2020高中物理第十九章原子核第1节原子核的组成课时训练含解析 人教版选修3-5

2020高中物理第十九章原子核第1节原子核的组成课时训练含解析 人教版选修3-5

第1节　原子核的组成 ‎1．了解什么是放射性和天然放射现象。‎ ‎2．知道原子核的组成及三种射线的特征。‎ ‎3．会利用带电粒子在电磁场中的偏转判断射线的电性及种类。‎ 一、天然放射现象 ‎1．天然放射现象的发现 ‎1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀的矿物能发出看不见的射线，这种射线可使被黑纸包裹的照相底版感光。‎ ‎2．放射性和放射性元素 ‎(1)放射性：物质发射射线的性质。‎ ‎(2)放射性元素：具有放射性的元素。‎ ‎(3)原子序数大于或等于83的元素，都是放射性元素，原子序数小于83的元素有的也具有放射性。‎ ‎3．天然放射性元素 能自发地发出射线的放射性元素。‎ 二、射线到底是什么 ‎1．三种射线 在射线经过的空间施加磁场，射线分成三束，其中两束在磁场中向不同的方向偏转，说明这两束是带电粒子流，另一束在磁场中不偏转，说明这一束不带电，这三束射线分别叫做α射线、β射线、γ射线。‎ ‎2．三种射线的比较 13‎ 三、原子核的组成 ‎1．质子的发现 ‎ 卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，质子就是氢原子核。‎ ‎2．中子的发现 卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了中子的存在。‎ ‎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．原子核的电荷数 原子核所带的电荷量总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫做原子核的电荷数。‎ ‎5．原子核的质量数 13‎ 原子核中质子和中子的总数目叫做原子核的质量数。‎ ‎6．原子核的符号 X，其中X表示元素的符号，A表示核的质量数，Z表示核的电荷数。‎ ‎7．同位素 具有相同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，它们互称为同位素。‎ 判一判 ‎(1)α粒子其实是高速氦原子核。(　　)‎ ‎(2)温度越高，放射性元素发出射线越强。(　　)‎ ‎(3)原子核的电荷数就是电荷量。(　　)‎ ‎(4)天然放射现象说明原子核是可以再分的。(　　)‎ ‎(5)α射线、β射线、γ射线都属于电磁波。(　　)‎ 提示：(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×‎ 想一想 ‎(1)怎样利用电场、磁场判断三种射线的带电性质？‎ 提示：让三种射线垂直通过匀强电场，则γ射线不偏转，说明它不带电；α射线偏转方向和电场方向相同，说明它带正电；β射线偏转方向和电场方向相反，说明它带负电。让三种射线垂直通过匀强磁场，则γ射线不偏转，说明它不带电；对α射线和β射线，可根据它们在磁场中的偏转方向和左手定则确定它们的带电性质。‎ ‎(2)U的核子数、质子数和中子数分别是多少？‎ 提示：核子数235，质子数92，中子数143。‎ 课堂任务　天然放射现象和三种射线 ‎1．放射性的特点及研究意义：实验发现，如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质的形式存在，还是以化合物的形式存在，都具有放射性。放射性的强度不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。‎ ‎2．三种射线 ‎(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射线、β射线都是高速运动的粒子；而γ射线是波长很短的光子，属电磁波的一种。‎ ‎(2)三种射线在电场和磁场中的偏转 13‎ ‎①垂直进入匀强电场中，γ射线不发生偏转，做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动，如图甲所示。‎ ‎　‎ ‎②垂直进入匀强磁场中，γ射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，如图乙所示。‎ 例1　(多选)如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从铅盒右端小孔水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的是(　　)‎ 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竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b α射线、β射线垂直进入匀强磁场中后做什么运动？‎ 提示：均做匀速圆周运动。‎ ‎[规范解答]‎ 13‎ ‎　粒子向右射出后，由左手定则可知在匀强磁场中α粒子所受的洛伦兹力向上，β粒子所受的洛伦兹力向下，轨迹都是圆弧，B错误，C正确；又由于γ射线不带电，打在b点，A正确。由于α粒子速度约是光速的，而β粒子速度接近光速，所以在同样的复合场中不可能都做直线运动(如果一个打在b点，则另一个必然打在b点下方)，D错误，本题选A、C。‎ ‎[完美答案]　AC α、β、γ三种射线在电场或磁场中的运动特点 ‎(1)γ射线不论在电场还是磁场中，总是做匀速直线运动，不发生偏转。‎ ‎(2)α射线和β射线在磁场中的偏转特点：垂直进入匀强磁场中，α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动。‎ ‎(3)α射线和β射线在电场中的偏转特点：垂直进入匀强电场中，α和β粒子沿相反方向做类平抛运动。‎ 如果电场和磁场方向未知，也可以根据偏转的大小情况及其他已知条件区分射线的种类。‎ 　关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是(　　)‎ A．α射线是原子核自发放射出的氦核，它的穿透能力最强 B．β射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透能力 C．γ射线是光子，它的穿透能力最强 D．γ射线是粒子，它的穿透能力最弱 答案　C 解析　α射线的粒子是氦原子核，相比之下，α射线射出的速度较小，约为光速的十分之一，贯穿物质的本领很小，一张纸就能把它挡住，故A项错误；β射线是高速运动的电子流，它不是核外电子电离形成的，而是从原子核中放射出来的，B项错误；γ射线是波长很短的光子，其速度为光速，贯穿能力最强，甚至能贯穿几厘米厚的铅板，故C项正确，D项错误。‎ 课堂任务　原子核的组成 ‎1．原子核的组成：原子核是由质子、中子构成的，质子带正电，中子不带电。不同的原子核内质子和中子的个数并不相同。原子核的直径为10－15～10－14 m。‎ ‎2．原子核的符号和数量关系 ‎(1)符号：X。‎ ‎(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(中性原子)。质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数。‎ 13‎ ‎3．同位素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质，同种元素的质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可以不同，所以它们的物理性质不同。把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。‎ 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)若镭原子呈中性，它核外有多少电子？‎ ‎(4)Ra是镭的一种同位素，让Ra和Ra以相同速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，它们运动的轨道半径之比是多少？‎ ‎(1)原子核各数值之间有何关系？‎ 提示：核子数＝中子数＋质子数，原子序数＝核电荷数＝质子数＝核外电子数(中性原子)。‎ ‎(2)带电粒子在磁场中运动有什么规律？‎ 提示：F洛＝qvB＝，r＝。‎ ‎[规范解答]　(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。‎ ‎(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，故有qvB＝m，r＝。‎ 两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，‎ 故＝＝。‎ ‎[完美答案]　见规范解答 对核子数、核电荷数、质量数的理解 ‎(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数。‎ ‎(2)核电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，这个倍数叫做原子核的电荷数。‎ ‎(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数。‎ 13‎ 　说出以下原子核的质子数、中子数：‎ ‎(1)钾40；(2)Cu；(3)Rn。‎ 答案　(1)19　21　(2)29　37　(3)86　136‎ 解析　(1)钾的原子序数为19，即核电荷数为19，质子数为19，则中子数为40－19＝21。‎ ‎(2)Cu的核电荷数为29，所以质子数为29，则中子数为66－29＝37。‎ ‎(3)Rn的核电荷数为86，所以质子数为86，则中子数为222－86＝136。‎ A组：合格性水平训练 ‎1．(天然放射现象)(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A．贝可勒尔最早发现天然放射现象 B．只有原子序数大于或等于83的元素才能自发地发出射线 C．γ射线是一种电磁波，可见光也是电磁波，所以能看到γ射线 D．具有相同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 答案　AD 解析　原子序数小于83的元素有一些也具有放射性，B错误；γ射线不可见，C错误。‎ ‎2．(天然放射现象的意义)发现天然放射现象的意义在于使人类认识到(　　)‎ A．原子具有一定的结构 B．原子核具有复杂的结构 C．原子核中含有质子 ‎ D．原子核中含有质子和中子 答案　B 解析　天然放射现象中，原子核发生变化，生成新核，同时有电子或α粒子产生，因此说明原子核可以再分，具有复杂的结构。而原子核中含有质子与中子，不符合本题意。只有选项B正确。‎ 13‎ ‎3.(三种射线)如图所示，放射源放在铅块上的细孔中，铅块上方有匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源放出的射线有α、β、γ三种。下列判断正确的是(　　)‎ A．甲是α射线，乙是γ射线，丙是β射线 B．甲是β射线，乙是γ射线，丙是α射线 C．甲是γ射线，乙是α射线，丙是β射线 D．甲是α射线，乙是β射线，丙是γ射线 答案　B 解析　γ射线不带电，故乙是γ射线；α射线带正电，由左手定则可判断丙是α射线；同理判断甲是β射线。故B项正确。‎ ‎4．(三种射线)在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会放射出α、β、γ射线，这些射线会导致某些疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法中不符合实际情况的是(　　)‎ A．α射线的电离本领最强，穿透能力最弱 B．γ射线的穿透能力最强，电离本领最弱 C．金属铀有放射性，二氧化铀没有放射性 D．β射线是高速运动的电子流，穿透能力较强，电离本领较弱 答案　C 解析　三种射线中的α射线电离性强，穿透能力最差；γ穿透能力最强，电离本领最弱。故A、B正确；放射性与元素的化学状态无关。故C错误；β射线穿透力较强，电离本领较弱。故D正确。‎ ‎5．(原子核的组成)(多选)元素X的原子核可用符号X表示，其中a、b为正整数，下列说法正确的是(　　)‎ A．a等于此原子核中的质子数，b等于此原子核中的中子数 B．a等于此原子核中的中子数，b等于此原子核中的质子数 C．a等于此元素的原子处于中性状态时的核外电子数，b等于此原子核中的质子数加中子数 D．a等于此原子核中的质子数，b等于此原子核中的核子数 答案　CD 13‎ 解析　X中的a等于此原子核中的质子数，也等于此元素的原子处于中性状态时的核外电子数，b等于此原子核中的质子数加中子数，也等于此原子核中的核子数，故C、D正确，A、B错误。‎ ‎6．(三种射线)(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场，下图中正确表示射线偏转情况的是(　　)‎ 答案　AD 解析　已知α粒子带正电，β粒子带负电，γ射线不带电，根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向，可知A、B、C、D四幅图中，α、β粒子的偏转方向都是正确的，但偏转的程度需进一步判断，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径r＝，代入数据，得α粒子与β粒子的轨道半径之比为＝··≈××＝。由此可见，A正确，B错误。带电粒子垂直进入匀强电场，设初速度为v0，垂直电场线方向位移为x，沿电场线方向位移为y，则有x＝v0t，y＝·t2，消去t可得y＝。对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为＝··≈××≈，由此可见，C错误，D正确。‎ ‎7．(三种射线)在贝可勒尔发现天然放射现象后，人们对放射线的性质进行了深入的研究，发现α、β、γ射线的穿透本领不同。如图为这三种射线穿透能力的比较，图中射线①②③分别是(　　)‎ A．γ、β、α B．β、γ、α C．α、β、γ D．γ、α、β 答案　C 解析　‎ 13‎ α射线穿透能力最弱，不能穿透黑纸，故①为α射线，γ射线穿透能力最强，能穿透厚铝板和铅板，故③为γ射线，β射线穿透能力较强，能穿透黑纸，但不能穿透厚铝板和铅板，故②是β射线，故C正确，A、B、D错误。‎ B组：等级性水平训练 ‎8．(三种射线)日本东部海域9.0级大地震曾引发了福岛核电站泄漏事故。以下关于核辐射的说法中正确的是(　　)‎ A．降温可以减小核辐射泄漏强度 B．β射线本质上是一种高频电磁波 C．α、β、γ三种射线中穿透本领最强的是α射线 D．α、β、γ三种射线中运动速度最快的是γ射线 答案　D 解析　放射性强度与温度无关，故A错误；β射线带负电，是电子流，而γ射线是高频电磁波，不带电，故B错误；α、β、γ三种射线中穿透本领最强的是γ射线，故C错误；α、β、γ三种射线中运动速度最快的是γ射线，故D正确。‎ ‎9．(三种射线)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α射线和γ射线都沿直线前进，则β射线会(　　)‎ A．向右偏 B．向左偏 C．直线前进 D．无法判定 答案　A 解析　γ射线在电场、磁场中不受力，所以沿直线前进，α射线在电场、磁场中受到一对平衡力而沿直线运动，即向右的电场力和向左的洛伦兹力大小相等、方向相反。Bqv＝Eq，所以v＝。而β射线中电子速度远大于α粒子速度，所以向左的电场力远小于向右的洛伦兹力，β粒子向右偏，A正确。‎ 13‎ ‎10．(综合)人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一。氦的该种同位素应表示为(　　)‎ A.He B.He C.He D.He 答案　B 解析　氦的同位素质子数一定为2，质量数为3，故可写作He，B正确，A、C、D错误。‎ ‎11.(综合)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？‎ 答案　(1)两个暗斑　β射线，γ射线　(2)5∶184　(3)10∶1‎ 解析　(1)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)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。设α射线、β射线暗斑到中央γ射线暗斑的距离分别为sα、sβ，则 sα＝aα·2，sβ＝aβ·2，aα＝，aβ＝。‎ 由以上四式得＝。‎ ‎(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。‎ ‎12．(综合)茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大的威胁。现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)：‎ 13‎ ‎(1)在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线？‎ ‎(2)余下的这束β和γ射线经过如图所示的一个使它们分开的磁场区域，请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。(画在图上)‎ ‎(3)用磁场可以区分β和γ射线，但不能把α射线从γ射线束中分离出来，为什么？(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8000倍，α射线速度约为光速的十分之一，β射线速度约为光速)‎ 答案　(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线 ‎(2)见解析 ‎(3)α射线的圆周运动的半径很大，几乎不偏转。故与γ射线无法分离。‎ 解析　(1)由于α射线贯穿能力很弱，用一张纸放在射线前即可除去α射线。‎ ‎(2)如图所示。‎ ‎(3)α粒子和电子在磁场中偏转，据R＝，对α射线 R1＝，对β射线R2＝，故＝＝400。α射线穿过此磁场时，轨道半径很大，几乎不偏转，故与γ射线无法分离。‎ 13‎ 13‎