近代物理——核反应与核能专题(学案)-2023年新高考物理二轮复习专题讲义

核反应与核能
原子核的衰变及半衰期
（2021重庆市模拟）14C发生放射性衰变为14N，半衰期约为5730年。已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变，生命活动结束后，14C的比例会持续减少。现测量某古木样品中14C的比例，发现正好是现代植物样品中14C比例的二分之一，则（ ）
A．该古木生命活动结束的年代距今约5730年
B．再过约5730年，该样品中的14C将全部衰变殆尽
C．14C衰变为14N的本质是
D．改变样品测量环境的温度和压强，可以改变C的衰变快慢
关键信息：（1）14C发生放射性衰变为14N → 衰变方程为：；
（2）古木中14C的比例是现代植物样品中14C比例的二分之一 → 一个半衰期；
解题思路：根据题意提出古木中14C改变量的信息，再结合半衰期的物理含义及其公式M＝M0()n（n为发生半衰期的次数）分析求解，同时注意β衰变的本质。
A．设原来14C的质量为M0，衰变后剩余质量为M则有：M＝M0()n，其中n为发生半衰期的次数，由题意可知剩余质量为原来的，故n＝1，所以古木生命活动结束的年代距今约：5730×1年＝5730年，故A正确；
B．半衰期约为5730年，再过约5730年又有一半发生衰变，该样品中的14C将剩余原来总量的，故B错误；
C．14C衰变为14N的过程中质量数没有变化，而核电荷数增加1，是其中的一个中子变成了一个质子和一个电子，放出β射线，即14C衰变为14N的本质是原子核内，故C错误；
D．放射性元素的半衰期与物理环境以及化学环境无关，因此改变样品测量环境的温度和压强，不可以改变C的衰变快慢，故D错误。
故选A。
（2021辽宁模拟）2020年3月15日中国散裂中子源（CSNS）利用中子成像技术帮助中国科技大学进行了考古方面的研究。散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置。CSNS是我国重点建设的大科学装置，将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源。下列关于中子研究的说法正确的是（ ）
A．α粒子轰击，生成，并产生了中子
B．经过4次α衰变，2次β衰变，新核与原来的原子核相比，中子数少了6个
C．放射性β射线其实质是高速中子流，可用于医学的放射治疗
D．核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度
A．根据质量数守恒和电荷数守恒知，α粒子轰击，生成，并产生了质子，故A错误；
B．每次α衰变，质量数少4，电荷数少2，所以中子数少2，每次β衰变一个中子转化成一个质子和一个电子，所以中子数少1，所以4次α衰变，2次β衰变，新核与原来的原子核相比，中子数少4×2＋2×1＝10，故B错误；
C．放射性β射线其实质是高速电子流，故C错误；
D．核电站可通过控制中子数目来控制核反应剧烈程度，故D正确。
故选：D。
1．理清知识体系
2．α衰变和β衰变衰变次数的计算方法
方法一：由于β衰变不改变质量数，故可以先由质量数改变量确定α衰变的次数，再根据电荷数守恒确定β衰变的次数。
方法二：设α衰变次数为x，β衰变次数为y，根据质量数和电荷数守恒列方程组求解。
核反应方程与核能的计算
（2021辽宁模拟）我国的“人造太阳”即核聚变实验反应堆技术世界领先。在“人造太阳”中发生的一种核聚变反应方程为。已知氘核（）的质量为2.0136 u，中子（）的质量为1.0087 u，氦核（）的质量为3.0150 u，u为原子质量单位，1 u相当于931 MeV，下列说法正确的是（ ）
A．氦核（）和中子（）的质量数之和小于两个氘核（）的质量数之和
B．核反应过程中的质量亏损Δm＝1.0122u
C．核反应过程中释放的核能ΔE＝3.2585MeV
D．核反应过程中中子数减少了1个
关键信息：（1）1u相当于931 MeV → 含义：1原子质量单位相当于931MeV的能量；
（2）聚变反应方程：、各原子核对应的质量 → ①反应前后质量数、中子数变化；②反应中质量亏损 m
解题思路：由题意确定核反应方程并结合质量数、电荷数守恒及质能方程进行求解。
A．核聚变反应方程中，反应前后质量数守恒，故氦核（）和中子（）的质量数之和等于两个氘核（）的质量数之和，故A错误；
B．由题意可知，核反应过程中的质量亏损为Δm＝2mH－(mHe＋mn)＝0.0035u，故B错误；
C．由题意可知，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝0.0035u×931MeV＝3.2585MeV，故C正确；
D．由核聚变反应方程可知，核反应过程中中子数没有发生变化，故D错误。
故选C。
（2021海南历年真题）1932年，考克饶夫和瓦尔顿用质子加速器进行人工核蜕变实验，验证了质能关系的正确性。在实验中，锂原子核俘获一个质子后成为不稳定的铍原子核，随后又蜕变为两个相同的原子核，核反应方程为。已知、、X的质量分别为m1＝1.00728u、m2＝7.01601u、m3＝4.00151u，光在真空中的传播速度为c，则在该核反应中（ ）
A．质量亏损Δm＝4.02178u
B．释放的核能ΔE＝(m1＋m2－2m3)c2
C．铍原子核内的中子数是5
D．X表示的是氚原子核
CD．根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒，可知方程为，铍原子核内的中子数是4，X表示的是氦核，故CD错误；
AB．核反应质量亏损为Δm＝m1＋m2－2m3＝0.02027u，则释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－2m3)c2，故A错误，B正确。
故选：B。
1．核反应的四种类型
2．核反应方程的书写技巧
（1）熟记基本粒子的符号：质子（）、中子（）、α粒子（）、β粒子（）、正电子（）、氘核（）、氚核（）等。
（2）牢记两个“守恒”：核反应过程中质量数守恒、电荷数守恒。
3．计算核能的四种方法
（1）根据爱因斯坦质能方程，用核反应的质量亏损的千克数乘以真空中光速c的平方，即ΔE＝Δmc2。
（2）根据1原子质量单位（u）相当于931.5兆电子伏（MeV）能量，1 u＝931.5 MeV/c2，用核反应的质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm×931.5 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。反应前后原子核的结合能之差即释放（吸收）的核能。
（4）如果核反应时释放的核能是以动能形式呈现，则核反应过程中系统动能的增量即为释放的核能。
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