原子核（選修三第五章，總結(jié)筆記）

2023-08-05 21:09 作者:syr56 0人讀過 | 我要投稿

1.原子核的組成

（1）天然放射現(xiàn)象

1896年，法國物理學家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線。

物質(zhì)發(fā)出射線的性質(zhì)稱為放射性，具有放射性的元素稱為放射性元素，放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象，叫作天然放射現(xiàn)象。

原子序數(shù)大于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數(shù)小于或等于83的元素，有的也能發(fā)出射線。

（2）射線的本質(zhì)

【α射線】

①是高速粒子流，其組成與氦原子核相同。

②速度可達到光速的。

③電離作用強，穿透能力較弱，在空氣中只能前進幾厘米，用一張紙就能把它擋住。

【β射線】

①是高速電子流。

②它的速度更大，可達光速的99%。

③電離作用較弱，穿透能力較強，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。

【γ射線】

①是能量很高的電磁波，波長很短，在 $10%5E%7B%EF%BC%8D10%7D%20m$ 以下。

②電離作用更弱，穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板和幾十厘米厚的混凝土。

【α、β、γ三種射線的比較】

（3）原子核的組成

質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)：1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。

中子的發(fā)現(xiàn)：盧瑟福猜想，原子核內(nèi)可能還存在著一種質(zhì)量與質(zhì)子相同，但不帶電的粒子，稱為中子，查德威克通過實驗證實了中子的存在，中子是原子核的組成部分。

原子核的組成：原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。

原子核的符號

基本關(guān)系：核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)(Z)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)，質(zhì)量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＋中子數(shù)。

同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子核組成的元素，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱為同位素。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)決定了核外電子的數(shù)目，進而也決定了元素的化學性質(zhì)．同種元素的原子，質(zhì)子數(shù)相同，核外電子數(shù)也相同，所以有相同的化學性質(zhì)，但它們的中子數(shù)不同，所以它們的物理性質(zhì)不同。例如，氫有三種同位素 $_1%5E1H$ (氕)、 $_1%5E2H$ (氘)、 $_1%5E3H$ (氚)。 ?

【三種射線在磁場中偏轉(zhuǎn)情況的分析】

γ射線不論在電場還是磁場中，總是做勻速直線運動，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

α射線和β射線在電場中偏轉(zhuǎn)的特點：在勻強電場中，α和β粒子沿相反方向做類平拋運動，且在同樣的條件下，β粒子的偏移量大，根據(jù)粒子在電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動，偏移量x可表示為： $x%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7Dat%5E2%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%5Ccdot%20%5Cfrac%7BqE%7D%7Bm%7D(%5Cfrac%7By_0%7D%7Bv%7D)%5E2%20%5Cpropto%20%5Cfrac%7Bq%7D%7Bmv%5E2%7D$ 。

所以，同樣條件下β與α粒子偏移量之比為 $%5Cfrac%7Bx_%7B%5Cbeta%7D%7D%7Bx_%7B%5Calpha%7D%7D%3D%5Cfrac%7Be%7D%7B2e%7D%5Ctimes%20%5Cfrac%7B%5Cfrac%7B4m_p%7D%7Bm_p%7D%7D%7B1836%7D%5Ctimes%20%5Cfrac%7B(%5Cfrac%7B1%7D%7B10%7Dc)%5E2%7D%7B(0.99c)%5E2%7D%5Capprox%2037%3E1$ 。

α射線和β射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)特點：在勻強磁場中，α和β粒子沿相反方向做勻速圓周運動，且在同樣條件下，β粒子軌跡半徑小，偏移量大，根據(jù) $qvB%3D%5Cfrac%7Bmv%5E2%7D%7Bq%7D$ 得 $R%3D%5Cfrac%7Bmv%7D%7BqB%7D%5Cpropto%5Cfrac%7Bmv%7D%7Bq%7D$ 。

所以，同樣條件下β與α粒子軌跡半徑之比為 $%5Cfrac%7BR_%7B%5Cbeta%7D%7D%7BR_%7B%5Calpha%7D%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bm_p%7D%7B1836%7D%7D%7B4m_p%7D%5Ctimes%20%5Cfrac%7B0.99c%7D%7B%5Cfrac%7Bc%7D%7B10%7D%7D%5Ctimes%20%5Cfrac%7B2e%7D%7Be%7D%5Cpropto%20%5Cfrac%7B1%7D%7B371%7D%3C1$ 。

2.放射性元素的衰變

（1）原子核的衰變

定義：原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，而變成另一種原子核的變化。

【衰變類型】

①α衰變：原子核放出α粒子的衰變．進行α衰變時，質(zhì)量數(shù)減少4，電荷數(shù)減少2， $_%7B92%7D%5E%7B238%7DU$ 的α衰變方程： $_%7B92%7D%5E%7B238%7DU%E2%86%92_%7B90%7D%5E%7B234%7DTh%20%2B%20_%7B2%7D%5E%7B4%7DHe$ 。

②β衰變：

原子核放出β粒子的衰變．進行β 衰變時，質(zhì)量數(shù)不變，電荷數(shù)加1， $_%7B90%7D%5E%7B234%7DTh$ 的β衰變方程： $_%7B90%7D%5E%7B234%7DTh%E2%86%92_%7B91%7D%5E%7B234%7DPa%20%2B%20_%7B-1%7D%5E%7B0%7De$ 。

③衰變規(guī)律：電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒。

【原子核衰變的理解】

【衰變次數(shù)的判斷技巧】

①方法：設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則衰變方程為： $_Z%5E%7BA%7DX%E2%86%92_%7BZ'%7D%5E%7BA'%7DY%20%2B%20n_%7B2%7D%5E%7B4%7DHe%20%2B%20m_%7B-1%7D%5E%7B0%7De$

根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程： $A%EF%BC%9DA'%2B4n%EF%BC%8CZ%EF%BC%9DZ'%2B%202n-m$ 。

②技巧：為了確定衰變次數(shù)，一般先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)(這是因為β衰變的次數(shù)多少對質(zhì)量數(shù)沒有影響)，然后根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)．

（2）半衰期

定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。

【特點】

①不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差別非常大。

②放射性元素衰變的快慢是由核內(nèi)部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關(guān)系。

適用條件：半衰期描述的是統(tǒng)計規(guī)律，不適用于少數(shù)原子核的衰變。

（3）核反應(yīng)

定義：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核或者發(fā)生狀態(tài)變化的過程。

原子核的人工轉(zhuǎn)變：盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，核反應(yīng)方程： $_7%5E%7B14%7DN%2B_%7B2%7D%5E%7B4%7DHe%E2%86%92_%7B8%7D%5E%7B17%7DO%2B_1%5E1H$ 。

遵循規(guī)律：質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒。

（4）放射性同位素及其應(yīng)用

放射性同位素：具有放射性的同位素。

放射性同位素的分類：天然放射性同位素；人工放射性同位素。

【應(yīng)用】

①射線測厚儀：工業(yè)部門使用放射性同位素發(fā)出的射線來測厚度。

②放射治療。? ?③培優(yōu)、保鮮。

④示蹤原子：一種元素的各種同位素具有相同的化學性質(zhì)，用放射性同位素代替非放射性的同位素后可以探測出原子到達的位置。

【書寫核反應(yīng)方程時注意點】

①質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒；? ??②中間用箭頭，不能寫成等號；

③核反應(yīng)方程遵守質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中，一般會發(fā)生質(zhì)量的變化。

（5）輻射與安全

人類一直生活在放射性的環(huán)境中。過量的射線對人體組織有破壞作用。在使用放射性同位素時，必須嚴格遵守操作規(guī)程，注意人身安全，同時，要防止放射性物質(zhì)對水源、空氣、用具等的污染。

3.核力與結(jié)合能

（1）核力與四種基本相互作用

核力：原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的原子核。這種作用稱為強相互作用。

【強相互作用的特點】

強相互作用是短程力，作用范圍只有約 $10%5E%7B%EF%BC%8D15%7Dm$ 。

距離增大時，強相互作用急劇減小。超過 $10%5E%7B%EF%BC%8D15%7D%20m$ ，相互作用不存在。

【弱相互作用】

弱相互作用是引起原子核β衰變的原因，即引起中子—質(zhì)子轉(zhuǎn)變的原因。

弱相互作用是短程力，其力程只有 $10%5E%7B%EF%BC%8D18%7D%20m$ 。

【四種基本相互作用】

在原子核內(nèi)，強相互作用將核子束縛在一起。

在原子核外，電磁力使電子不脫離原子核而形成原子，使原子結(jié)合成分子，使分子結(jié)合成液體和固體。

萬有引力主要作用于宏觀和宇宙尺度上，是萬有引力使行星繞著恒星運行，且聯(lián)系著星系團。

（2）結(jié)合能

結(jié)合能：原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能。

比結(jié)合能：原子核的結(jié)合能與核子數(shù)之比，叫作比結(jié)合能，也叫作平均結(jié)合能。比結(jié)合能越大，原子核中核子結(jié)合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。中等大小的核的比結(jié)合能最大，最穩(wěn)定。

（3）質(zhì)量虧損

【質(zhì)能方程】

物體的能量與它的質(zhì)量的關(guān)系是： $E%EF%BC%9Dmc%5E2$ 。

根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正比。物體質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時質(zhì)能方程也寫作 $%CE%94E%EF%BC%9D%CE%94mc%5E2$ 。

運用質(zhì)能方程時應(yīng)注意單位。一般情況下，公式中各量都應(yīng)取國際單位制單位。但在微觀領(lǐng)域，用國際單位制單位往往比較麻煩，習慣上常用“原子質(zhì)量單位”和“電子伏特”作為質(zhì)量和能量的單位，1u對應(yīng)931.5 MeV能量。

【質(zhì)量虧損】

原子核的質(zhì)量小于組成它的核子的質(zhì)量之和的現(xiàn)象。所謂質(zhì)量虧損，并不是質(zhì)量消失，而是減少的質(zhì)量在核子結(jié)合成核的過程中以能量的形式輻射出去了。反過來，把原子核分裂成核子，總質(zhì)量要增加，總能量也要增加，增加的能量要由外部供給。

4.核裂變與核聚變

（1）核裂變的發(fā)現(xiàn)

核裂變：鈾核在被中子轟擊后分裂成兩塊質(zhì)量差不多的碎塊，這類核反應(yīng)定名為核裂變。

鈾核裂變：用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產(chǎn)物是多種多樣的，其中兩種典型的反應(yīng)是： $_%7B92%7D%5E%7B238%7DU%2B_%7B0%7D%5E%7B1%7Dn%E2%86%92_%7B56%7D%5E%7B144%7DBa%2B_%7B36%7D%5E%7B89%7DKr%2B3_%7B0%7D%5E%7B1%7Dn%EF%BC%9B_%7B92%7D%5E%7B238%7DU%2B_%7B0%7D%5E%7B1%7Dn%E2%86%92_%7B54%7D%5E%7B139%7DXe%2B_%7B38%7D%5E%7B95%7DSr%2B2_%7B0%7D%5E%7B1%7Dn$

鏈式反應(yīng)：中子轟擊重核發(fā)生裂變后，裂變釋放的中子繼續(xù)與其他重核發(fā)生反應(yīng)，引起新的核裂變，使核裂變反應(yīng)一代接一代繼續(xù)下去，這樣的過程叫作核裂變的鏈式反應(yīng)。

臨界體積和臨界質(zhì)量：核裂變物質(zhì)能夠發(fā)生鏈式反應(yīng)的最小體積叫作它的臨界體積，相應(yīng)的質(zhì)量叫作臨界質(zhì)量。

鏈式反應(yīng)發(fā)生的條件：①鈾塊的體積大于或等于臨界體積；②有足夠濃度的鈾235；③有足夠數(shù)量的慢中子。

核能的釋放：由于重核的核子的平均質(zhì)量大于中等質(zhì)量原子核的核子的平均質(zhì)量，因此，鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核時，會發(fā)生質(zhì)量虧損，釋放核能。

裂變反應(yīng)的能量大?。衡櫤肆炎?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核，發(fā)生質(zhì)量虧損，所以放出能量。一個鈾235核裂變時釋放的能量如果按200 MeV估算，1 kg鈾235 全部裂變放出的能量相當于2800 t標準煤完全燃燒時釋放的能量，裂變時能產(chǎn)生幾百萬度的高溫。

（2）反應(yīng)堆與核電站

核電站：利用核能發(fā)電，它的核心設(shè)施是反應(yīng)堆，它主要由以下幾部分組成：

燃料：鈾棒。

慢化劑：石墨、重水和普通水(也叫輕水)。

控制棒：為了調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，當反應(yīng)過于激烈時，將鎘棒插入深一些，讓它多吸收一些中子，鏈式反應(yīng)的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒．

工作原理：核燃料發(fā)生核裂變釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動，把反應(yīng)堆內(nèi)的熱量傳輸出去，用于發(fā)電，同時也使反應(yīng)堆冷卻。

【核電站的主要部件及作用】

【核污染的處理】

在反應(yīng)堆的外面需要修建很厚的水泥層，用來屏蔽裂變產(chǎn)物放出的各種射線。核廢料具有很強的放射性，需要裝入特制的容器，深埋地下。

核電站發(fā)電的優(yōu)點：消耗的核燃料少；作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采用儲量大，所能提供的能量大；對環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。

（3）核聚變

定義：兩個輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核，這樣的核反應(yīng)叫作核聚變。

核反應(yīng)方程： $_%7B1%7D%5E%7B2%7DH%2B_%7B1%7D%5E%7B3%7DH%E2%86%92_%7B2%7D%5E%7B4%7DHe%2B_%7B0%7D%5E%7B1%7Dn%2B17.6MeV$ 。

條件：要使輕核發(fā)生聚變，必須使輕核間的距離達到核力發(fā)生作用的距離 $10%5E%7B%EF%BC%8D15%7D%20m$ 以內(nèi)，這要克服原子核間巨大的庫侖斥力作用，使輕核具有足夠大的動能。要使原子核具有足夠大的動能，有一種方法就是給它們加熱，使物質(zhì)達到幾百萬開爾文的高溫。

宇宙中的核聚變：太陽能是太陽內(nèi)部的氫核聚變成氦核釋放的核能。

人工熱核反應(yīng)：氫彈。首先由化學炸藥引爆原子彈，再由原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核爆炸。

【核聚變與核裂變的比較】

優(yōu)點：①輕核聚變產(chǎn)能效率高；②地球上核聚變?nèi)剂想碗暗膬α控S富；③輕核聚變更為安全、清潔。

缺點：核聚變需要的溫度太高，地球上沒有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。

解決方案：磁約束和慣性約束。

5.“基本”粒子

（1）“基本”粒子

人們認為光子、電子、質(zhì)子和中子是組成物質(zhì)的不可再分的最基本的粒子，把它們叫作“基本粒子”。隨著科學的發(fā)展，科學家們發(fā)現(xiàn)很多新粒子不能看作由質(zhì)子、中子、電子組成，并發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復雜的結(jié)構(gòu)。

（2）發(fā)現(xiàn)新粒子

（3）粒子的分類

強子：是參與強相互作用的粒子．質(zhì)子和中子都是強子。

輕子：不參與強相互作用．電子、電子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子都是已發(fā)現(xiàn)的輕子。

規(guī)范玻色子：是傳遞各種相互作用的粒子，如光子，中間玻色子(W和Z玻色子)、膠子。

希格斯玻色子：是希格斯場的量子激發(fā)。

（4）夸克與粒子物理標準模型

夸克、夸克模型：1964年，美國科學家蓋爾曼等人提出了夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫作夸克。

夸克的種類：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。

夸克所帶電荷：夸克所帶的電荷是元電荷的 $%2B%5Cfrac%7B2%7D%7B3%7D$ 或 $-%5Cfrac%7B1%7D%7B3%7D$ 。例如，上夸克帶的電荷量為 $%2B%5Cfrac%7B2e%7D%7B3%7D$ ，下夸克帶的電荷量為 $-%5Cfrac%7Be%7D%7B3%7D$ 。