所以如果铀235的体积超过临界体积，只要有中子进入，就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，发生猛烈的爆炸。
铀235的临界质量是1kg。所以想要制造原子弹，必须先获得1kg的纯铀。美国是核武器大国，他们把核电站发电产生的核废料有偿的运送到朝鲜，核废料中其实也含有微量的铀235，朝鲜试图在废料中提取纯铀，好像目前还没有研制成功。
重核裂变的应用：
1、原子弹原子弹原理图，如图是两种引爆方式，普通炸药爆炸推动并压缩反射层和核料，使之达到临界状态，核点火部件适时地提供中子，使核料内发生链式反应，并猛烈释放能量。
2、核电站
核电站也是重核裂变的应用之一，但是有别于原子弹的是，核能的释放是可控的。原理如右图，利用镉帮吸收核反应释放的部分中子即可。
核心设施：核反应堆，即浓缩铀制成的铀棒
减速剂：石墨、重水或普通水，用于减小中子的速度
控制棒：镉棒，用于吸收中子，控制核反应的快慢。
解决能源危机根本途径——核能。可开发的核裂变燃料资源可使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。但是目前还没有技术可以对巨变能量进行控制。因为地球上没有没有任何容器可以承受如此高的温度。目前世界上比较流行的思想是利用磁约束和惯性约束达到对热核反应的控制。如果这
个技术被发现并利用，那么靠石油为生的国家将迅速没落。目前我国的可控核聚变装置“中国环流器1号”和“2号”已取得不少研究成果，值得期待。

轻核聚变
定义：两个轻核结合成质量较大的原子核，这种核反应叫做聚变，也叫热核反应。
能量的变化：轻核聚变后，比结合能增加，反应中会释放能量。
反应条件：要使轻核发生聚变,必须使它们达到10^-15的近距离。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服它们之间巨大的静电斥力,为此,轻核必须获得足够的动能并处于很高密度下才能引起聚变。所以需要超高温和超高压条件下进行，所以又叫热核反应。
轻核的聚变实例:


能量感知：以，
氘核的质量：mD＝2.014102u
氚核的质量：mT＝3.016050u
氦核的质量：mα＝4.002603u
中子的质量：mn=1.008665u
Δm=mD+mT-（mα+mn）=0.018884u
ΔE=Δmc2=0.01884×931.5MeV=17.59MeV
平均每个核子释放的能量为
而重核裂变通过同样的计算可得平均每个核子释放的能量为=0.852MeV
所以轻核聚变的能量是重核裂变能量的4倍左右
轻核聚变的应用
氢弹，首先普通炸药爆炸来引爆U235裂变，其实就是先引爆一个小型的原子弹，用于提供热核反应的条件，超高温超高压，然后再让轻核发生聚变。
太阳内部的反应
通过对太阳光谱的研究发现，太阳内部也进行着轻核聚变。

轻核聚变相比重核裂变的优势
1.轻核聚变产能效率更高
2.地球上聚变燃料储量丰富，1L海水中就有0.03g的氘，如果发生巨变相当于300L汽油所释放的能量。
3.轻核聚变更安全，因为聚变反应需要高温高压的维持，一旦设备发生故障以后，这个条件就无法维持，反应就终止了。

展开更多......

收起↑