散 原子核
基礎知識 一、原子的核式結構模型
1、湯姆生的“棗糕”模型
（1）1897年湯姆生發現了電子，使人們認識到原子有復雜結構，揭開了研究原子的序幕．
(2)“棗糕”模型：原子是一個球體，正電荷均勻分布在整個球內，電子像棗糕里的棗子一樣鑲嵌在原子里．
2、盧瑟福的核式結構模型1909～1911年，英國物理學家盧琴福和他的助手們進行了α粒子散射實驗
(1)實驗裝置如圖所示：
如圖所示，用α粒子轟擊金箔，由于金原子中的帶電微粒對α粒子有庫倉力作用，一些α粒子穿過金箔后改變了運動方向，這種現象叫做α粒子散射.
熒光屏可以沿著圖中虛線轉動，用來統計向不同方向散射的粒子數目.全部設備裝在真空中.
(2)α粒子散射實驗結果：
絕大多數α粒子穿過金箔后基本上仍沿原來的方向前進，但有少數α粒子發生了較大的偏轉.，極少數偏轉角超過900，有的甚至被彈回，偏轉角幾乎達到1800．
(3)現象解釋：
認為原子中的全部正電荷和幾乎所有質量都集中到一個很小的核上，由于核很小，大部分α粒子穿過金箔時都離核很遠，受到的庫侖力很小，它們的運動幾乎不受影響.只有少數α粒子從原子核附近飛過，明顯受到原子核的庫侖力而發生大角度偏轉.
核式結構模型：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉．
原子核所帶的單位正電荷數等于核外的電子數，所以整個原子是呈電中性的．電子繞著核旋轉所需的向心力就是核對它的庫侖引力．
[說明] 核式結構模型的實驗基礎是α粒子散射實驗，原子核是多么小，原子內部是多么“空”.
從α粒子散射的實驗數據，估計原子核半徑的數量級為10-14m～10-15m，而原子半徑的數量級是10-10m.
二、天然放射性現象
1．放射性現象：貝克勒耳發現天然放射現象，使人們認識到原子核也有復雜結構，揭開了人類研究原子核結構的序幕．通過對天然放射現象的研究，人們發現原子序數大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數小于83的天然存在的元素有些也具有放射性，它們放射出來的射線共有三種：α射線、β射線、γ射線．
2、三種射線的本質和特性比較
①α射線：是氦核( He)流，速度約為光速的十分之一，在空氣中射程幾厘米，貫穿本領小，電離作用強.
②β射線：是高速的電子流，速度約為光速十分之幾，穿透本領較大，能穿透幾毫米的鋁板，電離作用較弱.
③γ射線：是高能光子流，波長極短的電磁波，貫穿本領強，能穿透幾厘米鉛板，電離作用小.
[說明] 放射性元素有的原子核放出α射線，有的放出β射線，多余的能量以γ光子的形式射出.
種 類本 質質 量（u）電 荷（e）速 度（c）電 離 性貫 穿 性
α射線氦核4+20.1最強最弱，紙能擋住
β射線電子1/1840-10.99較強較強，穿幾mm鋁板
γ射線光子001最弱最強，穿幾cm鉛版
三種射線在勻強磁場、勻強電場、正交電場和磁場中的偏轉情況比較：
3、原子核的衰變
定義：放射性元素的原子核由于放出某種粒子而轉變為新核的變化稱為衰變.
衰變規律：電荷數和質量數都守恒.
(1)α衰變的一般方程： → ＋ He?每發生一次α衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數減小2，質量數減少4．
α衰變的實質：是某元素的原子核同時放出由兩個質子和兩個中子組成的粒子(即氦核)．(核內 )
(2)β衰變的一般方程： → ＋ e．每發生一次β衰變，新元素與原元素相比較，核電荷數增加1，質量數不變．
β衰變的實質：是元素的原子核內的一個中子變成質子時放射出一個電子．(核內 )， +β衰變：
(3)γ射線是伴隨α衰變或β衰變同時產生的、γ射線不改變原子核的電行數和質量數．
γ射線實質:是放射性原子核在發生α衰變或β衰變時,產生的某些新核由于具有過多的能量(核處于激發態)而輻射出光子．
(4)半衰期 知放射性標志
定義：放射性元素的原子核有半數發生衰變需要的時間，叫這種元素的半衰期. （對大量原子核的統計規律）
用希臘字母τ表示公式： ，
[說明](1)半衰期由放射性元素的原子核內部本身的因素決定的,跟原子所處的物理狀態(如壓強、溫度等)或化學狀態(如單質或化合物)無關.
(2)半衰期只對大量原子核衰變才有意義，因為放射性元素的衰變規律是統計規律，對少數原子核衰變不再起作用.
(3)確定衰變次數的方法：設放射性元素 X經過n次α衰變m次β衰變后，變成穩定的新元素 Y，
則表示核反應的方程為： X→ Y+n He +m e. 由此可見確定衰變次數可歸結為解一個二元一次方程組.
根據質量數守恒和電荷數守恒可列方程 兩式聯立得：
三.原子核的人工轉變核能
1．原子核的組成：質子和中子組成原子核。質子和中子統稱為核子。
原子核的質量數等于其核子數，原子核的電荷數等于其質子數，原子核的中子數N等于其質量數A與電荷數Z之差，即N=A?Z。
質子質量= 1．007277u＝1．6725×10－27kg; 中子質量=1．008665u＝1．6748×10--27kg
具有相同的質子數、不同的中子數的原子核互稱為同位素．
2．原子核的人工轉變及其三大發現
原子核的人工轉變：用人工方法使一種原子核變成另一種原子核的變化.用高能粒子轟擊靶核，產生另一種新核的反應過程，
反應方程 。式中 是靶核的符號， 為入射粒子的符號， 是新生核符號， 是放射出的粒子的符號。
①1919盧瑟福發現質子： N+ He→ O+ H
②1932年查德威克發現中子： Be+ He→ C+ n
③1934年約里奧居里夫婦發現放射性同位素和正電子 Al+ He → P+ n P→ Si+ e (其中， P是放射性同位素， e為正電子．)
3.放射性同位素的應用
⑴利用其射線：
利用α射線的電離作用，用于使空氣電離，將靜電泄出，從而消除有害靜電。
γ射線探傷:如利用鈷60放出的很強的γ射線來檢查金屬內部有沒有砂眼和裂紋，這叫γ射線探傷，γ射線貫穿性強，可用于金屬探傷，
利用放射線的貫穿本領了解物體的厚度和密度的關系,可以用放射性同位素來檢查各種產品的厚度,密封容器中的液面高度,從而自動控制生產過程，
利用射線殺死體內的癌細胞等.用于治療惡性腫瘤。各種射線均可使DNA發生突變，可用于生物工程，基因工程。
⑵作為示蹤原子。如在生物科學研究方面，研究生物大分子結構及其功能。同位素示蹤技術起著十分重要的作用。
在人工方法合成牛胰島素的研制、驗證方向、示蹤原子起著重要的作用. 診斷甲狀腺疾病的類型。
在輸油管線漏的檢查和對植物生長的檢測方面，示蹤原子都起著重要作用.用于研究農作物化肥需求情況，
⑶進行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木質文物的產生年代。
一般都使用人工制造的放射性同位素（種類齊全，半衰期短，可制成各種形狀，強度容易控制）
四.核力與核能
1．核力：原子核的半徑很小，其中的質子之間的庫侖力很大，受到這么大的庫侖斥力卻能是穩定狀態，一定還有另外一種力把各核子緊緊地拉在一起．這種力叫做核力(很強的短程力)
①核力是很強的力 ②核力作用范圍小只在2．0×10－15 m短距離內起作用 ③每個核子只跟它相鄰的核子間才有核力作用
2．核能
（1）結合能：核子結合成原子核時放出一定的能量，原子核分解成核子時吸收一定能量，這種能量叫結合能．
（2）質量虧損：核子結合生成原子核，所生成的原子核的質量比生成它的核子的總質量要小些，這種現象叫做質量虧損。
也可以認為．在核反應中，參加核反應的總質量m和核反應后生成的核總質量m/之差： Δm=m一m/
（3）愛因斯坦質能方程：愛因斯坦的相對論指出：物體的能量和質量之間存在著密切的聯系，
它們的關系是：E = mc2，這就是愛因斯坦的質能方程。質能方程的另一個表達形式是：ΔE=Δmc2。
[說明]質能方程告訴我們質量和能量之間存在著簡單的正比關系.物體的能量增大了,質量也增大了;能量減小了,質量也減小.
（4）核能計算：
①應用公式ΔE=Δmc 2時應選用國際單位，即ΔEM的單位為J，Δm的單位為kg，C的單位為m/s．
②1u相當于931．5MeV，其中u為原子質量單位：1u=1．660566×10－27kg ，lMev= l06 ev，leV＝1．6×10－19J
③應用公式ΔE=931．5Δm時，ΔE的單位為兆電子伏（MeV），Δm的單位為原子質量單位．
五.重核的裂變與輕核的聚變
1．重核的裂變（原子彈、核電站的原理）
①所謂重核即為質量數很大的原子核．裂變方程式例舉：
②重核俘獲一個中子后分裂為兩個或幾個中等質量數的原子核的反應過程叫重核的裂變。在裂變的同時，還會放出幾個中子和大量能量．
鈾235裂變時，同時放出2?3個中子，如果這些中子再引起其他鈾235核裂變，就可使裂變反應不斷地進行下去，釋放越來越多的能量，這種反應叫鏈式反應（原子彈的原理）．核反應堆是人類對核裂變能的利用。
鈾235核能夠發生接式反應的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積．鏈式反應條件：①純鈾235；②達到臨界體積
③核反應堆的構造：
A.核燃料??用鈾棒(含 3%-4%的濃縮鈾) B．減速劑??用石墨、重水或普通水( 只吸收慢中子)
C．控制棒??用鎘做成(鎘吸收中子的能力很強) D．冷卻劑??用水或液態鈉(把反應堆內的熱量傳遞出去)
E．建很厚的水泥防護層屏蔽射線，還要考慮核廢料的處理。
2．輕核的聚變（原子彈的原理） 優點：產能效率高，燃料的儲量豐富，安全清潔，廢料少易處理。
①所謂輕核是指質量數很小的原子核，如氫核、氘核等．
②某些輕核結合成質量數較大的原子核的反應過程叫做輕核的聚變，同時放出大量的能量．方程： H＋ H→ He＋ n
輕核聚變條件：只能發生在超高溫(需要幾百萬度高溫)條件下，故輕核聚變也叫做熱核反應．
(在太陽內部、原子彈的爆炸、激光聚焦才能達到這樣的高溫)。
受控熱核反應：是人類對聚變能的利用，使得巨大的熱核反應能量不以爆炸的形式釋放，而是在人工控制下逐漸釋放出來，并加以利用。
六.粒子物理學
到19世紀末，人們認識到物質由分子組成，分子由原子組成，原子由原子核和電子組成，原子核由質子和中子組成。
20世紀30年代以來，人們認識了正電子、μ子、K介子、π介子等粒子。后來又發現了各種粒子的反粒子（質量相同而電荷及其它一些物理量相反）。
現在已經發現的粒子達400多種，形成了粒子物理學。按照粒子物理理論，可以將粒子分成三大類：媒介子、輕子和強子，其中強子是由更基本的粒子??夸克組成。從目前的觀點看，媒介子、輕子和夸克是沒有內部結構的“點狀”粒子。
用粒子物理學可以較好地解釋宇宙的演化。
規律方法 1。掌握典型的反應方程
1．四種核反應類型(衰變,人工核轉變,重核裂變,輕核驟變)
⑴衰變： α衰變： (實質：核內 )α衰變形成外切(同方向旋)，
β衰變： (實質：核內的中子轉變成了質子和中子 )
β衰變形成內切(相反方向旋)，且大圓為α、β粒子徑跡。
+β衰變： （核內 ）
γ衰變：原子核處于較高能級，輻射光子后躍遷到低能級。
⑵人工轉變： (發現質子的核反應)(盧瑟福)用α粒子轟擊氮核,并預言中子的存在
(發現中子的核反應)(查德威克)釙產生的α射線轟擊鈹
(人工制造放射性同位素)
正電子的發現(約里奧居里和伊麗芙居里夫婦)α粒子轟擊鋁箔
⑶重核的裂變：
在一定條件下(超過臨界體積)，裂變反應會連續不斷地進行下去，這就是鏈式反應。
⑷輕核的聚變： (需要幾百萬度高溫，所以又叫熱核反應)
所有核反應的反應前后都遵守：質量數守恒、電荷數守恒。（注意：質量并不守恒。）
2．理解原子核的變化
無論天然放射性元素的衰變，還是原子核的人工轉變，都遵循電荷數守恒、質量數守恒（注意：質量并不守恒），動量守恒與能量守恒有關規律，除去會寫核反應過程以外，還需結合以前學過的力學知識、電磁學知識進行有關計算．
3．理解核能與核能的計算
凡是釋放核能的核反應都有質量虧損。核子組成不同的原子核時，平均每個核子的質量虧損是不同的，所以各種原子核中核子的平均質量不同。核子平均質量小的，每個核子平均放的能多。鐵原子核中核子的平均質量最小，所以鐵原子核最穩定。凡是由平均質量大的核，生成平均質量小的核的核反應都是釋放核能的。
核能的計算方法：
(1)根據愛因斯坦的質能虧損，用核子結合成原子核時的質量虧損(Δm)的千克數乘以真空中光速的平方(c=3×108m/s)即ΔE=Δmc2①
(2)根據1原子質量單位(u)相當于931.5(MeV)能量,用核子結合成原子核時質量虧損的原子質量單位乘以931.5MeV即ΔE=Δm×931.5MeV②
注意：①式Δm的單位是千克(kg)，ΔE的單位是焦耳(J)；
②式中Δm的單位是指原子質量單位(u)(1u=1.660566×10-27 kg)，ΔE的單位是兆電子伏(MeV)。
(3)由核能的轉化量來計算核能。
在無光子輻射的情況下，核反應中釋放的核能轉化為生成新核和新粒子的動能，因而在此情況下可應用力學原理??動量守恒和能量守恒來計算核能。
整個知識體系可歸結為：兩模型(原子的核式結構模型、波爾原子模型)；兩方程(核反應方程、質能方程)；四變(衰變、人工轉變、裂變、聚變)；六子(電子、質子、中子、正電子、 粒子、 光子)。4條守恒定律(電荷數守恒、質量數守恒、能量守恒、動量守恒)貫串全章。
高考對本章的考查：以α粒子散射實驗、原子光譜為實驗基礎的盧瑟福原子核式結構學說和玻爾原子理論，各種核變化和與之相關的核反應方程、核能計算等。
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