(共6张PPT)
章末知识体系构建
放射性
氦
穿透
电磁波
γ射线
质量数
半数
化学
电荷数
示踪原子
核子
结合能
E=mc2
中子
氘
中子
规范玻色子
天然放射现象是指①
元素自发地发出射线的现象
天然放
射线是高速粒子流，粒子带正电，其组成与
射现象
②
原子核相同
射线的
原子核
本质
β射线是高速电子流，电离能力较弱，③
能力较强
的组成
γ射线是能量很高的④
，电离作用更弱，穿透
能力更强
原子核的组成：由质子和中子组成
衰变种类：分为0衰变和B衰变，⑤
是
原子核
伴随射线和B射线产生的
的衰变
衰变规律：原子核衰变时电荷数和⑥
都守恒
半衰期是指放射性元素的原子核有⑦
发
生衰变所需的时间
放射性元
半衰期
半衰期规律：是由核内部自身的因素决定的，跟原子
素的衰变
所处的⑧
状态和外部条件没有关系
核反应是指原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程
核反应
核反应规律：在核反应中，质量数守恒、⑨
守恒
放射性同位素及其应用：射线测厚仪，放射治疗，培优、保鲜，⑩
核力：原子核中的①
之间存在一种很强的相互作用，属于强相互作用
结合能是指把核子分开所需要的能量。组成原子核的核子越
多，它的结合能越大
核力与
结合能
比结合能是指原子核的②
与核子数之比。比结合能越
结合能
大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定
质量亏损是指原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象
质能方程：爱因斯坦指出了物体的能量与它的质量的关系，即③
核裂变是指重核裂变成中等质量核的反应
核裂变
链式反应是指重核裂变产生的④
使核裂变反
核裂变与
应一代接一代继续下去的过程
核聚变
核聚变是指两个轻核结合成质量较大的核的核反应
核聚变
核聚变优点：第一，轻核聚变产能效率高；第二，地球上核聚
变燃料⑤
储量丰富；第三，轻核聚变更为安全、清洁
“基本”粒子是指光子、电子、质子和⑥
“基本”
人们在对宇宙线的研究中发现
粒子
新粒子的发现
物理学家通过实验发现
粒子的分类：大体可被分为强子、轻子、⑦
和希格斯玻色子(共43张PPT)
1 原子核的组成
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
素养 目标定位
目 标 素 养
1.通过了解天然放射现象的有关知识,正确理解天然放射现象及其规律。
2.通过对三种射线本质的了解,会利用电场、磁场区分它们。
3.理解原子核的组成,会正确书写原子核符号。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、天然放射现象
1.放射性:物质发出 射线 的性质。
2.放射性元素:具有 放射性 的元素。
3.天然放射现象:放射性元素 自发地 发出射线的现象。
微判断 (1)天然放射现象的发现揭示了原子核可以再分。
( )
(2)一定质量放射性元素发出的射线的强度可以人工控制。
( )
(3)放射性元素的放射性都是自发的现象。( )
(4)原子序数小于83的元素都不能放出射线。( )
√
×
√
×
二、射线的本质
1.α射线:实际上就是氦原子核,速度可达到光速的 ,其电离能力强,穿透能力较弱,在空气中只能前进几厘米,用 一张纸 就能把它挡住。
2.β射线:是高速电子流,速度可达光速的99%,它的穿透能力较强,电离能力较弱,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的
铝板 。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的电磁波,波长很短,在10-10 m以下,它的电离作用更小,但穿透能力更强,甚至能穿透几厘米厚的 铅板 或几十厘米厚的混凝土。
微思考 β射线的本质是高速电子流,示波器中的阴极射线的本质也是高速电子流,这两种射线的来源相同吗
提示:不同。阴极射线的电子来源于核外电子,β射线的电子来源于原子核。
三、原子核的组成
1.质子的发现。
1919年,卢瑟福用镭放射出的 α粒子 轰击氮原子核,从氮原子核中打出了质子。
2.中子的发现。
1932年,卢瑟福的学生 查德威克 通过实验证实了中子的存在。
3.原子核的组成。
原子核由质子和中子组成,组成原子核的质子和 中子 统称为核子。
4.原子核的电荷数。
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,用字母Z表示。
5.原子核的质量数。
原子核的质量等于核内质子和 中子 的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于
单个核子 质量的整数倍,这个倍数叫作原子核的质量数,用字母A表示。
6.原子核的符号。
7.同位素。
核中质子数相同而 中子数 不同的原子,在元素周期表中处于 同一 位置,因而互称同位素。
微训练 在元素周期表中查到铅的原子序数为82,一个铅原子质量数为207,下列说法正确的是( )
A.核外有82个电子,核内有207个质子
B.核外有82个电子,核内有82个质子
C.核内有82个质子、207个中子
D.核内有125个核子
答案:B
课堂·重难突破
重难归纳
1.α、β、γ三种射线的比较。
一 三种射线的理解与应用
种类 α射线 β射线 γ射线
穿透能力 最弱,用一张纸就能挡住 较强,能穿透几毫米厚的铝板 最强,能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土
电离作用 很强 较弱 很弱
在电场或
磁场中 偏转 偏转 不偏转
2.三种射线在电场和磁场中偏转情况的分析。
(1)γ射线不论在电场还是磁场中,总是做匀速直线运动,不发生偏转。
(2)α射线和β射线在电场中偏转的特点:在同一匀强电场中,α粒子和β粒子垂直于电场方向进入电场,粒子偏向相反方向做类平抛运动,根据粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动,偏移量可表示为 (式中x为粒子在初速度方向上移动的距离)。
(3)α射线和β射线在磁场中的偏转特点:在同一匀强磁场中,α粒子和β粒子垂直于磁场方向进入磁场,偏向相反方向做匀速
如图所示,R是一种放射性物质,虚线框内是垂直于纸面的匀强磁场B,LL'是一厚纸板,MN是荧光屏,实验时,发现在荧光屏O、P两处有亮斑。
(1)匀强磁场的方向是垂直于纸面向里还是向外
(2)到达O点和P点的分别是什么射线
提示:由三种射线的本质知,γ射线在磁场中不偏转,O处亮斑为γ射线,能穿过厚纸板且在磁场中发生偏转的射线为β射线,再根据偏转方向,结合左手定则可知磁场方向垂直于纸面向里。
典例剖析
一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔,铝箔后的空间有一匀强电场。进入电场后,射线变为a、b两束,射线a沿原来方向行进,射线b发生了偏转,如图所示,则图中的射线a和射线b分别为( )
A.α射线 β射线
B.β射线 γ射线
C.γ射线 α射线
D.γ射线 β射线
D
解析:放射源发射的α、β和γ三种射线中,α射线的穿透本领最弱,一张普通的纸就能挡住,不会穿过铝箔;β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝箔;γ射线的穿透本领最强,能穿透几厘米厚的铅板,故穿过铝箔的是β和γ射线,选项A、C错误。其中γ射线是光子流,不带电(电中性),在电场中不偏转,是射线a,β射线带负电,在电场中发生偏转,是射线b,故选项B错误,D正确。
规律总结 三种射线的比较方法 1.知道三种射线带电的性质,α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。α、β是实物粒子,而γ射线是光子流,属于电磁波的一种。 2.在电场或磁场中,通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线偏转方向,由于γ射线不带电,故运动轨迹仍为直线。 3.α粒子穿透能力较弱,β粒子穿透能力较强,γ射线穿透能力最强,而电离作用相反。
学以致用
(多选)如图所示,铅盒A中装有天然放射性物质,放射线从其右端小孔中水平向右射出,在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场,则下列说法正确的有( )
A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B.α射线和β射线的轨迹是抛物线
C.α射线和β射线的轨迹是圆弧
D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的
匀强电场,则屏上的亮斑可能只剩下b
AC
解析:由左手定则可知粒子向右射出后,在匀强磁场中带正电的α粒子受的洛伦兹力向上,带负电的β粒子受的洛伦兹力向下,轨迹都是圆弧,而γ射线不带电,做直线运动,选项B错误,A、C正确;如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场时,由于α粒子速度约是光速的 ,而β粒子速度接近光速,所以在同样的混合场中不可能都做直线运动,选项D错误。
重难归纳
二 原子核和同位素的理解
2.基本关系。
核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数,质量数(A)=核子数=质子数+中子数。
3.同位素。
(1)同位素指质子数相同、中子数不同的原子核组成的元素。
(2)原子的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,但它们的中子数不同,所以它们的物理性质不同。
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了
质子,下图为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
(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:(1)质子是原子核的组成部分。
(2)说明原子核内除质子外,还有其他粒子存在。
典例剖析
(多选)下列说法正确的是( )
答案:BC
特别提示 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,也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数,原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
学以致用
据报道,放射性同位素钬 在医疗领域有重要应用,该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是( )
A.99 B.67
C.32 D.166
答案:C
解析:根据原子核内各量的关系可知核外电子数=质子数=67,中子数为166-67=99,故核内中子数与核外电子数之差为99-67=32,故选项C正确,A、B、D错误。
随堂训练
1.关于天然放射现象,下列说法正确的是( )
A.α射线是由氦原子核产生的
B.β射线是由原子核外电子电离产生的
C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生的
D.通过化学反应不能改变物质的放射性
答案:D
解析:α射线的本质是氦核,选项A错误;β射线是在β衰变中产生的,本质是高速电子束,选项B错误;γ射线是发生α衰变和β衰变时原子发生能级跃迁而产生的电磁波,选项C错误;物质的放射性由原子核内部自身的因素决定,与原子的化学反应和外部条件无关,选项D正确。
2.以下说法正确的是( )
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
答案:D
解析:钍核的质量数为234,质子数为90,选项A错误;铍核的质量数为9,中子数为5,选项B错误;由于同位素质子数相同而中子数不同,即质量数不同,选项C错误,D正确。
3.原子核能放出α、β、γ射线,关于原子核的组成,下列说法正确的是( )
A.原子核中有质子、中子,还有α粒子
B.原子核中有质子、中子,还有β粒子
C.原子核中有质子、中子,还有γ粒子
D.原子核中只有质子和中子
答案:D
解析:在放射性元素的原子核中,2个质子和2个中子结合得较紧密,有时作为一个整体放出,这就是α粒子的来源,不能据此认为α粒子是原子核的组成部分;原子核里是没有电子的,但中子可以转化成质子,并向核外释放一个电子,这就是β粒子;原子核发出射线后处于高能级,在回到低能级时多余的能量以γ光子的形式辐射出来,形成γ射线,故原子核里也没有γ粒子,故选项D正确。
4.(多选)氢有三种同位素分别为氕 ,下列说法不正确的是( )
A.它们的质子数相同 B.它们的质量数相同
C.它们的核子数相同 D.它们的中子数相同
答案:BCD
解析:同位素的质子数相同,核电荷数相同,中子数不同,质量数、核子数不同,选项B、C、D错误,A正确。
5.如图所示,X为未知的放射源,L为薄铝片,在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小,在L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X可能是
( )
A.α和β的混合放射源
B.纯α放射源
C.α和γ的混合放射源
D.纯γ放射源
答案:C
解析:在放射源和计数器之间加上铝片后,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α粒子;在铝片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,说明穿过铝片的粒子中无带电粒子,只有γ粒子。因此放射源可能是α和γ的混合放射源,选项C正确。(共70张PPT)
2 放射性元素的衰变
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
模型方法·素养提升
素养 目标定位
目 标 素 养
1.知道放射现象的实质是原子核的衰变。
2.知道两种衰变的基本性质,并掌握原子核的衰变规律。
3.理解半衰期的概念,并能利用半衰期公式进行简单的计算。
4.通过对放射性元素衰变过程的探究,熟练写出核的衰变方程。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、原子核的衰变
1.α衰变:原子核自发地放出 α粒子 ,变成另一种原子核的衰变。
(1)衰变方程(以铀238为例)。
(2)衰变实质: 两个 中子和 两个 质子紧密地结合在一起,作为一个整体从较大的原子核中被释放出来。
2.β衰变:原子核自发地放出 β粒子 ,变成另一种原子核的衰变。
(1)衰变方程(以钍234为例)。
3.γ射线:γ射线是伴随α射线和 β射线 产生的。
4.原子核衰变规律。
原子核衰变时 电荷数 和质量数都守恒。
微探究1 放射性元素发生α衰变、β衰变时放出α粒子与β粒子,下图为α衰变、β衰变示意图。
(1)当原子核发生α衰变时, 新核的核电荷数与质量数相对原来的原子核变化了多少
(2)当发生β衰变时,原子核的质量数是否发生变化 新核在元素周期表中的位置怎样变化
提示:(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数减少2,中子数减少2,因为α衰变的实质是2个质子和2个中子结合在一起从原子核中被释放出来,所以新核的核电荷数比原来的原子核减少2,质量数减少4。
(2)β粒子为电子,发生β衰变时原子核的质量数不发生变化,但新核的核电荷数相对原来的原子核核电荷数增加1,所以原子序数增加1,元素在周期表上向原子序数增加的方向移动1位。
二、半衰期
1.半衰期定义: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。
2.影响因素:是由原子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.半衰期规律:是一个统计规律,对 个别少数 的原子核的衰变没有意义。
变了它的半衰期,这种说法对吗
(2)如果不对,那到底是什么原因呢
提示:(1)不对。放射性元素的半衰期由原子核本身的因素决定,与外界环境等因素无关。
三、核反应
1.核反应:原子核在 其他粒子 的轰击下产生新原子核或者发生状态变化的过程,称为核反应。
3.核反应规律:在核反应中, 质量数 守恒、电荷数守恒。
A.质子 B.电子
C.光子 D.中子
答案:D
解析:根据核反应过程中质量数守恒,有9+4=12+A,X的质量数是1;电荷数守恒,有4+2=6+Z,X的电荷数是0,所以X是中子,选项D正确。
四、放射性同位素及其应用
1.放射性同位素:具有 放射性 的同位素。
2.放射性同位素的应用。
(1)利用射线:射线测厚装置,放射治疗,培育新品种、延长保质期。
(2)作为 示踪原子 :棉花对磷肥的吸收、甲状腺疾病的诊断。
微探究3 用人工方法可以得到放射性同位素,放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面都得到了广泛的应用。试探究:
(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失,这是什么原因
(2)在我国首次用人工方法合成牛胰岛素时,需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一种,为此使用的放射性同位素14C的作用是什么
提示:(1)在放射线的电离作用下,空气中的分子会发生电离,空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和,所以使验电器所带电荷消失。
(2)示踪原子。
五、辐射与安全
1.放射性的危害。
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。
2.放射性的防止。
在使用放射性同位素时,必须严格遵守操作规程,注意人身安全,同时,要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
课堂·重难突破
重难归纳
1.α衰变和β衰变的比较。
一 对原子核衰变的理解
2.α衰变和β衰变的唯一性:任何一种放射性元素只有一种放射性,不能同时既有α放射性又有β放射性,而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。
3.确定原子核衰变次数的方法与技巧。
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程
A=A'+4n
Z=Z'+2n-m
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α衰变的次数(这是因为β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β衰变的次数。
原子核α衰变实质是放出一个氦原子核,β衰变实质是放出一个电子。试探究:
(1)放射性元素能不能一次衰变同时产生α射线和β射线
(2)γ射线又是怎样产生的
提示:(1)不能,一次衰变只能是α衰变或β衰变,而不能同时发生α衰变和β衰变。
(2)放射性的原子核在发生α衰变、β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γ光子。
典例剖析
A.m=6、n=8 B.m=5、n=6
C.m=6、n=5 D.m=8、n=6
答案:D
解析:设发生m次α衰变、n次β衰变,
则238=206+4m,92=82+2m-n,解得m=8,n=6,
故选项D正确,A、B、C错误。
规律总结 衰变次数的判断方法 1.衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。 2.每发生一次α衰变,质子数、中子数均减少2。 3.每发生一次β衰变,中子数减少1,质子数增加1,质量数不变。
学以致用
如果某放射性元素经过x次α衰变和y次β衰变,变成一种新原子核,则这个新原子核的质子数比放射性元素原子核的质子数减少( )
A.2x+y B.x+y C.x-y D.2x-y
答案:D
解析:发生一次α衰变时,质子数减小2;发生一次β衰变时,质子数增大1。所以如果某放射性元素经过x次α衰变和y次β衰变,变成一种新原子核,则这个新原子核的质子数比放射性元素原子核的质子数减少2x-y,选项D正确。
重难归纳
1.核反应与原子核人工转变。
条件 用α粒子、质子、中子,甚至用γ光子轰击原子核使原子核发生转变
实质 用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使核发生了转变
规律 质量数、电荷数守恒;动量守恒
二 对核反应的理解
2.人工转变核反应与衰变的比较。
(1)不同点:原子核的人工转变是一种核反应,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,它不受物理和化学条件的影响。
(2)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,反应前后粒子总动量守恒。
3.衰变方程的书写。
(1)核反应过程一般是不可逆的,所以核反应只能用箭头,不能用等号。
(2)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能凭空只依据两个守恒而杜撰出不符合实际的生成物来书写核反应方程。
以下是物理学史上3个著名的核反应方程:
典例剖析
完成下列核反应方程,并指出其中 是发现质子的核反应方程, 是发现中子的核反应方程。
答案:见解析
其中发现质子的核反应方程是(2),
发现中子的核反应方程是(4)。
学以致用
有一种新型镍铜长效电池,它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63 和铜两种金属作为长效电池的材料,利用镍63发生β衰变时释放电子给铜片,把镍63和铜片作电池两极,外接负载。下面有关该电池的说法正确的是( )
C.外接负载时镍63的电势比铜片低
D.该电池内电流方向是从镍片到铜片
A
解析:镍63的衰变方程为 ,选项A正确,B错误;电流方向为正电荷定向移动方向,在电池内部电流从铜片到镍片,镍片电势高,选项C、D错误。
重难归纳
1.人工放射性同位素的优点。
(1)放射强度容易控制。
(2)半衰期比天然放射性物质短得多,放射性废料容易处理。
三 放射性同位素的应用
2.放射性同位素的主要应用。
(1)利用它的射线:
①工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性;
②农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异,杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期等;
③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。
(2)作为示踪原子:放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质,通过探测放射性同位素的射线确定其位置。
下图是LUNATM260型伽玛射线放疗机。
(1)伽玛射线放疗机的工作原理是什么
(2)试举出其他利用伽玛射线的实例。
提示:(1)利用放射性元素释放出的γ射线
杀死癌细胞。
(2)利用γ射线的穿透特性测金属板的厚度;利用γ射线杀死使食物腐败的细菌,延长保存期等。
典例剖析
正电子发射计算机断层显像(PET)的基本原理是将放射性同位素15O注入人体,参与人体的代谢过程,15O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PET的原理,回答下列问题。
(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的反应方程。
(2)将放射性同位素15O注入人体,15O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
(3)PET中应选用半衰期 (选填“长”“短”或“长短均可”)的放射性同位素。
(2)B
(3)短
(2)将放射性同位素15O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,选项B正确。
(3)根据同位素的用途,为了减小对人体的伤害,半衰期应该很短。
规律总结 放射性同位素的两类应用 1.利用它的射线:α射线的电离作用,γ射线的贯穿本领和生物作用,β射线的贯穿本领。 2.作为示踪原子:多数情况下用β射线,因为γ射线难以探测到。
学以致用
下图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α、β、γ三种射线,而根据设计,该生产线轧制的是3 mm厚的铝板,那么三种射线中的何种射线对控制厚度起主要作用 当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时,自动装置会将M、N两个轧辊间的距离如何调节 ( )
A.α;调大些 B.β;调大些
C.γ;调大些 D.α;调小些
B
解析:α射线穿透能力很弱,不能穿透3 mm厚的铝板,所以利用的不是α射线,故选项A、D错误;β射线恰好能穿透几毫米厚的铝板,即利用的是β射线,当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时,说明铝板变薄了,所以自动装置将M、N两个轧辊间的距离调大些,故选项B正确;γ射线穿透力太大,当铝板厚度变化时,γ射线都能穿过,穿过的粒子数不发生变化,故选项C错误。
模型方法 素养提升
半衰期的理解及应用——科学思维培养
方法归纳
1.半衰期的物理意义:半衰期表示放射性元素的原子核衰变的快慢。
前的原子数和质量,N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量,t表示衰变时间,T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。
下图为始祖鸟的化石,美国科学家维拉·黎比利用半衰期的原理发明了“碳-14计年法”,并因此荣获了1960年的诺贝尔奖。利用“碳-14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄。
(1)为什么能够利用半衰期来计算始
祖鸟的年龄
(2)若有10个具有放射性的原子核,
经过一个半衰期,则一定有5个原子核
发生了衰变,这种说法是否正确,为什么
提示:(1)半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关。
(2)这种说法是错误的,因为半衰期描述的是大量放射性元素的原子核衰变的统计规律,不适用于少量原子核的衰变。
典例剖析
2T后两种元素的核的质量相等,则开始时两种核的个数之比为多少 若经过2T后两种核的个数相等,则开始时两种核的质量之比为多少
答案:b∶4a a∶4b
规律总结 1.半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,而不是样本质量减少一半的时间。
2.经过n个半衰期,剩余核个数为N剩= N总。
学以致用
一瓶无害放射性同位素溶液,其半衰期为2天,测得每分钟衰变6×107次。今将这瓶溶液倒入一水库中,8天后认为溶液已均匀分布在水库中,取1 m3测得每分钟衰变20次,则该水库蓄水量为多少
答案:1.875×105 m3
随堂训练
A.2 B.239
C.145 D.92
答案:A
发生一次β衰变质子数就增加1,
所以钚239可由铀239衰变两次得到,即n=2,选项A正确。
2.放射性同位素电池已成功应用于军事卫星、空间探测器、水下监听器、航标灯、心脏起搏器、微型电动机械等方面。在诸多设计方案中有一种是衰变产生的射线作用于荧光物质激发荧光,然后再由荧光射入光电管利用光电效应实现电能输出。现考虑用氚 作为放射性物质,其衰变为β衰变,半衰期为12.43年,则下列说法正确的是( )
A.β衰变所释放的电子来自核外电子
C.提高温度,增大压强可以改变氚的半衰期
D.该衰变电池的功率可保持10年不变
B
解析:β衰变的实质是原子核的一个中子变为质子的同时释放
项B正确;半衰期与元素所处物理、化学环境无关,由元素本身决定,故选项C错误;该衰变电池的功率随着放射性物质的衰变功率不断减小,故选项D错误。
3.半衰期是指具有放射性的元素有半数发生衰变的时间,那么
( )
A.随着衰变的进行,元素总量越来越少,半衰期也越来越短
B.对于某种特定的元素,半衰期是个不变的值
C.半衰期随温度或化学环境变化而变化
D.8个氡原子经过一个半衰期的时间后,剩余4个氡原子
答案:B
解析:放射性元素的半衰期仅仅与元素本身有关,不会随它所处的化学环境和它本身的物理状态的变化而变化,故选项A、C错误,B正确;半衰期具有统计规律,对大量的原子核适用,对少数的原子核不适用,故选项D错误。
B
A.铅核比钍核少24个中子
B.铅核比钍核少8个质子
C.衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变
D.衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变
答案:BD
解析:由核反应中质量数守恒、电荷数守恒且原子核的质量数等于其中子数和质子数之和得,铅核比钍核少8个质子、少16个中子,选项A错误,B正确;设发生了n次α衰变和m次β衰变,
6.(多选)在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料,这些材料都不同程度地含有放射性元素,有些含有铀、钍的花岗岩会放射出α、β、γ射线。根据有关放射性知识可知,下列说法正确的是( )
A.发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,核内质量数减少2
B.发生β衰变时,生成核与原来的原子核相比,核内中子数减少1
C.β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流
D.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
BD
解析:发生α衰变时,生成核与原来的原子核相比,质子数减少2,核内质量数减少4,故选项A错误;发生β衰变时,原子核中的一个中子,转变为一个质子和一个电子,电子释放出来,所以β射线不是原子的核外电子电离后形成的电子流,发生β衰变时,生成核与原来的原子核相比,核内中子数减少1,故选项B正确,C错误;放射性元素的放射性与核外电子无关,故放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性,故选项D正确。
由动量守恒得
m0v0=mCvC+m甲v甲
即m0v0=12m0vC+3m0v甲(共61张PPT)
3 核力与结合能
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
模型方法·素养提升
素养 目标定位
目 标 素 养
1.知道核力的概念、特点及自然界存在的四种基本相互作用。
2.知道稳定原子核中质子与中子的比例随着原子序数的增大而减小。
3.理解结合能的概念,知道核反应中的质量亏损。
4.知道爱因斯坦的质能方程,理解质量与能量的关系。
5.认识开发和利用核能对解决人类能源危机的重要意义。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、核力与四种基本相互作用
1.强相互作用。
(1)定义:原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用,即存在一种 核力 ,它使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核,这种作用称为 强相互作用 。
(2)特点:
①核力是 强相互作用 的一种表现,在原子核内,核力比库仑力大得多。
②是短程力,作用范围只有约 10-15 m。
2.弱相互作用。
(1)定义:在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用,称为弱相互作用。
(2)也是短程力,作用范围只有 10-18 m。
3.四种基本相互作用。
微训练 (多选)关于核力,下列说法正确的是( )
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.核力是一种短程力
答案:CD
解析:核力与万有引力、库仑力的性质不同,核力是短程力,选项A错误,D正确;核力只存在于相邻的核子之间,质子间、中子间、质子和中子间都可以有核力作用,核力是原子核能稳定存在的原因,选项B错误,C正确。
二、结合能
1.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 ,这就是原子核的结合能。
2.比结合能。
原子核的结合能与 核子数 之比,叫作比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大,原子核中核子结合得 越牢固 ,原子核越稳定。
微思考 氦原子核是由两个质子和两个中子凭借核力结合在一起的,要把它们分开,需要吸收能量;反过来,4个核子结合成氦原子核要放出能量。那么,把核子分开需要的能量与核子结合放出的能量有什么关系
提示:相等。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,这个能量与核子结合成原子核而释放的能量相等。
三、质量亏损
1.质能方程。
物体的能量与它们质量的关系: E=mc2 。
2.质量亏损。
原子核的质量 小于 组成它的核子的质量之和的现象。
3.原子核的比结合能曲线。
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 。
微判断 (1)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。( )
(2)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。( )
(3)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。( )
(4)自由核子结合为原子核时,可能吸收能量。( )
(5)质能方程E=mc2表明了质量与能量间的一种对应关系。
( )
√
×
×
×
√
课堂·重难突破
重难归纳
1.核力的性质。
(1)核力:原子核中的核子之间的相互作用力。
(2)作用:使得核子紧密地结合在一起,形成稳定的原子核。
(3)核力是四种相互作用中的强相互作用的一种表现。
(4)核力是短程力:约在10-15 m数量级时起作用,距离大于0.8×10-15 m时为引力,距离小于0.8×10-15 m时为斥力,距离为10×10-15 m时核力几乎消失。
一 对核力与四种基本相互作用的理解
(5)核力具有饱和性:核子只对相邻的少数核子产生较强的引力,而不是与核内所有核子发生作用。
(6)核力具有电荷无关性:核力与核子电荷无关。
2.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用。
(1)引力相互作用:引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”。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。
(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。
(3)强相互作用:在原子核内,强相互作用将核子束缚在一起,强相互作用是短程力。
(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β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10-18 m,作用强度则比电磁力小。
下图为3H和3He的原子核结构示意图。
(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么3He还能稳定地存在
(2)自然界中存在的元素是有限的,为什么质子与中子不能随意地组合,从而形成无数不同的原子核
提示:(1)因为质子之间除了存在库仑斥力还存在核力。
(2)当核子增多时,原子核增大,核子间的距离也增大,形成的核不稳定,最终会瓦解。因此质子与中子不能随意地组合形成无数不同的原子核。
典例剖析
关于核力,下列说法正确的是( )
A.在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起
B.在原子核内,只有质子和中子之间有核力
C.在原子核内,任意两个核子之间都存在核力的作用
D.核力和万有引力是同种性质的力
答案:A
解析:在原子核内,靠核力将所有核子束缚在一起,选项A正确;质子和质子、质子和中子、中子和中子之间都存在核力,选项B错误;核力只在相邻的核子之间起作用,选项C错误;核力与万有引力不是同一种性质的力,选项D错误。
规律总结 1.核力是强相互作用的一种表现,只存在于相邻核子之间。 2.核力的存在与核子是否带电及电性无关。 3.原子核的稳定性与核力和库仑力的大小有关。
学以致用
(多选)对原子核的组成,下列说法正确的是( )
A.核力可使一些中子组成原子核
B.核力可使非常多的质子组成原子核
C.自然界中存在只有质子的原子核
D.质量较大的原子核内一定有中子
答案:CD
解析:由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核,因为核力是短程力,质子之间还存在“长程力”——库仑力,选项A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如 ,选项C正确;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,选项D正确。
重难归纳
1.比结合能曲线。
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线如图所示。
从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核的比结合能小。
二 比结合能与原子核的稳定程度
2.比结合能与原子核稳定程度的关系。
(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,就可能释放核能。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。
下图为原子核的比结合能示意图。
(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律
(2)比结合能的大小与原子核的稳定性有什么关系
提示:(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小核的比结合能最大。
(2)比结合能越大原子核越稳定。
典例剖析
(多选)下列关于结合能和比结合能的说法正确的有( )
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
答案:AB
解析:核子结合成原子核时放出能量,原子核拆解成核子时吸收能量,选项A、B正确;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能大的原子核,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少,其结合能反而比重核小,选项C、D错误。
规律总结 1.核子结合成原子核时一定释放能量,原子核分开成核子时一定吸收能量,吸收或释放的能量越大,表明原子核的结合能越大。 2.比结合能越大表明原子核越稳定。一般情况下,中等质量的原子核比轻核和重核的比结合能大。
学以致用
(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线,下列判断正确的有( )
答案:CD
模型方法 素养提升
核能的计算方法——科学思维培养
方法归纳
1.对质能方程的理解。
(1)质能方程E=mc2。
①质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,这里所说的总能量,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,这时质能方程也写作ΔE=Δmc2。
(2)质能方程的本质。
①质量或能量是物质的属性之一,决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来。
②质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,方程建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系不等于这两个量可以相互转化。
2.对质量亏损的理解。
(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。
(2)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。
3.核能的计算。
(1)根据质量亏损来计算。
①根据核反应方程,计算核反应前和核反应后的质量亏损Δm。
②根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。其中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算。
①明确原子质量单位u和电子伏特之间的关系。
1 u=1.660 5×10-27 kg,1 eV=1.602 2×10-19 J
②根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV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931.5 MeV,即ΔE=Δm·931.5 MeV/u。其中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV。
(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,利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化。
(4)利用比结合能来计算核能。
原子核的结合能=原子核的比结合能×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。
下图是原子核转变示意图。
(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒
(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
提示:(1)在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。
(2)核反应过程中会发生质量亏损。
典例剖析
1.1932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,随后又蜕变为两个原子核,核
别为m1=1.007 28 u、m2=7.016 01 u、m3=4.001 51 u,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=4.021 78 u
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
B
解析:根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒,可知核
中子数是4,X表示的是氦核,故C、D错误;核反应质量亏损为Δm=m1+m2-2m3=0.020 27 u,则释放的核能为ΔE=Δmc2=(m1+m2-2m3)c2,故A错误,B正确。
2.已知1个质子的质量mp=1.007 277 u,1个中子的质量mn=1.008 665 u,氘核的质量为2.013 553 u,1 u的质量亏损所释放的能量为931.5 MeV,由此计算一个中子和一个质子结合成氘核时释放的核能。
答案:2.23 MeV
解析:中子和质子的质量和为
M=mn+mp=1.008 665 u+1.007 277 u=2.015 942 u
质量亏损Δm=2.015 942 u-2.013 553 u=0.002 389 u
则一个中子和一个质子结合成氘核时所释放的核能
ΔE=0.002 389×931.5 MeV=2.23 MeV。
规律方法 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。
学以致用
形式释放出来,放出的α粒子的速度大小为多少
(已知1 u=1.66×10-27 kg,光速c=3×108 m/s)
答案:9.71×10-13 J 1.69×107 m/s
解析:衰变后质量亏损为
Δm=226.025 4 u-(222.016 3 u+4.002 6 u)=0.006 5 u
放出的能量为
ΔE=0.006 5×1.66×10-27×(3×108)2 J=9.71×10-13 J。
随堂训练
1.关于相互作用,下列说法正确的是( )
A.地球对较近的月球有引力的作用,对遥远的火星则没有引力作用
B.原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在弱相互作用
C.电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上是同一种相互作用的不同表现
D.强相互作用的作用范围比电磁相互作用的作用范围大
答案:C
解析:根据万有引力定律,虽然地球和火星之间的距离较大,但是它们之间有引力作用,故选项A错误;原子核中质子和中子能紧密地结合在一起,是因为它们之间存在强相互作用,故选项B错误;电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上都是电磁相互作用,故选项C正确;强相互作用是短程力,它的作用范围比电磁相互作用的作用范围小得多,故选项D错误。
2.(多选)对于核力,以下说法正确的是( )
A.核力是弱相互作用力,作用力很小
B.核力是强相互作用的一种表现
C.核子之间的距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起
D.人们对核力的了解很清楚,特别是在小于0.8×10-15 m时核力的变化规律更清楚
答案:BC
解析:核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围约10-15 m,核力比库仑力大得多,选项B正确,A错误。核力在大于0.8×10-15 m时表现为引力,且随距离增大而减小;在距离小于0.8×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,选项C正确。人们对核力的了解还不是很清楚,选项D错误。
3.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,中子数比质子数多
C.原子核都是非常稳定的
D.两个质子之间,不管距离如何,核力总是大于库仑力
答案:B
解析:原子核中质子数和中子数不一定相等,特别是在原子序数大的重原子核中,中子数比质子数多,且原子序数大的和原子序数小的都没有中等质量的原子核稳定,故选项A、C错误,B正确;核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m内,超过此范围,核力急剧减小,会小于库仑力,故选项D错误。
4.核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都伴随着巨大的能量变化,这是因为( )
A.原子核带正电,电子带负电,电荷间存在很大的库仑力
B.核子具有质量且相距很近,存在很大的万有引力
C.核子间存在着强大的核力
D.核子间存在着复杂的磁力
答案:C
解析:核子之间存在核力作用,核子结合成原子核或原子核分解为核子时,都有核力作用,故伴随着巨大的能量变化,故选项C正确。
5.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.30 MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳核时,放出7.26 MeV的能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放的能量为多少
答案:92.16 MeV
解析:设中子的质量为mn,质子的质量为mp,α粒子的质量为mα,碳原子核的质量为mC
根据质能方程ΔE1=28.30 MeV=[2(mn+mp)-mα]c2
ΔE2=7.26 MeV=(3mα-mC)c2
ΔE3=(6mn+6mp-mC)c2
由以上各式得ΔE3=92.16 MeV。(共44张PPT)
4 核裂变与核聚变
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
素养 目标定位
目 标 素 养
1.知道核裂变的概念,知道重核裂变能释放出巨大的能量。
2.知道什么是链式反应。
3.了解核聚变的特点及其条件。
4.了解可控热核反应及其研究和发展。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、核裂变的发现
1.核裂变: 重核被 中子 轰击后分裂成两个或多个中等质量核的反应。
2.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,叫作核裂变的链式反应。
3.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 体积叫作它的临界体积,相应的质量叫作临界质量。
微判断 (1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于或等于临界质量时链式反应才能发生。
( )
(3)中子的速度越快,越容易发生铀核裂变。( )
(4)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。( )
(5)铀核裂变的产物是钡和氪,且固定不变,同时放出三个中子。
( )
×
√
×
√
×
二、反应堆与核电站
1.反应堆的构造和用途。
(1)铀棒的用途:核燃料。
(2)慢化剂:石墨、 重水 和普通水(也叫轻水)。
(3)镉棒:控制核反应 速度 。
2.核电站的工作流程。
(1)核电站发电原理。
核燃料发生核裂变释放的能量使反应区温度升高,水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆内的 热量 传输出去,用于发电。
(2)核电站工作流程。
微训练 镉棒在核反应堆中的作用是( )
A.使快中子变慢中子
B.使慢中子变快中子
C.使反应速率加快
D.控制反应速率,调节反应速率快慢
答案:D
三、核聚变
1.核聚变:两个 轻核 结合成质量较大的核的核反应。
2.核聚变条件:轻核的距离要达到 10-15 m 以内。
3.核聚变优点。
(1)轻核聚变产能 效率高 。
(2)燃料氘 储量丰富 。
(3)轻核聚变更为 安全、清洁 。
4.约束方法。
(1)磁约束:带电粒子运动时,在匀强磁场中会由于 洛伦兹力 的作用而不飞散,因此有可能利用磁场
来约束参加反应的物质,这就是磁约束。
(2)惯性约束:利用核聚变物质的惯性进
行约束。在惯性约束下,可以用高能量
密度的 激光 或X射线从各个方向照
射参加反应的物质,使它们“挤”在一起
发生反应。由于核聚变反应的时间非常短,被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。
惯性约束示意图
微探究 万物生长靠太阳,太阳在我们日常生活中是不可替代的,它提供给地球足够的能源,如果太阳没有了,那么地球上的一切生物都将随之消失。你知道太阳的能量来源吗
提示:来源于太阳内部的核聚变反应。
课堂·重难突破
重难归纳
1.铀核的裂变和裂变方程。
(1)核子受激发: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。
(2)核子分裂: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2或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
一 核裂变的深化分析
(3)常见的裂变方程。
2.链式反应的条件。
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
3.裂变反应的两点说明。
(1)铀核裂变只能发生在人为的核反应中,自然界中不会自发地产生裂变,而是会发生衰变。
(2)链式反应速度很快,如不加以控制,能量在瞬间急剧释放会引起剧烈爆炸(如原子弹)。如果运用一定办法加以控制就可以和平利用这种巨大的能量(如核电站、核潜艇等)。
4.裂变问题的分析方法。
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
下图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)铀核裂变是一种天然放射现象吗
(3)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗
(2)不是。
(3)有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
典例剖析
钍基熔盐堆核能系统是第四代核能系统之一,其中钍基核燃料铀由较难裂变的钍吸收一个中子后经过若干次β衰变而来。铀的一种典型裂变产物是钡和氪。以下说法正确的是( )
A.题中铀核裂变的核反应方程为
A
误区警示 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。
学以致用
D
解析:用中子轰击铀核的核反应方程为原子核的裂变,故选项A错误;由核反应遵循质量数与电荷数守恒,可知x=3,故选项B
重难归纳
1.聚变发生的条件。
要使轻核聚变,必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,这要克服电荷间强大的斥力作用,要求使轻核具有足够大的动能。要使原子核具有足够大的动能,就要给它们加热,使物质达到几百万开尔文的高温。
2.轻核聚变是放能反应。
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。
二 对核聚变的理解
3.核聚变的特点。
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)遵守规律: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式的重要依据。
(5)核能的计算:核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损,然后代入ΔE=Δmc2进行计算。
4.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聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
5.重核裂变与轻核聚变的区别。
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大3~4倍
燃料储量情况 聚变燃料储量丰富
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
受控核聚变中磁约束的原理是什么
提示:原子核带有正电,垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,绕着一个中心不断旋转而不飞散开,达到约束原子核的作用。
典例剖析
质量亏损所释放的能量为931 MeV。氘核聚变反应中释放的核能约为( )
A.3.7 MeV B.3.3 MeV
C.2.7 MeV D.0.93 MeV
答案:B
=2×2.013 6 u=4.027 2 u,反应后物质的质量m2=3.015 0 u +1.008 7 u=4.023 7 u,质量亏损Δm=m1-m2=0.003 5 u,则氘核聚变释放的核能为E=931×0.003 5 MeV=3.3 MeV,选项B正确。
学以致用
下面列出的核反应方程,属于聚变的是( )
答案:A
解析:轻核聚变是指轻核结合成质量较大的核,并释放出核能的反应,所以由此可知选项A是轻核聚变,选项B是α衰变,选项C、D是原子核的人工转变。
随堂训练
1.现今核电站所产生的能量主要来自核燃料内部的( )
A.化学反应 B.放射性衰变
C.裂变反应 D.聚变反应
答案:C
解析:现今核电站所产生的能量主要来自铀235的裂变,选项C正确。
答案:D
解析:由质量数和电荷数守恒得粒子X的电荷数为0、质量数为1,且m=4,所以该粒子为中子 ,故选项D正确,A、B、C错误。
A.8 MeV B.16 MeV
C.26 MeV D.52 MeV
答案:C
解析:ΔE=(4×1.007 8 u-4.002 6 u)·c2=26 MeV,故选项C正确。
4.2020年11月27日消息,我国自主知识产权三代核电“华龙一号”首堆——福清5号机组首次并网成功。下列关于核电站的说法正确的是( )
B.核反应过程中质量和质量数都发生了亏损
C.我国现已建成的核电站发电的能量来自重核裂变放出的能量
D.在核反应堆中利用控制棒吸收中子从而减小中子对环境的影响
C
从而释放出核能,选项B错误;现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,选项C正确;在核反应中,核反应速度由参与反应的中子数目决定,控制棒通过插入的深度来调节中子的数目以控制链式反应的速度,选项D错误。
A.这是核裂变反应
B.这是核聚变反应
C.反应中放出的能量为(m1+m2-m3-m4)c2
D.反应中放出的能量为(m3+m4-m1-m2)c2
答案:BC
解析:聚变是质量数较小的核聚变生成质量数较大的核,由质能方程可知反应中放出的能量为(m1+m2-m3-m4)c2,故选项B、C正确。(共38张PPT)
5 “基本”粒子
课前·基础认知
课堂·重难突破
素养·目标定位
随堂训练
素养 目标定位
目 标 素 养
1.了解构成物质的“基本”粒子。
2.了解粒子物理的发展史。
3.感知人类探究宇宙奥秘的过程和方法。
4.能够突破传统思维重新认识客观物质世界,培养科学探索精神。
知 识 概 览
课前·基础认知
一、“基本”粒子
“基本”粒子是指 光子 、电子、质子和中子。
微思考1 “基本”粒子为什么将“基本”二字去掉了
提示:一方面,科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子,它们并不能看作由质子、中子、电子组成;另一方面,科学家们又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。
二、发现新粒子
1.从20 世纪30 年代以来,人们在对宇宙线的研究中陆续发现了一些新的粒子。1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了K介子和π介子。后来还发现了一些粒子,质量比质子的质量大很多,叫作 超子 。
2.下表是自20世纪30年代至今物理学家通过实验发现的一部分新粒子。
时间 粒子
1931~1940年 正电子、μ子
1941~1950年 K介子和π介子
1951~1960年 反质子、电子中微子
1961~1970年 μ子中微子
1971~1980年 τ子、胶子、J/Ψ介子
1981~1990年 W和Z玻色子
1991~2000年 τ子中微子
2001年至今 希格斯玻色子
3.反粒子: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 的粒子,叫作反粒子。
微思考2 所有的粒子都存在反粒子吗
提示:实验发现,许多粒子都有和它质量相同而电荷及其他一些物理量相反的粒子。按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一个反粒子。
三、粒子的分类
发现的粒子达400多种,它们大体可被分为强子、轻子、
规范玻色子 和希格斯玻色子几种类别。
1.强子: 强子是参与 强相互作用 的粒子。质子和中子都是强子。
2.轻子:轻子不参与强相互作用。目前发现的轻子只有6种,即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子以及τ子和τ子中微子。每种轻子都有对应的 反粒子 。
3.规范玻色子:规范玻色子是传递 各种相互作用 的粒子,如光子、中间玻色子(W和Z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。
4.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。
微训练1 关于粒子的分类,目前人们认为粒子世界是由下列哪四类粒子构成的( )
A.规范玻色子、夸克、强子、希格斯玻色子
B.夸克、轻子、强子、希格斯玻色子
C.轻子、强子、规范玻色子、希格斯玻色子
D.质子、中子、电子、规范玻色子
答案:C
解析:按照粒子与各种相互作用的不同关系,把粒子分为四大类,即轻子、强子、规范玻色子、希格斯玻色子,故选项C正确。
四、拓展学习——夸克与粒子物理标准模型
1.夸克种类:有6种,它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。
3.每种夸克都有对应的 反夸克 。
微训练2 关于粒子,下列说法不正确的是( )
A.质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.质子、中子本身也有复杂的结构
C.质子是带电的强子
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
答案:A
解析:质子和中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,故选项A错误,B正确;不同的夸克组成强子,有的强子带电,有的强子不带电,质子是最早发现的带正电的强子,故选项C正确;夸克模型是研究强子的理论,不同夸克带的电荷不同,分别为元电荷的 ,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确。
课堂·重难突破
重难归纳
1.新粒子的发现及特点。
发现时间 新粒子 基本特点
1932年 反粒子 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
1937年 μ子 比质子的质量小
1947年 K介子与π介子 质量介于电子与核子之间
20世纪
60年代后 超子 其质量比质子大
新粒子的发现及特点
发现时间 新粒子 基本特点
1971~
1980年 τ子、胶子、J/Ψ介子 τ 子属于轻子,胶子、J/Ψ介子属于规范玻色子,中间玻色子传递弱相互作用,胶子传递强相互作用
1981~
1990年 W和Z
玻色子 属于规范玻色子,中间玻色子传递弱相互作用
1991~2000年 τ子中微子 属于轻子,存在反粒子
2001年
至今 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
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、介子、超子 强子有内部结构,由
“夸克”构成;强子又可分为介子和重子
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 未发现内部结构
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、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
希格斯
玻色子 希格斯场的量子激发 希格斯玻色子 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量
物质是由分子和原子组成的,原子由带负电的电子和带正电的原子核组成,那么反物质的结构是怎样的呢
提示:反物质是由反原子组成的,反原子是由带正电的电子和带负电的原子核组成的。
典例剖析
(多选)反物质即质量与原粒子相等、电荷量与原粒子相等但电性相反的物质,如 。有一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线,沿OO'穿过速度选择器后进入匀强磁场B2,形成4条径迹,下列说法正确的是( )
A.1、2为反粒子的径迹
B.3、4为反粒子的径迹
C.2为反α粒子的径迹
D.4为质子的径迹
AC
解析:由左手定则可知,粒子刚进入磁场时,带正电的粒子在磁场中受到的洛伦兹力向右,粒子向右偏转,带负电的粒子受到的洛伦兹力向左,粒子向左偏转,由题图可知,1、2是反粒子的径迹,3、4是粒子的径迹;粒子先过速度选择器,然后进入磁场,
易错提醒 1.反粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与相对应的粒子相同,电荷量相等但电性相反。 2.粒子碰撞过程中满足动量守恒、能量守恒。
学以致用
(多选)在一定条件下,让质子获得足够大的速度,当两个质子p以相等的速率对心正碰,将发生下列反应p+p→p+p+p+ ,其中 是反质子(反质子与质子质量相等,均为mp,带一个单位负电荷),则下列关于该反应的说法正确的是( )
A.反应前后系统的总动量均为零
B.反应过程中系统的能量守恒
C.根据爱因斯坦质能方程可知,反应前每个质子的能量至少为2mpc2
D.根据爱因斯坦质能方程可知,反应后单个质子的能量可能小于mpc2
ABC
解析:反应过程中动量守恒、能量守恒,反应后总能量至少为4mpc2,所以反应前每个质子的能量至少为2mpc2,反应后单个质子的能量至少为mpc2,故选项A、B、C正确,D错误。
随堂训练
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反中子构成
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)和两个不带电的反中子构成,选项D正确。
2.关于粒子,下列说法正确的是( )
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的基本粒子
B.强子都是带电粒子
C.夸克模型是探究四大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
答案:D
解析:由于中子、质子是由不同的夸克组成的,它们不再是基本粒子,夸克模型是探究强子结构的理论,不同夸克构成强子,有的强子带电,有的不带电,不同夸克带的电荷不同,可能为 ,说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确,A、B、C错误。
3.“反物质”是由“反粒子”构成的,“反粒子”与其对应的正粒子有相同的质量和相同的电荷量,但电荷符号相反。据此,若有反α粒子,它的质量数和电荷数分别为( )
A.-4,-2 B.4,-2
C.-4,2 D.4,2
答案:B
解析:因“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量、相同的电荷量,但电荷的符号相反,所以反α粒子质量数为4,电荷数为-2,故选项B正确。
4.太阳放出的大量中微子向地球飞来,但实验测定的数目只有理论的三分之一,后来科学家发现中微子在向地球传播的过程中衰变成一个μ子和一个τ子。若在衰变过程中μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向( )
A.一定与μ子的方向相同
B.一定与μ子的方向相反
C.一定与μ子在同一直线上
D.不一定与μ子在同一直线上
答案:C
解析:中微子衰变成μ子和τ子的过程中满足动量守恒定律,μ子的速度方向与中微子的速度方向一致,则τ子的运动方向必定也在这条直线上,由于质量关系不确定,则不能确定其速度方向与μ子的方向相同还是相反,故选项C正确。
(1)若认为质子是静止的,测得正电子动量为p1,中子动量为p2,p1、p2方向相同,求反中微子的动量p。
(2)若质子质量为m1,中子质量为m2,电子质量为m3,m2>m1。要实现上述反应,反中微子能量至少是多少 (真空中光速为c)
答案:(1)p1+p2 (2)(m2+m3-m1)c2
解析:(1)以质子的运动方向为正方向,根据动量守恒定律,
有p+0=p1+p2
解得p=p1+p2。
(2)根据能量守恒定律,反中微子的能量最小时,
有E+m1c2=(m2+m3)c2
故最小能量为E=(m2+m3-m1)c2。
