高二物理选修35原子核全章ppt课件.ppt

《高二物理选修35原子核全章ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二物理选修35原子核全章ppt课件.ppt（100页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一节 原子核的组成,第四章 原子核,人们通过什么现象或实验发现原子核是由更小的微粒构成的？,人们认识原子核的结构就是从天然放射性开始的。,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现，铀和含铀的矿物能够发出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使照相底片感光，物质发射射线的性质称为放射性具有发射性的元素称为放射性元素元素这种自发的放出射线的现象叫做天然放射现象,一、天然放射现象,放射性不是少数几种元素才有的，研究发现，原子序数大于82的所有元素，都能自发的放出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性,放大了1000倍的铀矿石,在放射性现象中放出的射线是什么东西呢？它们除了能穿透黑纸使照相底片感光的

2、性质以外，还有些什么性质呢？这些射线带不带电呢？,二、射线到底是什么,氦原子核,高速电子流,高能量电磁波,1/10光速,接近光速,光速,弱,较强,很强,很容易,较弱,更小,阅读课文填写表格：,放射型物质发出的射线有三种：,三种射线,射线射线 射线,射线,根据射线的偏转方向和磁场方向的关系可以确定，偏转较小的一束由带正电荷的粒子组成，我们把它叫做射线，射线由带正电的粒子组成.科学家们研究发现每个粒子带的正电荷是电子电荷的2倍，粒子质量大约等于氦原子的质量.进一步研究表明粒子就是氦原子核.由于粒子的质量较大，所以射线的穿透本领最小，我们用一张厚纸就能把它挡住.,射线,与射线偏转方向相反的那束射线带

3、负电荷，我们把它叫做射线.研究发现射线由带负电的粒子（粒子）组成.进一步研究表明粒子就是电子.射线的穿透本领较强，很容易穿透黑纸，还能穿透几厘米厚的铝板.,射线,中间不发生偏转的那束射线叫做射线，研究表明，射线的实质是一种波长极短的电磁波，它不带电，是中性的.射线的穿透本领极强，一般薄金属板都挡不住它，它能穿透几十厘米厚的水泥墙和几厘米厚的铅板.,三、原子核的组成,放射性现象中放出的三种射线都是从放射性元素的原子核内释放出来的，这表明原子核也有内部结构. 原子核内究竟还有什么结构？原子核又是由什么粒子组成的呢？,质子的发现,1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，得到了质子。经过研究证明，质子带正电

4、荷，其电量和一个电子的电量相同，它的质量等于一个电子质量的1836倍.进一步研究表明，质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所以质子就是氢原子核.,同样的方法，从氟、钠、铝的原子核中打出了质子。-质子是原子核的组成部分。,原子核是否只是由质子组成呢？,？,卢瑟福进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实，并得到公认,中子的发现,1932年英国物理学家查德威克又发现了中子，通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带电.是中性粒子.在对各种原子核进行的实验中，发现质子和电子是组成原子核的两种基本粒子.,原子核的表示:,X表示元素符号,Z表示质子数,A表示质量数,

5、如质子数相同，中子数不同，（质量数当然不同），则互为同位素。,原子核的组成,中子,质子,统称核子,U,He,H,11,42,235 92,X,AZ,（核）电荷数,质量数,1015m,元素符号,质子,中子,核子,质子数,核外电荷数,原子序数,质量数,核子数,中子+质子,同位素,1,2,原子核的组成,氢原子核(H)最简单，它就是一个质子，核外有一个电子绕着它转；氦原子核(He)是由2个质子和2个中子组成的，核外有2个电子绕着它转；锂原子核(Li)是由3个质子和4个中子组成的，核外有3个电子分两层绕着它转；铍原子核(Be)由4个质子和5个中子组成，核外有4个电子分两层绕着它转；,原子核的组成,各种原

6、子核内质子的个数（核的电荷数）和核外电子的个数都相同，它也等于该种元素在元素周期表中的原子序数；原子核内质子和中子的总数叫做核的质量数，它等于该元素原子量的整数部分. 在某种核反应中，一个中子变成一个电子和一个质子.这就是原子核内没有电子，又会放出电子，产生射线的原因.,氘和氚是氢的同位素，关于氢、氘、氚的原子，下列说法哪个正确？（1）具有相同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；（2）具有不同的质子数、相同的中子数、相同的电子数；（3）具有相同的质子数、不同的中子数、相同的电子数；（4）具有相同的质子数、相同的中子数、不同的电子数,第二节 核衰变与核反应方程,天然放射性元素：能够自发地放出射

7、线的元素。原子序数大于83的所有元素，都具有放射性；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。,带正电,不带电,带负电,三种射线性质,原子核的组成,1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核时，发现了质子。,质子的发现,第一次实现原子核的人工转变,不可见粒子,粒子,粒子轰击铍产生的不可见粒子是什么？,1定义：我们把一种元素经放射过程变成另一种元素的现象，称为原子核的衰变。,放射线是怎样产生的？,一、原子核的衰变,放出射线的衰变叫衰变放出射线的衰变叫衰变放出射线的衰变叫衰变,衰变伴随着衰变或衰变。,2衰变方程,衰变,衰变,衰变规律：,质量数和电荷数守恒,二、核反应方程,卢瑟福用粒子轰击氮核发现质子,查得威

8、克粒子轰击铍核发现中子,核反应规律：,1质量数和电荷数守恒2能量守恒,2个衰期,3个衰期,1个衰期,三、,例1下列核反应方程中正确的是 （ ）,B,例2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粒子和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,写出核反应方程,例3（ 2007上海卷） 衰变为 要经过m次衰变和n次衰变，则m，n分别为 （A）2，4 （B）4，2 （C）4，6 （D）16，6,B,例4下列说法正确的是 （ ）A. 射线与射线都是电磁波B. 射线为原子的核外电子电离后形成的电子流用加温、加压或改变其化学状态的方法都不能

9、 改变原子核衰变的半衰期D.原子核经过衰变生成新核，则新核的质量总等于 原核的质量,C,课堂练习题,1.关于射线,射线,射线,下列说法正确的是:A射线是十分之一光速的氦核,不带电射线是高速电子流,穿透能力最强射线是衰变或衰变产生的新核辐射出来的射线是波长极短的电磁波,电离作用最弱2.铋210半衰期是5天,100克的铋210经过15天后,发生了衰变的有 A. 12.5克 B. 25克 C. 50克 D. 87.5克,3. 关于放射元素放出、 三种射线的说法中正确的是（ ） A. 原子核每放出一个粒子，就减少两个质子和两个中子。 B. 原子核每放出一个粒子，就增加一个质子，减少一个中子。 C. 原

10、子核每放出一个粒子，就增加一个中子，减少一个质子。 D. 原子核在放出射线、射线的同时，常伴随着放出射线。,答案ABD,课堂练习题,4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粒子和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矿石中含有A，B两种放射性元素，已知A元素的半衰期为10天。B元素的半衰期为30天，经过60天后，两种放射性元素的质量恰好相等，则矿石中A，B两种元素原来的质量之比是A 16：1 B 8：1 C 4：1 D 2：1,7某原子核的衰变过程如下（符号表示放射一个粒子，表示放射一个粒子）：A B C则可知 ( )

11、A. 核A的中子数减核C的中子数等于2B . 核 A的质量数减核C的质量数等于5C. 原子核为A的中性原子中的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多1D . 核C的质子数比核A的质子数少1,D,放射性同位素,同位素与放射性同位素,具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素具有放射性的同位素叫做放射性同位素天然放射性同位素只不过40几种，而今天人工制造的放射性同位素已达1000多种，每种元素都有了放射性同位素放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面得到了广泛的应用,正电子的发现,放射性同位素的应用,利用它的射线,做为示踪原子,射线探伤、消除静电、食物保鲜、培育新品种、消毒灭菌、

12、放射疗法,检查输油管道漏油、作物施肥、药物剂量、生物科学（牛胰岛素）,核力与结合能,核力及其性质,核力存在于质子之间、中子之间及中子与质子之间，即核子之间。核力是只在2.01015米距离内起作用的短程强相互作用力。由于核子的大小约为0.81015米，故只有相邻的核子之间才有核力作用。核力的本质仍在研究中。,原子核示意图,重核和轻核,排在元素周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核；排在比较靠前的叫轻核。排在83号铋之后的原子核都不稳定，它们自动分解或衰变成更轻的原子核；排在92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在。,结合能,用高能量的光子照射氘核，可以使它分解为质子和中子，这时的

13、核反应方程为,当光子的能量小于2.22MeV时，这个核反应并不发生，只有当光子的能量大于或等于2.22MeV时，这个核反应才会发生；反过来，一个质子和一个中子结合成氘核，要放出2.22MeV的能量，这个能量以光子的形式释放出去。,结合能,可见，当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量这个能量叫做原子核的结合能,平均结合能,原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能。平均结合能越大，核越稳定。,核子平均质量,核子的平均质量与原子序数之间的关系,打开了核能应用之门,爱因斯坦质能方程： E=mc2 E=mc2,？,质量亏损：,1原子质量单位u相当于_Mev的能

14、量。即,中子的质量 =1.008 665 u 质子的质量 =1.007 276 u中子和质子的质量和 =2.015 941 u 氘核的质量 =2.013 553 u质量差 =0.002 388 u在上面的计算里，u表示原子质量单位，1u=1.66056610-27kg,例如:,有关问题的理解和注意事项,第一.核反应过程中: 核子结合成原子核时,新核质量小于核子的质量(质量亏损),同时以光子形式释放核能; 原子核分解为核子时,需要吸收一定能量,核子的总质量大于原原子核的质量.,第二.核反应过程中,质量亏损时,核子个数不亏损(即质量数守恒),可理解为组成原子核后,核内每个核子仿佛“瘦了”一些.,第

15、三.质量亏损并非质量消失,而是减少的质量m以能量形式辐射(动质量),因此质量守恒定律不被破坏.,第四.公式E=mc2 的单位问题,国际单位: m用“kg” C用“m/s” E用“J”,常用单位: m用“u(原子质量单位)” 1u=1.66056610-27kg E用“uc2” 1uc2=931.5MeV (表示1u 的质量变化相当于931.5Me V的能量改变),第五.核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级.,例：,指出下列核反应中的错误并更正：,课堂练习:,(1)试证明，1原子质量单位u相当于931.50 MeV的能量1u=1.6606-27kg，光速c=2.99

16、79108m/s，1eV=1.602210-19J (2)碳原子的质量是12.000 000 u，可以看做是由6个氢原子(质量是1.007 825u)和6个中子(1.008665u)组成的求核子结合成碳原子核时释放的能量(在计算中可以用碳原子的质量代替碳原子核的质量，用氢原子的质量代替质子的质量，因为电子的质量可以在相减过程中消去),知识巩固,放射性同位素 核能,约里奥居里、伊丽芙居里夫妇,m c2,931.5Mev,19.5 核力与结合能,人教版选修35,一、核力与四种基本相互作用,20世纪初，人们知道自然界存在万有引力和电磁力这两种基本相互作用，你能算出相同的距离上，两质子间的电磁力是万有

17、引力的多少倍？,质子间的电磁力是万有引力的1035倍,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的。 猜想：有第三种力-核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核。,一、核力与四种基本相互作用,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,2. 核力是短程力。约在 10-15m量级时起作用，距离大于0.810-15m时为引力, 距离为1010-15m时核力几乎消失，距离小于0.810-15m时为斥力，因此核子不会融合在

18、一起。,1. 核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。在原子核尺度内，核力比库仑力大得多。,3. 核力具有饱和性。每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称之为核力的饱和性。,特 点,4. 核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态，核力与核子电荷无关。（见书本P79图）,是什么作用使质子在原子核内共存？这种作用力有哪些特点？人们对这种相互作用的认识还有哪些有待完善？,小于0.810-15m时核力的变化规律还不清楚。,一、核力与四种基本相互作用,第四种基本相互作用就是弱相互作用，它有何作用？有何特点？,弱相互作用是引起原子核发生衰变的原因,即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是

19、短程力，其力程比强力更短，为10-8m，作用强度比电磁力弱。,1.万有引力：引力主要在宏观和宇宙尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕恒星转动，并且联系着星系团，决定了宇宙的现状和未来。,四种相互作用,3.强相互作用：在原子核内，强力将核子束缚在一起。,2.电磁力：在原子核外，电磁力使电子结合成分子，使分子结合成液体与固体。电磁力和万有引力都是“长程力”，即它们可以作用到无限远的距离，当然距离越远，力就越小,4.弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强力更短，为1018m，作用强度则比电磁力小。,物理学有一条理论：叫做简单才是美。能否

20、将这四条理论统一起来呢？,一、核力与四种基本相互作用,一、核力与四种基本相互作用,典例探究,例1（A级）.从以下几个方面比较核反应与化学反应的相同和不同之处（1）它们分别涉及四种基本相互作用的哪一种？（2）每种反应分别改变了或重新安排了什么？,二、原子核中质子和中子的比例,稳定的轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,轻核（原子序数小于20）的质子数和中子数大致相等；对轻核而言，核子数量相对较小，核子间距处于核力作用范围之内，由于核力远大于电磁力，即使质子和中子成对出现，强大的核力也可以将核子紧紧地束缚在原子核的范围之内，形成稳定的原子核。,稳定的重核（原子序

21、数大于20）的质子数和中子数有何特点？你能分析其中的原因吗？,二、原子核中质子和中子的比例,重核（原子序数大于20）的质子数小于中子数；对于重核而言，核子数量大，核子间距也大，由于核力的饱和性，核力会因为核子间距的变大而大幅度减小，甚至小于电磁力。如果质子和中子再成对出现，原子核不稳定；如果只增加中子，由于中子之间不存在库仑力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以重核内中子数会明显大于质子数。,二、原子核中质子和中子的比例,不能；由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，如果我们我们继续增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时即使再增加中子，形成的核也

22、一定是不稳定的。,若不断增大原子核的中子数，能不断增大原子核吗？为什么？,三、结合能,将一个质子和中子结合在一起，会产生什么现象？若要把它们分开，需要什么条件？,宏观模型：相距很远的两个物体，由于万有引力而相互接近，运动速度越来越大，引力势能转化为动能最后撞在一起，动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价失去了一些能量，如果要把它们分开，还要重新赋予它们这份能量。,微观模型：原子核是核子结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。,类比分析：要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等某种途径让它得到13.6eV 的

23、能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中,结合能是原子具有的能量吗？如何理解结合能？,三、结合能,当核子结合成原子核时要放出一定能量；原子核分解成核子时，要吸收同样的能量。这个能量叫做原子核的结合能。 结合能并不是由于核子结合成原子核而具有的能量，而是为把核子分开而需要的能量。,结合能的大小与什么因素有关？,组成原子核的核子数，组成原子核的核子数越多，结合能越大。,结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。因为比结合能越大，将每个核子分开所需的能量越大。,三、结合

24、能,什么是比结合能？为什么说比结合能越大，原子核中核子结合越牢固、原子越稳定？,四、质量亏损,物体的质量和能量有何关系？若一个物体质量减小了m，那么它的能量减小多少？,爱因斯坦的质能方程：Emc2， 能量减小E=mc2,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.343610-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,四、质量亏损,已知中子的质量mn=1.674910-27kg，质子的质量为mp=1.672610-27kg，氘核的质量mD=3.3436

25、10-27kg。将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了多少？能量减小了多少？氘核的结合能是多少？比结合能是多少？,质量减小量: m=( mp+ mn)- mD=0.003910-27kg；能量减小量: E=m c2=3.5110-13J=2.19106eV；结合能:E=m c2=2.19MeV；比结合能为:E/n=E/2=1.10MeV 。,四、质量亏损,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，能量减小了，是否违反了能量守恒定律？为什么？,没有违反能量守恒定律；减小的这部分能量以光子释放出去。,将一个质子和一个中子结合成一个氘核，质量减小了，是否违反了质量守恒定律？为什么？,没有违反质量守

26、恒定律；减小的那部分质量等于光子的动质量。,什么是质量亏损？质量亏损表明什么？,四、质量亏损,原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象称为质量亏损。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。,如右图，哪些原子核最稳定，为什么？,中等大小的核最稳定，因为这些核的比结合能最大（平均每个核子的质量亏损最大）。,四、质量亏损,若要释放结合能，我们可以怎么做？为什么？,使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等质量的核； 因为使较重的核分裂成中等大小的核，或者把较小的核合并成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，即核子将发生新的质量亏损，释放新的核能。,典例探究,四、质量亏损,ACD,

27、典例探究,四、质量亏损,例3(B级). 碳原子质量的1/12叫做原子质量单位，用u表示。试证明1u相当于931MeV。,证明： 碳原子的摩尔质量为M=12g/mol，所以一个碳原子质量为m=M/NA=1.99310-26kg 所以1u=m/12=M/12NA=1.660610-27kg 代入公式E=mc2得： E=1.492410-10J=931MeV 得证,第五节 裂变和聚变,当核子结合成原子核时要放出一定能量（2.22Mev)；原子核分解成核子时，吸收同样的能量（2.22Mev) 这个能量叫做原子核的结合能,一、结合能,平均结合能：结合能与核子数之比，称做为平均结合能。也叫比结合能。平均结

28、合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。,二、核能计算,核子在结合成原子核时出现的质量亏损m，正表明它们在互相结合过程中放出了能量E=mc2,三、如何释放核能,三、如何释放核能,第五节 裂变和聚变,一、重核裂变与链式反应（H35408）,重核裂变,二、轻核聚变与热核反应,聚变,热核反应,受控热核反应,第六节核能利用,获得核能的途径,获得核能的两条途径是： （1）裂变 （2）聚变,原子弹根据核裂变的原理制成。属于不可控制的链式反应的结果！,铀核裂变（核反应方程）,核反应堆,为便于和平利用核能，必须控制链式反应的速度，使核能缓慢而又平稳地释放出来.为此，人们制成了一种专门装置核反应堆

29、. 核反应堆能缓慢、平稳地释放核能.,可吸收中子以调节中子数目，进而控制链式反应速度。,原料。（天然铀或浓缩铀，其中铀235含量为3 %）,插深一些，多吸收些中子 ，减速。插浅 一些，少吸收些中子，加速。,快中子跟这些物体的原子碰撞后，能量减少，变成慢中子。,通常为质量较小，不吸收或少吸收中子的物体，如石墨、重水。,用来屏蔽射线，防止对人体造成伤害。,电子仪器自动调节控制棒的升降。,快中子容易被铀238俘获而不发生裂变。,发生链式反应。,慢中子碰到铀238会弹射回来，却容易被铀235俘获而发生裂变。,反应堆工作时，核燃料裂变释放出的核能转换为热能，使反应堆温度升高。,为了控制温度，使之能正常工作，需要用水，液体金属钠等流体作 冷却剂。在反应 堆内外循环流动，不断带走热能。（冷却系统）同时可以用来输出热能以在作他用。 （如推动蒸汽机，使发电机发电）,综上所述，核反应堆的合理结构应该是：核燃料慢化剂热载体控制设施防护装置。,注意：铀矿石不能直接做核燃料。铀矿石要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序，制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒才能参与反应堆工作。,反应堆,人工控制链式反应的装置,核能的和平利用核电站,核能内能机械能电能,利用核裂变,法国核电站,秦山核电站,岭澳核电站,大亚湾核电站,核动力潜艇,全世界最大的核潜艇,