天然放射现象

北　京　四　中

年　 级：高　三 　　科　　目：物　理 　　 期　数：0108

编　 稿：曹树元　　 审　　稿：曹树元　　　录　入：李霞

[本周教育信息]

[本周教学内容]

第九章  原子核

一、天然放射现象

1、1896年，法国物理学家贝克勒耳发现天然放射现象。物质发射射线的性质叫做放射性，具有放射性的元素叫做放射性元素。能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。例：铀或含铀的矿物质，钋镭等都是天然放射性物质。

注意：①天然放射性并不是少数元素才具有的，原子序数大于83的天然元素都具有放射性，原子序数小于83的天然元素，也有一些具有放射性。例：Na, P等。

②天然放射性现象的发现，打开了人们认识原子核内部世界的窗口，它不仅使人类认识到原子核也是具有结构的，而且，告诉人们原子核可以自发地转变为另一种原子核。

2、三种射线的本质和特性：

名称	本质	速度	贯穿本领	电离作用
a射线	He，粒子流	c	很小	很强，使照相底片感光很强
b射线	e，电子流	接近于c	很大	较弱
g射线	电磁波	等于c	最大	很小

注意：①当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核中有的放射a射线，有的放射b射线，同时伴随g射线，这时在放射性中就会同时有a、b、g三种射线。

②a、b、g、粒子都是从原子核里放射出来的，但不能认为这三种粒子就是原子核的组成部分。

2、放射性元素的衰变

①衰变：原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变。

②三个守恒：衰变过程遵守质量数守恒、电荷数守恒和能量守恒的规律。

③两个位移定则：

　a衰变：X→Y+He

　b衰变：X→Y+He

3、半衰期：（t）

①半衰期：是放射性元素的原子核有半数发生衰变的时间。

②公式：N=N₀()ⁿ，n=

　或m=m₀()ⁿ，n=

 N(m)为放射性元素在几个半衰期后的原子核个数（质量）。N₀(m₀)为放射性元素的初始原子核数（质量），n为半衰期的倍数。

注意：①放射性元素衰变的速率是由核内部本身的因素决定的，而跟原子所处的物理状态（温度、压强、速度、受力等）和化学状态（单质、化合物等）无关。

②放射性元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量原子的样品（对有限数核不适用，不能由半衰期推算放射性样品完全衰变的寿命期）。

二、探测放射线的方法（简介）

1、云室（威尔逊）

2、计数器（盖革）

3、乳胶照相：

三、原子核的人工转变

1、质子的发现：

　早在1915年，卢瑟福的学生马斯登就观察到了用a粒子轰击氢气时会产生不寻长的长射程粒子，一种可能的解释是这种粒子是氢核，因为这里是用a粒子轰击氢时常常出现的现象。卢瑟福没有轻易作出结论，而是耐心地进行实验研究，以便弄那些粒子到底是氮核、氦核还是氢核，实验要在荧光屏前观察和设计微弱的闪烁，条件是相当艰苦的，经过了三年多的时间，在1919年夏，他才总结了a粒子与氢原子的碰撞现象，对氮原子核的人工转变作了无可置疑的结论。其核反应方程是：N+He→O+H

2、中了的发现：

　1920年，卢瑟福预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他把这种粒子叫中子。在中子发现之前，摆在物理学家们面前的问题是：要么a粒子轰击铍发出的是g光子，它在跟质子的碰撞中能量和动量不再守恒；要么a粒子轰击铍发出的射线不是g光子而是一种新粒子。在约里奥·居里夫妇的实验中，中子已经出现了，但他们不能识别它，一项划时代的发现，就这样从他们手中溜走了。查德威克运用了能量和动量守恒定律，科学地分析了实验结果，终于发现了中子。可见，能的转化和守恒定律在物理学发展中起着多么重要的作用。发现中子的核反应方程是：Be+He→C+n、中子不带电荷它与各种物质粒子不发生静电作用，很容易接近甚至打进原子核。

3、原子核的组成：

　从1911年，卢瑟福提出的原子核式结构起到1932年初步完成对原子核组成的正确认识，经历了12年，很多科学家为此付出了辛勤劳动，可见，确定原子核的组成并不是一件很容易的事情。原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的质子数和中子数的和。具有相同质子数的原子，它们核外的电子数也相同，因而有相同的化学性质，属于同一种元素，但它们的中子数可以是不同的，这些具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称为同位素。

注意：①质子数相同而中子数不同的原子互称同位素：

②同种元素的不同的同位素在元素周期表上具有相同的位置（原子序数相同），他们的核电荷数相同，具有相同的化学性质：

③同种元素的各种同位素的中子数不同，因此，它们的物理性质有差异。

④同一种元素的多种同位素中，有稳定的，也有不稳定的，不稳定的同位素会自发地放出a粒子b粒子衰变为别种元素，这种不稳定的同位素就叫放射性同位素，四十多种元素具有天然放射性同位素，各种元素都有人工放射性同位素。

四、放射性同位素及其应用

1、用中子、质子、氚核、a粒子或g光子轰击原子核都可制取放射性同位素，氚核裂变的产物也有放射性同位素。例：用a粒子轰击铝27：

　Al+He→P+n得到的磷30具有放射性

　 P→Si+n 放出正电子

2、应用

①利用放射性同位素的射线

　a 探测物体质量

　b 电离空气使静电消失

　c 治虫育种、医疗

②把放射性同位素做为示踪原子进行监测

五、原子核的结合能

1、核力：在原子核内，把各种核子紧紧地拉在一起的力叫核力，其本质目前尚未完全清楚，但不是万有引力，不是电磁力。核力的特性有：核力比电磁力强100多倍；核力是短程力，只有跟离接近到

10^-15米的数量级时才发生作用；每个核子只跟它相邻的核子间有核力的作用，而不是跟原子中所有的核子有核力的作用。

2、结合能：核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，都叫原子核的结合能，其单位用兆电子伏。

3、质能方程：爱因斯坦从相对论得出质量和能量的关系：

　E=mc²  E：物体的能量，m：物体的质量，C：光在真空中的速度。

注意：①质能方程指出的是质量和能量之间的联系，即物体的质量和它具有的能量之间保持严格的正比关系；

②不能说：“质量就是能量”、“质量可以变成能量”。

③物体质量不但会因为它吸收或放出能量而增减，还会由于机械运动状态的改变而发生变化，只不过由于C²是一个非常大的恒量，通常的能量变化只引起微不足道的质量变化。

4、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：△E=△m·c²

　u表示原子质量单位：1u=931.5MeV的物理意义：1个原子质量单位所对应的能量是931.5兆电子伏。

5、平均结合能：用核子数去除核的结合能，就得到每个核子的平均结合能。

注意：①平均结合能反映了核子结合成不同原子核时平均每个核子所释放的能量，即原子核结合能对每个核子的平均值；

②不同原子核的平均结合能不相同，平均结合能的大小表征原子核的稳定程度，平均结合能越大，原子核越稳定；

③轻核和重核的平均结合能都比较小，中等质量的原子核平均结合能较大，质量数为50~60的原子核平均结合能最大，表示这部分核最稳定。

六、重核的裂变：

1、铀核的裂变：重核的核子平均结合能小于中等质量的核子的平均结合能，因此重核分裂成中等质量的核（叫裂变）时，会有一部分结合能放出来。这种由核结构发生变化而放出的能叫做核能，也叫原子能。

　铀核的裂变产物是多样的，在其裂变过程中可以得到多种放射性同位素：U+n→Ba+Kr+3n +201MeV

　　　　U+n→Ba+Sr+2n

　　　　XeCsBaLa

2、链式反应：使裂变反应不断地进行下去叫链式反应

3、核反应堆：（略）

　原子反应堆不仅可以提供强大的原子能，而且它产生的大量中子，还可以进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素，利用反应堆还可以生产新的燃料。

七、轻核的聚变：

1、聚变：轻核的结合能更小，某些轻核结合成质量较大的核（叫聚变）时，能释放出更多的结合能。

 例：H+H→He+n+17.6MeV

　　 Li+H→2He+22.4MeV

　　 H+H→He+19.2MeV

　轻核聚变时每个核子放出的能量比重核裂变时所释放的能还要大几倍。

　要使轻核接近到10^-15m，由于原子核都是带正电的，这样就必须克服电荷之间很大的斥力作用，这就要核具有很大的动能，必须把它们加热到很高的温度（几百万度以上的温度），聚变反应也叫热核反应。

2、爆炸式热核反应和可控热核反应

　爆炸式热核反应的利用为氢弹，可控热核反应尚在研究之中，可控热核反应的点是：原料丰富；其释放出的能量，就每一个核子平均来说，比裂变反应要大好几部；污染小，且容易处理；从热核反应中还可以得到大量有用的中子进行实验等。

八、基本料子（自学）

[教学重点]

1、原子核的人工转变，原子核的组成

2、原子核的结合能

[教学难点]

  原子核的结合能

[例题解析]

例1．某放射性元素经30天，有7/8发生了衰变，则它的半衰期

　t=10天

解：(1-)m₀=m₀()

　=3，t==×30天=10天

例2．用中子（n）轰击铝27后，产生一个a粒子和一个新核X，X具有b放射性，放出一个b粒子后生成一个新核Y，求Y核中的质子数。

分析与解答：关于原子核的这部分知识，主要理解和掌握两部分：其一是要知道人类对原子核组成的认识过程，其二是根据核反应中的电荷数守恒、质量数守恒及能量守恒等解决有关核反应的问题。本题主要考查对原子核的组成及核反应规律的认识，先写出核反应方程。

　　n+Al→He+X

　　X→e+Y

　平衡核反应方程，设X核电荷数为Z，质量数为M，根据电荷数守恒可得0+13=Z+2，所以Z=11；根据质量数守恒1+27=4+M，所以M=24，可见X是钠24，Y是镁24。

　再由质子中子说可得：X核电荷数就等于质子数，因此X核中有11个质子，X核中的中子数=M-Z=24-11=13；Y核电荷数12，因此Y核中有12个质子，24-12=12个中子。这样上述核反应方程可明确的写为　　　n+Al→He+Na

　　　　Na→e+Mg

[本周参考练习]：

1、一个由原子核X衰变为稳定的原子核Z的过程中由下面的方程表示：

　 XYZ

下列表达式中不正确的是（　）

A、a=e+4

B、b=f+2

C、c=e

D、d=f-1

2、一个质量数为M的放射性原子核，原来静止，放出一个速度大小为v的a粒子后，生成的新核的速度大小是（　）

A、　 B、　C、　 D、

3、质子、中子组成氦核，它们的质量分别为m_p、m_n、m_a，则

A、m_a=2(m_p+m_n)

B、m_a>2(m_p+m_n)

C、m_a<2(m_p+m_n)

D、以上情况均可能

4、用a粒子轰击硼10生成氮13和x粒子，氮13具有放射性，放出y粒子并生成碳13，则x和y粒子分别是（　）

A、质子和中子　B、质子和电子

C、中子和电子　D、中子和正电子

5、静止的镭核Ra发生a衰变产生氡核Rn，如果衰变过程中放出的能量都以a粒子和氡核的动能的形式释放出来，那么a粒的动能与氡核动能之比应是（　）

A、224：4　 B、4：222　C、86：2　 D、2：86

6、钍Tn经过若干次a衰变和b衰变，变成Pb，上述过程中

①重核减少了8个质子

②重核减少了16个中子

③经过了6次a衰变和4次b衰变

其中正确的是（　）

A、只有①和②

B、只有①②和③

C、只有①和③

D、只有②和③

7、根据氢原子的玻尔模型，氢原子核外电子的轨道半径为r_n=，由此可知氢原子核外电子在第1、第2轨道上的（　）

A、半径之比为1：4

B、速度之比为2：1

C、周期之比为8：1

D、动能之比为1：4

8、下列核反应方程中，平衡的是（　　）

A、B+(a粒子)→N+H

B、Al+n→Mg+(质子)

C、Be+He→C+(中子)

D、N+He→O+(氚核)

9、某原子核A的衰变过程为ABC，由此式可知

A、核A的中子数减核C的中子数等于2

B、核A的质量数减核C的质量数等于5

C、核A的中性原子中的电子数比核B的中性原子中的电子数少1

D、核C的质子数比核A的质子数少1

10、下面哪些说法是正确的？（　）

A、用a射线轰击铍(Be)，铍核转变为C，并放出一种贯穿力很强的g射线。

B、g射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能力很大

C、利用g射线的电离作用，可检查金属内部有无砂眼或裂纹(g射线探伤)

D、当g光子能量足够大时，用g射线轰击氚核能使氚核分解为H和n。

11、Th(钍)经过一系列a和b衰变，成为Pb(铅)

A、铅核比钍核少8个质子

B、铅核比钍核少16个中子

C、共经过4次a衰变和6次b衰变

D、共经过6次a衰变和4次b衰变

12、若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比m_A:m_B=（　）

A、30：31　 B、31：30　 C、1：2　D、2：1

13、放射性同位素Na的样品经过6小时后还剩下没有衰变，它的半衰期是（　）

A、2小时　B、1.5小时　C、1.17小时

D、0.75小时

14、下列核反应方程式中，表示核聚变过程的是（　 ）

A、P→Si+e　B、H+H→He+n

C、C→N+e　D、U→Th+He

15、在下列核反应方程中，X代表质子的方程是：

A、Al+He→P+X

B、N+He→O+X

C、H+g→n+X

D、H+X→He+n

16、中子的质量为1.0087u，质子的质量为1.0073u、氚核的质量为2.0136u。中子和质子结合为氚核时释放的能量为_____焦耳。计算结果取两位有效数字。1u=1.7×10^-27千克。

17、两个放射性元素的样品A和B，当A有15/16的原子核发生了衰变时，B恰好有63/64的原子核发生了衰变。可知A和B的半衰期之比t_A：t_B=_____：_____。

18、有一核反应，其中反应为a+Be核→n+¹²C

 则Be核的质量数是_____，电荷数是_____ 

19、一个铀核衰变为钍核时释放出一个a粒子。已知铀核的质量为3.853131×10^-25千克，钍核的质量为3.786567×10^-25千克，a粒子的质量为6.64672×10^-27千克，在这个衰变过程中释放了的能量等于____焦耳。（保留二位数字）

[本周参考练习答案]：

1、B　 2、B　　3、C　 4、D　 5、A

6、B　 7、AB　 8、BC　9、CD　10、BD

11、A、B、D　 12、C　 13、A　 14、B

15、B、C　 16、3.7 ×10^-13

17、3：2　　18、9，4

19、8.7×10^-13