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?第五章　原子核
第1节　原子核的组成
核心 素养 物理观念 科学思维
1.了解天然放射现象和天然放射现象发现的意义。
2.知道三种射线的本质和特征。
3.知道原子核的组成和同位素的概念，会正确书写原子核符号。
4.了解发现天然放射现象的相关史实。 通过对原子核结构模型的探究，体会物理学的研究方法。
知识点一　天然放射现象
[观图助学]
如右图为居里夫妇，他们在沥青中发现3种放射性元素，天然放射现象让人们认识到小小的原子核也具有复杂的结构，那么什么是天然放射现象呢？
居里夫妇
1.1896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。
2.物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.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。
4.玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为
钋(Po)和镭(Ra)。
[思考判断]
(1)1896年，法国的玛丽·居里首先发现了天然放射线。(×)
(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素。(√)
(3)原子序数小于83的元素都不能放出射线。(×)
知识点二　射线的本质
1.α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的，其电离能力强，穿透能力较弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2.β射线：是电子流，速度可以接近光速，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3.γ射线：是一种电磁波，波长很短，在10－10 m以下，它的电离作用更弱，穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。
4.射线来自原子核，说明原子核内部是有结构的。
[思考判断]
(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力。(×)
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。(√)
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强。(×)
知识点三　原子核的组成
1.质子的发现：1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，质子是原子核的组成部分。
2.中子的发现：卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子相同，但不带电的粒子，称为中子。查德威克通过实验验证了这个猜想。
3.原子核的组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。
4.原子核的符号
5.同位素：具有相同的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，因而互称同位素。例如，氢有三种同位素氕，氘、氚，符号是H、H、H。
[思考判断]
(1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。(×)
(2)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。(√)
(3)同位素具有不同的化学性质。(×)

天然放射现象的发现
1896年→法国→贝克勒尔→
　　　　?
居里夫妇→→
　　　　?
两种放射性元素：钋(Po)和镭(Ra)
元素的放射性是由原子核决定的，与核外电子(决定化学性质)无关，因此元素的放射性与它存在的形式(单质或化合物)无关，而且它不受温度、压强、物理变化和化学变化的影响。
在电场或磁场中探究射线
无论在电场中还是在磁场中：
(1)γ射线均不发生偏转；
(2)β射线距离γ射线较远；
(3)α射线距离γ射线较近。
阴极射线和β射线都是电子流，但它们的来源不同，阴极射线来自于阴极原子的外层电子，β射线是原子核内中子衰变为质子和电子时，电子被放出形成的。
关于电离
射线使原子中的电子脱离核的束缚成为自由电子，这样的过程叫作电离。射线的上述作用叫作电离作用。
1.质子的发现
2.中子的发现
3.原子组成图
原子
原子核的质子数决定了原子的核外电子数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质，故同位素具有相同的化学性质。但中子数不同，物理性质不同。
核心要点 　天然放射现象和三种射线的本质
[观察探究]
如图是放射性物质放出的射线垂直经过磁场的情形，射线为什么会分成三束？
答案　三种射线的带电情况各不相同，它们在磁场中所受洛伦兹力情况不同，故可分成三束。
[探究归纳]
1.α、β、γ三种射线的性质、特征比较
种 类 α射线 β射线 γ射线
组 成 高速氦核流 高速电子流 光子流(高频电磁波)
带电荷量 2e －e 0
质 量 4mp(mp＝1.67×10－27 kg)
静止质量为零
速 率 0.1c 0.99c c
贯穿本领 最弱，用一张纸就能挡住 较强，能穿透几毫米的铝板 最强，能穿透几厘米的铅板
电离作用 很强 较弱 很弱
2.在电场、磁场中偏转情况的比较
(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图甲所示。
(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示。
[试题案例]
[例1] 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
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，选项B错误；②射线的穿透能力较强，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，选项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，故选项C错误，D正确。
答案　D
方法凝炼　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射线是实物粒子，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。
[针对训练1] (多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是(　　)
A.一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B.某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C.三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D.β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
解析　由三种射线的本质和特点可知，α射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新核，故B错误；三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确。
答案　ACD
核心要点 　原子核的组成
[问题探究]
一个铅原子的质量数为207，原子序数为82，其核外电子有多少个？中子数又是多少？
答案　铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电荷量相同，故核外电子数与核内质子数相同，为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和的关系知，铅原子核的中子数为207－82＝125(个)。
[探究归纳]
1.原子核(符号X)
原子核
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
(1)化学性质的决定因素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质。
(2)氢的同位素：氕(H)，氘(H)，氚(H)。
[试题案例]
[例2] 已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。试问：
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？
(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少？
(3)若镭原子呈电中性，它核外有多少电子？
解析　(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)镭核的核电荷数和所带电荷量分别是
Z＝88，Q＝Ze＝88×1.6×10－19 C＝1.41×10－17 C。
(3)核外电子数等于核电荷数，故核外电子数为88。
答案　(1)88　138　(2)88　1.41×10－17 C　(3)88
方法凝炼　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做核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
[针对训练2] 以下说法正确的是(　　)
A.Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234
B.Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C.同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D.同一元素的两种同位素具有不同的中子数
解析　钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错误；铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，C错误，D正确。
答案　D
1.(天然放射现象的认识)(多选)下列哪些现象能说明射线来自原子核(　　)
A.三种射线的能量都很高
B.射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响
C.元素的放射性与所处的化学状态(单质、化合物)无关
D.α射线、β射线都是带电的粒子流
解析　能说明射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关，B、C正确。
答案　BC
2.(三种射线的特性)(多选)如图中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是(　　)
A.a为α射线、b为β射线
B.a为β射线、b为γ射线
C.b为γ射线、c为α射线
D.b为α射线、c为γ射线
解析　由题图可知电场线方向向右，α射线带正电，所受电场力方向与电场线方向一致，故α射线向右偏转，即c为α射线；β射线带负电，所受电场力方向与电场线方向相反，故β射线向左偏转，即a为β射线；γ射线不带电，不发生偏转，即b为γ射线。故选项B、C正确。
答案　BC
3.(原子核的组成)若用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对Th的原子来说(　　)
A.x＝90　y＝90　z＝234
B.x＝90　y＝90　z＝144
C.x＝144　y＝144　z＝90
D.x＝234　y＝234　z＝324
解析　质量数＝质子数＋中子数，中性原子中：质子数＝核外电子数，所以选项B正确。
答案　B
4.(同位素)下列说法正确的是(　　)
A.X与Y互为同位素
B.X与Y互为同位素
C.X与Y中子数相差2
D.U核内有92个质子，235个中子
解析　A选项中，X核与Y核的质子数不同，不是同位素；B选项中，X核与Y核质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素；C选项中，X核内中子数为n－m，Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同；D选项中，U核内有143个中子。选项B正确。
答案　B
5.(原子核的组成)最早提出原子核是由质子和中子组成的科学家是(　　)
A.贝克勒尔 B.居里夫人
C.卢瑟福 D.查德威克
解析　由于卢瑟福通过α粒子轰击氮原子核发现了质子，并从其他原子核中都打出了质子，卢瑟福认为质子是原子核的组成部分，并依据质子数与质量数不相等的情况预言了中子的存在，提出了原子核是由质子和中子组成的理论，故C正确。
答案　C
基础过关
1.与原子核内部变化有关的现象是(　　)
A.电离现象 B.光电效应现象
C.天然放射现象 D.α粒子散射现象
解析　电离现象是核外电子脱离原子核的束缚；光电效应是核外电子跃迁；α粒子散射现象也是在原子核外进行的，没有涉及原子核内部的变化，只有天然放射现象是在原子核内部发生的。
答案　C
2.在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是(　　)
A.γ射线的贯穿作用 B.α射线的电离作用
C.β射线的贯穿作用 D.β射线的中和作用
解析　由于α射线的电离作用较强，能使空气分子电离，电离产生的电荷会与带电体上的电荷中和，所以选项B正确。
答案　B
3.据最新报道，放射性同位素钬Ho，可有效治疗癌症，该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是(　　)
A.32 B.67
C.99 D.166
解析　根据原子核的表示方法得核外电子数＝质子数＝67，中子数为166－67＝99，故核内中子数与核外电子数之差为99－67＝32，故A对，B、C、D错。
答案　A
4.(多选)法国里昂的科学家发现一种只由四个中子构成的粒子，这种粒子称为“四中子”，也有人称之为“零号元素”。下列有关“四中子”粒子的说法正确的是(　　)
A.该粒子不显电性
B.在周期表中与氢元素占同一位置
C.该粒子质量比氢原子小
D.该粒子质量数为4
解析　由题目中信息可得：此粒子是由四个中子构成的粒子，所以它的核电荷数为零，故A正确，B错误；而它的质量数为4，故C错误，D正确。
答案　AD
5.如图所示，某种元素的不同同位素的原子核内的中子数N与原子核质量数A的关系是(　　)
解析　元素的不同同位素的原子核内质子数是一定的，只是中子数不同，设质子数为Q，则N＋Q＝A，故N＝A－Q，Q是定值，故选C。
答案　C
6.如图所示，铅盒P中的放射性物质从小孔中不断向外辐射α、β、γ三种射线，α射线的速度约为0.1c，β射线的速度约为0.99c，空间未加电场和磁场时，右边荧光屏MN上仅在其中心O处有一光斑，若在该空间施加如图所示的互相垂直的匀强电场和匀强磁场，荧光屏上出现两个亮点。关于此时各种射线在荧光屏上的分布情况(不计粒子的重力)，以下说法正确的是(　　)
A.可能是α、γ射线打在O点，β射线打在O点上方的某一点
B.可能是α、γ射线打在O点，β射线打在O点下方的某一点
C.可能是β、γ射线打在O点，α射线打在O点上方的某一点
D.可能是β射线打在O点，α、γ射线打在O点下方的某一点
解析　因为γ射线不带电，所以一定打在O点。α射线带正电、β射线带负电，它们受到的电场力与洛伦兹力方向相反，当α射线打到O点时，此时α射线所受电场力等于洛伦兹力。分析β射线，根据F＝Bqv，由于α射线的速度约为0.1c，β射线的速度约为0.99c，β射线受到的洛伦兹力大于电场力，所以β射线打到O点的下方，A、D错误，B正确；由以上分析可知，当β、γ射线打在O点时，则β射线受到的电场力与洛伦兹力相等，由于α射线的速度小于β射线，因此α射线受到的电场力大于洛伦兹力，则打在O点下方的某一点，C错误。
答案　B
7.(多选)如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，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里的匀强磁场，则下列说法中正确的有(　　)
A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B.α射线和β射线的轨迹是抛物线
C.α射线和β射线的轨迹是圆弧
D.如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场，可能使屏上的亮斑只剩下b
解析　由左手定则可知粒子向右射出后，在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上，β粒子受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧。由于α粒子速度约是光速的，而β粒子速度接近光速，所以在同样的混合场中不可能都做直线运动。
答案　AC
8.如图所示，天然放射性元素放出α、β、γ三种射线同时射入互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，射入时速度方向和电场、磁场方向都垂直，进入场区后发现β射线和γ射线都沿直线前进，则α射线(　　)
A.向右偏 B.向左偏
C.沿直线前进 D.无法判断
解析　γ射线不带电，故在电磁场中不偏转，β射线不偏转，则电场力与洛伦兹力是一对平衡力，故q·E＝Bqv，即v＝，即电场力与洛伦兹力的大小关系与电荷量无关，只与速度有关，α射线的速度比β射线小，因此α射线(带正电)受向右的电场力大于向左的洛伦兹力，故α射线向右偏，A正确，B、C、D错误。
答案　A
能力提升
9.现在，科学家正在设法探寻“反物质”。所谓的“反物质”是由“反粒子”组成的，“反粒子”与对应的正粒子具有相同的质量和电荷量，但电荷的符号相反，据此，反α粒子的质量数为________，电荷数为________。
解析　α粒子是氦核，它是由两个质子和两个中子构成，故质量数为4，电荷数为2。而它的“反粒子”质量数也是4，但电荷数为－2。
答案　4　－2
10.一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔后，铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线。
解析　三种射线中，穿透能力最弱的是α射线，所以α射线被铝箔挡住，穿过铝箔的是β射线和γ射线。γ射线在电场中不偏转，故a是γ射线、β射线在电场中受力偏转，故b是β射线。
答案　γ　β
11.有J、K、L三种原子核，已知J、K的核子数相同，K、L的质子数相同，试完成下列表格。
原子核 原子序数 质量数 质子数 中子数
J 9 18

K Z A

L 10 19

答案　
原子核 原子序数 质量数 质子数 中子数
J 9 18 9 9
K Z A 10 8
L 10 19 10 9
12.在匀强磁场中有一静止的原子核X，它自发地射出一个α粒子，α粒子的速度方向与磁感线垂直，若它在磁场中做圆周运动的半径为R，则反冲核的轨迹半径多大？
解析　α粒子与反冲核在垂直于磁场方向上动量守恒，有mαvα＝m核v核①
又洛伦兹力提供向心力Bqv＝得R＝②
对α粒子有Rα＝③
对反冲核有R核＝④
将①代入③④得R核＝Rα，即R核＝R。
答案　R
13.据报道，俄科学家成功合成了具有极强放射性的117号新元素，该元素目前尚未被命名，是在实验室人工创造的最新的超重元素。新元素有两种同位素，其中一种有176个中子，而另一种有177个中子，则：
(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少？原子的核外电子数各为多少？
(2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少？
(3)若用X表示117号元素的元素符号，该元素的两种同位素用原子核符号如何表示？
审题指导　解答本题应注意以下三点：
(1)原子核的质子数与原子序数相等。
(2)原子呈中性，核外电子数等于核内质子数。
(3)原子核的质量数等于质子数与中子数之和。
解析　(1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数，等于核内质子数。故117号元素的核电荷数和核内质子数均为117，原子呈中性，故核外电子数等于核内质子数，也为117。
(2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和，故该元素中子数为176的原子核的质量数为117＋176＝293，中子数为177的原子核的质量数为117＋177＝294。
(3)元素符号一般用X表示，其中A表示质量数，Z表示核电荷数，由前两问可得该元素的两种同位素的原子核符号，中子数为176的原子核的符号为X，中子数为177的原子核的符号为X。
答案　(1)均为117　均为117　(2)293　294
(3)X　X
14.在暗室的真空装置中做如下实验：在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中，有一个能产生α、β、γ三种射线的射线源。从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场，如图所示。在与射线源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药的纸)，经射线照射一段时间后把两张印像纸显影。
(1)上面的印像纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？
(2)下面的印像纸显出一串三个暗斑，试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比？
(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场，一次使α射线不偏转，一次使β射线不偏转，则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少？
解析　(1)在电场的作用下，α射线带正电向右偏转，β射线带负电向左偏转，γ射线不带电不偏转，下面印像纸从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。因α粒子贯穿本领弱，穿过下层纸的只有β射线、γ射线，β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑。
(2)设α射线、β射线暗斑到中央γ射线暗斑的距离分别为xα、xβ，则
xα＝aα，xβ＝aβ
aα＝，aβ＝
由以上四式得xα∶xβ＝5∶184
(3)若使α射线不偏转，qαE＝qαvα·Bα，
所以Bα＝。
同理，若使β射线不偏转，应加磁场Bβ＝
故＝＝10∶1 。
答案　(1)两个暗斑　β射线，γ射线　(2)5∶184 (3)10∶1

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