选择性必修三 · 第5章 原子核

物理观念

• 建立原子核由质子和中子组成、核子间通过核力结合的物质观念；理解质能关系，认识核反应中巨大能量的来源

科学思维

• 会比较α、β、γ三种射线的本质和性质，能判断其在电场/磁场中的偏转
• 会根据质量数守恒、电荷数守恒配平核反应方程、判断未知粒子
• 会用半衰期做剩余量的半定量计算；会用ΔE=Δmc²计算核反应释放能量
• 能比较裂变与聚变的条件、特点及利用方式

科学态度与责任

• 了解我国"两弹一艇"、秦山/大亚湾核电站、"人造太阳"EAST等成就；树立核安全、辐射防护与和平利用核能的社会责任意识

本章物理模型清单

1. 原子核组成模型（Z个质子+N个中子，A=Z+N）
2. 半衰期统计模型（大量原子核半数衰变的时间）
3. 质能方程模型（ΔE=Δmc²）
4. 链式反应模型（中子增殖与临界体积）

• 天然放射现象（贝克勒尔1896年发现，居里夫妇深入研究）：铀、钋、镭等元素能自发放出看不见的射线，这种性质叫放射性。放射现象与元素的化学状态、温度、压强无关，是原子核内部自发的变化——说明原子核有内部结构、可以再分。
• 三种射线在电场/磁场中可分开：γ不偏转（不带电），α、β偏转方向相反，且β弯曲更厉害（β粒子质量小）。

衰变与半衰期

• α衰变：放出氦核，原子核电荷数减2、质量数减4，如 ²³⁸₉₂U→²³⁴₉₀Th+⁴₂He；
• β衰变：核内一个中子变成一个质子和一个电子（n→p+⁰₋₁e），电荷数加1、质量数不变，如 ²³⁴₉₀Th→²³⁴₉₁Pa+⁰₋₁e；γ射线常伴随放出。
• 半衰期τ：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。经过n个半衰期：

• 原子核的组成：由质子和中子组成，统称核子。质子 ¹₁H（电荷数1，质量数1）；中子 ¹₀n（不带电，质量数1）。
  • 电荷数Z=质子数=核外电子数（中性原子）=元素周期表序数；
  • 质量数A=核子数=质子数Z+中子数N；记作 ᴬ_ZX（如 ²³⁵₉₂U）；
  • 同位素：质子数相同、中子数不同的核素（如 ²³⁵U与²³⁸U、¹H/²H/³H），化学性质相同而核性质不同。
• 核力：把核子紧紧束缚在核内的力，是强相互作用；特点：①短程力，作用范围约10⁻¹⁵m，超过即急剧减为零；②很强，远大于质子间的库仑斥力才能使核稳定；③只发生在相邻核子间（饱和性）；④与核子是否带电无关。
• 结合能与质量亏损：把原子核拆成自由核子（或自由核子结合成核）需要吸收（或释放）的能量叫结合能。核子结合成原子核时总质量减小，减小的质量叫质量亏损Δm，由质能方程：

• 比结合能（平均结合能）=结合能/核子数，越大核越稳定。

• 原子核在其他粒子轰击下产生新原子核的过程叫核反应（卢瑟福用α粒子轰击氮首次实现人工转变并发现质子：¹⁴₇N+⁴₂He→¹⁷₈O+¹₁H；查德威克发现中子：⁹₄Be+⁴₂He→¹²₆C+¹₀n）。
• 配平依据（两条守恒）：

典型方程（会配平、会判断反应类型）

核裂变

• 重核（²³⁵U）俘获中子后分裂成几个中等质量核，同时放出2~3个中子和巨大能量（每个铀核裂变约释放200MeV）。
• 链式反应：裂变放出的中子再轰击其他铀核，使裂变自行持续。条件：铀块体积（或质量）≥临界体积（临界质量），中子增殖系数≥1；²³⁵U易被慢中子裂变，快中子效率低。
• 核电站：可控链式反应。反应堆核心部件——核燃料（浓缩铀棒）、减速剂（石墨/重水/普通水，使快中子减速成慢中子）、控制棒（镉棒，吸收中子，插入深浅调节反应速度，紧急插入可停堆）、冷却剂（把热量带出烧水产生蒸汽推动汽轮发电机）、防护层。

核聚变

• 轻核结合成质量较大的核（如氘²₁H+氚³₁H→氦⁴₂He+中子），单位质量燃料释放能量比裂变更大，且燃料（海水中的氘）几乎取之不尽、放射性废物少。
• 聚变需极高温度（上亿摄氏度，使核克服库仑斥力接近到核力作用范围），又叫热核反应；太阳及其他恒星的能量、氢弹（不可控聚变，用裂变弹引爆）都来自聚变。
• 可控核聚变难题是高温等离子体的约束（磁约束如我国全超导托卡马克"人造太阳"EAST、惯性约束激光）；实现商用将带来清洁、近乎无限的能源。

放射性的应用与防护

• 应用：γ探伤、放射治疗（杀灭癌细胞）、示踪原子（追踪药物/管道泄漏）、辐射育种、碳-14考古测年、烟雾报警器（α源电离空气）。
• 防护：射线会电离活细胞造成损伤，应尽量缩短接触时间、增大距离、用铅板/混凝土屏蔽；核废料需妥善封存；防止放射性物质泄漏污染（日本核污染水问题）。核能利用必须把安全放在首位。

逻辑主线

原子核自发放出α/β/γ（天然放射性）→ 核由质子中子组成、核力维系 → 核子结合有质量亏损ΔE=Δmc²、中等核最稳定 → 重核裂变（链式反应/核电站）与轻核聚变（热核反应/人造太阳）都放能 → 方程配平靠质量数+电荷数守恒

必背清单

1. α=氦核（电离强穿透弱）；β=电子；γ=电磁波（穿透最强）
2. 半衰期N=N₀(½)^(t/τ)，统计规律、与外界条件无关
3. A=Z+N；符号ᴬ_ZX；同位素Z同N异
4. 核力：强、短程、饱和、与电荷无关
5. ΔE=Δmc²；比结合能中等核最大
6. 配平：质量数守恒+电荷数守恒
7. 裂变需中子+临界体积（减速剂/控制棒）；聚变需高温（磁约束EAST）

人类认识与利用原子核的历程

1. 关键科学史

• 1896贝克勒尔发现天然放射性；居里夫妇发现钋、镭；卢瑟福提出α/β/γ分类及半衰期概念；
• 1919卢瑟福α轰击氮首次人工核转变、发现质子；1932查德威克α轰击铍发现中子，原子核"质子+中子"结构确立；
• 1938哈恩等发现铀裂变；1942年费米建成首个可控核反应堆；我国1964年第一颗原子弹、1967年第一颗氢弹爆炸，秦山核电站1991年并网，EAST（合肥）多次创造亿度级高温运行世界纪录。

2. 探究方法：云室/乳胶与计数器

威尔逊云室中射线使过饱和蒸气电离，离子成为凝结核形成可见雾滴径迹：α粒子质量大不易偏、径迹直而粗；β粒子质量小、径迹细且弯曲；γ电离本领弱通常不直接留下径迹。盖革-米勒计数器利用射线电离气体产生脉冲电流计数（只计数、不能区分射线种类）。

3. 半衰期模拟实验（统计思想）

用大量相同硬币（或骰子）模拟：每轮将所有硬币抛掷，"国徽朝上"者视为衰变移除，统计每轮剩余数。由于单枚硬币朝向随机、无法预测，但大量硬币每轮约剩一半，得到类似半衰期的指数曲线，帮助理解"统计规律只适用于大量事件、不能预言个别核"。