2026届高三物理一轮复习课件第15章原子结构和波粒二象性原子核第3讲天然放射现象、核反应、核能

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第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
1.天然放射现象(1)天然放射现象。放射性元素自发地发出射线的现象,首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。(2)三种射线。
1.原子核的衰变原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的现象。可分为α衰变、β衰变,并伴随着γ射线放出。2.半衰期(1)定义:放射性元素的原子核有半数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内部自身的因素决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
3.放射性同位素的应用与防护(1)放射性同位素:具有放射性的同位素叫放射性同位素。(2)应用。①利用射线:利用α射线具有很强的电离作用,可以消除有害静电,适用于火警报警器;利用γ射线具有很强的穿透能力,工业上用来探伤。②作示踪原子:同位素具有相同的化学性质,可用放射性同位素代替非放射性同位素作示踪原子。(3)防护。辐射对人体组织是有伤害作用的,应用于农业生产和诊断疾病时,要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染。
追本溯源通过阅读教材说出放射性元素的衰变与原子核的人工转变有哪些不同和相同之处。提示 衰变是原子核的自发变化,而人工转变是人工控制的原子核的变化。它们在发生的过程中电荷数和质量数都守恒。
2.结合能(1)结合能:核子结合为原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫作原子核的结合能。 (2)比结合能。①定义:原子核的结合能与核子数之比,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大,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。3.质量亏损爱因斯坦质能方程E=mc2 。原子核的质量必然比组成它的核子的质量之和要小Δm,这就是质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能ΔE=Δmc2 。  
1.重核裂变(1)定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程。
(3)链式反应:由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代接一代继续下去的过程。(4)临界体积和临界质量:核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作临界体积,相应的质量叫作临界质量。
(5)裂变的应用:原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层等。
2.轻核聚变(1)定义:两个轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程。
追本溯源在核反应堆中,用什么方法控制核裂变的速度?提示 用控制棒(镉棒)来控制反应速度,若反应过于激烈,将控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些。
1.思考判断(1)天然放射现象的发现揭示了原子的核式结构。(　　)(2)核反应遵循质量数守恒和电荷数守恒。(　　)(3)三种射线,按穿透能力由强到弱的排列顺序是γ射线、β射线、α射线。(　　)(4)放射性元素发生一次β衰变,原子序数增加1。(　　)(5)目前核电站多数是采用核聚变反应发电。(　　)
2.(多选) 下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有(　　)
3.关于放射性同位素的应用,下列说法错误的是(　　)A.放射性同位素的应用主要有三类:射线的应用、示踪原子的应用、半衰期的应用B.利用γ射线来检查金属内部的伤痕,即γ探伤是应用了γ射线的电离能力C.在半导体制造工作中利用示踪原子探测杂质在半导体内的扩散情况D.可以利用放射性衰变的半衰期来推断地层或古代文物的年代
解析:工业上是利用γ射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的,B错误。通过阅读教材可知A、C、D都正确。
整合构建1.衰变规律及实质(1)α衰变、β衰变的比较。
(2)γ射线:γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中,产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。
式中N0、m0表示衰变前放射性元素的原子数和质量,N、m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。半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,个别原子核经多长时间衰变无法预测,对个别或极少数原子核,无半衰期可言。
考向1 原子核衰变次数的确定
方法归纳为了确定衰变次数,一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数,这是因为β衰变的次数对质量数没有影响,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。
考向2 半衰期的理解与应用【典例2】 (2021·全国卷Ⅰ)医学治疗中常用放射性核素113In产生γ射线,而113In是由半衰期相对较长的113Sn衰变产生的。对于质量为m0的113Sn,经过时间t后剩余的113Sn质量为m,其 图线如图所示。从图中可以得到113Sn的半衰期为(　　)A.67.3 dB.101.0 dC.115.1 dD.124.9 d
整合构建1.核反应的四种类型
2.核反应方程的书写及理解
(2)掌握核反应方程遵守的规律,是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据,由于核反应不可逆,所以书写核反应方程式时只能用“→”表示反应方向。(3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。(4)生成物中有α粒子的不一定是α衰变,生成物中有β粒子的不一定是β衰变,衰变、裂变、聚变需认清其特点。
3.有关核反应方程的题型(1)判断核反应的生成物。(2)判断反应类型。(3)判断反应是否成立。
(1)____________是发现中子的核反应方程,____________是研究原子弹的基本核反应方程,____________是研究氢弹的基本核反应方程。 (2)B项中X的质量数为____________,中子数为____________。 
解析:(1)D为查德威克发现中子的核反应方程;B是研究原子弹的基本核反应方程;A是研究氢弹的基本核反应方程;C是一种衰变反应。(2)X的质量数为(235+1)-(89+3)=144X的质子数为92-36=56X的中子数为144-56=88。
规律总结1.核反应的四种类型:衰变、人工转变、裂变和聚变。2.核反应过程一般是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向,不能用等号连接。3.核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据两个守恒规律凭空杜撰。4.核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒。
训练突破2.关于核衰变和核反应的类型,下列表述正确的有(　　)
整合构建计算核能的几种方法(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。总之,关于结合能(核能)的计算,应根据题目的具体情况合理选择核能的求解方法,且计算时要注意各量的单位。
(1)写出核反应方程。(2)求镭核衰变放出的能量。(3)若镭核衰变前静止,且衰变放出的能量均转变为氡核和放出的粒子的动能,求放出粒子的动能。
3.(2023·全国乙卷)2022年10月,全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴,其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断,该伽马射线暴在1 min内释放的能量量级为1048 J。假设释放的能量来自物质质量的减少,则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)(　　)A.1019 kgB.1024 kgC.1029 kgD.1034 kg