高中物理 3.2原子与原子核的结构课件 新人教版选修1-2

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1、二、原子与原子核的结构 情境导入 课程目标 美国实验物理学家密立根说过 “ 科学靠两条腿走路 , 一是理论 , 一是实验。有时一条腿走在前面 , 有时另一条腿走在前面。 ” 在中子的发现过程中 , 是哪条腿走在了前面呢 ? 提示 : 理论走在了前面 , 先是卢瑟福从理论上预言了中子的存在 , 然后被他的学生查德威克通过实验加以证实。 1 . 了解 粒子散射实验 , 了解从分析实验结果到提出原子的核式结构学说的过程 , 知道卢瑟福的原子核式结构模型。 2 . 知道原子核的组成 , 知道什么是同位素。 3 . 知道什么是质量亏损 , 了解爱因斯坦质能方程的含义 , 会用爱因斯坦质能方程计算核反应中

2、的核能。 一 二 三 一、原子的核式结构模型 1 . 提出依据 ( 粒子 散射实验 ) 1909 19 11 年 , 英国物理学家 卢瑟福 和他的助手们进行了 粒子散射实验。实验结果表明 : 绝大多数 的 粒子穿过金箔后仍大致沿原来的方向前进 ,但是 少数 粒子发生了较大的偏转。 2 . 模型内容 在原子的中心有一个很小的核 , 原子的 全部 正电荷和 几乎全部 质量都集中在核内 , 这个核叫 原子核 , 带负电的 电子 在核外的空间运动着。 一 二 三 思考 原子和原子核直径的数量级分别为多少 ? 为什么说原子内部空间十分空旷 ? 提示 :原子直径的数量级为 10- 10m ,原子核直径的数

3、量级为 10- 15m ,两者相差十万倍之多 ,所以说原子内部空间十分空旷。 一 二 三 二、原子核的组成 1 . 质子的发现 1 9 1 9 年 , 卢瑟福 用 粒子轰击氮原子核 , 并从中打出了 氢 原子核 ( 叫作质子 ), 用 11H 表示。可见 , 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质量跟质子相同 , 但是不带电的中子 , 后来被他的学生英国物理学家 查德威克 通过实验证实。 一 二 三 3 . 原子核的组成 ( 1 ) 组成 :原子核是由 质子 和 中子 组成的 , 这两种粒子统称为 核子 , 其中质子 带正电 , 中子 不带电。 ( 2 )

4、关系 :原子核的 质量 数等于质子数与中子数的总和 ( 即 : 核子数 ); 原子核的电荷数等于它的 质子 数 , 也就是这种元素的 原子 序数 ; 具有相同质子数和不同中子数的原子互称 同位素 。 思考 原子核核外的电子数与原子核内的质子数有什么关系 ? 为什么 ? 提示 :相等 ,因为通常情况下原子不显电性。 一 二 三 三、质能方程 1 . 核反应 如果某种粒子与原子核发生相互作用 , 导致核的 组成 或核的 状态 发生了变化 , 这样的过程叫核反应。 2 . 核能 核子结合成原子核或原子核分解为核子时 , 都伴随着巨大的 能量 变化。蕴藏在 原子核 中的能量称为核能。 3 . 质能方程

5、 爱因斯坦的相对论指出 , 物体的能量与质量之间存在着联系 , 它们之间的关系是 E= 4 . 质量亏损 原子核的质量比组成它的所有质子和中子的质量之和要略 小 一点 , 这个现象叫质量亏损。 探究 一 探究 二 原子的核式结构与原子核的组成 问题导引在 粒子的散射实验中 , 为什么不用考虑 粒子与电子的碰撞 ? 为什么从 粒子发生的大角度散射现象 , 可以设想原子具有原子核 ? 提示 : 粒子发生大角度散射 ,不可能是 粒子与原子中电子碰撞的结果 ,因为电子质量很小 ( 相对 粒子而言 ), 由力学知识可以知道电子不会对 粒子的运动产生什么影响 ;大角度散射 ,说明 粒子撞到了质量很大的带正

6、电物质 ; 而发生这一现象的 粒子很少 ,又说明那个 “ 质量很大的带正电物质 ” 分布在很小的空间里 ,因此设想原子中的正电荷与原子的几乎全部质量一定集中在一个很小的核上。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 粒子散射实验 ( 1 ) 实验装置 探究 一 探究 二 ( 2 ) 实验过程 粒子从铅盒射出 , 形成细射线打在金箔上 , 被散射的 粒子打在荧光屏上产生闪光 , 用可转动的显微镜从不同角度进行观察。 ( 3 ) 实验结果 绝大多数 粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进 , 少数 粒子发生偏转 ,极少数 粒子发生较大的偏转。 探究 一 探究 二 ( 4 ) 实验分析 由于电子质量远小于 粒

7、子质量 , 所以电子不可能使 粒子发生大角度偏转。实验现象说明原子绝大部分是空的 , 除非原子的几乎全部质量和所有正电荷都集中在原子中心的一个很小的核上 , 否则 , 粒子大角度散射是不可能的。 ( 5 ) 实验意义 粒子散射实验为卢瑟福的原子核式结构模型提供了实验依据 , 还进一步估算出了原子核的大小。 2 . 原子的核式 结构 卢瑟福依据 粒子散射实验的结果 , 提出了原子的核式结构 : 在原子的中心有一个很小的核 , 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核内 , 这个核叫作原子核 , 带负电的电子在核外的空间运动着。 探究 一 探究 二 3 . 原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的

8、 , 质子和中子统称核子。原子核所带电荷都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 , 叫作原子核的电荷数 , 用 Z 表示。原子核的质量几乎等于核内质子和中子质量的总和。由于质子和中子质量几乎相等 , 所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍 , 这个倍数叫作原子核的质量数 , 用 A 表示 , 原子核的符号可以表示为X 。其中 X 为元素符号 , A 为原子核的质量数 , Z 为核电荷数 , 例如氦核 , 可表示为 24表示氦核的质量数为 4 , 电荷数为 2 , 核内有 2 个质子和 2 个中子 。92238U 代表铀核 , 质量数为 238 , 电荷数为 92 , 质子

9、数为 92 , 中子数为 146 ,有时也写为238U 或简称为铀 2 3 8 。 探究 一 探究 二 4 . 原子核中的三个整数 ( 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作核子数。 ( 2 ) 电荷数 ( Z ): 原子核所带的电荷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 , 叫作原子核的电荷数。 ( 3 ) 质量数 ( A ): 原子核的质量几乎等于核内质子和中子的质量的总和 ,而质子与中子质量几乎相等 , 所以原子核的质量近似等于核子质量的整数倍 , 这个倍数叫作原子核的质量数。 探究 一 探究 二 【例题 1

10、 】 卢瑟福对 粒子散射实验的解释是 ( ) A. 使 粒子产生偏转的主要力是原子中电子对 粒子的作用力 B. 使 粒子产生偏转的力主要是库仑力 C. 原子核很小 , 粒子接近它的机会很少 , 所以绝大多数的 粒子仍沿原来的方向前进 D. 能产生大角度偏转的 粒子是穿过原子时离原子核近的 粒子 解析 :由于原子内部十分空旷 ,只有靠近原子核的 粒子才能发生大角度散射。选项 B 、 C 、 D 正确。 答案 : 探究 一 探究 二 题后反思 粒子散射实验现象 , 导致了卢瑟福核式结构模型的建立。极少数 粒子发生大角度偏转的原因 , 是原子核和 粒子间静电斥力作用的结果。 探究 一 探究 二 对质

11、能方程的理解 问题导引 有人说 , 爱因斯坦的质能方程 E= m 这种说法对吗 ? 提示 :不对 , E= m 即能量与质量之间存在着正比关系 ,而不是说明能量和质量之间存在相互转化的关系。 探究 一 探究 二 名师精讲1 . 质量亏损 ( 1 ) 概念 质量亏损是指组成原子核的核子的质量之和与原子核的质量之差。 ( 2 ) 理解 核反应中的质量亏损 , 并不是这部分质量消失或质量转变为能量。物体的质量包括静止质量和运动质量 , 质量亏损是静止质量的减少 , 减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。另外 , 质量亏损也不是核子个数的减少 , 核反应中核子个数是不变的。 探究 一 探究

12、二 2 . 核能的计算 当核反应完后 , 物体质量发生变化时 , 计算核能时 , 可先计算出质量亏损 m , 再用 E= ( 1 ) 核反应中释放或吸收的能量 , 可以先计算反应物和生成物的质量差 ,再用 E= ( 2 ) 运用 E= 探究 一 探究 二 3 . 核反应方程的书写 ( 1 ) 遵循的规律 核反应中 , 电荷数和质量数都守恒。 ( 2 ) 注意事项 核反应指的是在原子核内部核子数发生相应变化的反应 , 而化学反应指的是在原子核外最外层电子数发生变化的反应 , 两者存在本质的不同。 核反应过程一般都不是可逆的 , 所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向 , 不能用等号连接。 核反

13、应的生成一定要以实验事实为基础 , 不能依据两个守恒规律杜撰出生成物与核反应方程。 核反应遵循质量数守恒 , 而不是质量守恒 , 核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化 ( 质量亏损 ) 且释放出核能。 探究 一 探究 二 ( 3 ) 例子 : 粒子轰击氮核 质子 714N +24817O +11H 粒子 质子 粒子轰击铍核 中子 4924612C +01n 粒子 中子 探究 一 探究 二 【例题 2 】 已知氮核质量 14 . 007 53 u , 氧核质量 17 . 004 54 u ,氦核质量 4. 003 87 u , 质子质量 1 . 008 15 u , 试判断核反应714N

14、+24817O+11H 是吸能反应 , 还是放能反应 ? 能量变化多少 ?( 已知 1 u = 1 . 660 5 10- 27 解析 :反应前总质量 mN+18. 011 40 u , 反应后总质量 mO+18 . 012 69 u 。 因为反应中质量增加 ,所以此反应为吸能反应 ,所吸收的能量为 E= ( 18 . 012 69 - 18 . 011 40 ) 1 . 660 5 10- 27 ( 3 . 0 108m / s )2= 2 10- 13J 。 答案 : 吸能反应 2 10- 13J 探究 一 探究 二 题后反思 反应物与生成物间的质量大小关系能说明反应过程是吸收能量还是放出能量 , 利用质能方程求核能的关键是准确计算出反应前后的质量差。 1 2 3 4 5 1 . 在 粒子散射的实验中 , 图中画出了一些曲线 , 这些曲线中哪些可能是 粒子的径迹 ( ) A. a B. b C. c D. d 解析 : 粒子与原子核都带正电 ,它们之间是库仑斥力 ,因而 C 是不可能的 ;只有当 粒子与核十分接近时 ,才能发生大角度偏转