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最新高考物理二轮复习课件：选修3-5 第3讲 原子核
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这是一份最新高考物理二轮复习课件：选修3-5 第3讲 原子核，共60页。PPT课件主要包含了贝可勒尔，原子核，示踪原子，三种射线的比较，中性原子的核外电子数，核子数，质量数，α粒子，电荷数，邻近的核子等内容，欢迎下载使用。
【知识梳理自查】一、放射现象、原子核的组成、衰变1.天然放射现象:(1)天然放射现象:放射性元素_____地放出射线的现象,首先由_________发现。天然放射现象的发现,说明_______具有复杂的结构。放出的射线有α射线、β射线、γ射线3种。
(2)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素:有_____放射性同位素和_____放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。②应用:工业测厚、放射治疗、作为_________等。③防护:防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害。
3.原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为_____。质子带正电,中子不带电。(2)基本关系①核电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=_____________________。②质量数(A)=_______=质子数+中子数。(3)X元素的原子核的符号为 ,其中A表示_______,Z表示核电荷数。
4.放射性元素的衰变、半衰期:(1)原子核的衰变:①原子核放出_______或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。②规律:_______和_______都守恒。③分类:α衰变 ,例 β衰变 ,例
(2)半衰期①定义:放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间。②影响因素:放射性元素衰变的快慢是由核_____自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件_____关系。③公式:
【情境转换】 地球的年龄到底有多大,科学家利用天然放射性元素的衰变规律,通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定,推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半。铀238衰变后形成铅206,铀238的相对含量随时间变化规律如图所示,图中N为铀238的原子数,N0为铀和铅的原子总数,由此可以判断出地球的年龄大致为多少年?提示:地球的年龄大致为45亿年。
二、核力、核能、核反应1.核力:(1)定义:原子核内部_____间特有的相互作用力。(2)核力的特点①是强相互作用的一种表现;②是_____力,作用范围在1.5×10-15 m之内;③每个核子只跟___________发生核力作用。
2.结合能:原子核是核子凭借_____结合在一起构成的,要将它们分开,需要_____能量,这些能量就是原子核的结合能。3.比结合能:(1)定义:原子核的结合能与_______之比,称作比结合能,也叫平均结合能。(2)特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越___,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
4.爱因斯坦质能方程:物体的能量和它的质量一一对应,即_____。5.质量亏损:(1)原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。质量亏损表明,原子核的结合能是的确存在的。(2)由质量亏损可求出核反应中释放的核能ΔE=_____。(3)碳原子质量的 叫作原子质量单位,用u表示,表达原子核的质量时经常用u作单位,1 u相当于931 MeV。
三、重核裂变和轻核聚变1.重核裂变:(1)定义:质量数较___的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较___的原子核的过程。(2)特点①裂变过程中_______巨大能量。②裂变的同时能够释放出2～3(或更多)个_____。③裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小。
(3)典型的裂变反应方程(4)链式反应:由重核裂变产生的_____使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(5)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生_________的最小体积及其相应的质量。(6)裂变的应用:_______、核反应堆。(7)反应堆构造:核燃料、慢化剂、_____、防护层。
2.轻核聚变:(1)定义:两轻核结合成质量_____的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫_____反应。(2)特点:①产能效率高;②燃料的储量丰富;③安全、清洁。(3)典型的聚变反应方程
【小题速诊速纠】1.判一判(1)β射线中的电子来源于原子核外电子。( )(2)γ射线的穿透能力最强。( )(3)目前核电站多数是采用核聚变反应发电。( )(4)人造放射性同位素被广泛地应用。( )(5)核力是弱相互作用力。( )(6)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。( )(7)质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。( )答案:(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)×
2.练一练(1)如图所示,放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是( ) A.①表示γ射线,③表示α射线B.②表示β射线,③表示α射线C.④表示α射线,⑤表示γ射线D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
【解析】选C。γ射线为电磁波,不带电,在电场、磁场中均不偏转,故②和⑤表示γ射线;α射线中的α粒子为氦原子核,带正电,在匀强电场中,沿电场方向偏转,故③表示α射线,由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏,故④表示α射线;β射线带负电,同理可以分析①和⑥表示β射线,C正确,A、B、D错误。
(2)中国是核电产能第九大国家,其中在运核电站47座。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )【解析】选A。重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成几个中等质量的原子核,A是裂变反应,选项A正确;B为β衰变,C是发现质子的反应,D是α衰变,都不是核电站获取核能的基本核反应方程,选项B、C、D错误。
考点1 原子核的衰变、半衰期(c)【要点融会贯通】1.α衰变和β衰变:
2.半衰期:(1)半衰期的计算:根据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原 ,m余=m原 。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期。(2)半衰期的理解:半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。(3)适用条件:半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。
【典例考题研析】【典例1】一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为 ,下列说法正确的是( )A. 衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
【解析】选B。根据动量守恒定律可知衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小,B正确;根据Ek= 可知衰变后钍核的动能小于α粒子的动能,A错误;半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间,C项错误,衰变后质量亏损,因此α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量,D项错误。
【精练题组通关】1.(2020·金丽衢模拟)下列说法正确的是( )A.放射性元素的半衰期与外界压强、温度和原子的化学状态有关B.电磁波能发生干涉、衍射现象和多普勒效应,但不能发生偏振现象C.在LC振荡电路中,当回路中的电流最大时,电容器中的电场能最小D.根据不确定性关系ΔxΔp≥ ,微观粒子的动量或位置不能确定
【解析】选C。放射性元素的半衰期与外界压强、温度和原子的化学状态均无关,选项A错误; 电磁波能发生干涉、衍射现象和多普勒效应,电磁波是横波,也能发生偏振现象,选项B错误; 在LC振荡电路中,当回路中的电流最大时,线圈中的磁场能最大,电容器中的电场能最小,选项C正确; 根据不确定性关系ΔxΔp≥ ,微观粒子的动量或位置不能同时确定,选项D错误。
2.在匀强磁场中,有一个原来静止的 原子核,它放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆,圆的直径之比为7∶1,那么碳14的衰变方程为( )
【解析】选D。由动量守恒定律可知,放出的粒子与反冲核动量大小相等、方向相反,由在磁场中两圆径迹内切可知,粒子与反冲核的电性相反,则知粒子带负电,所以该衰变为β衰变。,由两圆直径之比为7∶1和R= 可知,反冲核的电荷量是粒子的7倍,故选项D正确。
【加固训练】 氡222是一种天然放射性气体,被吸入后,会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是 +____________。已知 的半衰期约为3.8天,则约经过________天,16 g的 衰变后还剩1 g。
【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可知空内应填 (或α),根据m=m0 ,解得t=3.8×4天=15.2天。答案： 或α 15.2
考点2 核反应的分类与核反应方程(c)【要点融会贯通】 核反应的四种类型
【典例考题研析】 【典例2】在下列描述的核反应的方程中,属于α衰变的是________,属于β衰变的是__________,属于裂变的是________,属于聚变的是________。(填正确答案标号)
【解析】原子核发生α衰变会产生一个新核和 ,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产生一个新核和 ,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。答案:C A、B E F
【精练题组通关】1.(多选)(2020·嘉兴模拟)在下列核反应方程中,X代表质子的方程是( )【解析】选B、C。根据核反应的质量数和电荷数相等可知,A中X代表中子 ;B中X代表质子 ;C中X代表质子 ;D中X代表氘核 ,故选B、C。
2.现在的工业生产中,为保证产品质量,经常使用β射线测重仪测量产品的规格,下列核反应方程中属于β衰变的是( )【解析】选B。A项是轻核聚变的核反应方程,未生成电子,不符合题意;B项是天然放射的核反应方程,生成电子,属于β衰变,符合题意;C项是发现质子的核反应方程,未生成电子,不符合题意;D项是天然放射的核反应方程,未生成电子,不符合题意。
考点3 质能方程和核能(c)【要点融会贯通】 1.质能方程的理解:(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。
2.计算核能的四种方法:(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。(3)根据平均结合能来计算核能:原子核的结合能=平均结合能×核子数。(4)有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算,此时应注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用。3.利用质能方程计算核能时,不能用质量数代替质量进行计算。
【典例考题研析】【典例3】在某些恒星内部,3个氦核 结合成1个碳核 。已知1个氦核的质量为m1,1个碳核的质量为m2,1个质子的质量为mp,1个中子的质量为mn,真空中的光速为c。(1)写出核反应方程。(2)求核反应的质量亏损。(3)求碳核的比结合能。
【解题思路】按以下思路进行分析
【解析】(1)依题意,核反应方程式为: 。(2)核反应的质量亏损为3m1-m2。(3)由碳核的组成可知,碳核是由6个质子与6个中子组成,根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2可知,6个质子和6个中子结合成碳核释放的能量ΔE=(6mp+6mn-m2)c2。所以碳核的比结合能为:
答案:(1) (2)3m1-m2(3)
【精练题组通关】1.(易错专练:裂变反应和核能的计算)(多选)(2020·浙江7月选考真题)太阳辐射的总功率约为4×1026 W,其辐射的能量来自聚变反应。在聚变反应中,一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核 和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核 结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核 ,并放出一个X粒子,同时释放大约17.6 MeV的能量。下列说法正确的是( )
A.X粒子是质子B.X粒子的质量为939.6 MeV/c2C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kgD.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2
【解析】选B、C。由质量数和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子,选项A错误;根据能量关系可知mn=(1 876.1+2 809.5-3 728.4-17.6) MeV/c2=939.6 MeV/c2,选项B正确;太阳每秒放出的能量E=Pt=4×1026 J,损失的质量Δm= kg≈4.4×109 kg,选项C正确;因为E=4×1026 J= eV=2.5×1045 eV=2.5×1039MeV,则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm= =2.5×1039 MeV/c2,选项D错误。
2.钚的放射性同位素 静止时衰变为铀核激发态 、α粒子,而铀核激发态 立即衰变为铀核 ,并放出能量为0.097 MeV的γ光子。已知: 、 和α粒子的质量分别为mPu=239.052 1 u、mU=235.043 9 u和mα=4.002 6 u,1 u=931.5 MeV/c2。(1)写出衰变方程;(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略,求α粒子的动能。
【解析】(1)衰变方程为 ① ②或合起来有 ③(2)上述衰变过程的质量亏损为Δm=mPu-mU-mα④放出的能量为ΔE=Δm·c2⑤ΔE是铀核 的动能EU、α粒子的动能Eα和γ光子的能量Eγ之和,ΔE=EU+Eα+Eγ⑥
可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ⑦设衰变后的铀核和α粒子的速度分别为vU和vα,则由动量守恒有mUvU=mαvα⑧又由动能的定义知EU= ,Eα= ⑨由⑧⑨式得 ⑩由⑦⑩式得Eα= [(mPu-mU-mα)c2-Eγ]代入题给数据得Eα=5.034 MeV答案:(1) (2)5.034 MeV
三十五 原 子 核(建议用时25分钟)【基础练】1.(2020·浙江1月选考)下列说法正确的是( )A.α射线的穿透能力比γ射线强B.天然放射现象说明原子具有复杂的结构C.核聚变中平均每个核子放出的能量比裂变中平均每个核子的小D.半衰期跟放射性元素以单质或化合物形式存在无关
【解析】选D。α射线的电离作用最强,穿透能力最弱,γ射线穿透能力最强,电离作用最弱,选项A错误;天然放射现象说明原子核内部还有复杂结构,选项B错误;核聚变中平均每个核子释放的核能远大于裂变中平均每个核子释放的核能,选项C错误;半衰期是原子核内部自身因素决定的,与原子所处的化学状态和外部条件均没有关系,选项D正确。
2.如图所示为查德威克发现中子的实验示意图,利用钋 衰变放出的α粒子轰击铍 产生的粒子P能将石蜡中的质子打出来,下列说法正确的是( )
A.α粒子是氦原子B.粒子Q的穿透能力比粒子P的强C.钋的α衰变方程为 D.α粒子轰击铍的核反应方程为
【解析】选D。α粒子是氦原子核,选项A错误;粒子P是中子,粒子Q是质子,由于质子带正电,当质子射入物体时,受到的库仑力作用会阻碍质子的运动,而中子不带电,不受库仑力作用,所以选项B错误;在钋衰变中,根据质量数守恒知产生的是 并非 ,选项C错误; 是查德威克发现中子的核反应方程,选项D正确。
3.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的有( )
【解析】选A、B、C。核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程,氢原子核聚变为氦原子核,故A正确;β衰变是核自发地放出电子,故B正确;核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化,质量非常大的原子核才能发生核裂变,故C正确;α衰变放出的是氦原子核,D项中反应是核裂变反应,故D错误。
4.在我们的生活中,日常用品、装饰材料、周围的岩石、食盐、香烟等都不同程度地含有放射性元素。其中香烟中含有钋 ,具有放射性,其衰变方程为 半衰期为138天,则下列说法正确的是( )A.该衰变中释放出的α射线的穿透能力强于γ射线的穿透能力B.钋 衰变过程中会释放出能量C.质量为m的钋核经过276天,剩余的钋核的质量为 D.若采用提高温度的方法,可以改变钋 的半衰期
【解析】选B。α射线的穿透能力弱于γ射线的穿透能力,A错误;钋 衰变过程中产生质量亏损,根据质能方程可知,会释放能量,B正确;质量为m的钋核经过276天,两个半衰期,每经过一个半衰期质量变为原来的一半,所以经过两个半衰期质量变为原来的 ,C错误;半衰期不会随着温度的改变而改变,D错误。
5.(多选)钚的一种同位素 衰变时释放巨大能量,如图所示,其衰变方程为 +γ,则( )A.核反应中γ射线的能量就是 的结合能B.核燃料总是利用比结合能小的核C. 核比 核更稳定,说明 的结合能大D.由于衰变时释放巨大能量,所以 比 的比结合能小
【解析】选B、D。核反应中γ射线的能量是核由高能态跃迁至低能态产生的光子的能量,选项A错误;比结合能越小,原子核越不稳定,故核燃料总是利用比结合能小的核,选项B正确 核比 核更稳定,说明 的比结合能大,所以 衰变时会释放出巨大的能量,选项C错误,D正确。
6.(多选)(2020·金华模拟)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3 ”的化学元素,这是热核聚变的重要原料。科学家初步估计月球上至少有100万吨“氦3 ”,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的能源。关于“氦3 ”与氘核的聚变,下列说法中正确的是( )A.核反应方程为 B.核反应生成物的质量将大于反应物质量C.“氦3 ”一个核子的结合能大于“氦4 ”一个核子的结合能D.“氦3 ”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量
【解析】选A、D。A选项中的核反应方程就是 和 的核聚变方程,在生成 和 的同时释放大量的能量,故A正确;由于核反应的过程中释放大量的能量,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可知生成物的质量小于反应物的质量,故B错误;质量中等的核的比结合能最大,故使重核裂变为两个质量中等的核或使轻核聚变,都可使核更为稳定并放出能量,故一个生成物核子的结合能大于一个反应物的核子的结合能,故C错误、D正确。故选A、D。
7.(多选)(2017·浙江11月选考真题)下列说法正确的是( )A.核聚变反应方程可能为 B.铀核裂变的核反应方程可能为 C.发生β衰变时原子核放出电子,说明电子是原子核的组成部分D.中子和质子结合成氘核,若该过程质量亏损为Δm,则氘核的结合能为Δmc2
【解析】选B、D。核聚变方程为 ,A错误;根据核裂变反应式进行配平可知,B正确;β衰变时原子核内部中子衰变为质子时释放出电子,并不是原子核内部存在电子,C错误;根据质能方程可知质量亏损Δm,氘核的结合能为Δmc2,D正确。
8.(多选)(2020·绍兴模拟)不同的原子核,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系。下列说法正确的是( )A.原子核A的比结合能比原子核B和C的比结合能要大B.原子核D和E聚变成原子核F时有质量亏损,要放出能量C.原子核A裂变成原子核B和C时有质量亏损,要放出能量D.原子核A裂变成原子核B和C时亏损的质量转化成能量
【解析】选B、C。原子核的平均核子质量越小则越不容易分裂,则比结合能越大,因此原子核A的比结合能比原子核B和C的比结合能要小,故A错误;由图象可知,D和E核子的平均质量大于F核子的平均质量,原子核D和E聚变成原子核F时,核子总质量减小,有质量亏损,要释放出核能,故B正确;由图象可知,A的核子平均质量大于B与C的核子平均质量,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能,但不是质量转化为能量,故C正确,D错误。
【提升练】9.(2020·绍兴模拟)国家大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。已知 的质量为2.013 6 u， 的质量为3.015 0 u， 的质量为1. 007 3 u， 的质量为1.008 7u,1 u=931.5 MeV/c2,下列说法中正确的是( )A.两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是质子B.两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是正电子C.该核反应过程中释放出的能量为3.3 MeVD.该核反应过程中释放出的能量为0.93 MeV
【解析】选C。因氘核聚变的核反应方程为 两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是中子,选项A、B错误;核反应过程中的质量亏损为Δm=2mH-(mHe+mn)=0.003 5 u,释放的核能为ΔE=Δmc2=3.3 MeV,选项C正确,D错误。
10.(多选)(2019·浙江4月选考真题)静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y。已知核X的质量数为A,电荷数为Z,核X、核Y和α粒子的质量分别为mX、mY和mα,α粒子在磁场中运动的半径为R。则( )A.衰变方程可表示为 B.核Y的结合能为(mX-mY-mα)c2C.核Y在磁场中运动的半径为 D.核Y的动能为EkY=
【知识梳理自查】一、放射现象、原子核的组成、衰变1.天然放射现象:(1)天然放射现象:放射性元素_____地放出射线的现象,首先由_________发现。天然放射现象的发现,说明_______具有复杂的结构。放出的射线有α射线、β射线、γ射线3种。
(2)放射性同位素的应用与防护①放射性同位素:有_____放射性同位素和_____放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。②应用:工业测厚、放射治疗、作为_________等。③防护:防止放射性物质对环境的污染和对人体组织的伤害。
3.原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为_____。质子带正电,中子不带电。(2)基本关系①核电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=_____________________。②质量数(A)=_______=质子数+中子数。(3)X元素的原子核的符号为 ,其中A表示_______,Z表示核电荷数。
4.放射性元素的衰变、半衰期:(1)原子核的衰变:①原子核放出_______或β粒子,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。②规律:_______和_______都守恒。③分类:α衰变 ,例 β衰变 ,例
(2)半衰期①定义:放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间。②影响因素:放射性元素衰变的快慢是由核_____自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件_____关系。③公式:
【情境转换】 地球的年龄到底有多大,科学家利用天然放射性元素的衰变规律,通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定,推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半。铀238衰变后形成铅206,铀238的相对含量随时间变化规律如图所示,图中N为铀238的原子数,N0为铀和铅的原子总数,由此可以判断出地球的年龄大致为多少年?提示:地球的年龄大致为45亿年。
二、核力、核能、核反应1.核力:(1)定义:原子核内部_____间特有的相互作用力。(2)核力的特点①是强相互作用的一种表现;②是_____力,作用范围在1.5×10-15 m之内;③每个核子只跟___________发生核力作用。
2.结合能:原子核是核子凭借_____结合在一起构成的,要将它们分开,需要_____能量,这些能量就是原子核的结合能。3.比结合能:(1)定义:原子核的结合能与_______之比,称作比结合能,也叫平均结合能。(2)特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结合能越___,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
4.爱因斯坦质能方程:物体的能量和它的质量一一对应,即_____。5.质量亏损:(1)原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。质量亏损表明,原子核的结合能是的确存在的。(2)由质量亏损可求出核反应中释放的核能ΔE=_____。(3)碳原子质量的 叫作原子质量单位,用u表示,表达原子核的质量时经常用u作单位,1 u相当于931 MeV。
三、重核裂变和轻核聚变1.重核裂变:(1)定义:质量数较___的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较___的原子核的过程。(2)特点①裂变过程中_______巨大能量。②裂变的同时能够释放出2～3(或更多)个_____。③裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小。
(3)典型的裂变反应方程(4)链式反应:由重核裂变产生的_____使裂变反应一代接一代继续下去的过程。(5)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生_________的最小体积及其相应的质量。(6)裂变的应用:_______、核反应堆。(7)反应堆构造:核燃料、慢化剂、_____、防护层。
2.轻核聚变:(1)定义:两轻核结合成质量_____的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫_____反应。(2)特点:①产能效率高;②燃料的储量丰富;③安全、清洁。(3)典型的聚变反应方程
【小题速诊速纠】1.判一判(1)β射线中的电子来源于原子核外电子。( )(2)γ射线的穿透能力最强。( )(3)目前核电站多数是采用核聚变反应发电。( )(4)人造放射性同位素被广泛地应用。( )(5)核力是弱相互作用力。( )(6)质能方程表明在一定条件下,质量可以转化为能量。( )(7)质量亏损说明在核反应过程中质量数不守恒。( )答案:(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)×
2.练一练(1)如图所示,放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是( ) A.①表示γ射线,③表示α射线B.②表示β射线,③表示α射线C.④表示α射线,⑤表示γ射线D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
【解析】选C。γ射线为电磁波,不带电,在电场、磁场中均不偏转,故②和⑤表示γ射线;α射线中的α粒子为氦原子核,带正电,在匀强电场中,沿电场方向偏转,故③表示α射线,由左手定则可知在匀强磁场中α射线向左偏,故④表示α射线;β射线带负电,同理可以分析①和⑥表示β射线,C正确,A、B、D错误。
(2)中国是核电产能第九大国家,其中在运核电站47座。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )【解析】选A。重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成几个中等质量的原子核,A是裂变反应,选项A正确;B为β衰变,C是发现质子的反应,D是α衰变,都不是核电站获取核能的基本核反应方程,选项B、C、D错误。
考点1 原子核的衰变、半衰期(c)【要点融会贯通】1.α衰变和β衰变:
2.半衰期:(1)半衰期的计算:根据半衰期的概念,可总结出公式N余=N原 ,m余=m原 。式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,τ表示半衰期。(2)半衰期的理解:半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。(3)适用条件:半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。
【典例考题研析】【典例1】一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为 ,下列说法正确的是( )A. 衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
【解析】选B。根据动量守恒定律可知衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小,B正确;根据Ek= 可知衰变后钍核的动能小于α粒子的动能,A错误;半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间,C项错误,衰变后质量亏损,因此α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量,D项错误。
【精练题组通关】1.(2020·金丽衢模拟)下列说法正确的是( )A.放射性元素的半衰期与外界压强、温度和原子的化学状态有关B.电磁波能发生干涉、衍射现象和多普勒效应,但不能发生偏振现象C.在LC振荡电路中,当回路中的电流最大时,电容器中的电场能最小D.根据不确定性关系ΔxΔp≥ ,微观粒子的动量或位置不能确定
【解析】选C。放射性元素的半衰期与外界压强、温度和原子的化学状态均无关,选项A错误; 电磁波能发生干涉、衍射现象和多普勒效应,电磁波是横波,也能发生偏振现象,选项B错误; 在LC振荡电路中,当回路中的电流最大时,线圈中的磁场能最大,电容器中的电场能最小,选项C正确; 根据不确定性关系ΔxΔp≥ ,微观粒子的动量或位置不能同时确定,选项D错误。
2.在匀强磁场中,有一个原来静止的 原子核,它放出的粒子与反冲核的径迹是两个相内切的圆,圆的直径之比为7∶1,那么碳14的衰变方程为( )
【解析】选D。由动量守恒定律可知,放出的粒子与反冲核动量大小相等、方向相反,由在磁场中两圆径迹内切可知,粒子与反冲核的电性相反,则知粒子带负电,所以该衰变为β衰变。,由两圆直径之比为7∶1和R= 可知,反冲核的电荷量是粒子的7倍,故选项D正确。
【加固训练】 氡222是一种天然放射性气体,被吸入后,会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是 +____________。已知 的半衰期约为3.8天,则约经过________天,16 g的 衰变后还剩1 g。
【解析】根据质量数守恒和电荷数守恒可知空内应填 (或α),根据m=m0 ,解得t=3.8×4天=15.2天。答案： 或α 15.2
考点2 核反应的分类与核反应方程(c)【要点融会贯通】 核反应的四种类型
【典例考题研析】 【典例2】在下列描述的核反应的方程中,属于α衰变的是________,属于β衰变的是__________,属于裂变的是________,属于聚变的是________。(填正确答案标号)
【解析】原子核发生α衰变会产生一个新核和 ,所以选项C是α衰变;原子核发生β衰变会产生一个新核和 ,所以A、B选项为β衰变;重核被轰击后,发生裂变会产生几个质量差不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所以选项F为核聚变。答案:C A、B E F
【精练题组通关】1.(多选)(2020·嘉兴模拟)在下列核反应方程中,X代表质子的方程是( )【解析】选B、C。根据核反应的质量数和电荷数相等可知,A中X代表中子 ;B中X代表质子 ;C中X代表质子 ;D中X代表氘核 ,故选B、C。
2.现在的工业生产中,为保证产品质量,经常使用β射线测重仪测量产品的规格,下列核反应方程中属于β衰变的是( )【解析】选B。A项是轻核聚变的核反应方程,未生成电子,不符合题意;B项是天然放射的核反应方程,生成电子,属于β衰变,符合题意;C项是发现质子的核反应方程,未生成电子,不符合题意;D项是天然放射的核反应方程,未生成电子,不符合题意。
考点3 质能方程和核能(c)【要点融会贯通】 1.质能方程的理解:(1)一定的能量和一定的质量相联系,物体的总能量和它的质量成正比,即E=mc2。方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质量也增大;物体的能量减少,质量也减少。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm,其能量也要相应减少,即ΔE=Δmc2。(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加Δm,吸收的能量为ΔE=Δmc2。
2.计算核能的四种方法:(1)根据ΔE=Δmc2计算,计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE=Δm×931.5 MeV计算。因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量,所以计算时Δm的单位是“u”,ΔE的单位是“MeV”。(3)根据平均结合能来计算核能:原子核的结合能=平均结合能×核子数。(4)有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算,此时应注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用。3.利用质能方程计算核能时,不能用质量数代替质量进行计算。
【典例考题研析】【典例3】在某些恒星内部,3个氦核 结合成1个碳核 。已知1个氦核的质量为m1,1个碳核的质量为m2,1个质子的质量为mp,1个中子的质量为mn,真空中的光速为c。(1)写出核反应方程。(2)求核反应的质量亏损。(3)求碳核的比结合能。
【解题思路】按以下思路进行分析
【解析】(1)依题意,核反应方程式为: 。(2)核反应的质量亏损为3m1-m2。(3)由碳核的组成可知,碳核是由6个质子与6个中子组成,根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2可知,6个质子和6个中子结合成碳核释放的能量ΔE=(6mp+6mn-m2)c2。所以碳核的比结合能为:
答案:(1) (2)3m1-m2(3)
【精练题组通关】1.(易错专练:裂变反应和核能的计算)(多选)(2020·浙江7月选考真题)太阳辐射的总功率约为4×1026 W,其辐射的能量来自聚变反应。在聚变反应中,一个质量为1 876.1 MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核 和一个质量为2 809.5 MeV/c2的氚核 结合为一个质量为3 728.4 MeV/c2的氦核 ,并放出一个X粒子,同时释放大约17.6 MeV的能量。下列说法正确的是( )
A.X粒子是质子B.X粒子的质量为939.6 MeV/c2C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109 kgD.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6 MeV/c2
【解析】选B、C。由质量数和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X为中子,选项A错误;根据能量关系可知mn=(1 876.1+2 809.5-3 728.4-17.6) MeV/c2=939.6 MeV/c2,选项B正确;太阳每秒放出的能量E=Pt=4×1026 J,损失的质量Δm= kg≈4.4×109 kg,选项C正确;因为E=4×1026 J= eV=2.5×1045 eV=2.5×1039MeV,则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm= =2.5×1039 MeV/c2,选项D错误。
2.钚的放射性同位素 静止时衰变为铀核激发态 、α粒子,而铀核激发态 立即衰变为铀核 ,并放出能量为0.097 MeV的γ光子。已知: 、 和α粒子的质量分别为mPu=239.052 1 u、mU=235.043 9 u和mα=4.002 6 u,1 u=931.5 MeV/c2。(1)写出衰变方程;(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略,求α粒子的动能。
【解析】(1)衰变方程为 ① ②或合起来有 ③(2)上述衰变过程的质量亏损为Δm=mPu-mU-mα④放出的能量为ΔE=Δm·c2⑤ΔE是铀核 的动能EU、α粒子的动能Eα和γ光子的能量Eγ之和,ΔE=EU+Eα+Eγ⑥
可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ⑦设衰变后的铀核和α粒子的速度分别为vU和vα,则由动量守恒有mUvU=mαvα⑧又由动能的定义知EU= ,Eα= ⑨由⑧⑨式得 ⑩由⑦⑩式得Eα= [(mPu-mU-mα)c2-Eγ]代入题给数据得Eα=5.034 MeV答案:(1) (2)5.034 MeV
三十五 原 子 核(建议用时25分钟)【基础练】1.(2020·浙江1月选考)下列说法正确的是( )A.α射线的穿透能力比γ射线强B.天然放射现象说明原子具有复杂的结构C.核聚变中平均每个核子放出的能量比裂变中平均每个核子的小D.半衰期跟放射性元素以单质或化合物形式存在无关
【解析】选D。α射线的电离作用最强,穿透能力最弱,γ射线穿透能力最强,电离作用最弱,选项A错误;天然放射现象说明原子核内部还有复杂结构,选项B错误;核聚变中平均每个核子释放的核能远大于裂变中平均每个核子释放的核能,选项C错误;半衰期是原子核内部自身因素决定的,与原子所处的化学状态和外部条件均没有关系,选项D正确。
2.如图所示为查德威克发现中子的实验示意图,利用钋 衰变放出的α粒子轰击铍 产生的粒子P能将石蜡中的质子打出来,下列说法正确的是( )
A.α粒子是氦原子B.粒子Q的穿透能力比粒子P的强C.钋的α衰变方程为 D.α粒子轰击铍的核反应方程为
【解析】选D。α粒子是氦原子核,选项A错误;粒子P是中子,粒子Q是质子,由于质子带正电,当质子射入物体时,受到的库仑力作用会阻碍质子的运动,而中子不带电,不受库仑力作用,所以选项B错误;在钋衰变中,根据质量数守恒知产生的是 并非 ,选项C错误; 是查德威克发现中子的核反应方程,选项D正确。
3.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的有( )
【解析】选A、B、C。核聚变的过程与核裂变相反,是几个原子核聚合成一个原子核的过程,氢原子核聚变为氦原子核,故A正确;β衰变是核自发地放出电子,故B正确;核裂变是一个原子核分裂成几个原子核的变化,质量非常大的原子核才能发生核裂变,故C正确;α衰变放出的是氦原子核,D项中反应是核裂变反应,故D错误。
4.在我们的生活中,日常用品、装饰材料、周围的岩石、食盐、香烟等都不同程度地含有放射性元素。其中香烟中含有钋 ,具有放射性,其衰变方程为 半衰期为138天,则下列说法正确的是( )A.该衰变中释放出的α射线的穿透能力强于γ射线的穿透能力B.钋 衰变过程中会释放出能量C.质量为m的钋核经过276天,剩余的钋核的质量为 D.若采用提高温度的方法,可以改变钋 的半衰期
【解析】选B。α射线的穿透能力弱于γ射线的穿透能力,A错误;钋 衰变过程中产生质量亏损,根据质能方程可知,会释放能量,B正确;质量为m的钋核经过276天,两个半衰期,每经过一个半衰期质量变为原来的一半,所以经过两个半衰期质量变为原来的 ,C错误;半衰期不会随着温度的改变而改变,D错误。
5.(多选)钚的一种同位素 衰变时释放巨大能量,如图所示,其衰变方程为 +γ,则( )A.核反应中γ射线的能量就是 的结合能B.核燃料总是利用比结合能小的核C. 核比 核更稳定,说明 的结合能大D.由于衰变时释放巨大能量,所以 比 的比结合能小
【解析】选B、D。核反应中γ射线的能量是核由高能态跃迁至低能态产生的光子的能量,选项A错误;比结合能越小,原子核越不稳定,故核燃料总是利用比结合能小的核,选项B正确 核比 核更稳定,说明 的比结合能大,所以 衰变时会释放出巨大的能量,选项C错误,D正确。
6.(多选)(2020·金华模拟)月球土壤里大量存在着一种叫作“氦3 ”的化学元素,这是热核聚变的重要原料。科学家初步估计月球上至少有100万吨“氦3 ”,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的能源。关于“氦3 ”与氘核的聚变,下列说法中正确的是( )A.核反应方程为 B.核反应生成物的质量将大于反应物质量C.“氦3 ”一个核子的结合能大于“氦4 ”一个核子的结合能D.“氦3 ”的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量
【解析】选A、D。A选项中的核反应方程就是 和 的核聚变方程,在生成 和 的同时释放大量的能量,故A正确;由于核反应的过程中释放大量的能量,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可知生成物的质量小于反应物的质量,故B错误;质量中等的核的比结合能最大,故使重核裂变为两个质量中等的核或使轻核聚变,都可使核更为稳定并放出能量,故一个生成物核子的结合能大于一个反应物的核子的结合能,故C错误、D正确。故选A、D。
7.(多选)(2017·浙江11月选考真题)下列说法正确的是( )A.核聚变反应方程可能为 B.铀核裂变的核反应方程可能为 C.发生β衰变时原子核放出电子,说明电子是原子核的组成部分D.中子和质子结合成氘核,若该过程质量亏损为Δm,则氘核的结合能为Δmc2
【解析】选B、D。核聚变方程为 ,A错误;根据核裂变反应式进行配平可知,B正确;β衰变时原子核内部中子衰变为质子时释放出电子,并不是原子核内部存在电子,C错误;根据质能方程可知质量亏损Δm,氘核的结合能为Δmc2,D正确。
8.(多选)(2020·绍兴模拟)不同的原子核,其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系。下列说法正确的是( )A.原子核A的比结合能比原子核B和C的比结合能要大B.原子核D和E聚变成原子核F时有质量亏损,要放出能量C.原子核A裂变成原子核B和C时有质量亏损,要放出能量D.原子核A裂变成原子核B和C时亏损的质量转化成能量
【解析】选B、C。原子核的平均核子质量越小则越不容易分裂,则比结合能越大,因此原子核A的比结合能比原子核B和C的比结合能要小,故A错误;由图象可知,D和E核子的平均质量大于F核子的平均质量,原子核D和E聚变成原子核F时,核子总质量减小,有质量亏损,要释放出核能,故B正确;由图象可知,A的核子平均质量大于B与C的核子平均质量,原子核A裂变成原子核B和C时会有质量亏损,要放出核能,但不是质量转化为能量,故C正确,D错误。
【提升练】9.(2020·绍兴模拟)国家大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的能量用来发电。已知 的质量为2.013 6 u， 的质量为3.015 0 u， 的质量为1. 007 3 u， 的质量为1.008 7u,1 u=931.5 MeV/c2,下列说法中正确的是( )A.两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是质子B.两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是正电子C.该核反应过程中释放出的能量为3.3 MeVD.该核反应过程中释放出的能量为0.93 MeV
【解析】选C。因氘核聚变的核反应方程为 两个氘核聚变成一个 核的同时,产生的另一个粒子是中子,选项A、B错误;核反应过程中的质量亏损为Δm=2mH-(mHe+mn)=0.003 5 u,释放的核能为ΔE=Δmc2=3.3 MeV,选项C正确,D错误。
10.(多选)(2019·浙江4月选考真题)静止在匀强磁场中的原子核X发生α衰变后变成新原子核Y。已知核X的质量数为A,电荷数为Z,核X、核Y和α粒子的质量分别为mX、mY和mα,α粒子在磁场中运动的半径为R。则( )A.衰变方程可表示为 B.核Y的结合能为(mX-mY-mα)c2C.核Y在磁场中运动的半径为 D.核Y的动能为EkY=
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