4.1　原子核結構探秘 [學習目標]1.了解質子和中子的發(fā)現(xiàn)過程.2.知道原子核的組成，會正確書寫原子核的符號.3.掌握核反應方程的特點，會書寫核反應方程． 一、原子核的組成 [導學探究]　1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核發(fā)現(xiàn)了質子，如圖1所示為α粒子轟擊氮原子核示意圖． 圖1 (1)人們用α粒子轟擊多種原子核，都打出了質子，說明了什么問題？ (2)絕大多數(shù)原子核的質量數(shù)都大于其質子數(shù)，說明了什么問題？ 答案　(1)說明質子是原子核的組成部分． (2)說明原子核中除了質子外還有其他粒子． [知識梳理] 1．質子的發(fā)現(xiàn) 從1917年起，盧瑟福就開始進行α射線轟擊氮原子核的實驗，并從氮原子核中打出了氫核，這就是質子，用p或H表示，質子是原子核的組成部分． 2．中子的發(fā)現(xiàn) (1)盧瑟福的猜想 1920年，盧瑟福提出：原子核內除了質子外，還存在一種質量與質子的質量大體相等但不帶電的粒子，并認為這種不帶電的中性粒子是由電子進入質子后形成的． (2)查德威克的發(fā)現(xiàn) 1932年，查德威克對α粒子轟擊鈹?shù)膶嶒炦M行研究，發(fā)現(xiàn)產生的射線是中性粒子流，質量跟氫核質量差不多，查德威克將這種粒子稱為中子，用n表示．中子也是原子核的組成部分． 3．原子核的組成 (1)核子數(shù)：質子和中子質量差別非常微小，二者統(tǒng)稱為核子，所以質子數(shù)和中子數(shù)之和叫核子數(shù)． (2)電荷數(shù)(Z)：原子核所帶的電荷總是質子電荷的整數(shù)倍，通常用這個整數(shù)表示原子核的電荷量，叫做原子核的電荷數(shù)． (3)質量數(shù)(A)：原子核的質量等于核內質子和中子的質量的總和，而質子與中子的質量幾乎相等，所以原子核的質量幾乎等于單個核子質量的整數(shù)倍，這個倍數(shù)叫做原子核的質量數(shù)． (4)原子核的符號 4．同位素 具有相同質子數(shù)而不同中子數(shù)的原子核，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱為同位素．例如：氫有三種同位素，分別是H、H、H. [即學即用]　判斷下列說法的正誤． (1)質子和中子都不帶電，是原子核的組成成分，統(tǒng)稱為核子．(　　) (2)原子核的電荷數(shù)就是核內的質子數(shù)，也就是這種元素的原子序數(shù)．(　√　) (3)同位素具有不同的化學性質．(　　) (4)原子核內的核子數(shù)與它的核電荷數(shù)不可能相等．(　　) 二、核反應方程 [導學探究]　核反應的實質是什么？它符合哪些規(guī)律？ 答案　(1)核反應的實質是以基本粒子(α粒子、質子、中子等)為“炮彈”去轟擊原子核(靶核X)，從而促使原子核發(fā)生變化，生成了新原子核(Y)，并放出某一粒子． (2)在轉變過程中符合質量數(shù)和電荷數(shù)守恒規(guī)律． [知識梳理] 1．核反應方程定義： 用原子核的符號來表示核反應前后各原子核變化情況的式子． 2．規(guī)律：核反應遵守質量守恒定律和電荷守恒定律，即核反應方程兩邊的質量數(shù)和電荷數(shù)均是守恒的． 3．核反應的條件： 用α粒子、質子、中子甚至用光子去轟擊原子核． 4．原子核人工轉變的兩大發(fā)現(xiàn) (1)1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子的核反應方程： N＋He→O＋H (2)1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程： Be＋He→C＋n 一、原子核的組成 1．原子核(符號X) 原子核 2．基本關系 核電荷數(shù)＝質子數(shù)(Z)＝元素的原子序數(shù)＝核外電子數(shù)，質量數(shù)(A)＝核子數(shù)＝質子數(shù)＋中子數(shù)． 例1　已知鐳的原子序數(shù)是88，原子核的質量數(shù)是226.試問： (1)鐳核中有幾個質子？幾個中子？ (2)鐳核所帶電荷量是多少？(保留三位有效數(shù)字) (3)呈電中性的鐳原子，核外有幾個電子？ 答案　(1)88　138　(2)1.4110－17C　(3)88 解析　(1)鐳核中的質子數(shù)等于其原子序數(shù)，故質子數(shù)為88，中子數(shù)N等于原子核的質量數(shù)A與質子數(shù)Z之差，即N＝A－Z＝226－88＝138. (2)鐳核所帶電荷量 Q＝Ze＝881.610－19C≈1.4110－17C. (3)核外電子數(shù)等于核電荷數(shù)，故核外電子數(shù)為88. 針對訓練1　在α粒子轟擊金箔的散射實驗中，α粒子可以表示為He，He中的4和2分別表示(　　) A．4為核子數(shù)，2為中子數(shù) B．4為質子數(shù)和中子數(shù)之和，2為質子數(shù) C．4為核外電子數(shù)，2為中子數(shù) D．4為中子數(shù)，2為質子數(shù) 答案　B 解析　根據X所表示的物理意義，原子核的質子數(shù)決定核外電子數(shù)，原子核的核電荷數(shù)就是核內質子數(shù)，也就是這種元素的原子序數(shù)．原子核的質量數(shù)就是核內質子數(shù)和中子數(shù)之和，即為核內的核子數(shù).He符號的左下角表示的是質子數(shù)或核外電子數(shù)，即為2，He符號左上角表示的是核子數(shù)，即為4，故選項B正確． 二、核反應方程 1．核反應的條件 用α粒子、質子、中子，甚至用γ光子轟擊原子核使原子核發(fā)生轉變． 2．核反應的實質 用粒子轟擊原子核并不是粒子與核碰撞將原子核打開，而是粒子打入原子核內部使核發(fā)生了轉變． 例2　完成下列核反應方程，并指出其中________是發(fā)現(xiàn)質子的核反應方程，________是發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程． (1)N＋n→C＋________ (2)N＋He→O＋________ (3)B＋n→________＋He (4)Be＋He→________＋n (5)Fe＋H→Co＋________ 答案　見解析 解析　(1)N＋n→C＋H (2)N＋He→O＋H (3)B＋n→Li＋He (4)Be＋He→C＋n (5)Fe＋H→Co＋n 其中發(fā)現(xiàn)質子的核反應方程是(2)，發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程是(4)． 書寫核反應方程時要注意： (1)質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒； (2)中間用箭頭，不能寫成等號； (3)核反應方程遵守質量數(shù)守恒而不是質量守恒，核反應過程中，一般會發(fā)生質量的變化． 1．(原子核的組成及同位素)(多選)氫有三種同位素，分別是氕H，氘H，氚H，則(　　) A．它們的質子數(shù)相等 B．它們的核外電子數(shù)相等 C．它們的核子數(shù)相等 D．它們的中子數(shù)相等 答案　AB 解析　氕、氘、氚的核子數(shù)分別為1、2、3，因為它們是同位素，所以它們的質子數(shù)和核外電子數(shù)相等，都為1，中子數(shù)等于核子數(shù)減去質子數(shù)，故中子數(shù)各不相等，所以A、B選項正確． 2．(原子核的組成及同位素)以下說法正確的是(　　) A.Th為釷核，由此可知，釷核的質量數(shù)為90，釷核的質子數(shù)為234 B.Be為鈹核，由此可知，鈹核的質量數(shù)為9，鈹核的中子數(shù)為4 C．同一元素的兩種同位素具有相同的質量數(shù) D．同一元素的兩種同位素具有不同的中子數(shù) 答案　D 解析　釷核的質量數(shù)為234，質子數(shù)為90，所以A錯；鈹核的質量數(shù)為9，中子數(shù)為5，所以B錯；由于同位素是指 質子數(shù)相同而中子數(shù)不同的原子核，即質量數(shù)不同的原子核，因而C錯，D對． 3．(核反應方程)(多選)α粒子轟擊氮14核后放出一個質子，轉變?yōu)檠?7核(O)．在這個氧原子核中有(　　) A．8個正電子 B．17個電子 C．9個中子 D．8個質子 答案　CD 解析　核電荷數(shù)為8，即質子數(shù)為8，質量數(shù)為17，所以中子數(shù)為17－8＝9，故選C、D. 一、選擇題 考點一　原子核的組成及同位素 1．據最新報道，放射性同位素鈥Ho，可有效治療癌癥，該同位素原子核內中子數(shù)與核外電子數(shù)之差是(　　) A．32B．67C．99D．166 答案　A 解析　根據原子核的表示方法得核外電子數(shù)＝質子數(shù)＝67，中子數(shù)為166－67＝99，故核內中子數(shù)與核外電子數(shù)之差為99－67＝32，故A對． 2．下列關于He的敘述正確的是(　　) A.He與H互為同位素 B.He原子核內中子數(shù)為2 C.He原子核內質子數(shù)為2 D.He代表原子核內有2個質子和3個中子的氦原子核 答案　C 解析　He核內質子數(shù)為2，H核內質子數(shù)為1.兩者質子數(shù)不等，不是同位素，A錯誤；He代表原子核內有2個質子和1個中子的氦原子核，故C正確，B、D錯誤． 3．若用x代表一個中性原子中核外的電子數(shù)，y代表此原子的原子核內的質子數(shù)，z代表此原子的原子核內的中子數(shù)，則對U的原子來說(　　) A．x＝92　y＝92　z＝235 B．x＝92　y＝92　z＝143 C．x＝143　y＝143　z＝92 D．x＝235　y＝235　z＝325 答案　B 解析　在U中，左下標為質子數(shù)，左上標為質量數(shù)，則y＝92；中性原子的核外電子數(shù)等于質子數(shù)，所以x＝92；中子數(shù)等于質量數(shù)減去質子數(shù)，z＝235－92＝143，所以B選項正確． 4．(多選)以下說法中正確的是(　　) A．原子中含有帶負電的電子，所以原子帶負電 B．原子核中的中子數(shù)一定跟核外電子數(shù)相等 C．用α粒子轟擊氮、氟、鈉、鋁等元素的原子核都可以打出質子，因此人們斷定質子是原子核的組成部分 D．絕大多數(shù)原子核的質量跟質子質量之比都大于原子核的電荷量跟質子的電荷量之比，因而原子核內還存在一種不帶電的中性粒子 答案　CD 解析　原子中除了有帶負電的電子外，還有帶正電的質子，故A錯；原子核中的中子數(shù)不一定跟核外電子數(shù)相等，故B錯；正是用α粒子轟擊原子核的實驗才發(fā)現(xiàn)了質子，故C正確；因為絕大多數(shù)原子核的質量跟質子質量之比都大于原子核的電荷量跟質子的電荷量之比，才確定原子核內還有別的中性粒子，故D正確． 考點二　核反應方程 5．盧瑟福通過實驗首次實現(xiàn)了原子核的人工轉變，其核反應方程為：He＋N→O＋H，下列說法錯誤的是(　　) A．盧瑟福通過該實驗提出了原子的核式結構模型 B．實驗中是用α粒子轟擊氮核 C．盧瑟福通過該實驗發(fā)現(xiàn)了質子 D．原子核在人工轉變的過程中，電荷數(shù)一定守恒 答案　A 解析　盧瑟福用α粒子轟擊金箔散射的實驗，提出了原子的核式結構模型，故A錯誤；用α粒子轟擊氮核首次實現(xiàn)了原子核的人工轉變，并發(fā)現(xiàn)了質子，故B、C正確；核反應方程質量數(shù)和電荷數(shù)是守恒的，故D正確． 6．在下列四個核反應方程中，X1、X2、X3和X4各代表某種粒子 ①H＋X1→He＋n?、贜＋He→O＋X2 ③Be＋He→C＋X3④Mg＋He→Al＋X4 則以下判斷中正確的是(　　) A．X1是質子 B．X2是中子 C．X3是電子 D．X4是質子 答案　D 解析　根據核反應的質量數(shù)和電荷數(shù)守恒知，X1為H，A錯；X2為H，B錯；X3為n，C錯；X4為H，D對． 7．用高能Kr轟擊Pb，釋放出一個中子后，生成了一個新核，關于新核的推斷正確的是(　　) A．其質子數(shù)為122 B．其質量數(shù)為294 C．其原子序數(shù)為118 D．其中子數(shù)為90 答案　C 解析　核反應方程為Pb＋Kr→n＋X，新核質量數(shù)為293，質子數(shù)為118，中子數(shù)為293－118＝175，故正確選項為C. 8．為了說明用α粒子轟擊氮打出質子是怎樣的一個物理過程，布拉凱特在充氮云室中，用α粒子轟擊氮，在他拍攝的兩萬多張照片中，終于從四十多萬條α粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)了8條產生分叉，這一實驗數(shù)據說明了(　　) A．α粒子的數(shù)目很少，與氮發(fā)生相互作用的機會很少 B．氮氣的密度很小，α粒子與氮接觸的機會很少 C．氮核很小，α粒子接近氮核的機會很少 D．氮氣和α粒子的密度都很小，致使它們接近的機會很少 答案　C 解析　氮原子核很小，所以α粒子接近氮原子核的機會很少，所以發(fā)生核反應的機會很少，即觀察到α粒子徑跡分叉的機會少，所以C選項正確． 9．(多選)一個質子以1.0107m/s的速度撞一個靜止的鋁原子核后被俘獲，鋁原子核變成硅原子核．已知鋁原子核的質量是質子的27倍，硅原子核的質量是質子的28倍，則下列說法正確的是(　　) A．核反應方程為Al＋H―→Si B．核反應方程為Al＋n―→Si C．硅原子核速度的數(shù)量級為107m/s，方向跟質子的初速度方向一致 D．硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s，方向跟質子的初速度方向一致 答案　AD 解析　由核反應中電荷數(shù)和質量數(shù)守恒可知A選項正確，B選項錯誤；由動量守恒定律求得硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s，即D選項正確，C選項錯誤． 二、非選擇題 10．(原子核的組成及同位素的理解)有關O、O、O三種同位素的比較，試回答下列問題： (1)三種同位素中哪一種粒子數(shù)是不相同的？______. A．質子B．中子C．核外電子 (2)三種同位素中，哪一個質量最大？__________. (3)三種同位素的化學性質是否相同？__________. 答案　(1)B　(2)O　(3)相同