(共59张PPT)
第五章 原子核
第1节 原子核的组成
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解什么是放射性和天然放射现象。 2.知道三种射线的本质,以及如何利用磁场区分它们。 3.了解原子核的组成,知道核子和同位素的概念。 4.知道质量数.电荷数和核子数之间的关系。 1.物理观念:知道天然放射现象及三种射线的本质,了解核子、同位素的基本观念，知道原子核的组成。
⒉科学思维:掌握三种射线的本质,能够利用磁场、电场区分它们,理解原子核的构成,并能分析、解决相关问题,提高解题能力。
3.科学探究:通过利用磁场探究三种射线的本质,学习用α粒子轰击原子核发现核子,体验科学探究的过程,提高观察与实验能力。
4.科学态度与责任:体会科学家们探索射线的艰辛,学习实事求是、不畏艰难的科学精神,增强探究科学的意识。
要点一 天然放射现象
如果一种元素具有________①，那么，无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
放射性
① 贝克勒尔因发现了物质的放射性而获得1903年诺贝尔物理学奖。放射性的发现具有什么重大意义
提示 它表明原子核具有复杂的结构,打开了人们认识原子核内部世界的大门,也就是说,人们认识原子核的结构是从天然放射现象开始的,它揭开了原子核物理的新篇章。
要点二 原子核的组成
质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且，都是原子核的组成成分，所以统称为核子。原子核的________②就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数，而原子核的________②就是核内的核子数。
电荷数
质量数
② 有同学认为“原子核的电荷数就是电荷量，原子核的质量数就是原子核的质量”，这种说法对吗？为什么？
提示 这种说法不对，原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数；原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作质量数。
1.对天然放射现象的认识
（1）1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。
（2）物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
（3）原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。
（4）元素的放射性与元素以单质还是化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响。
2.对核子数、电荷数、质量数的理解
（1）核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，质子数和中子数之和叫核子数。
（2）电荷数：原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫作原子核的电荷数。
（3）质量数：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫作原子核的质量数。
（4）基本关系：电荷数质子数=元素的原子序数＝核外电子数，质量数核子数=质子数+中子数。
探究点一 天然放射现象和三种射线
1. 如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。
（1） α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？
提示 说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。
（2） α粒子的速度约为β粒子的速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明了什么？
[答案] α粒子的速度小于β粒子的速度，根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式可知，α粒子的比荷比β粒子的比荷小。
1.三种射线的性质、特征比较
种类 α射线 β 射线 γ射线
组成 高速氦核流 高速电子流 光子流（高频电磁波）
带电荷量
质量 静止质量为零
速度
在电磁场中 偏转 与α射线偏转反向 不偏转
种类 α射线 β 射线 γ射线
贯穿本领 最弱用纸能挡住 较强穿透几毫米厚的铝板 最强穿透几厘米厚的铅板
对空气的电离作用 很强 较弱 很弱
在空气中的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长
通过胶片 感光 感光 感光
续表
2.三种射线在电场中和磁场中的偏转
（1）在匀强电场中：射线不发生偏转，做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，粒子的偏移大，如图所示。
粒子沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，位移可表示为，所以，在相同的条件下粒子与粒子偏移之比为。
（2）在匀强磁场中：射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，α粒子轨道半径大，如图所示。
根据得，所以，在同样条件下β与α粒子的轨道半径之比为。
3.元素的放射性
（1）一种元素的放射性与该元素是单质还是化合物无关，放射性的强度也不受温度、外界压强的影响，这就说明射线跟原子核外电子无关，仅与原子核有关。
（2）射线来自原子核，说明原子核内部是有结构的。
例 如图所示，是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，是厚纸板，是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的、两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达点的射线种类、到达点的射线种类应属于表中的( )
C
选项 磁场方向 到达点的射线 到达点的射线
竖直向上
竖直向下
垂直纸面向里
垂直纸面向外
[解析] 放射出来的射线共有、、三种，其中、射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，γ射线不偏转，故打在点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里，项正确。
解题感悟
三种射线的比较方法
（1）知道三种射线带电的性质，射线带正电、射线带负电、射线不带电。、射线是实物粒子流，而射线是光子流，属于电磁波的一种。
（2）在电场或磁场中，通过其受力来判断和射线偏转方向，由于射线不带电，故运动轨迹仍为直线。
（3）射线穿透能力较弱，射线穿透能力较强，射线穿透能力最强。
1. （多选）用如图的装置可以判定放射源发出射线的带电性质。两块平行金属板、垂直纸面竖直放置，从放射源上方小孔发出的射线竖直向上射向两极板间。当在两板间加上垂直纸面方向的匀强磁场时，射线的偏转方向如图所示。如撤去磁场，将、两板分别与直流电源的两极连接，射线的偏转也如图。则( )
A. 若磁场方向垂直纸面向里，则到达板的为带正电的粒子
B. 若磁场方向垂直纸面向外，则到达板的为带正电的粒子
C. 若接电源负极，则到达板的为带正电的粒子
D. 若接电源正极，则到达板的为带正电的粒子
AC
[解析] 若磁场方向垂直纸面向里，带正电的粒子在磁场中受到向左的洛伦兹力作用，向板偏转，项正确；若磁场方向垂直纸面向外，根据左手定则可知，带负电的粒子受到向左的洛伦兹力作用，向板偏转，项错误；若接电源负极，电场的方向向左，则到达板的为带正电的粒子，项正确；若接电源正极，电场的方向向右，则到达板的为带负电的粒子，项错误。
2. 在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是( )
A. 射线的贯穿作用 B. 射线的电离作用
C. 射线的贯穿作用 D. 射线的中和作用
B
[解析] 因射线的电离作用使空气电离，从而使带电体所带的电荷很快消失。
探究点二 原子核的组成
1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图
（1） 人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？
提示 说明质子是原子核的组成部分。
（2） 绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？
提示 说明原子核中除了质子外还有其他粒子。
1.质子的发现
2.中子的发现
3.原子核（符号）
4.同位素的理解
原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质。同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可能不同，所以它们的物理性质不同。
例 （2021吉林油田第十一中学高三月考）已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。试问：
（1） 镭原子核中质子数和中子数分别是多少？
[答案] ;
[解析] 因为原子序数与核内质子数、核电荷数都是相等的，原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。
镭原子核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数等于原子核的质量数与质子数之差，即。
（2） 镭原子核的核电荷数和所带电荷量是多少？
[答案] ;
[解析] 镭原子核的核电荷数为88，镭原子核所带电荷量。
（3） 若镭原子呈电中性，它核外有多少电子？
[答案]
[解析] 镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，故核外电子数为88。
解题感悟
原子核的“数”与“量”辨析
（1）核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。
（2）原子核的质量数与质量是不同的，原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
1. 在α粒子轰击金箔的散射实验中，α粒子可以表示为，中的4和2分别表示( )
A. 4为核子数，2为中子数
B. 4为质子数和中子数之和，2为质子数
C. 4为核外电子数，2为中子数
D. 4为中子数，2为质子数
B
[解析] 原子核的电荷数就是核内的质子数，原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即核内的核子数。符号的左下角表示的是质子数或核外电子数，符号左上角表示的是核子数。
2. （多选）下列说法正确的是( )
A. 与互为同位素
B. 与互为同位素
C. 与中子数相同
D. 内有92个质子，235个中子
BC
[解析] 与的质子数不同，不能互为同位素，项错误；与质子数都为，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素，项正确；内中子数为，内中子数为，所以中子数相同，项正确；核内有143个中子，项错误。
1. 一个原子核内的质子数、中子数、核子数分别为( )
A. 91 91 234 B. 143 91 234 C. 91 143 234 D. 234 91 143
C
[解析] 的质子数为91，核子数为234，中子数等于核子数减去质子数，即。
2. （多选）下列哪些现象能说明射线来自原子核( )
A. 三种射线的能量都很高
B. 放射性的强度不受温度、外界压强等条件的影响
C. 元素的放射性与所处的化学状态（单质、化合态）无关
D. α射线、β射线都是带电的粒子流
BC
[解析] 能说明射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关。
3. 下列说法正确的是( )
A. 质子和中子的质量不等，但质量数相同
B. 质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量总和
C. 同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同
D. 中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子和电子的总电荷量之和
A
[解析] 质子和中子的质量不同，但质量数相同，项正确；质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子数和中子数的总和，项错误；同一种元素的原子核有相同的质子数，但中子数可以不同，项错误；中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量之和，项错误。
4. 在贝克勒尔发现天然放射现象后，人们对射线的性质进行了深入的研究，发现、、射线的穿透本领不同。如图为这三种射线穿透能力的比较，图中射线①②③分别是( )
A. B. C. D.
C
[解析] α射线穿透能力最弱，不能穿透黑纸，故①为α射线，γ射线穿透能力最强，能穿透厚铝板和铅板，故③为γ射线，β射线穿透能力较强，能穿透黑纸，但不能穿透厚铝板，故②是β射线，故项正确。
威耳逊云室
由微观粒子组成的射线，肉眼是看不见的，但是射线中的粒子会与其他物质发生作用。比如，射线中的粒子会使气体或液体电离，或使照相底片感光，或使荧光物质产生荧光。这样通过观察射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，就会显示射线的存在。
射线中的粒子进入有饱和蒸气的装置中，使沿途的气体分子电离，过饱和蒸气会以这些离子为核心产生雾滴，于是在粒子所飞过的轨道上形成一条
狭窄的雾带状痕迹，这就是粒子的径迹，如果用很强的光从侧面照射，就能够看到这种痕迹，也可以用照相机把它拍下，这种装置是英国物理学家威耳逊在1912年发明的，叫作威耳逊云室。
（多选）威耳逊云室可用来探测射线的性质和种类，如果探测射线时观察到细长和弯曲的径迹，则下列说法正确的是( )
A. 可知有射线射入云室
B. 可知有射线射入云室
C. 观察到的是射线粒子的运动
D. 观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴
BD
[解析] 因为观察到威耳逊云室中存在细长和弯曲的径迹，可知是β射线的径迹，项错误，项正确；射线粒子的运动是观察不到的，观察到的是过饱和酒精蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴，项错误，项正确。
1. （2021北京第四十三中学高三期中）1896年法国物理学家贝克勒尔发现天然放射性现象；1897年，英国物理学家J·汤姆孙发现电子；1909年，英国物理学家卢瑟福指导学生进行粒子散射实验；1919年卢瑟福用镭放射出的粒子轰击氮原子核，发现了质子；1932年英国物理学家查德威克发现中子……人们对微观世界的探究一直在不停地深入。下列现象中，与原子核内部变化有关的是( )
A. 天然放射现象 B. 光电效应现象
C. 原子发光现象 D. α粒子散射现象
A
[解析] 天然放射现象是原子核内部发生变化自发地放射出粒子或电子；光电效应和原子发光没有涉及原子核的变化，而粒子散射实验只是表明了原子内部有一个很小的核。
2. 某种元素的原子核用表示，下列说法中正确的是( )
A. 原子核的质子数为，中子数为
B. 原子核的质子数为，中子数为
C. 原子核的质子数为，中子数为
D. 原子核的质子数为，中子数为
B
[解析] 根据原子核的符号的含义：表示质量数，表示质子数，则中子数为。
3. （多选）天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是
( )
A. 一张厚的黑纸能挡住射线，但不能挡住射线和射线
B. 用射线照射带负电的验电器，则验电器的张角会变大
C. 三种射线中对气体电离作用最强的是射线
D. 射线是电子流
ACD
[解析] 由三种射线的本质和特点可知，射线电离作用最强，穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，但挡不住射线和射线；射线不带电，不能使验电器的张角变大；射线是电子流。
4. 下列关于的叙述正确的是( )
A. 与互为同位素
B. 原子核内中子数为2
C. 原子核内质子数为2
D. 代表原子核内有2个质子和3个中子的氦原子核
C
[解析] 核内质子数为，核内质子数为1，两者质子数不等，不是同位素，项错误；原子核内中子数为1，项错误；代表原子核内有2个质子和1个中子的氦原子核，项正确，项错误。
5. 如图所示，为未知的放射源，为薄铝片，若在放射源和计数器之间加上后，计数器的计数率大幅度减小，在和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则可能是( )
A. 和的混合放射源 B. 纯放射源
C. 和的混合放射源 D. 纯放射源
C
[解析] 加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即粒子，再加竖直向下的匀强磁场，计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故有γ射线。
6. 某种元素具有多种同位素，反映这些同位素的质量数与中子数关系的是图( )
A.
B.
C.
D.
B
[解析] 同位素的质子数相同，中子数不同，而质量数等于质子数加中子数，设质子数为，则有，可知为一不过原点的倾斜直线。
7. 若用代表一个中性原子中核外的电子数，代表此原子的原子核内的质子数，代表此原子的原子核内的中子数，则对的原子来说
( )
A.
B.
C.
D.
B
[解析] 质量数=质子数+中子数，中性原子中的质子数=核外电子数。
8. 在茫茫宇宙间存在大量的宇宙射线，对宇航员构成了很大威胁，现有一束射线（含有三种射线）。
（1） 在不影响β和γ射线的情况下，如何用最简单的办法除去α射线。
[答案] 用一张纸挡在射线经过处
[解析] 可以利用三种射线的穿透能力不同来解决。由于α粒子的穿透性很弱，所以用一张纸放在射线经过处，即可除去α射线。
（2） 余下这束β和γ射线经过一个使它们分开的磁场区域，画出β和γ射线在进入如图所示磁场区域后轨迹的示意图。
[答案] 见解析
[解析] γ射线不带电，垂直磁场进入磁场中不会受到洛伦兹力，故不偏转。由左手定则可判断出β射线进入磁场中时受竖直向上的洛伦兹力。轨迹示意图如图所示。
9. 以下说法正确的是( )
A. 为氡核，由此可知，氡核的质量数为86，氡核的质子数为222
B. 为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C. 同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D. 同一元素的两种同位素具有不同的中子数
D
[解析] 氡核的质量数为222，质子数为86，项错误；铍核的质量数为9，中子数为5，所以项错误；由于质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素，即它们的质量数不同，因而项错误，项正确。
10. （2021吉林长春第一中学高二月考）下列关于原子核的相关说法中正确的是( )
A. 天然放射现象的发现说明了原子核是可以再分的
B. 原子核的电荷数不是它的电荷量，但质量数是它的质量
C. 卢瑟福通过实验发现了质子和中子
D. 原子核的核内有90个中子
A
[解析] 天然放射现象中，原子核发生衰变，生成新核，因此说明了原子核可以再分，故项正确；原子核的电荷数不是它的电荷量，质量数也不是它的质量，故项错误；
卢瑟福发现的质子，查德威克发现的中子，故项错误；原子核的质子数为90，中子数为144，故项错误。
11. 如图所示，放射性元素镭衰变过程中释放出三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是 ( )
A. ①表示射线，③表示射线
B. 表示射线，③表示射线
C. ④表示射线，⑤表示射线
D. 表示射线，⑥表示射线
C
[解析] 射线为电磁波，在电场、磁场中均不偏转，故②和⑤表示射线，、、项错；射线中的粒子为氦的原子核，带正电，在匀强电场中，沿电场方向偏转，故③表示射线，由左手定则可知在匀强磁场中射线向左偏，故④表示射线，项正确。
12. （多选）以下说法中正确的是( )
A. 原子中含有带负电的电子，所以原子带负电
B. 原子核中的质子数一定跟核外电子数相等
C. 用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子，因此人们断定质子是原子核的组成部分
D. 绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于核电荷数跟质子数之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子
CD
[解析] 原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故项错；对于原子来说，中性原子核的质子数才跟核外电子数相等，当原子得失电子成为离子时，质子数与核外电子数不再相等，项不正确；正是由用α粒子轰击氮原子核的实验发现了质子，项正确；项显然正确。
13. 如图所示，天然放射性元素，放出三种射线同时射入互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，射入时速度方向和电场、磁场方向都垂直，进入场区后发现射线和射线都沿直线前进，则α射线( )
A. 向右偏 B. 向左偏
C. 直线前进 D. 无法判断
A
[解析] 射线不带电，故在电、磁场中不偏转，射线不偏转是因为电场力与洛伦兹力是一对平衡力，故即，而射线的速度比射线小，因此射线受向右的电场力远大于向左的洛伦兹力，故射线向右偏，项正确。
14. （★）质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，粒子源产生的各种不同正粒子束（速度可看成为零），经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片上，设粒子在上的位置到入口处的距离为。
（1） 设粒子质量为、电荷量为、加速电压为、磁感应强度大小为，求的大小；
[答案]
[解析] 粒子在电场中被加速时，由动能定理有
进入磁场后，洛伦兹力提供向心力，，又，
由以上三式得
（2） 氢的三种同位素、、从粒子源出发，到达照相底片的位置距入口处的距离之比为多少？
[答案]
[解析] 氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3，由（1）结果知，(共83张PPT)
第五章 原子核
第2节 放射性元素的衰变
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解衰变的概念，知道衰变时质量数和电荷数都守恒。知道衰变和衰变的规律及实质，并能熟练书写衰变方程。 2.知道半衰期及其统计意义，学会利用半衰期解决相关问题。 3.知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程。 1.物理观念：知道衰变、半衰期及原子核衰变的规律，了解核反应及放射性同位素应用的基本观念和相关实验证据。
2.科学思维：理解原子核的衰变规律及半衰期的计算方法，掌握核反应方程的写法与放射性同位素的应用，培养分析、推理能力。
课标解读 课标要求 素养要求
4.了解放射性同位素及其应用，知道射线的危害和防护。 5.了解放射性同位素带来的辐射与安全问题。 3.科学探究：通过学习科学家对放射性元素衰变的探究，学会观察和思考，提高科学探究的能力。
4.科学态度与责任：坚持实事求是的科学态度，体验科学家探索科学规律的艰辛，激发学习兴趣。
续表
要点一 原子核的衰变
原子核自发地放出粒子或粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的______①。原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
衰变
要点二 半衰期
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的________②。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。
半衰期
①
（1） 原子核发生衰变时放出的粒子是电子，可知原子核内一定存在着电子，这种说法对吗？为什么？
提示不对。原子核内并不含电子，但在一定条件下，一个中子可以转化成一个质子和一个电子，粒子（电子）是由原子核内的中子转化而来。
（2） 放射性元素能不能一次衰变同时产生射线和射线？射线又是怎样产生的？
提示一次衰变只能是衰变或衰变，不能同时发生衰变和衰变。放射性元素的原子核在发生衰变、衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出光子。
② 某放射性元素的半衰期为4天，若有10个这样的原子核，经过4天后还剩5个，这种说法对吗？
提示 半衰期是放射性元素的大量原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对。
1.两种衰变
（1）衰变：原子核放出粒子的衰变。放出一个粒子，质量数减少4，电荷数减少2，的衰变方程：。
（2）衰变：原子核放出粒子的衰变。放出一个电子后，质量数不变，电荷数增加1，的衰变方程：。
2.半衰期的理解
（1）不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。
（2）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无关。
（3）半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。
探究点一 原子核的衰变
如图为衰变、衰变示意图
（1） 当原子核发生衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？
提示发生一次衰变，质子数减少2，中子数减少2。
（2） 当发生衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？
提示发生一次衰变，核电荷数增加1。新核在元素周期表中的位置向后移动一位。
1.衰变实质
（1）衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，反应方程为。
（2）衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即粒子放射出来，反应方程为。
2.衰变规律
原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数、质量数、动量、能量守恒。
3.衰变方程通式
（1）衰变：。
（2）衰变：。
4.确定原子核衰变次数的方法与技巧
（1）方法：设放射性元素经过次衰变和次衰变后，变成稳定的新元素，则衰变方程为：。根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程，，，联立解得，。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。
（2）技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数（这是因为衰变的次数多少对质量数没有影响），然后根据衰变规律确定衰变的次数。
例 （2021四川泸县一中月考）一个核衰变为一个核的过程中，发生了次衰变和次衰变，则、的值分别为( )
A. 8、6 B. 6、8 C. 4、8 D. 8、4
A
[解析] 在衰变的过程中，每发生一次衰变电荷数少2，质量数少4，在β衰变的过程中，每发生一次β衰变，电荷数多1，有，解得，，故项正确。
解题感悟
衰变次数的判断技巧
（1）衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
（2）每发生一次衰变质子数、中子数均减少2。
（3）每发生一次衰变中子数减少1，质子数增加1。
1. （2021陕西西安一中高三调研）衰变产生新核（钍核），钍核具有放射性，钍核衰变后产生新核（镤核），从 衰变为 ，共经历了( )
A. 2次衰变 B. 2次衰变
C. 1次衰变，1次衰变 D. 2次衰变，1次衰变
C
[解析] 原子核每发生一次衰变质子数减少2，质量数减少4；原子核每发生一次衰变，质子数加1，质量数不变。由 衰变为 ，质量数减少4，可知发生了一次 衰变，质子数减少了2，实际发生的衰变是质子数减少了1，因此又发生1次衰变。
探究点二 半衰期的理解及有关计算
如图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。纵坐标表示的是任意时刻氡的质量与时的质量的比值。
（1） 每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的多少？
提示由示意图可看出，每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的。
（2） 从图中可以看出，经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少？
提示经过两个半衰期未衰变的原子核还有。
（3） 对于某个或选定的几个氡原子核能根据它的半衰期预测它的衰变时间吗？
提示 半衰期是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间。
1.半衰期的物理意义：
表示放射性元素衰变的快慢。
2.半衰期公式：
，，式中、表示衰变前的原子数和质量，、表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，表示衰变时间，表示半衰期。
3.适用条件：
半衰期是一个统计概念，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，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核。
4.应用：
利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等。
例 （2021北京西城第四十三中学高三期中）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，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现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，图中为铀238的原子数，为铀和铅的总原子数。由此可以判断出( )
C
A. 铀238的半衰期为90亿年
B. 地球的年龄大致为90亿年
C. 被测定的岩石样品在90亿年时，铀、铅原子数之比约为
D. 根据铀半衰期可知，20个铀原子核经过一个半衰期后就剩下10个铀原子核
[解析] 由于测定出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时的一半，由图像可知对应的时间是45亿年，即地球年龄大约为45亿年，铀238的半衰期为45亿年，故、两项错误；由图像知，90亿年对应的，设铅原子的数目为，则，所以，即90亿年时的铀、铅原子数之比为，故正确；铀的半衰期是大量铀核衰变的统计规律，对少量的原子核不成立，故错误。
解题感悟
半衰期理解的两个误区
（1）错误地认为半衰期就是一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历的时间，其实半衰期是大量的原子核发生衰变时的统计规律。
（2）错误地认为放射性元素的半衰期就是元素质量减少为原来一半所需要的时间，该观点混淆了尚未发生衰变的放射性元素的质量与衰变后元素的质量的差别，其实衰变后的质量包括衰变后新元素的质量和尚未发生衰变的元素质量两部分。
1. 新发现的一种放射性元素，它的氧化物的半衰期为8天，与发生化学反应之后，的半衰期为( )
A. 2天 B. 4天 C. 8天 D. 16天
C
[解析] 放射性元素的衰变快慢由原子核内部的自身因素决定，与原子的化学状态无关。
2. （2021陕西安康高三联考）已知 的半衰期为 ，则 的 经过时间 后还剩 的 ，则 为( )
A. B. C. D.
D
[解析] 根据，代入数据得，解得。
探究点三 核反应及核反应方程
如图所示为粒子轰击氮原子核示意图。
（1） 充入氮气前荧光屏上看不到闪光，而充入氮气后荧光屏上看到了闪光，说明了什么问题？
提示 充入氮气后，产生了新粒子。
（2） 原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律？
提示 质量数与电荷数都守恒，动量守恒。
（3） 如何实现原子核的人工转变？
提示人为地用粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核，可以实现原子核的转变。
核反应的理解
内容 说明
核反应的条件 用粒子、质子、中子，甚至用光子轰击原子核使原子核发生转变
核反应的规律 质量数守恒，电荷数守恒
原子核人工转变的三大发现 1919年卢瑟福发现质子，核反应方程为
内容 说明 原子核人工转变的三大发现 1932年查德威克发现中子，核反应方程为 1934年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，核反应方程为 ； 人工转变与衰变的比较 相同点 人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒
不同点 人工转变是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生；而衰变是原子核的自发变化，它不受物理、化学条件的影响
续表
例 （2021江西玉山樟村中学高三月考）卢瑟福用 粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程 中，元素 和数值 、 、 的组合正确的是( )
A. 、7、17、1 B. 、8、17、1
C. 、6、16、1 D. 、7、17、2
A
[解析] 氮原子核，则；发现质子，说明，由质量数与电荷数守恒得， ，则 是氧，则卢瑟福用 粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程是 。
解题感悟
写核反应方程时应注意的三点
（1）核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。
（2）核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。
（3）核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。
1. 中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素 。制取过程如下：
（1）用质子轰击铍靶 产生快中子；
（2）用快中子轰击汞 ，反应过程可能有两种：
①生成 ，放出氦原子核；
②生成 ，放出质子、中子；
（3）生成的 发生两次 衰变，变成稳定的原子核汞 。
写出上述核反应方程式。
（5）号元素为 ，79号元素为 ，80号元素为 ）
[答案] 根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程
（1）
（2）①
②
（3）
探究点四 放射性同位素的应用
如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置，假如放射源能放射出、、三种射线。
（1） 根据设计，该生产线压制的是厚的铝板，那么是三种射线中的哪种射线对控制厚度起主要作用？
提示射线不能穿过厚的铝板，射线又很容易穿过厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响，而射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的射线的强度发生较明显变化，所以是射线对控制厚度起主要作用。
（2） 当探测接收器单位时间内接收的放射性粒子的个数超过标准值时，将如何调整两个轧辊间的距离？
提示 若超过标准值，说明铝板太薄了，应将两个轧辊间的距离调节得大些。
1.放射性同位素的分类
（1）天然放射性同位素。
（2）人工放射性同位素。
2.放射性同位素的主要应用
（1）利用它的射线：
①射线测厚仪：利用射线的穿透特性。
②放射治疗：利用射线的高能量治疗癌症。
③培优、保鲜：利用射线使种子的遗传基因发生变异，培育新的品种；照射食品杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。
（2）作为示踪原子：把放射性同位素原子通过物理或化学反应的方式掺到其他物质中，然后用探测仪进行追踪，确定其位置。
3.辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
例 （多选）关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A. 放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的
B. 利用射线的贯穿性可以为金属探伤
C. 用放射线照射农作物种子能使其发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D. 用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
BD
[解析] 利用放射线消除有害静电是利用射线的电离性，使空气分子电离，将静电泄出，项错误；利用射线的穿透性可以为金属探伤，射线对人体细胞伤害太大，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，、两项正确；变异并不一定都是有益的项错误。
解题感悟
放射性同位素的应用技巧
（1）用射线来测量厚度，一般不选取射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取射线，也有部分选取射线。
（2）给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取射线。
（3）使用放射线时安全是第一位的。
1. （多选）下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子( )
A. 射线探伤仪
B. 利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C. 利用钴60治疗肿瘤等疾病
D. 把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
BD
[解析] 探伤仪是利用了射线的穿透性，利用钴60治疗肿瘤是利用了射线的生物作用。
1. （2021四川泸州古蔺县中学高三一模）某原子核吸收一个氘核后，放出一个中子和一个粒子。由此可知( )
A. ， B. ，
C. ， D. ，
A
[解析] 核反应方程为，根据电荷数和质量数守恒得，。
2. 一块氡222放在天平的左盘时，需要在天平的右盘加砝码，天平才能处于平衡，氡222发生衰变，经过一个半衰期以后，欲使天平再次平衡，应从右盘中取出的砝码为( )
A. B. C. D.
D
[解析] 原有氡222共，经过一个半衰期后有氡发生衰变，其衰变方程为 ，但是衰变后生成的钋218还在左盘，也就是说，经过一个半衰期只有的粒子从左盘放射出去，因此欲使天平再次平衡，右盘中只需取出砝码，项正确。
3. （2021江苏启东月考）发生放射性衰变成为，半衰期约为5 730年。已知植物存活期间，其体内与的比例不变，生命活动结束后，的比例会持续减少。现测量某古木样品中的比例，发现正好是现代植物样品中比例的二分之一。则( )
A. 该古木生命活动结束的年代距今约为5 730年
B. 再过约5 730年，该样品中的 将全部衰变殆尽
C. 衰变为 的本质是
D. 改变样品测量环境的温度和压强，可以改变的衰变快慢
A
[解析] 设原来 的质量为 ，衰变后剩余质量为，则有，其中为经过半衰期的次数，由题意可知剩余质量为原来的，故，所以该古木生命活动结束的年代距今约为5 730年，故项正确；再过约5 730年，则又经过了一个半衰期，该样品中的的比例将变成现代植物样品中比例的，故项错误；衰变为的过程中质量数没有变化而核电荷数增加1，所以是其中的一个中子变成了一个质子和一个电子，所以放出射线，其衰变的本质为，故 项错误；放射元素的半衰期与物理环境以及化学环境无关，故项错误。
4. 正电子发射型计算机断层显像的基本原理是：将放射性同位素注入人体，参与人体的代谢过程。在人体内衰变放出正电子，与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像。根据原理，回答下列问题：
（1） 写出的衰变和正负电子湮灭的反应方程式。
①______________________________________________________________。
②________________________________________________________________。
（2） 将放射性同位素注入人体，的主要用途是( )
A. 利用它的射线 B. 作为示踪原子
C. 参与人体的代谢过程 D. 有氧呼吸
B
[解析] 将放射性同位素注入人体后，由于它能放出正电子，并能与人体内的负电子产生一对光子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，正确。
（3） 中所选的放射性同位素的半衰期应____。（填“长”“短”或“长短均可”）
短
[解析] 根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该短些。
两类衰变在磁场中的径迹模型
静止的原子核在磁场中发生衰变，其轨迹为两相切圆，衰变时两圆外切，衰变时两圆内切，根据和知，半径小的为新核，半径大的为粒子或粒子，其特点对比如表：
衰变 匀强磁场中轨迹 两圆外切，粒子半径大
衰变 匀强磁场中轨迹 两圆内切，粒子半径大
1. 一个原来静止的 原子核，辐射出粒子，它的两个产物在垂直于它们速度方向的匀强磁场中运动，它们的轨迹和运动方向（图中用箭头表示）可能是图中哪一个( )
A.
B.
C.
D.
D
[解析] 由于发生的是衰变，产物是两个带正电的粒子，根据知，这两个新核的运动方向相反，受到的洛伦兹力方向相反，即轨迹应该是外切圆，再利用左手定则，判断洛伦兹力方向，由知，项正确。
1. 一个放射性原子核，发生一次衰变，则它的( )
A. 质子减少一个，中子数不变 B. 质子增加一个，中子数不变
C. 质子增加一个，中子减少一个 D. 质子减少一个，中子增加一个
C
[解析] 衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子，故中子减少一个，而质子增加一个。
2. （2021辽宁辽阳高三期末）已知 的衰变方程为 ，半衰期为 年，则 和1克 经过 年后还剩下 的质量分别为
( )
A. 质子 克 B. 电子 克
C. 质子 克 D. 电子 克
B
[解析] 根据质量数和电荷数均守恒，可得为电子；1克经过一个半衰期后还剩半数，即还有克没有衰变。
3. （2021江苏如皋中学高二月考）（多选）一块含铀的矿石质量为，其中铀的质量为，铀发生一系列衰变后，最终生成物为铅。下列说法正确的是( )
A. 经过1个半衰期后，该矿石的质量剩下
B. 经过2个半衰期后，其中铀的质量还剩
C. 经过3个半衰期后，其中铀的质量还剩
D. 当环境温度升高时，铀衰变的速度不变
BD
[解析] 根据公式可确定剩余质量，半衰期与温度无关。
4. （2021云南昆明一中高三月考）1920年，卢瑟福在一次著名演讲中预言了中子的存在。卢瑟福的学生查德威克从1921年开始关于中子的实验探索，历经12年，终于在1932年发现了中子。查德威克发现中子的核反应方程式为，则的原子序数和质量数分别为( )
A. 5 10 B. 5 12 C. 6 11 D. 6 12
D
[解析] 根据质量数和电荷数守恒可知，。
5. （多选）一个质子以的速度撞一个孤立的静止铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核。已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列说法正确的是( )
核反应方程为
B. 核反应方程为
C. 硅原子核速度的数量级为
D. 硅原子核速度的数量级为
AD
[解析] 核反应方程为 ，质子和铝原子核碰撞过程动量守恒，由动量守恒定律可解得硅核的速度。
6. （2021福建福州民族中学高三月考）关于天然放射现象，以下叙述正确的是()
A. 若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小
B. 衰变所释放的电子是原子核外最外层电子逃逸出来的
C. 在、、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强
D. 铀核衰变为铅核的过程中，要经过8次衰变和10次衰变
C
[解析] 外部条件不会影响放射性元素的半衰期，项错误；衰变所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时放出的电子，项错误；在、、这三种射线中，射线的穿透能力最强，射线的电离能力最强，项正确；铀核衰变为铅核的过程中，设要经过次衰变和次衰变，则，，解得，，项错误。
7. 如图所示，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 ，那么碳14的衰变方程应为( )
A
B.
C.
D.
D
[解析] 静止的放射性原子核发生了衰变放出粒子后，新核的速度与粒子速度方向相反，放出的粒子与新核所受的洛伦兹力方向相同，根据左手定则判断出粒子与新核的电性相反，根据，因粒子和新核的动量大小相等，可由半径之比确定电荷量大小之比为，即可根据电荷数守恒及质量数守恒得出核反应方程式为项。
8. 元素周期表上已经列有超过110种不同的化学元素，各种元素所具有的各不相同的物理、化学性质，造就了我们这个多姿多彩、充满生命力的世界。例如， （读音： ）是第118号元素，是一种人工合成的稀有气体元素，是人类目前已合成的最重元素，这种元素具有放射性，其原子核经过 次 衰变后的产物为 （读音： ），的半衰期为 ，则下列说法正确的是( )
A. 衰变为时放出一个电子 B. 衰变的次数
C. 中子数比 的中子数多18
D. 经 时间，剩余物质的质量为
C
[解析] 衰变放出 粒子，故 项错误；衰变次数 ，故 项错误； 的中子数为 ，而 的中子数为 ， 中子数比 的中子数多 ，故 项正确；剩余的 的质量为 ，但衰变过程中会产生新核，故剩余物质的质量大于，故项错误。
9. 一小瓶内含有放射性同位素的溶液，它每分钟衰变6 000次。将它注射到一个病人的血液中，经过15小时，从病人身上取的血样，测得每分钟衰变2次。已知这种同位素的半衰期为5小时。试根据上述数据，计算人体血液的总体积。
[答案]
[解析] 设放射性同位素原有质量为，小时后剩余质量为，则
设取出的的血液中放射性同位素的质量为，人体内血液的总量为，如果认为血液中放射性的溶液是均匀分布的，则
因单位时间内衰变的数量与放射性物质的含量成正比，则
联立以上几式解得
10. （多选）钍 具有放射性，它能放出一个新的粒子而变为镤 ，同时伴随有 射线产生，其方程为 ，钍的半衰期为24天。则下列说法中正确的是( )
A. 为质子
B. 是钍核中的一个中子转化成一个质子时产生的
C. 射线是镤原子核放出的
D. 钍 经过120天后还剩
BC
[解析] 根据电荷数和质量数守恒知，钍核衰变过程中放出了一个电子，即为电子，项错误；发生衰变时释放的电子是由核内一个中子转化成一个质子时产生的，项正确；射线是镤原子核放出的，项正确；钍的半衰期为24天， 钍 经过120天即经过5个半衰期，故经过120天后还剩，项错误。
11. 2021年1月3日消息，诺贝尔官方称居里夫人的“笔记”仍具放射性，还将持续1500年。关于放射性元素、衰变和半衰期，下列说法正确的是
( )
A. 衰变成 要经过4次 衰变和3次衰变
B. 放射性元素的半衰期不仅与核内部自身因素有关，还与质量有关
C. 一个放射性原子核，发生一次衰变，则它质子数减少一个，中子数增加一个
D. 原子核衰变时满足电荷数和质量数守恒
D
[解析] 由于衰变一次质量数减少4，所以衰变的次数为，衰变的次数为，即 衰变成 要经过4次衰变和2次衰变，项错误；放射性元素的半衰期仅与核内部自身因素有关，与其他条件无关，项错误；衰变实质上是原子核内的一个中子变为一个质子，同时释放出一个电子的过程，所以发生一次衰变，则它质子数增加一个，中子数减少一个，项错误；原子核衰变时满足电荷数和质量数守恒，项正确。
12. （2021安徽蚌埠高三一模）下列核反应方程式中的粒子为中子的是
( )
A. B.
C. D.
D
[解析] 根据核反应方程式中质量数和电荷数守恒可确定各项中的。
13. 有甲、乙两种放射性元素，它们的半衰期分别是天，天，它们的质量分别为、，经过60天后这两种元素的质量相等，则它们原来的质量之比是( )
A. B. C. D.
B
[解析] 由可得：
解得，项正确。
14. 某校学生在进行社会综合实践活动时，收集列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射线（见表），并总结出它们的几种用途。
同位素 放射线 半衰期 同位素 放射线 半衰期
钋210 138天 锶99 28年
镅241 433天 锝99 6小时
钴60 5年 氡 天
根据表中数据请你分析判断下面结论正确的是( )
塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让较厚的聚乙烯膜通过轧辊后变薄，利用射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀
B. 钴60的半衰期为5年，若取4个钴60原子核，经10年后就一定剩下一个原子核
C. 把放射性元素钋210掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的半衰期变短
D. 用锝99可以作示踪原子，用来诊断人体内的器官是否正常。方法是给被检查者注射或口服附有放射性同位素的元素的某些物质，当这些物质的一部分到达要检查的器官时，可根据放射性同位素的射线情况分析器官正常与否
D
[解析] 因为射线不能穿透薄膜，无法测量薄膜的厚度，所以项错误；半衰期是对大量原子核的统计规律，对少数原子核不适用，且与元素所处的物理、化学状态无关，、两项错误；检查时，要在人体外探测到体内辐射出来的射线，而又不能让放射性物质长期留在体内，所以应选取锝99作为放射源，项正确。
15. 威耳逊云室是最早的带电粒子径迹探测器，进入云室的带电粒子会使云室中的气体电离，从而显示其轨迹。如图所示，云室中存在一个垂直于纸面向里的匀强磁场，某次对某原子核的衰变观察中，发现有两处运动轨迹，其中运动轨迹较大的如图中所示，若粒子在运动时，其质量和电荷量都不变，则下列说法正确的是( )
C
A. 粒子一定在接近处衰变
B. 该原子核发生的是衰变
C. 该粒子来自原子核内部
D. 该粒子的贯穿能力弱，可以用于治疗肿瘤
[解析] 由于粒子在运动过程中受气体的阻碍，所以运动的速度一定是越来越小的，由可知，该粒子运动的圆周轨道半径一定越来越小，故一定从处开始运动，项错误；由左手定则和曲线运动轨迹规律可判断，该粒子带负电，该原子核发生的是衰变，项错误；发生衰变反应时，由动量守恒定律，由，可知，运动轨迹较大的应为粒子，其是原子核内的中子转化为质子时放出的电子，项正确；粒子的贯穿能力大于粒子的贯穿能力，小于粒子的贯穿能力，不能用于治疗肿瘤，项错误。
16. （2021海南海口四中高三月考）（★）一个静止的铀核 放出一个粒子后衰变成钍核。
（1） 写出铀核的衰变反应方程；
[答案]
[解析] 根据电荷数和质量数守恒知，该衰变反应方程为
（2） 图中的轨迹哪个是粒子和哪个是钍核，并求出它们半径的比值；
[答案] 3 4
[解析] 因为两种产物都带正电，结合动量守恒和带电粒子在磁场中运动规律及左手定则可知，3是粒子，4是钍核，根据牛顿第二定律有，解得
粒子和钍核的动量相等，故半径之比等于电荷量的反比，故
（3） 若释放的核能全部转化为粒子和新核的动能，已知粒子的动能为，则在此衰变过程中释放的能量为多少？
[答案]
[解析] 系统动量守恒，钍核和粒子的动量大小相等，故动能之比等于质量的反比，即
，，，
根据能量守恒定律可得此衰变过程中释放的能量为
方法感悟 静止的核在磁场中发生衰变的几个规律
（1）衰变后轨迹为两相切圆，衰变时两圆外切，衰变时两圆内切。
（2）衰变后新核和粒子或粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力。
（3）衰变过程中满足动量守恒。(共72张PPT)
第五章 原子核
第3节 核力与结合能
课标解读 课标要求 素养要求
1.知道四种基本相互作用，了解核力的性质。 2.认识原子核的结合能和比结合能。 3.知道什么是质量亏损，能应用爱因斯坦质能方程进行计算。 1.物理观念：知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。
2.科学思维：理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。
3.科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。
4.科学态度与责任：学习科学家们严谨的科学态度，培养探索科学的兴趣和责任。
要点一 结合能
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的________①。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。
结合能
①
（1） 原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量，这种说法对吗？
[答案] 不对，原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要能量，叫结合能。
（2） 结合能越大的原子核越稳定吗？
[答案] 对于核子较多的原子核，其结合能大，但它的比结合能不一定大，比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。所以，比结合能的大小反映了原子核的稳定性。
要点二 质量亏损
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__________②。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。
质量亏损
② 用粒子轰击铍核发现中子的核反应方程为 ，对于该反应，某同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的，该同学说法对吗，为什么？
提示 该同学的说法错误，核反应过程中质量数守恒而不是质量守恒。
1.结合能的理解
（1）组成原子核的核子越多，结合能越高。
（2）结合能与核子数之比称作比结合能，比结合能越大，原子核越稳定。
（3）结合能通常只用在原子核中。
2.质量亏损的理解
（1）质量亏损并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
（2）质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。
（3）是核反应前与核反应后的质量之差。
探究点一 核力
1.四种基本相互作用的理解
（1）引力相互作用：引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。是引力使行星绕着恒星转，并且联系着星系团，决定着宇宙的现状。万有引力是长程力。
（2）电磁相互作用：电磁力在原子核外，电磁力使电子不脱离原子核而形成原子，使原子结合成分子，使分子结合成液体和固体，是长程力。
（3）强相互作用：在原子核内，将核子束缚在一起，是短程力。
（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更短，为，作用强度则比电磁力小。
2.核力的理解
（1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。
（2）核力是短程力，约在数量级时起作用，距离大于时为引力，距离小于时为斥力，距离为时核力几乎消失。
（3）核力具有饱和性。核子只跟相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
（4）核力与核子是否带电无关，质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用。
1. （多选）对核力的认识，下列说法正确的是( )
A. 任何核子之间均存在核力
B. 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
C. 核力只存在于质子之间
D. 核力只发生在相距为的核子之间，大于为吸引力，而小于为斥力
BD
[解析] 由核力的特点知道，核力的作用范围只有约，每个核子只跟邻近的核子发生，核力作用。
探究点二 结合能
如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的大致曲线。
（1） 从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比，比结合能有什么特点？比结合能的大小反映了什么？
[答案] 中等质量的原子核比结合能较大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性比结合能越大，原子核越稳定。
（2） 比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？
[答案] 释放能量。
1.结合能和比结合能的理解
（1）结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是将原子核的核子拆开时需要的能量。
（2）比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
2.比结合能与原子核稳定的关系
（1）比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。
（2）核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。
（3）当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
例 (多选)下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有( )
A. 核子结合成原子核时放出能量
B. 原子核拆解成核子时要吸收能量
C. 比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
D. 重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大
AB
[解析] 核子结合成原子核要放出能量，原子核拆解成核子要吸收能量，、两项正确；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核的大，但由于核子数比重核的少，其结合能比重核的小，、两项错误。
1. 关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A. 原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值
B. 原子核衰变成粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能
C. 铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能
D. 比结合能越大，原子核越不稳定
C
[解析] 原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故项错误；原子核衰变成粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故项错误；铯原子核的核子数小于铅原子核的核子数，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，故项正确；比结合能越大，原子核越稳定，故项错误。
探究点三 质量亏损和核能的计算
如图所示是两个核子数很小的轻核氘、氚结合成一个核子数大一些的氦核，原子核转变示意图如图。
（1） 在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？
[答案] 在核反应中，质量数、电荷数是守恒的。
（2） 在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？
[答案] 会发生变化，质量会减少。
1.质量亏损的理解
（1）在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。
（2）物体的质量应包括静止质量和运动质量。质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了，转化为和辐射能量相联系的运动质量。
（3）从质量亏损可知，质量是物体具有能量的多少及能量转化多少的一种量度。
2.质能方程的理解
（1）质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的。，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。
（2）根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写成。
3.核能的计算方法
（1）根据质量亏损计算
①根据爱因斯坦质能方程计算。其中的单位是千克，的单位是焦耳。
②利用原子质量单位和电子伏特计算。
1原子质量单位相当于的能量，，其中的单位为，的单位为。
（2）利用平均结合能来计算
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。
（3）利用核反应前后结合能之差来计算
核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法
（1）根据反应前后质量的变化情况进行判断：若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。
（2）根据动能变化判断：若不吸收光子而动能增加则放出能量。
例1 一个锂核受到一个质子的轰击，变成两个粒子。已知质子的质量是，锂核的质量是，氦核的质量是。
（1） 写出上述核反应的方程；
[答案]
[解析]
（2） 计算上述核反应释放出的能量。
[答案]
[解析] 核反应的质量亏损
代入数据得
释放的能量
例2 的质量是 ，质子的质量是，中子的质量为。（质量亏损相当于释放的能量）
（1） 一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？
[答案] 放出能量
[解析] 一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程为
反应前各核子总质量为
反应后新核的质量为
质量亏损为
因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量
释放的能量为
（2） 氚核的结合能和比结合能各是多少？
[答案]
[解析] 氚核的结合能为
它的比结合能为
解题感悟
核能的两种单位换算技巧
（1）若以为质量亏损的单位，则计算时应用公式，核能的单位为。
（2）若以原子质量单位“”为质量亏损的单位，则，核能的单位为。
（3）两种单位的换算：。
1. （2021天津河西高三期中）关于质能方程，下列说法正确的是( )
A. 质量和能量可以相互变化
B. 当物体向外释放能量为时，其质量必定增加，满足
C. 物体的核能可以用表示
D. 是物体所蕴藏能量的总和
D
[解析] 是物体所蕴藏能量的总和，不表示核能，质量和能量不能相互转化；当物体向外释放能量为时，其质量必定减少。
2. 雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测电子中微子所用的探测器的主体是一个贮满四氯乙烯溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为 ，已知 核的质量为 ， 核的质量为 ， 的质量为 , 质量对应的能量为 。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量约为( )
B
A. B.
C. D.
[解析] 根据1原子质量单位相当于的能量，则。
1. （2021江苏南通海安中学高三月考）下列关于核力与核能的说法正确的是( )
A. 核力是强相互作用的一种表现，任意两个核子之间都存在核力作用
B. 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
C. 核力是引起原子核衰变的原因
D. 原子核中所有核子单独存在时的质量总和等于该原子核的总质量
B
[解析] 核力是强相互作用的一种表现，但是力的作用范围很小，每个核子只对相邻的核子有作用，项错误；原子核的稳定程度由比结合能决定，比结合能越大，原子核越稳定，项正确；引起原子核发生β衰变的原因是弱相互作用，而核力是强相互作用，项错误；原子核中所有核子单独存在时的质量总和大于该原子核的总质量，因为自由核子形成原子核时要释放能量，根据质能方程，质量要发生亏损，项错误。
2. 对公式的理解错误是( )
A. 如果物体的能量减少了，它的质量也一定相应地减少
B. 如果物体的质量增加了，它的能量也一定相应地增加
C. 是某原子核在衰变过程中增加的质量
D. 在把核子结合成原子核时，若放出的能量是，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是
C
[解析] 一定的质量对应一定的能量，物体的能量减少或增加了，它的质量也一定相应地减少或增加；原子核衰变时，放出能量，一定发生质量亏损。
3. （多选）在某些恒星内，3个粒子结合成1个原子，原子的质量是，原子的质量是。已知，则
( )
A. 反应过程中的质量亏损是
B. 反应过程中的质量亏损是
C. 反应过程中释放的能量是
D. 反应过程中释放的能量是
ABC
[解析] 由题意可得核反应方程为。则核反应中的质量亏损为，由质能方程得，故、、三项正确。
4. 卢瑟福用粒子轰击氮核时发现质子。发现质子的核反应方程为。已知氮核质量为 ，氧核质量为，氦核质量为，质子（氢核）质量为。（已知相当于的能量，结果均保留2位有效数字）
（1） 这一核反应是吸收能量还是放出能量？相应的能量变化为多少？
[答案] 吸收能量;
[解析] 由得
所以这一核反应是吸收能量的反应
吸收能量
（2） 若入射氦核以的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮核，反应生成的氧核和质子同方向运动，且速度大小之比为，求氧核的速度大小。
[答案]
[解析] 以的方向为正方向，由动量守恒定律可得
又
解得
原子核中质子与中子的比例关系
如图是稳定核的质子数与中子数的关系，不难看出：较轻的原子核的质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，其中子数大于质子数，越重的原子核，两者相差越多。为什么有这样的现象呢？
稳定核的质子数与中子数的关系
若质子与中子成对地构建原子核，随原子核的增大，核子间的距离增大，核力和电磁力都会减小，但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了。
若只增加中子，因为中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核，其中子数要比质子数多。由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会超过核力的作用范围，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的。
1. 关于原子核中质子和中子的说法，正确的是( )
A. 原子核中质子数和中子数一定相等
B. 稳定的重原子核里，质子数比中子数多
C. 原子核都是非常稳定的
D. 由于核力的作用范围有限、核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
D
[解析] 质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多，、错误；原子核可以发生衰变，项错误；由核力作用特点可知，项正确。
1. （2021北京昌平临川学校高一月考）（多选）下列关于四种基本相互作用的说法正确的是( )
A. 万有引力把行星、恒星等聚在一起形成太阳系、银河系和其他星系，故万有引力只存在于天体之间
B. 四种基本相互作用是独立存在的，有一种相互作用存在时，就一定不存在其他相互作用
C. 强相互作用和弱相互作用只存在于微观粒子之间
D. 四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来
CD
[解析] 宇宙万物任何两个物体之间都存在着相互作用的吸引力，这种引力叫作万有引力，故项错误；四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，有一种相互作用存在时，还可以存在其他相互作用，故项错误；强相互作用存在于原子核内，作用范围在之内，弱相互作用是微观粒子之间的一种作用力，作用距离约，强相互作用和弱相互作用是短程力，只存在于微观粒子之间，故项正确；四种基本相互作用的规律既是独立的，又是统一的，四种基本相互作用的规律有很多相似之处，因此，科学家可能建立一种“统一场论”将四者统一起来，故项正确。
2. （多选）关于核力，下列说法中正确的是( )
A. 核力是一种特殊的万有引力
B. 原子核内只有质子和质子之间有核力作用，而中子和中子之间、质子和中子之间则没有核力作用
C. 核力是原子核稳定存在的原因
D. 核力是一种短程强力作用
CD
[解析] 核力是短程力，只存在于相邻的核子之间，核力是原子核稳定存在的原因，质子和质子间、中子和中子之间、质子和中子之间均有核力作用。
3. 铁核的比结合能比铀核的比结合能大，下列关于它们的说法错误的是
( )
A. 铁核的结合能大于铀核的结合能
B. 铁核比铀核稳定
C. 铀核发生核变化变成铁核要放出能量
D. 铀核发生核变化变成铁核质量要亏损
A
[解析] 铁核的比结合能大，则它稳定些，铀核的比结合能小，变成铁核会放出核能，出现质量亏损。
4. 某核反应方程 。已知 的质量为 ，的质量为 ， 的质量为 ，的质量为。则下列说法中正确的是( )
A. 是质子，该反应释放能量 B. 是中子，该反应释放能量
C. 是质子，该反应吸收能量 D. 是中子，该反应吸收能量
B
[解析] 根据电荷数守恒和质量数守恒可确定为中子；比较反应前后质量的关系，可知是释放能量。
5. （2021江苏丹阳高级中学高三月考）心脏起搏器使用 “氚电池”供电，利用了氚核 发生 衰变释放的能量。已知氚核的半衰期为 年，下列说法正确的是( )
A. 氚核衰变放出的 射线是电子流，来源于核外电子
B. 氚核经 衰变后产生
C. 氚核经 衰变后，产生的新核的比结合能比氚核的小
D. 经过年后，剩余物质的总质量变为初始质量的一半
B
[解析] 衰变放出电子，来源于核内的一个中子转化为一个质子时生成一个电子，这种转化产生的电子发射到核外，就是粒子，故项错误；根据质量数与电荷数守恒，则氚核发生 衰变的衰变方程为 ，故 项正确；氚核经 衰变释放能量，说明产生的新核的比结合能比氚核的大，故 项错误；经过 年后，即经过一个半衰期，有一半质量的氚核发生 衰变生成 而非消失，所以反应后剩余物质的质量比初始质量的一半要大，故项错误。
6. 中子、质子、氘核的质量分别为、、。现用光子能量为的射线照射静止的氘核使之分解，反应的方程为，若分解后中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是( )
A. B.
C. D.
C
[解析] 根据爱因斯坦质能方程可知释放的能量为，根据能量守恒有，从而可解得。
7. （2021上海浦东高三一模）原子核、结合成放射性原子核。核反应方程是，已知原子核、、的质量分别为、、，结合能分别为、、，以下说法正确的是( )
A. 原子核、、中比结合能最小的是原子核
B. 原子核、结合成原子核，释放的能量
C. 原子核、结合成原子核，释放的能量
D. 大量原子核经历两个半衰期时，已发生衰变的原子核占原来的
B
[解析] 原子核的结合能是独立核子结合成该核时释放的能量，原子核、结合成放射性原子核，要释放能量，原子核的比结合能最大，根据爱因斯坦质能方程得释放的能量。
8. （2021吉林油田第十一中学高三月考）已知氘核的平均结合能为，氦核的平均结合能为，则两个氘核结合成一个氦核时
( )
A. 释放出的能量 B. 吸收的能量
C. 吸收的能量 D. 释放出的能量
D
[解析] 根据电荷数、质量数守恒可知两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为 的总结合能为 ，反应后生成的氦核的结合能为，所以反应释放的核能，项正确。
9. （2021江苏如皋中学高二月考）用放射源钋放出的 射线轰击铍 时，能放出一种穿透力强的中性射线，这就是所谓的铍“辐射”。1932年，英国物理学家查德威克用铍“辐射”分别照射（轰击）氢和氮（氢和氮可视为静止），测得照射后沿铍“辐射”方向高速运动的氢核和氮核的速度之比为。查德威克假设铍“辐射”是由一种质量不为零的中性粒子构成的，从而通过上述实验在历史上首次发现了中子，为人类确定原子核的结构做出了重要贡献。若已知粒子的质量为，中子的质量为，铍核的质量为，碳核的质量为，试写出发现中子的核反应方程，并确定核反应中所释放的核能为多少的质量相当于的能量）
[答案]
[解析] 根据题意可写出发现中子的核反应方程为
可得核反应过程中的质量亏损为
该核反应所释放的核能为
10. 为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程，下列说法中不正确的是
( )
A. 表明物体具有的能量与其质量成正比
B. 根据可以计算核反应中释放的核能
C. 一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损
D. 中的是发生核反应中释放的核能
D
[解析] 中的表示物体具有的总能量，表示物体的质量，项正确，项错误；对于表示的意义是当物体的能量增加或减小时，它的质量也会相应地增加或减少，项正确；只有出现质量亏损时，才能释放核能，项正确。
11. 核废水中含有很多放射性元素，其中是最具危害的放射性元素，其衰变方程为 ， 的半衰期约为30年，下列说法正确的是( )
A. 衰变方程中的电子是来自铯的核外电子
B. 经过60年后，废水中的铯会衰变完
C. 将核废水排放到海水中，可以改变铯的衰变快慢
D. 的比结合能比的大
D
[解析] 衰变方程中的电子来自铯核内的一个中子转化为一个质子同时生成一个电子，项错误；经过两个半衰期，剩余的铯为原来的，项错误；半衰期与外界因素无关，只与核内部自身因素有关，项错误；反应释放能量，所以的比结合能比的大，故项正确。
12. 一个质子和一个中子结合成一个核，同时辐射一个光子。已知质子、中子、核质量分别为、、，普朗克常量为，真空中的光速为。下列说法正确的是( )
A. 核反应方程是
B. 核反应中的质量亏损
C. 辐射出的光子的能量
D. 光子的波长
B
[解析] 核反应方程要遵循质量数和电荷数守恒，项错误；核反应中的质量亏损，项正确；该反应中释放的核能以光子的形式释放，光子的能量，项错误；根据光子的能量，得，项错误。
13. 静止的氡核 放出α粒子后变成钋核 ， 粒子动能为 ，若衰变放出的能量全部变为反冲核和粒子的动能，真空中的光速为，则该核反应中的质量亏损为( )
A. B. C. D.
C
[解析] 核反应过程中动量守恒，钋核与粒子动量大小相等，由可求出钋核动能，，根据可知项正确。
14. （2021山东济南历城二中高三月考）在研究原子核的衰变过程中，发现发生衰变产生新核，其衰变方程为 ，下列判断正确的是( )
A. 该衰变类型为衰变
B. 衰变方程满足质量数守恒，所以没有质量亏损
C. 的结合能大于 的结合能
D. 的比结合能大于 的比结合能
C
[解析] 根据质量数守恒和电荷数守恒得衰变方程为 ，该衰变为α衰变， 项错误；衰变方程满足质量数守恒，但是该反应为放能反应，有质量亏损， 项错误； 的核子数，所以 的结合能大于 的结合能， 项正确；衰变过程是不稳定的核向稳定的核转变，而比结合能越大的原子核越稳定，所以 的比结合能小于 的比结合能，项错误。
15. （2021山西山大附中月考）已知、、的静止质量分别是、、，为原子质量单位，且相当于。当发生衰变时，下列说法正确的是( )
A. 的质量等于组成它的核子的质量之和
B. 发生一次α衰变释放的核能为
C. 因 的比结合能比 n的小，所以 比 更稳定
D. 一个静止的 发生一次 衰变，产生的 和 的速度之比约为
B
[解析] 原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象就是质量亏损，故项错误； 发生 衰变释放出核能，一次衰变释放的核能 ，故 项正确；原子核的比结合能越大，说明把它分成单个的核子需要赋予更多的能量，因此原子核更稳定， 的比结合能比 的小，所以比 更稳定，故 项错误；由衰变时动量守恒可知， 和 的速度之比为两者质量的反比，质量之比约为质量数之比，故 和 的速度之比约为 ，故项错误。
16. 一个静止的镭核 发生衰变放出一个粒子变为氡核 。已知镭核226质量为，氡核222质量为，放出粒子的质量为，相当于的能量。
（1） 写出核反应方程；
[答案]
[解析] 核反应方程为 。
（2） 求镭核衰变放出的能量；
[答案]
[解析] 镭核衰变放出的能量为。
（3） 若衰变放出的能量均转变为氡核和放出粒子的动能，求放出粒子的动能。
[答案]
[解析] 镭核衰变前静止，镭核衰变时动量守恒，则由动量守恒定律可得 ①
又因为衰变放出的能量转变为氡核和粒子的动能，则
②
由①②可得。
思路分析 根据衰变规律可写出核反应方程，算出反应前后的质量亏损，进而解得放出的能量。衰变过程中满足动量守恒、能量守恒，释放的能量转变为新核和放出粒子的动能。
方法感悟 解答此类题必须依据质能方程、动量守恒定律和能量守恒定律列方程求解。(共80张PPT)
第五章 原子核
第4、5节 核裂变与核聚变、“基本”粒子
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解重核的裂变反应和链式反应发生的条件。了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。 2.了解核聚变发生的条件。 3.会书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量。 4.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本的粒子。知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。 1.物理观念：知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、热核反应条件、新粒子的内容。
2.科学思维：掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。
3.科学探究：通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。
4.科学态度与责任：关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响，激发探索未来科学的热情。
要点一 链式反应
由重核裂变产生的______①使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作__________②。
中子
临界质量
① 为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核，这种说法对吗？
提示 不对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，因此不能直接使用快中子。
② 为什么说铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去？
提示 铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核跑到外面去，链式反应不能继续。
要点二 核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作________③。
核聚变
③ 要使轻核发生聚变反应，必须使核子间的距离达到以内，核力才能起作用；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能才能“撞”到一起，什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生聚变呢？
提示 轻核聚变需要的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。所以使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。
要点三 反粒子
存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作________④。
反粒子
④ 随着量子物理学的兴起，越来越多的研究深入到微观世界，让人类有了一个全新的研究方向，比如说“反氢原子”就是其中之一，它也遵循着量子效应，同时也是反物质的一种重要组成形式。请推测反氢原子的结构？
提示“反氢原子”应该与氢原子具有相同的质量，相反的电荷符号，相等的电荷量，所以反氢原子是核和构成的。
1.核裂变的理解
（1）核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
（2）铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是。
（3）链式反应的条件：铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量；有足够数量的慢中子。
2.核聚变的理解
（1）核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，又称为热核反应。
（2）典型核聚变方程：。
（3）核聚变发生的条件：使轻核具有足够的动能。
探究点一 核裂变及链式反应
1. 观察铀核裂变示意图
（1） 铀核裂变是如何发生的？
[答案] 当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。
（2） 只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
[答案] 铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
（3） 铀核裂变在自然界中能自发进行吗？
[答案] 重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生。
（4） 重核裂变为什么能释放核能？
[答案] 中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的两个核，会有质量亏损，放出巨大的核能。
1.重核裂变的理解
（1）重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
（2）重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
（3）铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应。
2.常见的裂变方程
（1）
（2）
例 铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是
( )
A. 铀块的质量是重要因素，与体积无关
B. 为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C. 若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D. 能否发生链式反应与铀的质量无关
C
[解析] 要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知、、三项错误，项正确。
1. （2021四川泸州泸县五中高三开学考试）一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为，则下列叙述正确的是( )
A. 原子核中含有86个中子
B. 原子核中含有141个核子
C. 因为裂变时释放能量，根据，所以裂变后的总质量数增加
D. 因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
A
[解析] 根据电荷数守恒、质量数守恒知，的质量数为140，电荷数为54，则中子数为86，核子数为140，故项正确，项错误；在裂变的过程中，有能量释放，根据爱因斯坦质能方程知，裂变后的总质量小于反应前的质量，但是质量数守恒，故、两项错误。
探究点二 核电站与核反应堆
1. 如图所示为核反应堆示意图：
（1） 铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？如何控制裂变反应的激烈程度？
[答案] 慢中子。当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，反之，应使镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些。
（2） 核电站发电有什么优点？
[答案] 核电站发电的优点有：消耗的核燃料少；作为核燃料的铀、钍等在地球上可采，储量大；对环境的污染要比火力发电小。
1.核电站的主要组成及其作用
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件如表：
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的材料 石墨、重水或普通水（也叫轻水） 镉 水或液态钠 很厚的水泥外壳
作用 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染
2.反应堆工作原理
（1）热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀（铀235的含量占）制成，石墨（重水）为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
（2）控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
（3）冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把热量传输出去，用于发电。
（4）保护层：发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
例 （2021山东济南外国语中学高三月考）如图为普通使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程，用重水作慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的( )
C
A. 钡核的比结合能比铀核的大
B. 若碰撞前中子的动能为，经过一次弹性碰撞后中子动能变成
C. 镉棒插入深一些可增大链式反应的速度
D. 水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线
[解析] 该核反应的过程中释放大量的能量，结合爱因斯坦质能方程可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故项正确，不符合题意；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有，依据能量守恒定律有，解得，故碰撞后中子的动能为，故项正确，不符合题意；要使裂变反应更剧烈一些，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些，故项错误，符合题意；水泥防护层作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故项正确，不符合题意。
1. （2021浙江宁波慈溪高三月考）（多选）据悉我国第四代反应堆—钍基熔盐堆能源系统研究已获重要突破。该反应堆以钍为核燃料，钍俘获一个中子后经过若干次衰变转化成铀；铀的一种典型裂变产物是钡和氟，同时释放巨大能量。下列说法正确的是( )
A. 为减小核反应速度，还要插一些镉棒，用来吸收掉一部分中子
B. 铀核裂变的核反应方程为
C. 放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态和外部条件无关，与核外电子的分布状态有关
D. 重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能减小
AB
[解析] 核反应堆中，镉棒的作用是通过吸收一部分中子来控制核反应速度的，故项正确；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为，故项正确；原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故项错误；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，故项错误。
探究点三 核聚变
1. 阅读教材“核聚变”内容，回答以下问题。
（1） 目前人们实现的核聚变是什么？
[答案] 目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸，但这是不可控制的。
（2） 实现热核反应存在的困难是什么？可能实现对热核反应的控制的方法是什么？
[答案] 实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。可能实现对热核反应的控制方法：一是磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。二是惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。
1.核聚变的特点
（1）从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
（3）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
（4）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
2.核聚变的应用
（1）核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。
3.重核裂变与轻核聚变的比较
项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要多3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
项目 重核裂变 轻核聚变
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，水中大约有氘，如果用来进行热核反应，放出的能量与燃烧汽油释放的能量相当
可控性 比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
续表
例 （2021北京昌平高三期末）2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号（如图所示）在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置，容器外面缠绕着两组线圈（如图所示）。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内，以达到核聚变的目的。下列说法正确的是( )
D
A. 核能不属于清洁能源
B. 托卡马克内部核反应可能是
C. 线圈1产生水平方向的环形磁场
D. 螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子
[解析] 核能也属于清洁能源，不会对大气环境造成污染，故项错误；由题意可知，托卡马克内部核反应为核聚变，是核裂变，故项错误；线圈1在水平面内，由右手螺旋定则可知，其产生竖直方向的环形磁场，故项错误；根据左手定则可知，当磁场方向变化，则洛伦兹力方向变化，即螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子，故项正确。
1. （多选）下列关于聚变的说法中正确的是( )
A. 要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B. 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C. 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D. 自然界中不存在天然的热核反应
ABC
[解析] 轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到以内，所以必须克服库仑斥力做功，选项正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故选项、正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，选项错误。
探究点四 “基本”粒子
1.新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后
新粒子 正电子 子 介子与介子 超子
基本特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 其质量比质子的质量大很多
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子 强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又分为介子和重子两类
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子 未发现内部结构
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
希格斯玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。 2012年，欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子
1. 关于粒子，下列说法正确的是( )
A. 质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
B. 强子都是带电的粒子
C. 目前发现的轻子只有8种
D. 光子属于轻子
A
[解析] 有的强子带电，有的强子不带电，项错误；目前发现的轻子只有6种，项错误；光子属于规范玻色子，项错误。
2. 20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，介子和介子就是科学家在1947年发现的。介子的衰变方程为，其中介子和介子带负电，电荷量等于元电荷，介子不带电。如图所示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，介子衰变后，介子和介子的轨迹可能是( )
A
A.
B.
C.
D.
[解析] 介子不带电，在磁场中不偏转。介子、介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据左手定则及动量守恒可判定轨迹。
1. 推理是研究和学习物理的一种重要方法，正电子、负质子、反中子都是反粒子，它们跟通常所说的电子、质子、中子相比较，质量相等，电荷量相等，电性相反（中子和反中子都不带电）。科学家已经发现反氦原子（已知氦原子核中有两个质子和两个中子）。你推测反氦原子的结构可能是( )
A. 由两个带负电的质子和两个带正电的电子构成
B. 由两个带负电的质子、两个电子和两个中子构成
C. 由两个质子、两个电子和两个中子构成
D. 由两个带负电的质子、两个带正电的电子和两个不带电的中子构成
D
[解析] 组成反氦原子的粒子与组成氦原子的粒子应具有相同的质量，相等的电荷量但电性相反，据此分析可知反氦原子可能由两个带负电的质子（反质子）、两个带正电的电子（正电子）和两个不带电的中子构成。
2. （2021广西柳州高三一模）2020年1月10日，工程院院士黄旭华获得国家最高科学技术奖，他为核潜艇研制和跨越式发展作出了巨大贡献，下列说法正确的是( )
A. 核潜艇的核反应也叫热核反应
B. 原子弹中铀或钚的质量可小于临界质量
C. 核潜艇的核反应堆是利用镉棒控制核反应速度
D. 核聚变和核裂变都能放出核能，故一切核反应都应放出核能
C
[解析] 核潜艇的核反应是重核裂变，不属于热核反应，故项错误；发生链式反应的条件是裂变物质的体积必须大于等于临界体积，或裂变物质的质量必须大于等于临界质量，故原子弹中铀或钚元素的质量必须大于等于临界质量，故项错误；核潜艇的核反应堆是利用镉棒控制核反应速度，故项正确；重核裂变和轻核聚变都有质量亏损，均向外界释放核能，但并不是一切核反应都能释放核能，故项错误。
3. （2021江西南昌进贤一中高三开学考试）铀核裂变的产物是多样的，一种典型的情形是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是，以下说法正确的是( )
A. 该反应质量数守恒，没有质量亏损
B. 的中子数比的多91个
C. 的比结合能比的大
D. 的结合能比的大
D
[解析] 核反应质量数守恒，但此反应释放核能，有质量亏损，故项错误；的中子数为，中子数为88，中子数相差55，故项错误；重核裂变生成物的原子核更稳定，比结合能更大，故项错误；核子数越多，结合能越大，则的结合能比的大，故项正确。
4. （2021山东胶州实验中学高三月考）海水中含有丰富的氘，氘是核聚变的重要原料，两个氘核以相同的动能发生正碰，并发生核聚变，聚变后产生氦3并释放一个粒子，粒子的动能为，若核反应释放的核能全部转化为动能，则( )
A. 为质子 B. 氦3和粒子动量相同
C. 氦3的动能为 D. 释放的核能为
C
[解析] 根据质量数和电荷数守恒，可以写出该聚变反应方程式，可知为中子，故项错误；氦3和粒子动量大小相等，方向相反，故项错误；根据，得，由可知，故项正确；释放的核能，故项错误。
夸克模型
夸克的提出 1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的
特性 在粒子物理的标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）的基本粒子。夸克具有“紧闭”性，不能以自由的状态单个出现
夸克的种类 夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克
续表
夸克的电荷 夸克所带的电荷量是分数电荷量，其电荷量为元电荷的或。例如，上夸克带的电荷量为，下夸克带的电荷量为
意义 电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷
1. 下列关于夸克模型的说法错误的是( )
A. 强子是由更基本的夸克组成的
B. 夸克的电荷量分别为元电荷的或
C. 每种夸克都有对应的反夸克
D. 夸克能以自由的状态单个出现
D
[解析] 夸克不能以自由的状态单个出现。
2. （多选）已知介子、介子都是由一个夸克（夸克或夸克）和一个反夸克（反夸克或反夸克）组成的，它们的带电荷量如表所示，表中为元电荷。
粒子
带电荷量
下列说法正确的是( )
A. 由和组成 B. 由和组成
C. 由和组成 D. 由和组成
AD
[解析] 因介子带有的电荷量，且是由一个夸克和一个反夸克组成的，夸克带的电荷量，反夸克带电荷量，那么介子就是由夸克和反夸克组成的；同理，介子由夸克和反夸克组成，所以、两项正确。
1. 以下说法正确的是( )
A. 最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子
B. 质子、中子、介子和超子都属于强子
C. 强子、轻子都有内部结构
D. 子质量比核子质量大，子不属于轻子
B
[解析] 最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故项错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以项错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，子质量比核子质量大，但仍属于轻子，项正确，项错误。
2. （2021河北唐山第十一中学高三开学考试）太阳能热水器采用全玻璃真空太阳能集热技术，太阳能是由太阳内部热核聚变反应形成的，其核反应主要是( )
A.
B.
C.
D.
A
[解析] 热核反应是氘和氚发生的聚变。
3. 如图是慢中子反应堆的示意图，下列对该反应堆的说法中正确的是
( )
A. 铀235容易吸收快中子发生裂变反应
B. 快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子，慢中子容易被铀235俘获而引起裂变反应
B
C. 控制棒由镉做成，当反应过于激烈时，使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些
D. 要使裂变反应更激烈一些，应使控制棒插入深一些，使大量快中子碰撞控制棒后变成慢中子，链式反应的速度就会快一些
[解析] 在核反应堆中，慢中子容易被铀235俘获发生裂变反应；快中子跟慢化剂中的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；在核电站中，通过控制棒吸收中子多少来控制反应速度。
4. （2021河北邯郸高三期末）2020年11月27日00时41分，华龙一号全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功，经现场确认，该机组各项技术指标均符合设计要求，机组状态良好，并创造了全球第三代核电首堆建设的最佳业绩。这标志着中国打破了国外核电技术垄断，正式进入核电技术先进国家行列，以下关于核能的有关说法正确的是( )
A. 华龙一号发电的核能是利用轻核聚变
B. 华龙一号发电的核能是利用重核裂变
C. 重核裂变过程中释放核能是因为新核的比结合能小
D. 轻核聚变过程中释放核能是因为新核核子的平均质量大
B
[解析] 目前核电站都是利用重核裂变释放的能量，裂变之所以释放核能是因为新核的比结合能大于原来重核的比结合能；同理，轻核聚变过程释放能量是因为新核核子的平均质量小于原来核子的平均质量。
5. 对于氢弹的有关描述，下列说法正确的是( )
A. 氢弹爆炸的原理是核聚变
B. 目前核电站的工作原理与氢弹相同
C. 低温能延长放射性元素的半衰期
D. 核聚变的主要反应物是高能的质子和电子
A
[解析] 氢弹爆炸的原理是核聚变，目前核电站的工作原理是核裂变。
6. 1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出的能量，则纯铀235完全发生核反应放出的能量为（为阿伏加德罗常数）( )
A. B.
C. D.
D
[解析] 铀235的物质的量为，因此铀235释放的核能。
7. 科学家发现在月球上含有丰富的（氦3），它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料，其参与的一种核聚变反应的方程式为，关于聚变，下列表述正确的是( )
A. 聚变反应不会释放能量
B. 聚变反应产生了新的原子核
C. 聚变反应没有质量亏损
D. 目前核电站都采用 聚变反应发电
B
[解析] 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放；目前核电站采用重核裂变的方法来发电。
8. （多选）铀核裂变反应中的一个核反应方程为：。已知的质量为，中子的质量为，锶90的质量为，氙136的质量为，则此核反应中( )
A. 质量亏损为
B. 质量亏损为
C. 释放的总能量为
D. 释放的总能量为
BD
[解析] 计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用或作单位，故项错误，项正确；质量单位为时，可直接用“的亏损放出能量”计算总能量，故项正确；当质量单位为时，直接乘以，总能量单位才是，故项错误。
9. 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为夸克和夸克的两类夸克组成。夸克带电荷量为，夸克带电荷量为，为元电荷，下列论断可能正确的是( )
A. 质子由1个夸克和1个夸克组成，中子由1个夸克和2个夸克组成
B. 质子由2个夸克和1个夸克组成，中子由1个夸克和2个夸克组成
C. 质子由1个夸克和2个夸克组成，中子由2个夸克和1个夸克组成
D. 质子由2个夸克和1个夸克组成，中子由1个夸克和1个夸克组成
B
[解析] 由于质子带电荷量为，则由两个夸克和一个夸克组成，其总的电荷量为；中子不带电，则由一个夸克、两个夸克组成，其总的电荷量为0，由此可知项正确。
10. （多选）一种典型的铀核裂变是生成钡和氪，同时放出3个中子，核反应方程是，已知部分原子核的比结合能与核子数的关系如图所示，下列说法正确的是( )
A. 核反应方程中，粒子是中子
B. 核反应方程中，粒子是质子
C. 、、相比，核的比结合能最大，它最稳定
D. 、、相比，核的核子数最多，它的结合能最大
AD
[解析] 根据电荷数和质量数守恒可知是中子，项正确，项错误；分析比结合能随核子数变化的曲线可知，在铁原子核附近比结合能最大，然后随核子数的增大，比结合能减小，所以、、相比，核的比结合能最大，最稳定，项错误；原子核中核子数越多的结合能越大，故、、相比，核的核子数最多，它的结合能最大，项正确。
11. 某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为，
方程中、表示释放的能量，相关的原子核质量见表：
原子核
质量
以下推断正确的是( )
A. 是， B. 是，
C. 是， D. 是，
B
[解析] 根据核反应中质量数与电荷数守恒容易求得新核的质量数为4、电荷数为2，即是；根据表中提供的数据，可以求得第2个核反应的质量亏损大，根据爱因斯坦质能方程必然有。项正确。
12. 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量，氦核质量，中子质量。
（1） 计算释放出的结合能；
[答案]
[解析] 核反应方程为：
反应质量亏损
由质能方程得释放核能
（2） 若反应前两氘核的动能均为，它们正撞发生聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
[答案]
[解析] 将两氘核作为一个系统，
由动量守恒有
由能量守恒有
联立可得，
13. （★）太阳中所发生的“氢聚变”实际上是借助碳、氮、氧的原子核的“催化作用”进行的，其具体反应过程为如图所示的六步循环，这个循环被称为“碳循环”，太阳能主要就是由这个“碳循环”产生的。请根据图，判断下列说法正确的是
( )
C
A. 粒子是电子
B. 粒子是中子
C. ①处所发生的核反应方程为
D. 一个“碳循环”的总核反应方程为
[解析] 由质量数守恒、电荷数守恒，可知两个包含了的核反应方程为、，包含了的核反应方程为，故可知为，为，故、两项错误；①处所发生的核反应方程为，故项正确；经过一个“碳循环”，碳、氮、氧的原子核都复原，有4个被吸纳，释放出了1个和2个，故全过程的总核反应方程为，故项错误。
方法感悟 核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程的重要依据。(共36张PPT)
第五章 原子核
章末总结
见学用171页
射线
电子流
电磁波
氦原子核
半数
新原子核
质量数
短程
核子数
见学用171页
提升一 核反应方程及其类型
例1 2020年12月12日，大亚湾反应堆“中微子实验”正式退役了。在3 275天11小时43分0秒的运行期间，这里产出了一系列重要的中微子研究成果，包括发现第三种中微子振荡模式，使我国的中微子研究跨入国际先进行列。中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子，太阳、地球、超新星、宇宙线、核反应堆，甚至人体都在不停地产生中微子，每秒钟有亿万个中微子穿过人们的身体。大多数原子核发生核反应的过
程中也都伴有中微子的产生，例如核裂变、核聚变、β衰变等。下列关于核反应的说法，正确的是( )
C
A. 是α衰变方程，是β衰变方程
B. 高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子，其核反应方程为
C. 衰变为，经过3次α衰变，2次β衰变
D. 是核裂变方程，也是氢弹的核反应方程
[解析] 是轻核聚变反应方程，是β衰变方程，项错误；高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子，其核反应方程为，项错误；每经过一次α衰变，电荷数少2，质量数少4，每经过一次β衰变，电荷数多1，质量数不变，衰变为，经过3次α衰变，2次β衰变，项正确；是核裂变方程，不是氢弹的核反应方程，项错误。
1.核反应的四种类型
类型 可控性 核反应方程典例 产生条件 意义 应用
衰变 α衰变 自发 所有原子序数大于８３的元素及个别小于或等于８３的元素自发进行 揭开了人类研究原子核结构的序幕 利用放射性元素的半衰期进行文物年代鉴定等
β衰变 自发 类型 可控性 核反应方程典例 产生条件 意义 应用
人工转变 人工控制 （卢瑟福发现质子） 需要人工用高速粒子进行诱发 发现了质子、中子、正电子等基本粒子和一些人工放射性同位素 得到人工放射性同位素、作示踪原子
（查德威克发现中子 （约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 续表
类型 可控性 核反应方程典例 产生条件 意义 应用
重核裂变 比较容易进行人工控制 需要中子的轰击和一定的临界体积 人类获得新能源的一种重要途径 核电站、核潜艇、原子弹等
重核裂变 很难控制 需要极高的温度，原子核才能获得足够的动能克服库仑斥力 人类获得新能源的一种重要途径 氢弹、热核反应
续表
（1）熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子、中子、α粒子、β粒子、正电子、氘核、氚核等。
（2）掌握核反应方程遵循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。
1. 四个核反应方程分别为：
①；
②；
③；
④。
下列说法正确的是( )
A. ①②都是重核铀的同位素的核反应，故都是重核的裂变反应
B. ①③反应前都有一个中子，故都是原子核的人工转变
C. ②③④生成物中都有氦核，故都是α衰变反应
D. ③比④放出的能量少，说明③比④质量亏损得少
[解析] ①是重核的裂变反应，②是α衰变反应，项错误；③是原子核的人工转变，④是轻核的聚变反应，、两项错误；③比④放出的能量少，根据爱因斯坦质能方程可知，③比④质量亏损得少，故项正确。
D
2. （2021吉林油田第十一中学高三月考）下列核反应式中，代表α粒子的是( )
A. B.
C. D.
C
[解析] 按照质量数守恒、电荷数守恒的规律，可分别判断各项中是什么粒子。
提升二 半衰期及衰变次数的计算
例2 （2021浙江嘉兴高三月考）1926年首次结合放射性氡应用了示踪技术，后来又进行了多领域的生理、病理和药理研究。氡的放射性同位素最常用的是。经过次α衰变和次β衰变后变成稳定的。则
( )
A. 式子中的，
B. 核反应方程为
C. 的比结合能小于的比结合能
D. 通过改变温度等外部条件，可以控制放射性氡的半衰期
C
[解析] 根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，，解得，，项错误；核反应方程为，项错误；该反应放出核能，则的比结合能小于的比结合能，项正确；半衰期与外部条件无关，项错误。
1.衰变、衰变的比较
衰变类型 衰变 衰变
衰变方程
衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 1个中子转化为1个质子和1个电子
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 2.确定衰变次数的方法
（1）衰变方程：
（2）求解方法：根据质量数、电荷数守恒得，，两式联立求解α衰变次数和β衰变次数。
3.半衰期
（1）概念：大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。对个别或少量原子核，无半衰期可言。
（2）计算公式：或，其中，为半衰期。
1. 放射性元素经过2次α衰变和1次β衰变后生成一新元素，则元素在元素周期表中的位置较元素的位置向前移动了( )
A. 1位 B. 2位 C. 3位 D. 4位
C
[解析] 发生一次衰变电荷数减少2，发生一次衰变电荷数增加1，据题意，电荷数变化为：，新元素位置向前移动了3位。
2. 大量的某放射性元素经过天有的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为( )
A. 天 B. 天 C. 天 D. 天
D
[解析] 经过了天还有的原子核没有衰变，可知该放射性元素经过了3个半衰期，即可算出半衰期是天。
提升三 核能的计算
例3 已知氘核的平均结合能为，氦核的平均结合能为，则两个氘核结合成一个氦核时( )
A. 释放出的能量 B. 释放出的能量
C. 释放出的能量 D. 吸收的能量
C
[解析] 依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为，因氘核的平均结合能为，氦核的平均结合能为，故释放的核能为
，故项正确。
1.根据质能方程计算
（1）根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损。
（2）根据爱因斯坦质能方程计算核能。
其中的单位是千克，的单位是焦耳。
2.利用原子质量单位和电子伏特计算
（1）明确原子质量单位和电子伏特之间的关系
，
由
得
（2）根据1原子质量单位相当于的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以，
即。
其中的单位是，的单位是。
3.根据能量守恒和动量守恒来计算核能
参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量守恒和能量守恒可以计算出核能的变化。
4.利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能。
5.应用阿伏加德罗常数计算核能
若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便。
（1）根据物体的质量和摩尔质量由求出物质的量，并求出原子核的个数：。
（2）由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量（或直接从题目中找出）。
（3）再根据求出总能量。
1. 利用氦和氘进行的聚变反应安全无污染，容易控制。月球上有大量的氦3，每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是：，若有氘全部发生聚变，则释放的能量是（为阿伏加德罗常数）( )
A. B.
C. D.
C
[解析] 氘共有个氘核，每2个氘核反应就放出能量，所以释放的能量为。
2. 一个氘核和一个氚核结合成一个氦核，同时放出一个中子，已知氘核质量为，氚核质量为，氦核质量为，中子质量为，相当于的能量。
（1） 写出聚变的核反应方程；
[答案]
[解析] 核反应方程为
（2） 求此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？
[答案]
[解析] 此反应过程的质量亏损为
，
。
平均每个核子释放的核能为
。
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1. （2021全国甲，17，6分）如图，一个原子核经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核，在此过程中放射出电子的总个数为()
A. 6 B. 8
C. 10 D. 14
C
[解析] 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间， 叫作这种元素的半衰期。从图中可以看出，质量为的衰变时，从衰变一半到所用时间为，所以半衰期为，选项正确，选项、、错误。
2. （2020课标Ⅰ，19，6分）（多选）下列核反应方程中，、、、代表α粒子的有( )
A.
B.
C.
D.
BD
[解析] 粒子为氦原子核，根据核反应方程遵守电荷数守恒和质量数守恒，选项中的为，选项中的为，选项中的为中子，选项中的为。
3. （2020课标Ⅱ，18，6分）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知海水中含有的氘核约为个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知标准煤燃烧释放的热量约为，，则约为
( )
A. B. C. D.
C
[解析] 由海水中的氘核聚变释放的能量与质量为的标准煤燃烧释放的热量相等，有：，解得，故选项正确。
4. （2020课标Ⅲ，19，6分）（多选）1934年，约里奥-居里夫妇用粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素，反应方程为。会衰变成原子核，衰变方程为。则( )
A. 的质量数与的质量数相等
B. 的电荷数比的电荷数少1
C. 的电荷数比的电荷数多2
D. 的质量数与的质量数相等
AC
[解析] 设和的电荷数分别为和，质量数分别为和，则反应方程为
，
根据反应方程电荷数和质量数守恒，解得，；，
解得，，，,即的质量数与的质量数相等，的电荷数比的电荷数多1，电荷数比的电荷数多2，的质量数比的质量数多3，、正确，、错误。
