原子核2

第三节原子核

考点透视

原子是保持物质化学性质的最小微粒，化学反应中原子的种类和数目保持不变，当原子被破坏，元素改变时，该反应已不属于化学反应，而成为了核反应。可见物理与化学在微粒反应方面紧密结合。利用核反应前后电荷与质量守恒可判断微粒的构成，根据微粒的构成，结合化学基本理论，可推知微粒的化学性质。

原子里具有相同质子数和不同中子数的同种元素的原子互称同位素。“同位”之意，是它们在元素周期表中共同占有一个位置。同位素这个概念是1913年由英国科学家素迪（1877～1956年）提出的，当时由于放射性元素的发现，在研究放射性元素的性质时，观察到有些放射性不同的元素，尽管它们的原子量各不相同，而化学性质却完全一样。如铀有原子量为234、235、238等多种放射性元素。同一元素的各种同位素虽然质量数不同，但它们的化学性质几乎完全相同。在天然存在的某种元素里，不论是游离态还是化合态，各种同位素所占的原子百分比一般是不变的。同位素原子在许多方面有着广泛的应用。

原子物理中光子提供的能量在化学与生物的反应中有重要作用，公式为E＝hv＝hc/λ，其中v为光子的频率，λ为波长，c为光速，h为普朗克常数，即h＝6.63×10－34J·s，E为光子具备的能量。

例题解析

例题1．放射性同位素14

6

C被考古学家称为“碳钟”。它可以用来断定古生物体死亡至今的年代。此项研究成果获得1960年诺贝尔化学奖。

1．宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就会形成14

6

C，写出它的核反应方程式。

2．14

6

C很不稳定，容易发生β衰变，其半衰期5730年。写出它发生衰变的方程。

3．14

6C的生成和衰变通常是平衡的，即空气中、生物活体中14

6

C的含量是不变的。

当机体死亡后，机体内的14

6C含量将会不断减少，若测得一具古生物遗骸中14

6

C含量只

有活体中的12.5％，则这具遗骸死亡至今应有多少年？

【解析】

解答本题的难点在于两方面，其一是能正确理解生物体活着时因新陈代谢不断进

行，14

6C含量不变。生物体死亡后，14

6

C要按一定的半衰期衰变，而含量减少。其二是

要会运用计算半衰期的公式，求出半衰期数。测定含量的方法，通常用放射计数器记录

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每分钟射出电子的个数，两种样品的这个数量之比往往就是14

6C 的含量比。

【参考答案】

1．14

7N ＋10n →146C ＋11H

2．146C →147

N ＋01-e 3．设活体中含14

6C 的量为ρ0，遗骸中含量为ρ，146C 的半衰期为T ，半衰期的数

为n ，则ρ/ρ0＝1/2n ，n ＝3。因为n ＝t/T ，所以t ＝nT ＝17190年。

【评述】

本题是物理知识与考古学的紧密结合，而元素和同位素知识又跟化学有关，研究的又是生物体何时死亡的问题，因而具有较广泛的综合性。考生要会书写核反应方程式，掌握半衰期定义，并会进行简单计算。

例题2．氯分子的解离是一个吸热过程，每摩尔氯分子完全解离为氯原子需要吸收246.3kJ 的能量。光也可以引起氯的解离。当能引起氯解离的光照射Cl 2和H 2的混合物时，将生成HCl 。设混合气体受到汞紫外灯照射，灯的输入功率为10瓦，其中2％的能是被装在10L 的容器中的混合气体吸收。在照射2.5s 期间生成0.065mol 的HCl 气体。

1．预期引起氯解离的光的波长多大？

2．比计算的临界值长或短的波长的光也能引起氯解离吗？为什么？

3．量子产额多大？（量子产额＝每吸收一个光子得到的产物分子的个数）

【解析】

由1mol Cl 2分子解离吸收的能量，可求出单个Cl 2分子解离（Cl 2→2Cl ·）需由光子提供的能量，再由Q ＝hc/λ可求得临界波长，这可与物理中的光电效应进行对比。量子产额也可转化为得到产物的分子总额与吸收的光子总数的比值进行求解。

【参考答案】

1．λ＝c/ν Q ＝N A ·h ·ν λ＝4.91×10－7m （1分）

2．比临界值短的波长的光是有效的，比临界值长的波长的光是无效的，它的v 较小，能量较小。

3．()

783423

1091.4/100.31063.6/5.210%21002.6065.0)//(--????????=?=Φλhc E N n A HCl 总＝3.2×104

【评述】

考查物理知识在化学中的应用；考查知识迁移能力；考查信息的应用和物理公式的应用。量子产额的结果并不是1或2，而是有数万，原因何在？其实解离出1个Cl 原子后能发生一系列循环反复的链锁反应，Cl ·＋H 2→HCl ＋H ·；H ·＋Cl 2→HCl ＋Cl ……。（学生不必掌握）

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例题3．有A 、B 、C 、D 四种短周期元素。已知一个B 原子的原子核受到α粒子的轰击得到一个A 原子的原子核和一个C 原子的原子核，又知C 、D 元素同主族，且能发生下面两个反应：

＋

???

1:2物质的量＋

＋??

??1:2物质的量＋

请回答：

1．比较B 、C 原子半径大小 ；画出D 离子的结构示意图 。

2．写出B 原子核受α粒子轰击的核反应方程式 。

3．写出两个反应方程式 ； 。

【解析】

这是一个综合物理核反应的化学推断试题。从核反应中我们可以得到：B 的原子序数加上2（α粒子为氦的原子核）等于A 的原子序数加上C 的原子序数，仔细观察两个反应方程式；得到B 、D 单质，是两个归中反应，B 、D 应为非金属，短周期中常见的有Cl 、S 、N 等，还有P 、Si 、C 、B 等，而它们常见的化合物极可能是氢化物与氧化物间的反应，联想2H 2S ＋SO 2＝3S ＋2H 2O 等反应，而C 、D 又同主族，很容易想到是O 、S ，显然满足条件，根据推进验证，A 、B 、C 、D 四种元素分别为H 、N 、O 、S 。

【参考答案】

1．B ＞C ；

； 2．14

7N ＋42α→168O ＋21H （其它满足条件的质量数也可以）

3．2NH 3＋N 2O 3＝2N 2＋3H 2O （2N 2H 4＋N 2O 4＝3N 2＋4H 2O 也可以）； 2H 2S ＋SO 2＝3S ＋2H 2O

【评述】

要适应在一门学科中渗入一些其它学科知识的试题。

基本训练

一．选择题

1．据测，哈雷彗星上碳的两种同位素12C 和13C 的原子个数比为65︰1，而地球上12C 和13C 的原子个数比为89︰1。地球上碳元素的原子量是12.011，那么哈雷彗星上碳元素的原子量应是

A 12.000

B 12.009

C 12.015

D 12.980

2．迄今为止合成的最重的元素是112号元素，它是用Zn 7030高能原子轰击Pb

208

82的靶子，使锌核与铅核熔合而得，每生成一个112号元素的原子的同时向外释放出一个中子。下列说法错误的是

A 112号元素是金属元素

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B 112号元素位于第七周期第四主族

C 科学家合成的112号元素的原子的中子数为166

D 112号元素为放射性元素

1999年4月，人类合成超重元素的努力竖立起了一个新的里程碑，美国劳仑斯－柏克莱国家实验室的领导人，核化学家Kenneth E. Gregorich 宣布，在该实验室的88英

寸回旋加速器上，研究者用高能Kr 8636离子轰击Pb 208

82靶，氪核与铅核融合，放出1个

中子，形成了一种新元素A ；120微秒后，该A 元素的原子核分裂出1个α粒子，衰变成另一种新元素B ；600微秒后又释放出一个α粒子，形成另一种新元素C 的一种同位

素。新元素C 是在1998年末，俄美科学家小组用Ca 4820核轰击Pu 244

92靶时得到的。

3．人们发现新元素A 、B 、C 的时间先后顺序为

A A

B

C B C B A C B A C

D C A B

4．人们发现的新元素A 的原子序数为

A 112

B 114

C 116

D 118

5．在1999年4月得到的C 元素的一种同位素的原子核中中子数有

A 169

B 171

C 172

D 175

6．下列有关B 元素性质的说法错误的是

A B 元素的单质是固体

B B 元素是金属元素

C B 元素具有放射性

D B 元素具有类似卤素的化学性质

1999年9月，日本发生了严重核泄漏，这是加工厂将核原料（六氟化钠）提炼成核反应材料（二氯化铀）时操作失误造成的，工作人员在一个加工炉中投入了16kg 的核原料，大大超过了规定标准，从而造成了核泄漏。

7．这个标准为

A 临界温度

B 临界压强

C 临界体积

D 由一定的温度、压强和体积共同确定

8．下列哪种反应导致了核泄漏

A 氧化反应

B 分解反应

C 化合反应

D 链式反应

9．核泄漏会导致生物体的

A 基因重组

B 基因突变

C 基因互换

D 染色体变异

二．放射性同位素的蜕变反应速率为：2.303lgC 0/C ＝kt

其中：C 0为放射性物质的初浓度，C 为某一指定时刻的浓度，t 为反应所经历的时

间，k 为速度常数，单位为（时间）－1。在蜕变反应中，反应物消耗一半（或反应物减

少到初浓度的一半）所需要的时间称为半衰期，利用放射性元素的半衰期可以确定岩石、古代动植物化石的“年龄”。

碳的放射性同位素14C在自然界树木中的分布基本保持为总碳量的1.10×10－13％。某考古队在一山洞中发现一些古代木头燃烧的灰烬，经分析14C的含量为总碳量的9.87×10－15％，已知14C半衰期为5700年，试计算灰烬距今约多少年？

三．1909年～1911年，英国物理学家卢瑟福与其合作者做了用α粒子轰击金箔的实验。发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，少数α粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90o，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180o。这就是α粒子散射实验。为了解释这个结果，卢瑟福在1911年提出了原子的核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。

请你从α粒子散射实验估算出原子核的大小。（下列公式或数据为已知：点电荷的电势U＝kQ/r，k＝9.0×109Nm2/C2，金原子序数79，α粒子质量mα＝6.64×10－27kg，α粒子速度Vα＝1.6×107m/s，电子电量e＝1.6×10－19C）

四．大气中含有12C和14C，14C的半衰期为5730年。由于宇宙线的作用，大气中14C与12C含量比基本不变。活的动植物体内的14C与12C含量比与大气的相同。当它们死后，由于14C的β衰变，14C与12C的含量比不断减少。通过测量出土动植物残骸中14C和12C的含量比，可根据公式p＝2－t/5730定出动植物死亡的年代。其中t是从动植物死亡到测量时的时间间隔，单位为年，p是出土动植物残骸中14C和12C的含量比和现在大气中14C和12C的含量比的比值。最近国际著名杂志《自然》报道了在河南省出土的世界上最早的乐器—骨头做的笛子，测得骨笛的p值在33.7%和35.3％之间。

1．14C元素属第周期，第族；14C原子中有个中子，有个价电子。

2．这些骨笛大约是在年前制造的。

3．这些骨笛的制造年代属于下列中国历史的哪一个文化时期？

A 旧石器时代

B 新石器时代

C 青铜时代

D 铁器时代

4．吹奏骨笛能发声靠的是的振动。

5．骨笛是一种在顶端吹奏的竖笛。吹奏时，用手指封住笛孔，通过打开笛孔可以产生所需要的声音。声波的波长等于打开笛孔到顶端的距离的四倍。设一笛孔到顶端的距离为20厘米，求出相应的声波的频率（已知声速332m/s）。

提示：0.337≈2－1.57，0.355≈2－1.50

五．1934年，科学家在用α粒子轰击铝箔时，除探测到预料中的中子外，还探测到了正电子，更意外的是，拿走α放射器后，铝箔虽不再发射中子，但仍继续发射正电子，而且这种放射性随时间衰减的规律跟天然放射性一样，也有一定的半衰期。

Al）产生中子的核反应方程式，并对比与普通的化学1．写出α粒子轰击铝箔（27

13

方程式的本质区别。

2．上述产生的具有放射性的同位素叫做放射性同位素，写出其产生正电子的核反应方程式。

3．简要说明放射性同位素的应用。并至少举出两个实际应用的例子。

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六．1859年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时，发现阴级射线的高速电子流射到玻璃管壁上，管壁会发出一种看不出的射线，这种射线穿透本领很大，伦琴当时不知道这种是什么射线，把它叫做X射线（也叫做伦琴射线），除此之外，我们还知道有紫外线、阴极射线、α射线、中子流、γ射线等。

1．上述射线中，属于电磁波的有_______；属于物质粒子流的有_______。

2．紫外线、伦琴射线、γ射线的产生机理如何？

3．英国科学家卢瑟福提出了原子核式结构学说，是以_______实验作为依据。试述该实验的主要现象。

4．如图：

该未知射线是_______

5．质子和中子统称为_______，具有相同质子数而中子数不同的同一元素的不同原子互称_______。

6．同位素在科学研究上应用广泛，如测定分子结构、测定反应机理等。

①若用绿色植物吸收14CO2，则14C的正确反应途径为

A CO2→叶绿素→ATP

B CO2→C3→C6H12O6

C CO2→C3→C5

D CO2→C5→C6H12O6

②若用N标记某氨基酸，则N出现部位先后应为

A 高尔基体→内质网→线粒体

B 核糖体→内质网→高尔基体

C 细胞核→信使RNA→转运RNA

D 核糖体→细胞核→染色体

【参考答案】

一．1．C 2．B、C 3．D 4．D 5．B 6．D 7．C 8．D 9．B

二．19826年

三．R＝4×10－14m

四．1．14C元素属于第二周期，第ⅣA族，14C原子有8个中子，4个价电子2．这些骨笛是在8996～8595年前制造。3．新石器时代4．空气柱5．f＝415Hz。

五．1．27

13Al＋4

2

He→30

15

P＋1

n 与普通化学方程式的区别是：普通化学反应原子核

不变，而核反应过程中原子核发生了变化。2．30

15P→30

14

Si＋0

1

e 3．放射性同位素的

应用主要分两类：一是利用它的射线，二是做示踪原子。例如，利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼或裂纹，这叫γ射线探伤。在农业施肥的肥料中加一些放射性同位素，就会知道哪种农作物在什么季节最能吸收含哪种元素的肥料。另外，在生物学研究方面，同位素示踪技术也起着十分重要的作用。

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六．1．X射线、紫外线、γ射线阴级射线、α射线、中子流2．产生机理：不同电磁波产生机理不同，紫外线是原子外层电子受到激发后产生的，伦琴射线是原子内层电子受激发后产生的，γ射线是原子核受激发后产生的。3．α粒子散射现象：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子却发生了较大偏转，并且有极少数α粒子的偏转超过了90°，有的甚至达到180°。4．中子流5．核子同位素6．①B ②B

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