18.4原子核的组成

原子核的组成 知识点详解

同学们好，我是教了多年物理的老师，今天咱们把《原子核的组成》这一节的知识点掰开揉碎讲清楚。这一节是原子物理的核心内容，承接了前面的天然放射现象，也是后续核能、核反应的基础，咱们从实验逻辑、核心概念、规律应用一步步讲，保证大家学懂学透。

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一、课前铺垫：核反应的基本前提

天然放射现象的发现，让人类第一次意识到原子核是有内部结构的，原子核可以自发发生变化。到了20世纪上半叶，科学家发现，我们还可以通过人工的方式，让原子核发生变化，这种过程叫做原子核的人工转变，也叫核反应。

这里先给大家划一个贯穿整节课的核心规律：所有核反应过程，都严格遵循电荷数守恒、质量数守恒。简单说，核反应方程左右两边，所有原子核的电荷数加起来相等，质量数加起来也相等，这是我们写核反应方程、分析核反应的根本依据。

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二、质子的发现

1. 卢瑟福的α粒子轰击氮核实验（1919年）

这是人类历史上第一次实现原子核的人工转变，咱们先讲清楚实验的逻辑，而不是只记结论：

• 实验初始设置：容器里放放射性物质，放出α粒子；在α粒子的路径上放铝箔，调整铝箔的厚度，让α粒子恰好不能穿过铝箔。铝箔后面放荧光屏和显微镜，此时荧光屏上没有闪光——因为α粒子被完全挡住了，没有粒子能打到荧光屏上。
• 关键操作与现象：通过阀门往容器里通入氮气，荧光屏上出现了闪光；把氮气换成氧气、二氧化碳，闪光又消失了。
• 实验推理：闪光一定是α粒子和氮原子核发生作用，产生了一种新的粒子，这种粒子能穿过铝箔，打到荧光屏上。
• 粒子的确定：把这种新粒子引入电场和磁场中，根据它的偏转情况，测出了它的质量和电荷量，最终确定它就是氢原子核，我们把它叫做质子，符号为\(\ce{^1_1H}\)（或\(\ce{^1_1p}\)）。

2. 布拉凯特的云室验证实验

这里有个核心问题：质子是α粒子直接从氮核里“打出来”的，还是α粒子先和氮核结合成一个新的原子核（复核），再由这个复核衰变放出的？
布拉凯特通过云室实验解决了这个问题，逻辑非常清晰：

• 如果是α粒子直接打出质子，云室里会出现4条径迹：入射α粒子的径迹、碰撞后剩余α粒子的径迹、质子的径迹、被打出质子后氮核的反冲径迹。
• 如果是α粒子和氮核结合成复核，再衰变放出质子，云室里只会出现3条径迹：入射α粒子的径迹、质子的径迹、新核的反冲径迹（复核存在时间极短，不会留下径迹）。

布拉凯特拍摄了两万多张云室照片，分析了四十多万条α粒子的径迹，最终只发现8条径迹发生了分叉，且分叉后都是2条径迹，加上入射的1条，总共3条。这就证明了第二种猜想是正确的。

3. 核反应方程与结论

这个过程的核反应方程，严格遵循电荷数和质量数守恒：

\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He -> ^{17}_8O + ^1_1H} \]

• 左边总电荷数：7+2=9，总质量数：14+4=18
• 右边总电荷数：8+1=9，总质量数：17+1=18，完全守恒。

最终结论：后续科学家用同样的方法，从氟、钠、铝等多种原子核中都打出了质子，证明质子是原子核的组成部分。

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三、中子的发现

1. 卢瑟福的预言

质子被发现后，科学家遇到了一个矛盾：如果原子核只由质子组成，那么原子核的电荷数（以基本电荷为单位）应该和质量数相等——因为1个质子带1个单位正电荷，质量数是1。但实际观测发现，绝大多数原子核的电荷数，只有质量数的一半甚至更少。

基于这个矛盾，卢瑟福在1920年就做出了预言：原子核内，应该还存在一种质量和质子接近、不带电的中性粒子，他把这种粒子命名为中子。

2. 查德威克的实验验证（1932年）

• 前期铺垫：1930年，科学家发现用钋放出的α射线轰击铍，会产生一种贯穿能力极强的射线，能穿透几厘米厚的铅板。当时人们只知道γ射线能穿透铅板，所以误以为这种射线是γ射线。
• 查德威克的关键研究：
  1. 这种射线在磁场中不发生偏转，说明它是中性粒子流，不带电；
  2. 测出这种射线的速度不到光速的十分之一，而γ射线是电磁波，速度等于光速，直接排除了它是γ射线的可能；
  3. 用这种射线轰击静止的氢原子核和氮原子核，成功打出了氢核（质子）和氮核。他把这个过程简化为弹性正碰，根据动量守恒和能量守恒，推导出了靶核的最大速度公式：
     对氢核：\(v'_\text{H}=\frac{2m}{m+m_\text{H}}v\)
     对氮核：\(v'_\text{N}=\frac{2m}{m+m_\text{N}}v\)
     其中\(m\)是未知粒子的质量，\(v\)是未知粒子的入射速度，\(m_\text{H}\)是氢核质量，\(m_\text{N}=14m_\text{H}\)是氮核质量。
  4. 把实验测得的\(v'_\text{H}=3.3×10^7\ \text{m/s}\)、\(v'_\text{N}=4.7×10^6\ \text{m/s}\)代入公式，计算得出\(m≈1.15m_\text{H}\)，和质子的质量几乎相等。

后续查德威克用多种物质重复实验，都得到了相同的结论：这种粒子质量和质子接近，不带电，正是卢瑟福预言的中子，符号为\(\ce{^1_0n}\)。

3. 核反应方程与结论

发现中子的核反应方程：

\[\ce{^9_4Be + ^4_2He -> ^{12}_6C + ^1_0n} \]

同样严格遵循电荷数和质量数守恒。

最终结论：科学家从多种原子核中都打出了中子，证明中子是原子核的组成部分。

4. 中子发现的意义

中子的发现是物理学史上的里程碑事件：中子不带电，不会受到原子核的库仑斥力，非常容易接近甚至打进原子核，这为后续的核裂变、核能的开发利用奠定了核心基础，彻底打开了人类研究原子核的大门。

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四、原子核的组成与相关核心概念

1. 原子核的组成

至此，人类最终确定：原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。

这里给大家明确三个核心物理量，所有原子核的问题都离不开这三个量：

物理量	符号	物理意义
电荷数	\(Z\)	等于原子核内的质子数，等于元素的原子序数，中性原子中等于核外电子数
质量数	\(A\)	等于原子核内的质子数+中子数，也就是核子总数（质子和中子的质量数都为1）
中子数	\(N\)	\(N=A-Z\)，即原子核内的中子数量

原子核的通用符号为\(\ce{^A_ZX}\)，比如铀235，符号为\(\ce{^{235}_{92}U}\)，它的质子数\(Z=92\)，质量数\(A=235\)，中子数\(N=235-92=143\)。

2. 同位素

定义：具有相同质子数、不同中子数的原子，互称为同位素。

• 核心特点：质子数相同，所以核外电子数相同，化学性质几乎完全相同，在元素周期表中占据同一个位置；中子数不同，所以原子核的稳定性、放射性等核性质不同。
• 最典型的例子：氢元素的三种同位素
  1. 氕：\(\ce{^1_1H}\)，质子数1，中子数0，是最常见的氢；
  2. 氘：\(\ce{^2_1H}\)，质子数1，中子数1，也叫重氢；
  3. 氚：\(\ce{^3_1H}\)，质子数1，中子数2，也叫超重氢，具有放射性。

3. 人工放射性的发现

1934年，约里奥·居里夫妇用α粒子轰击铝箔时，除了探测到中子，还探测到了正电子；更关键的是，移走α放射源后，铝箔依然在发射正电子，且这种放射性有固定的半衰期。

这说明，他们通过人工核反应，制造出了具有放射性的新同位素，也就是人工放射性同位素。
对应的核反应方程：

1. 人工核反应：\(\ce{^{27}_{13}Al + ^4_2He -> ^{30}_{15}P + ^1_0n}\)
2. 放射性衰变：\(\ce{^{30}_{15}P -> ^{30}_{14}Si + ^0_1e}\)（\(\ce{^0_1e}\)是正电子，质量和电子相同，带1个单位正电荷）

这个发现的意义：天然存在的放射性同位素只有四十几种，而人工制造的放射性同位素已经超过1000种，几乎每种元素都有对应的放射性同位素，为放射性的广泛应用奠定了基础。

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五、放射线的应用与防护

1. 放射线的应用

放射性同位素放出的α、β、γ射线，以及放射性同位素本身，在工业、农业、医疗、科研等领域都有广泛应用，主要分为两大类：

（1）利用射线本身的特性

• γ射线：贯穿本领极强
  • 射线探伤：检查金属内部的砂眼、裂纹，能穿透30cm厚的钢铁部件，远超X射线的检测能力；
  • 放射治疗：癌细胞对射线的敏感度远高于正常细胞，用钴60的γ射线可以治疗肿瘤，也就是我们常说的“放疗”；
  • 其他：诱变育种、食品保鲜、消毒灭菌、处理医院污水等。
• α射线：电离能力极强
  • 消除静电：α射线能使空气电离，变成导电气体，把机器运转摩擦产生的有害静电导走。

（2）作为示踪原子

把放射性同位素的原子掺到其他物质中，让它和普通原子一起运动、迁移，再用放射性探测器追踪它的路径和分布，这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。

• 农业：检测肥料在作物体内的转移和分布，确定最佳的施肥方案；
• 医学：用碘131作为示踪原子，诊断脑部肿瘤的位置和范围；
• 生物科研：我国人工合成牛胰岛素时，用碳14作为示踪原子，证明了人工合成的牛胰岛素和天然牛胰岛素是同一种物质；
• 考古：利用碳14的放射性进行年代测定，也就是“碳14测年法”，通过测定样本中碳14的衰减程度，计算动植物死亡的时间。

2. 放射线的防护

放射线对人体组织有伤害，过量的辐射会导致恶心、呕吐、皮肤溃烂，甚至引发癌变、遗传损伤，所以使用放射性物质时必须做好防护：

1. 防止放射性物质污染水源、空气、用具和工作场所；
2. 避免射线过量照射人体，根据射线类型选择合适的屏蔽材料（比如γ射线用铅板、厚混凝土屏蔽）；
3. 若不慎沾上放射性物质，立即用肥皂和大量清水彻底冲洗身体，并尽快寻求医治。

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核心知识点归纳总结表

知识模块	核心内容	关键细节与公式
核反应基本规律	原子核的人工转变（核反应）的核心规则	1. 所有核反应严格遵循电荷数守恒、质量数守恒 2. 核反应方程用箭头连接，不能用等号
质子的发现	人类首次实现原子核人工转变，证明质子是原子核的组成部分	1. 实验者：卢瑟福（1919年），布拉凯特云室验证 2. 核反应方程：\(\ce{^{14}_7N + ^4_2He -> ^{17}_8O + ^1_1H}\) 3. 质子符号：\(\ce{^1_1H}\)（\(\ce{^1_1p}\)），带1单位正电荷，质量数1
中子的发现	验证了卢瑟福的预言，证明中子是原子核的组成部分	1. 实验者：查德威克（1932年） 2. 核反应方程：\(\ce{^9_4Be + ^4_2He -> ^{12}_6C + ^1_0n}\) 3. 中子符号：\(\ce{^1_0n}\)，不带电，质量数1，质量与质子接近
原子核的组成	原子核由质子和中子组成，二者统称核子	1. 电荷数\(Z\)=质子数=原子序数 2. 质量数\(A\)=质子数+中子数=核子数 3. 中子数\(N=A-Z\) 4. 原子核符号：\(\ce{^A_ZX}\)
同位素	质子数相同、中子数不同的原子互称同位素	1. 化学性质几乎完全相同，核性质不同 2. 典例：氢的同位素\(\ce{^1_1H}\)、\(\ce{^2_1H}\)、\(\ce{^3_1H}\)
人工放射性	人工核反应制造放射性同位素	1. 发现者：约里奥·居里夫妇（1934年） 2. 核心方程：\(\ce{^{27}_{13}Al + ^4_2He -> ^{30}_{15}P + ^1_0n}\)、\(\ce{^{30}_{15}P -> ^{30}_{14}Si + ^0_1e}\) 3. 特点：人工放射性同位素种类远超天然放射性同位素
放射线的应用	射线特性应用、示踪原子应用	1. γ射线：探伤、放疗、灭菌；α射线：消除静电 2. 示踪原子：农业施肥、医学诊断、生物科研、考古测年
放射线的防护	避免辐射伤害的核心要求	1. 防止放射性物质污染环境 2. 避免过量照射，用对应材料屏蔽射线 3. 不慎接触后及时清洗、就医

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例1 答案：B

详细解析

解题核心是抓住核反应的质量数（核子数）守恒、电荷数守恒，同时明确α粒子、β粒子的本质，以及中子数=核子数-质子数的基本关系。

1. 先明确原核的基础参数
   原核有\(N\)个核子（质量数为\(N\)），其中中子\(n\)个，因此原核的质子数=核子数-中子数=\(N-n\)。

2. 明确核反应中各粒子的参数

   • 中子：\(\ce{^1_0n}\)，质量数1，电荷数0
   • α粒子（氦核）：\(\ce{^4_2He}\)，质量数4，电荷数2（含2个质子、2个中子）
   • β粒子（电子）：\(\ce{^0_{-1}e}\)，质量数0，电荷数-1；β衰变的本质是原子核内1个中子转化为1个质子，同时放出电子，因此β衰变会让原子核质子数+1，中子数-1，核子数不变。

3. 分步计算新核的物理量

   • 新核的核子数：根据质量数守恒，新核的核子数=原核子数+俘获的中子数-α粒子带走的核子数-β粒子带走的核子数，即 \(N+1-4-0=N-3\)，因此选项C错误。
   • 新核的质子数（原子序数）：根据电荷数守恒，新核的质子数=原质子数+俘获中子的电荷数-α粒子的电荷数-β粒子的电荷数，即 \((N-n)+0-2-(-1)=N-n-1\)，因此选项D错误。
   • 新核的中子数：中子数=核子数-质子数，代入得 \((N-3)-(N-n-1)=n-2\)，因此选项B正确，选项A错误。

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例2 答案：ABCD

详细解析

本题考查放射性同位素的应用，四个选项均为放射线的典型正确应用，逐一分析如下：

• 选项A：γ射线的穿透本领极强，工业上常利用γ射线的穿透性进行射线探伤，检查金属制品内部的砂眼、裂纹，该说法正确。
• 选项B：α射线的电离本领极强，能使空气分子电离成为导电气体，从而导走机器摩擦积累的有害静电，利用的就是放射线的电离本领，该说法正确。
• 选项C：放射线能破坏生物的DNA结构，利用这一生物（生理）效应，可实现消毒杀菌；同时癌细胞对射线的敏感度远高于正常细胞，因此可用放射线治疗肿瘤（放疗），该说法正确。
• 选项D：放射性同位素的化学性质和普通同位素完全一致，可将其作为示踪原子，通过放射性探测仪器追踪它的运动路径和分布规律，在农业、医学、生物科研等领域有广泛应用，该说法正确。