(共45张PPT)
第五章 原子核
2 放射性元素的衰变
学习目标 学法与考法
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(重难点)
3．理解半衰期的概念，知道半衰期的统计意义，会应用半衰期解决有关问题(重点) 学法：①通过α衰变、β衰变学习，能够熟练运用核衰变的规律写出核衰变的方程式．②通过半衰期的学习，正确理解半衰期并能够利用半衰期来进行简单计算
考法：①对衰变实质的考查．②对衰变规律和书写核的衰变方程的考查．③对半衰期的理解和计算的考查
知识导图
课前 自主预习
原子核的衰变
1．定义：原子核放出________或________，由于核电荷数变了，它在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衰变．原子核衰变时电荷数和质量数都_______．
α粒子
β粒子
守恒
2．衰变类型
(1)α衰变：
减少4
减少2
不变
增加1
3．衰变规律：________守恒，_________守恒．
电荷数
质量数
当原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？当发生β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？
【答案】原子核发生α衰变时，原子核的质子数和中子数各减少2个．当发生β衰变时，新核质量数不变，核电荷数增加1．新核在元素周期表中的位置较旧核后移一位．
【答案】C
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．特点
(1)不同的放射性元素，半衰期________，甚至差别非常大．
(2)放射性元素衰变的快慢是由___________________决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件________．
3．适用条件：半衰期描述的是___________，不适用于少数原子核的衰变．
半数
不同
核内部自身的因素
无关
统计规律
在生产和科研中凡用到射线时，绝大多数是用人工放射性同位素，而不用天然放射性物质，人工放射性同位素与天然放射性物质相比，有哪些优点？
【答案】种类多、放射强度容易控制、可以按需制定、半衰期短(废料易处理)等．
C．由于衰变时释放巨大能量，衰变过程质量数不再守恒
D．衰变发出的γ放射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力
【答案】AD
【解析】根据电荷数守恒和质量数守恒可知，质量数等于质子数和中子数之和，X的电荷数为92，质量数为235，质子数是92，中子数为143，A正确；半衰期是统计规律，对大量的原子核适用，对个别的原子核没有意义，B错误；由于衰变时释放巨大能量，衰变过程总质量减小，但质量数仍然守恒，C错误；衰变发出的γ射线是波长很短的光子，具有很强的穿透能力，D正确．
课堂 重难探究
－探究原子核的衰变
1．衰变规律：原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒．
2．衰变实质
4．衰变方程的书写
(1)核反应过程一般是不可逆的，所以核反应只能用单向箭头，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规律而杜撰出不符合实际的生成物来书写核反应方程．
(3)核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能．
(4)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．
对衰变的实质的理解
例1 关于天然放射现象，下列说法正确的是 ( )
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
【答案】D
【解析】α、β射线是天然放射性元素原子核衰变时产生的．γ射线是核反应过程中发生质量亏损时释放出来的，故A、B、C错误．放射性是核本身的一种性质，故D正确．
变式1 下列说法中正确的是 ( )
A．β衰变放出的电子来自组成原子核的电子
B．β衰变放出的电子来自原子核外的电子
C．α衰变说明原子核中含有α粒子
D．γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波
【答案】D
【解析】原子核发生β衰变中放出的电子是原子核内的中子转化为质子而释放的电子，A、B错误；α射线是具有放射性的元素的原子核在发生衰变时两个中子和两个质子结合在一起从原子核中释放出来，γ射线总是伴随其他衰变发生，它的本质是电磁波，故D正确．
衰变规律的应用
A．X为质子
B．该过程发生了一次α衰变
C．该过程发生了两次β衰变
【答案】C
【答案】C
确定原子核衰变次数的方法与技巧
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．
－探究半衰期的理解及应用
1．半衰期公式
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，T半表示半衰期．
2．对半衰期的理解
(1)不同元素的半衰期不同，半衰期越长衰变越慢；半衰期越短，衰变越快．
(2)半衰期是一个具有统计意义的物理量，一定量的放射性物质中的某一个具有放射性的原子核，经过多长时间发生衰变是偶然的，但数目巨大的放射性物质中，有一半原子核发生衰变的时间是稳定不变的，这就是半衰期的统计意义．因此半衰期是指放射性元素的大量原子核半数发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢程度，因此半衰期的统计规律只适用于含有大量原子核的样品．
(3)半衰期是放射性元素的性质，只与原子核本身的性质有关，与物理或化学状态无关，即一种放射性元素，不管它以单质存在还是以化合物的形式存在，或者对它加压，或者提高它的温度，都不能改变其半衰期．
对半衰期的理解
例3 (多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是 ( )
A．原子核全部衰变所需要的时间的一半
B．原子核有半数发生衰变所需要的时间
C．相对原子质量减少一半所需要的时间
D．元素原子核总质量减半所需要的时间
【答案】BD
【解析】放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间叫作这种元素的半衰期，它与原子核全部衰变所需要时间的一半不同．放射性元素发生衰变后成了一种新的原子核，原来的放射性元素原子核的个数不断减少；当原子核的个数减半时，该放射性元素的原子核的总质量也减半，B、D正确．
变式3 下列有关半衰期的说法，正确的是 ( )
A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快
B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长
C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度
D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度
【答案】A
【解析】放射性元素的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，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A正确，B、C、D错误．
半衰期公式的应用
例4 放射性同位素14C被考古学家称为“碳钟”，它可以用来判定古生物体的年代，此项研究获得1960年诺贝尔化学奖．
A．11.4天 B．7.6天
C．5.7天 D．3.8天
【答案】D
理解半衰期应抓住两点
1．半衰期由原子核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件均无关．
2．半衰期是一个统计规律，适用于对大量原子核衰变的计算，对于少量原子核不适用．
小练 随堂巩固
1．(2023年武汉阶段检测)下列哪些物理现象或物理实验能说明原子核内部有结构 ( )
A．α粒子散射实验 B．天然放射性现象
C．氢原子光谱 D．光电效应
【答案】B
【解析】天然放射现象是原子核发生衰变而产生的，说明原子核内部是有结构的，B正确，A、C、D错误．
2．(2023年海南卷)钍元素衰变时会放出β粒子，其中β粒子是 ( )
A．中子 B．质子
C．电子 D．光子
【答案】C
【解析】放射性元素衰变时放出的三种射线α、β、γ分别是氦核流、电子流和光子流，C正确．
3．(2023年淮安期末)14C可发生β衰变，2023年6月9日考古学家利用14C衰变的测年技术，分析三星堆的遗存年代，则14C ( )
A．衰变过程中吸收能量
B．衰变产生的新核中多了一个电子
D．半衰期与三星堆的环境温度有关
【答案】C
A．m＝7，n＝3 B．m＝7，n＝4
C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18
【答案】B
5．碘131的半衰期约为8天．若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有 ( )
【答案】C(共50张PPT)
第五章 原子核
①物理观念：了解原子核的结构和特点，能说明原子核的衰变、裂变、聚变和放射现象．知道四种基本的相互作用．具有较为完整的物理观念．通过对这些内容的学习，完善学生对物质的认识，帮助学生形成相对完整、科学的物理观念．
②科学思维：能运用概率统计的方法理解半衰期，对天然放射性现象问题进行分析，研究“基本”粒子的夸克模型．通过这些内容的学习，进一步促进物理模型建构、科学推理、质疑、创新的物理学科核心素养的形成．
③科学探究：通过天然放射现象的发现，提出原子核具有复杂结构，形成猜想和假设，通过实验对三种射线性质进行探究，获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释．这一切都体现了科学探究的物理学科核心素养，对微观粒子的认识过程体现了科学探究的核心素养．
④科学态度与责任：通过原子核内容的学习，知道所有物理结论都必须接受实践的检验，在学习和研究中做到实事求是，不迷信权威，能与他人合作．同时，知道科学技术对人类生活和社会发展的积极作用，但同时也会带来一系列问题，认识到人与自然是生命共同体，人类必须尊重自然，遵循自然规律．
本章重点 ①原子核的组成、三种射线的本质；②衰变的基本性质，原子核的衰变规律和半衰期；③核力、结合能与平均结合能，质量亏损和质能方程；④核裂变与核聚变的理解和释放核能的计算．
本章难点 ①原子核的衰变规律及半衰期；②质能方程的理解和核能计算； ③计算核裂变与核聚变释放的核能．
1 原子核的组成
学习目标 学法与考法
1．知道天然放射现象及其规律
2．理解三种射线的本质，以及如何利用磁场区分它们(重难点)
3．掌握原子核的组成，知道核子和同位素的概念(重点) 学法：①通过观察，思考，讨论了解天然放射现象及其规律，初步学会探究的方法．②通过对原子核组成的认识，培养自学和归纳能力
考法：①考查对天然放射现象的实验规律的理解．②考查三种射线的性质．③考查对原子核组成的理解及质量数、电荷数和核子数间关系的认识
知识导图
课前 自主预习
天然放射现象及三种射线
1．对天然放射现象的认识
(1)1896年，法国物理学家___________发现某些物质具有放射性．
(2)物质放出_______的性质称为放射性；具有_________的元素称为放射性元素；放射性元素自发地发出_______的现象叫作天然放射现象．
(3)原子序数________或________83的元素，都能自发地发出射线，原子序数________83的元素，有的也能放出射线．
贝克勒尔
射线
放射性
射线
大于
等于
小于
氦原子核
电离
(2)β射线：是高速________，它的速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离作用较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的________．
(3)γ射线：呈电中性，是能量很高的_________，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________或几十厘米厚的混凝土．
电子流
铝板
电磁波
铅板
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？
【答案】不相同，阴极射线来源于带自由电子的金属的核外电子，β射线来源于原子核变化时产生的电子．
(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α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
【答案】ACD
【解析】由三种射线的本质和特点可知，α射线穿透本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是一种波长很短的光子，不会使原核变成新核，三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．
原子核的组成
1．质子的发现
1919年，________用镭放射出的α粒子轰击氮原子核，从氮核中打出了一种新的粒子，测定了它的电荷和质量，确定它是氢原子核，叫作_______，用_____或______表示，其质量为mp＝_______________．
卢瑟福
质子
p
1.67×10－27 kg
2．中子的发现
(1)卢瑟福的预言：原子核内可能还有一种__________的粒子，名字叫中子．
(2)查德威克的发现：用实验证实了中子的存在，用______表示，中子的质量非常接近质子的质量．
不带电
n
3．原子核的组成
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以________数和________数之和叫核子数．
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷总是质子电荷的________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．
质子
中子
整数
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内________和________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__________．
(4)
质子
中子
质量数
【答案】质子数 中子数 质子数
质子数
中子数
同一位置
原子核的核子数等于质子数吗？质量数就是原子核的质量吗？
【答案】原子核的核子数等于质子数与中子数之和．原子核的质量等于原子中质子和中子的质量之和；质量数是将原子内所有质子和中子的相对质量取近似整数值相加而得到的数值．
A．核外有83个电子，核内有127个质子
B．核外有83个电子，核内有83个质子
C．核内有83个质子，210个中子
D．核内有210个核子
【答案】D
【解析】根据质量数＝质子数＋中子数可知该原子核的质量数为210，质子数为83，则中子数为127，而质子与中子统称为核子，则核子数为210，但由于不知道该原子的电性，因此不能确定核外电子数，D正确．
课堂 重难探究
－对天然放射现象和三种射线的理解
1．对放射性和射线的理解
(1)一种元素的放射性，与其是单质或是化合物无关，这说明一种元素的放射性和核外电子无关．
(2)射线来自于原子核，说明原子核是可以再分的．
2．三种射线的性质、特征比较
对三种射线性质的理解
例1 如图所示，R是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，LL′是厚纸板，MM′是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应符合下表中的 ( )
【答案】C
选项 磁场方向 到达O点的射线 到达P点的射线
A 竖直向上 β α
B 竖直向下 α β
C 垂直纸面向里 γ β
D 垂直纸面向外 γ α
【解析】R放射出来的射线共有α、β、γ三种，其中α、β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O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P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．
变式1 天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知 ( )
A．②来自于原子核外的电子
B．①的电离作用最强，是一种电磁波
C．③的电离作用较强，是一种电磁波
D．③的电离作用最弱，是一种电磁波
【答案】D
【解析】①射线能被一张纸挡住，说明它的穿透能力较差，①射线是α射线，α射线是高速运动的氦核流，它的穿透能力差，电离作用最强，B错误；②射线的穿透能力较强，能穿透纸和几毫米厚的铝板，说明它是β射线，β射线是高速电子流，β射线来自原子核，不是来自原子核外的电子，A错误；③射线的穿透能力最强，能够穿透几厘米厚的铅板，③射线是γ射线，γ射线的电离作用最弱，穿透能力最强，它是能量很高的电磁波，C错误，D正确．
三种射线在磁场或电场中偏转的问题
例2 (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外的匀强磁场，则下列说法中正确的有 ( )
A．打在图中a、b、c三点的依次是β射线、γ射线和α射线
B．α射线和β射线的轨迹都是抛物线
C．α射线和β射线的轨迹都是圆弧
D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向上的匀强电场，则屏上有亮斑的可能只是b
【答案】AC
变式2 如图所示，天然放射性元素，放出α、β、γ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β射线和γ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
【答案】A
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，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线．
3．α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强．
对原子核的组成的理解
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：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，从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．
对原子核的组成的理解
例3 人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一．氦的该种同位素应表示为 ( )
【答案】B
变式3 现在科学家正在设法寻找“反物质”．所谓“反物质”是由“反粒子”组成的，则反α粒子的符号是 ( )
【答案】C
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，与组成原子核的质子数是相等的．
2．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之和．
小练 随堂巩固
1．关于γ射线，下列说法不正确的是 ( )
A．它是处于激发态的原子核放射的
B．它是原子内层电子受到激发时产生的
C．它是一种不带电的光子流
D．它是波长极短的电磁波
【答案】B
【解析】γ射线是激发状态的原子核发出的波长极短的电磁波，是一种不带电的光子流，B符合题意．
2．放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，进入匀强电场中，偏转情况如图所示，由此可推断 ( )
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．①表示γ射线，③表示β射线
C．②表示γ射线，③表示α射线
D．②表示γ射线，③表示β射线
【答案】C
【解析】α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，γ射线在磁场中一定不偏转，②为γ射线；电场中，α射线向右偏，β射线向左偏，①为β射线，③为α射线，C正确，A、B、D错误．
3．图甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图．人们根据射线的特性设计了在不损坏工件的情况下利用射线的穿透性，来检查金属内部伤痕的情况，如图乙所示．图乙中检查所利用的射线是 ( )
A．α射线
B．β射线
C．γ射线
D．三种射线都可以
【答案】C
【解析】分析三种射线的性质，可知α、β、γ三种射线中，α射线电离能力最强，γ射线穿透能力最强，要检查金属内部伤痕的情况，所以选用穿透能力最强的射线，即γ射线．它能穿透薄金属板，当金属内部有伤痕，透过钢板的γ射线强度发生变化，计数器就能有不同的显示，从而可知金属内部有伤痕．
4．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】A项氡核的质量数为222，质子数为86，所以A错误；B项铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错误；由于质子数相同而中子数不同的原子核组成的元素互称为同位素，即它们的质量数不同，因而C错误，D正确．
5．(多选)法国里昂的科学家发现一种只由四个中子构成的粒子，这种粒子称为“四中子”，也有人称之为“零号元素”．下列有关“四中子”粒子的说法正确的是 ( )
A．该粒子不显电性 B．在周期表中与氢元素占同一位置
C．该粒子质量比氢原子小 D．该粒子质量数为4
【答案】AD
【解析】由题意可知，此粒子是由四个中子构成的，所以它的核电荷数为零，不显电性，A正确，B错误；该粒子的质量数为4，故质量比氢原子大，C错误，D正确．
6．卢瑟福预言原子核内除质子外还有中子的事实依据是 ( )
A．电子数与质子数相等
B．绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的质量与电荷量之比
C．原子核的核电荷数等于质子数
D．质子和中子的质量几乎相等
【答案】B
【解析】绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的质量与电荷量之比，故原子核内还存在不带电的中子，B正确．(共26张PPT)
第五章 原子核
5 “基本”粒子
学习目标 学法与考法
1．了解构成物质的“基本粒子”(重点)
2．知道粒子的分类及其应用，了解夸克模型(难点)
3．了解粒子物理的发展史 学法：①通过查阅资料了解构成物质的基本粒子，感知人类(科学家)探究宇宙奥秘的过程和方法．②通过学习粒子的分类和夸克模型，学会突破传统思维，重新认识客观物质世界
考法：①考查新粒子的发现及特点．②考查对夸克模型的理解
知识导图
课前 自主预习
“基本”粒子
1．“基本”粒子不基本
(1)直到19世纪末，人们都认为光子、电子、________和________是基本粒子．
(2)随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子并不是由以上___________组成的，并发现_______、________等本身也有复杂结构．
质子
中子
基本粒子
质子
中子
2．发现新粒子
(1)新粒子：1932年发现了________，1937年发现了______，1947年发现了K介子和π介子及以后的超子等．
(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：________、_______、______________和________________．
3．夸克模型的提出：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_______构成的，带电量为_______或_______．
正电子
μ子
强子
轻子
规范玻色子
希格斯玻色子
夸克
夸克模型的提出有什么重大意义？
【答案】电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷．
(多选)关于人们发现的新粒子，下列说法正确的是 ( )
A．许多粒子都有自己的反粒子
B．把粒子分为强子、轻子、玻色子，分类依据是粒子与各种相互作用的关系
C．质子属于强子
D．光子属于轻子
【答案】ABC
【解析】根据粒子的分类、粒子与反粒子描述知A、B、C正确；光子属媒介子，D错误．
课堂 重难探究
对“基本”粒子的理解
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 反粒子 μ子 K介子
与π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 质量比质子大
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
媒介子 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
3．夸克模型
(1)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．
(2)夸克的种类：上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克(t)．
(4)意义：电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．
【答案】AD
变式 (多选)下列叙述正确的是 ( )
A．强子是参与强相互作用的粒子
B．轻子是不参与强相互作用的粒子
C．目前发现的轻子只有4种
【答案】ABD
小练 随堂巩固
1．贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫铀炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染．人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病．下列叙述错误的是 ( )
C．贫铀炸弹会使人患皮肤癌和白血病，是因为核辐射导致了基因突变
D．贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性
【答案】D
【解析】铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，衰变方程满足质量数和电荷数守恒，A正确，不符合题意；铀238和铀235质子数相同，质量数不同，互为同位素，B正确，不符合题意；核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，C正确，不符合题意；贫铀弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，D错误，符合题意．
2．正电子是电子的反粒子，它跟普通电子的电量相等，而电性相反，科学家设想在宇宙的某些部分可能存在完全由反粒子构成的物质——反物质．1997年初和年底，欧洲和美国的科学研究机构先后宣布：他们分别制造出9个和7个反氢原子，这是人类探索反物质的一大进步．你推测反氢原子的结构是 ( )
A．由一个带正电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
B．由一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成
C．由一个不带电的中子与一个带负电荷的电子构成
D．由一个带负电荷的质子与一个带负电荷的电子构成
【答案】B
【解析】反氢原子的结构应该是反质子与反电子组成，即一个带负电荷的质子与一个带正电荷的电子构成．
3．(多选)下列说法中正确的是 ( )
A．目前还未发现玻色子、轻子和夸克三类粒子的内部结构
B．自然界存在的能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律，对基本粒子不适用
C．反粒子与其对应的正粒子相遇时，会发生湮灭现象
D．强子是参与强相互作用的粒子，质子是最早发现的强子
【答案】ACD
【解析】玻色子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构，A正确；自然界三大守恒定律是普遍适用的基本规律，B错误；反粒子与其对应的正粒子带等量异种电荷，反粒子与其对应的正粒子相遇时会发生湮灭现象，C正确；质子是最早发现的强子，D正确．
4．(多选)下列说法中正确的是 ( )
A．质量相同、电荷等值而电性相反的粒子叫作反粒子
B．光子是传递电磁相互作用的，属于媒介子
C．轻子就是质量很轻的粒子
D．强子就是参与强相互作用的粒子
【答案】ABD
【解析】所谓反粒子，即质量相同且电荷等值而电性及其他一些物理性质相反的粒子；强子是参与强相互作用的粒子；轻子的质量不一定很轻，如τ子的质量比核子的质量还大．
5．科学家们正在设法寻找“反物质”，所谓“反物质”是由“反粒子”构成的，“反粒子”与其对应的正粒子具有相同质量和相同电荷量，但电荷的电性相反，据此，如果有反α粒子，则它的质量数为________，电荷数为________．
【答案】4 －2(共52张PPT)
第五章 原子核
3 核力与结合能
学习目标 学法与考法
1．知道核力的概念与特点(重点)
2．理解结合能与平均结合能的概念，知道核反应中的质量亏损(重点)
3．知道爱因斯坦质能方程，理解质量与能量的关系，能进行基本的核能计算(重难点) 学法：①通过结合能与平均结合能的学习，理解核反应中的质量亏损．②通过爱因斯坦质能方程学习会根据质能方程和质量亏损的概念计算核反应中释放的核能．培养理解能力、推理能力及数学计算能力
考法：①对核力、结合能和比结合能理解的考查．②对质量亏损和质能方程的考查．③对计算核能的考查
知识导图
课前 自主预习
核力与四种基本相互作用
1．核力
原子核内_______之间的相互作用力．
2．核力的特点
(1)核力是_____________的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在____________m之内．
(3)核力的饱和性：每个核子只跟______________发生核力作用．
核子
强相互作用
1.5×10－15
相邻的核子
3．四种基本相互作用
原子核内的质子是靠万有引力来抗衡库仑斥力的吗？
【答案】不是，是核力．
下列关于核力的说法正确的是 ( )
A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的相互作用
B．核力就是电磁力
C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内
D．核力与电荷有关
【答案】C
【解析】核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内，超过1.5×10－15 m，核力急剧下降，几乎消失，C正确．核力与万有引力、电磁力不同，A、B错误．核力与电荷无关，D错误．
结合能和质量亏损
1．结合能
原子核是________凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要________，这就是原子核的结合能．
2．比结合能
原子核的结合能与________之比，称作比结合能，也叫________结合能．比结合能越大，表示原子核中核子结合得越_____________，____________的原子核的比结合能最大，最稳定．
核子
能量
核子数
平均
牢固、稳定
中等大小
3．质能方程
物体的能量与它们质量的关系是E＝_______．
4．质量亏损
原子核的质量________组成它的核子的质量之和的现象．
mc2
小于
核子结合成原子核时是放出能量还是吸收能量？结合能越大，原子核越稳定吗？
【答案】核子结合成原子核时是放出能量．比结合能越大，原子核越稳定．
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E＝mc2，下列说法中不正确的是 ( )
A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比
B．根据ΔE＝Δmc2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．E＝mc2中的E是发生核反应中释放的核能
【答案】D
【解析】质能方程E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，A正确，D错误；对于ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或减小ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，故B正确；只有出现质量亏损时，才能释放核能，故C正确．
课堂 重难探究
－探究核力与四种基本相互作用
1．四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)引力相互作用，万有引力主要在宏观尺度上发挥主导作用．万有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．
(3)强力：即强相互作用，在原子核内，强力将核子束缚在一起，强力是短程力．
(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，其力程比强力更短，为10－18 m，作用强度则比电磁力小．
2．核力的性质
(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．
(3)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．
(4)核力具有电荷无关性．
对核力的理解
例1 下列对核力的认识正确的是 ( )
A．任何物体之间均存在核力
B．核力广泛存在于自然界中的核子之间
C．核力只存在于质子之间
D．核力只发生在相距1.5×10－15m内的核子之间，大于0.8×10－15 m为吸引力，而小于0.8×10－15 m为斥力
【答案】D
【解析】由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m内的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子及中子与中子之间，由此知D正确，A、B、C错误．
变式1 下列说法正确的是 ( )
A．比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核要释放核能
B．重核发生裂变时需要吸收能量
C．核力是核子间的万有引力和库仑力的合力
D．中子与中子之间的核力一定大于中子与质子间的核力
【答案】A
【解析】比结合能小的原子核结合成比结合能大的原子核时，总结合能增加，因此要释放核能，A正确；重核裂变时有质量亏损，释放能量，B错误；核力是核子间的强相互作用力，C错误；核力是短程力，与核子间的距离有关，由于距离未知，则中子与中子之间的核力不一定大于中子与质子间的核力，故D错误．
记忆核力特点的技巧
1．核子包括质子和中子，而中子不带电，所以核力与电荷无关．
2．原子核非常小，所以核力属于短程力．
3．质子间的核力比库仑力大得多，属于强相互作用力．
－探究结合能和质量亏损
1．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．
2．对质能方程和质量亏损的理解
(1)质能方程．
质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是E＝mc2．
(2)质量亏损．
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．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，这时质能方程也写为ΔE＝Δmc2．
3．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算．
①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损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．
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．其中Δm的单位是u，ΔE的单位是 MeV．
对结合能和比结合能的理解
例2 (多选)对结合能、比结合能的认识，下列正确的是 ( )
A．核子结合为原子核时，一定释放能量
B．核子结合为原子核时，可能吸收能量
C．结合能越大的原子核越稳定
D．比结合能越大的原子核越稳定
【答案】AD
【解析】由自由核子结合为原子核的过程中，核力做正功，释放出能量．反之，将原子核分开变为自由核子，它需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确，B错误；核子越多的原子核的结合能越大，但它的比结合能不一定大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确．
变式2 下列说法中正确的是 ( )
A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核分解成核子放出的能量称为结合能
B．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
C．中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
D．以上说法均错误
【答案】C
【解析】原子核分解成核子时需要吸收的能量为结合能，它等于核子结合成原子核时放出的能量，A错误；中等质量的原子核比结合能较大，B错误；中等质量的原子核的比结合能较大，核子数又较多，其结合能比轻核的要大，C正确．
1．比结合能的大小反映了原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核越稳定．
2．结合能ΔE＝nE由核子数和比结合能共同决定．
3．中等质量的原子核的比结合能较大，因而中等质量的原子核较稳定．
对质量亏损和质能方程的理解
例3 下列说法中，正确的是 ( )
A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系，可以用物体质量作为它所蕴藏的能量的量度
C．核反应中发生的“质量亏损”是消失的质量转变为能量
D．因为在核反应中能产生能量，有质量的转化，所以系统只有质量数守恒，系统的总能量和总质量并不守恒
【答案】B
【解析】E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系，A错误，B正确；核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，C错误；在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，D错误．
变式3 (2022年南通期末)已知中子的质量为mn，质子的质量为mp，氦核He的质量为m，则氦核的比结合能为 ( )
【答案】A
质能方程反映了质量与能量的对应关系，物体的能量跟其质量成正比，即一定的能量必定对应着一定的质量，质量不能转化为能量．
核能的计算
【答案】D
解：反应前氘核和氚核的总结合能
E1＝(1.09×2＋2.78×3)MeV＝10.52 MeV．
反应后生成的氦核的结合能E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV．
由于单个核子无结合能，所以反应过程释放出的能量
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52)MeV＝17.6 MeV．
1．计算过程中Δm的单位是kg，ΔE的单位是J．
2．若Δm的单位是u，ΔE的单位是 MeV，可直接利用公式ΔE＝Δm ×931.5 MeV来计算核能．
小练 随堂巩固
1．科学研究表明，自然界存在四种基本相互作用．我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力，那么分子力实质上属于 ( )
A．引力相互作用
B．电磁相互作用
C．强相互作用和弱相互作用的共同作用
D．四种基本相互作用的共同作用
【答案】B
【解析】分子力作用范围约在10－10 m数量级上，强相互作用和弱相互作用都是短程力，作用范围在10－15 m和10－18 m之内，在这个距离上分子力不存在．在分子力作用范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在，但由于电磁力远大于万有引力，引力相互作用可以忽略不计，因此分子力本质上属于电磁相互作用．
2．下列关于核力、原子核的结合能、比结合能的说法正确的是 ( )
A．维系原子核稳定的力是核力，核力就是表现为相邻核子间的相互吸引力
B．核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力比库仑力小
C．比结合能小的原子核分解成比结合能大的原子核时会释放核能
D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
【答案】C
【解析】维系原子核稳定的力是核力，核力可以表现为相邻核子间的相互吸引力，又可以表现为排斥力，A错误；核力是强相互作用的一种表现，原子核尺度内，核力远比库仑力大，B错误；比结合能小的原子核结合或分解成比结合能大的原子核时释放核能，故C正确；根据质能方程可知，自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，故D错误．
3．(2023年海南模拟)硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术．硼核(B)进入癌细胞后，吸收中子转变成锂核和α粒子．已知质子的质量为mp，中子的质量为mn，锂核的质量为M，真空中的光速为c．则锂原子核的比结合能为 ( )
【答案】B
4．如图所示是原子核的核子平均质量A与原子序数Z的关系图像，下列说法正确的是 ( )
A．若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量
B．若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量
C．若C、B能结合成A，结合过程一定要释放能量
D．若F、C能结合成B，结合过程一定要释放能量
【答案】A
【解析】D、E平均核子质量大于F平均核子质量，D、E结合成F，出现质量亏损，要释放能量，A正确、B错误，C、B结合成A，F、C结合成B都是质量增加，结合过程要吸收能量，C、D错误．
5．质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3，真空中光速为c，当质子和中子结合成氘核时，放出的能量是 ( )
A．m3c2 B．(m1＋m2)c2
C．(m3－m2－m1)c2 D．(m1＋m2－m3)c2
【答案】D
【解析】质子和中子结合成原子核氘核时，总质量减小了，即质量亏损Δm＝m1＋m2－m3．依据质能方程可知，放出的能量为ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2．
【答案】A(共67张PPT)
第五章 原子核
4 核裂变与核聚变
学习目标 学法与考法
1．知道重核裂变的产物和链式反应发生的条件
(重点)
2．知道核聚变，了解受控聚变反应(重点)
3．会判断和书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量(重难点) 学法：①通过学习核裂变，知道链式反应发生的条件，了解裂变反应堆的工作原理和常用裂变反应堆的类型．②通过学习核聚变，了解聚变反应的特点及其条件
考法：①对链式反应、重核裂变的理解及核反应方程式的书写的考查．②对聚变反应的特点、条件及核反应方程式的书写的考查．③对核裂变与核聚变释放核能计算的考查
知识导图
课前 自主预习
核裂变
1．重核的裂变
(1)核裂变：用________轰击铀核，铀核分裂成质量_______的两部分，并释放出能量的核反应过程叫作核裂变．
(2)裂变能：核裂变________出的能量称为裂变能，也称核能或原子能．核裂变是释放核能的方法之一．
(3)铀核裂变的产物多种多样，其中有代表性的有：
中子
相近
释放
链式反应
最小
临界体积
中子源
原子核释放粒子的过程也是核裂变的过程吗？核裂变的条件是什么？
【答案】原子核释放粒子的过程不是核裂变的过程．核裂变的条件是发生链式反应．
(多选)1938年哈恩用中子轰击铀核，发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和一些γ射线．下列关于这个实验的说法中正确的是 ( )
B．这是一个核裂变过程，反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C．实验中产生的γ射线穿透能力极强
D．这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的质能方程来计算
【答案】ACD
核电站
1．核电站：利用核能发电，它的核心设施是_________，它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：________．
(2)慢化剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用________、重水或普通水作慢化剂．
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法调节中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉__________的特性，就可以容易地控制链式反应的速度．
反应堆
铀棒
石墨
吸收中子
2．工作原理：核燃料________释放能量，使反应区温度升高．
3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外______ _______，用于发电．
4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的________，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的________，需要装入特制的容器，深埋地下．
裂变
循环
流动
水泥层
放射性
核反应堆可以人工控制核反应速度吗？减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子吗？
【答案】核反应堆可以人工控制核反应速度．减速剂的作用是使快中子减速变成慢中子，从而使更多的铀核产生链式反应，不是为了减慢裂变速度，而是为了提高中子的利用率．
(多选)请根据所学物理知识，判断下列说法中正确的是 ( )
A．核能发电对环境的污染比火力发电要小
B．所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
C．所有核电站既有重核裂变，又有轻核聚变释放大量的原子能
D．如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理更简单，对环境污染更小
【答案】ABD
【解析】目前核电站都用核裂变，其原料是铀，且核能是比较清洁的能源，故A、B正确，C错误；如果核电站能实现可控轻核聚变发电，其核废料处理起来比铀核裂变废料更容易，对环境污染也更小，D正确．
核聚变与受控热核反应
1．核聚变
(1)定义：两个轻核结合成__________的核，并释放出________的反应．
质量较大
能量
(3)条件：
①轻核的距离要达到__________以内．
②需要加热到很高的________，因此又叫____________．
10－15 m
温度
热核反应
(4)应用：目前，热核反应主要用在核武器上，那就是________，需要用_________爆炸产生的高温高压引发核爆炸．
(5)太阳能：太阳的主要成分是氢，太阳中心温度可达1.5×107 K，在此高温下，氢核聚变成氦核的反应不停地进行着，太阳能就来自于太阳内部_________释放的核能．
氢弹
原子弹
核聚变
2．受控热核反应
(1)聚变的优点：①轻核聚变产能效率高；②地球上聚变燃料的储量丰富；③轻核聚变更为安全、清洁，控制温度，可控制反应，而且生成的废物数量少、易处理．
(2)聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温．
(3)控制方法．
①磁约束：利用磁场约束参加反应的物质，目前最好的一种磁约束装置是_________．
②惯性约束：聚变物质因自身的惯性，在极短时间内来不及扩散就完成了核反应，在惯性约束下，用________从各个方向照射反应物，使它们“挤”在一起发生反应．
环流器
激光
轻核发生聚变反应需要什么条件？太阳中发生的是可控热核聚变反应吗？
【答案】轻核发生聚变反应需要高温．太阳中发生的是不能实现人工控制的轻核聚变．
(2023年徐州期末)如图所示为氘核与氚核的核聚变示意图．下列说法正确的是( )
A．目前核电站主要利用核聚变来发电
B．与轻核聚变相比，重核裂变更安全、更清洁
C．要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能
D．要使核聚变持续发生，需要外界持续不断的提供能量
【答案】C
【解析】目前我国核电站还主要是利用重核裂变释放的能量来发电，A错误；轻核聚变与重核裂变相比，聚变更为安全、清洁，废物数量少，B错误；要使氘核与氚核接近到可以聚变的距离，需要给它们提供足够的动能，C正确；核聚变一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去，D错误．
课堂 重难探究
－探究重核裂变反应
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．
(3)常见的裂变方程：
2．链式反应的条件
(1)有慢中子轰击．
(2)铀块的体积大于临界体积，或铀块的质量大于临界质量．以上两个条件满足一个，则另一个条件自动满足．
3．裂变反应的能量：铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量．一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温．
对重核裂变的理解
例1 关于重核的裂变，以下说法正确的是 ( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减少
D．由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量，所以重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
【答案】D
【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程，其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积．如果体积小，中子从铀块中穿过，碰不到原子核，则链式反应不会发生．
变式1 (多选)(2023年日照期末检测)中子的发现对认识原子核内部结构是一个转折点，具有重大的理论意义，也为原子能的利用开辟了道路，可以说中子敲开了人类进入原子能时代的大门．下列核反应方程中，X1、X2、X3、X4代表中子的有 ( )
【答案】AD
裂变中核能的计算
(1)核反应方程中的ν是中微子，它不带电，质量数为零．试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数；
(2)已知铀(U)核的质量为235.049 3 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u．又知1 u＝1.660 6×10－27 kg，试计算一个铀核裂变释放的能量．
解：(1)根据电荷数和质量数守恒，可得
Zr的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－143－3×1＝90．
(2)方法一：质量亏损
Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u．
一个铀核裂变释放能量
ΔE＝Δm×931.5 MeV＝0.217 4×931.5 MeV≈202.5 MeV．
方法二：Δm＝(mU＋mn)－(mNd＋mZr＋3mn)＝0.217 4 u＝0.217 4× 1.660 6×10－27 kg≈3.6×10－28 kg，
ΔE＝Δmc2＝3.6×10－28×(3×108)2 J＝3.24×10－11 J．
【答案】B
重核裂变中核能的计算方法
解答这类问题，一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损，由质能方程计算出释放的能量，然后用阿伏加德罗常数把核能与重核质量联系起来．另外，在计算过程中要注意单位的统一．
－核电站
1．核反应堆的组成
核反应堆由堆芯、中子反射层、控制系统和防护层等部分组成．其中控制棒用能吸收慢中子的镉或硼钢制成，以控制链式反应的速度．之所以把它叫作“堆”，是因为世界上第一个核反应堆是由石墨块(用以控制反应速度)和金属铀块(反应燃料)一层一层交替地“堆”起来而构成的．
2．核反应堆与原子弹爆炸的比较
原子弹爆炸时链式反应的速度是无法控制的，为了用人工方法控制链式反应的速度，使核能比较平缓地释放出来，人们制成了核反应堆(核电站的核心设施)．核反应堆是人工控制链式反应的装置．
3．核电站发电的主要原理
核燃料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．反应堆放出的热使水变成水蒸气，这些高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电．这一部分的工作原理和火力发电相同．
对原子核反应堆的理解
例3 关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是 ( )
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
【答案】C
【解析】镉棒不是离子源不会释放中子，A错误，也不是减速剂，不能使快中子变为慢中子，B、D错误，镉棒对中子有吸收作用，通过中子强度检测器检测，当反应太强，镉棒能自动插入，多吸收中子，反之，自动抽出，少吸收中子，故镉棒也叫控制棒，C正确．
变式3 (多选)如图是核电站工作流程图，关于核能，下列说法正确的是 ( )
A．核反应堆可以把核能直接转化为电能
B．核反应堆利用的是原子核衰变过程产生的能量
C．核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能
D．水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线
【答案】CD
【解析】核反应堆把核能转化为内能，再转化为电能，A错误；核反应堆利用的是核裂变过程产生的能量，B错误；核反应堆中发生核反应要放出热量，则核反应生成物的比结合能大于反应物的比结合能，C正确；水泥防护层的作用是屏蔽裂变产物放出的各种射线，D正确．
－探究核聚变反应
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．
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．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
核反应 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
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
核反应 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在铀矿石中只占0.7% 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富．1 L海水中大约有0.03 g氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约与燃烧300 L汽油相当
可控性 速度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
对核聚变的理解
例4 (多选)下列说法正确的是 ( )
A．聚变反应中有质量亏损，所以必向外界放出能量
B．要使轻核发生聚变反应，必须使核之间的距离接近到1×10－15 m，也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C．要使核发生聚变反应，必须克服核力做功
D．热核反应只有在人工控制下才能发生
【答案】AB
【解析】由质能方程可知，A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到核力能发生作用的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确、C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错误．
变式4 (2023年宁波检测)2023年4月12日我国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置——东方超环(EAST)创造了新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义，下列说法正确的是 ( )
A．目前人类只能通过裂变利用核能
B．核反应只有裂变与聚变两种，α衰变也属于裂变
C．地球上核聚变燃料氘储量丰富，氚则需要制取
D．聚变反应中带正电的2H与3H结合过程中需通过高温克服核子间的强相互作用
【答案】C
【解析】目前人类可以通过裂变和聚变利用核能，A错误；核反应有裂变、聚变、衰变和人工转变四种，α衰变属于衰变，B错误；地球上核聚变燃料氘储量丰富，氚则需要制取，C正确；聚变反应中带正电的2H与3H结合过程需通过高温克服核子间的强大的库仑斥力作用，D错误．
对轻核聚变理解的两个误区
1．误认为聚变就是裂变的逆反应．产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透彻，裂变时重核分裂成中等核，而聚变是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应．
2．不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程．这是由对以上核反应方程的理解不深刻造成的．这四种方程在形式上很相近，因此判断时容易混淆出错，要想正确判断必须抓住它们的实质：核聚变是轻核结合成质量较大的核，也会放出中子；重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核，并放出几个中子；人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核，产生新原子核并放出一个或几个粒子；衰变是原子核自发地转变为另一种核，并向外辐射出α粒子或β粒子的反应，衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种．
聚变中核能的计算
例5 一个质子和两个中子聚变为一个氚核，已知质子质量mH＝1.007 3 u，中子质量mn＝1.008 7 u，氚核质量m＝3.018 u．
(1)写出聚变方程；
(2)释放出的核能有多大？
(3)平均每个核子释放的能量有多大？
(2)质量亏损Δm＝mH＋2mn－m＝(1.007 3＋2×1.008 7－3.018)u＝0.006 7 u．
释放的核能ΔE＝Δmc2＝0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV．
所以该反应释放出的能量为
ΔE＝Δm·c2＝17.6 MeV．
1．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．
2．核能的计算关键是求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算．
小练 随堂巩固
1．(多选)关于重核的裂变，以下说法正确的是 ( )
A．核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．中子从铀块中通过时，但不一定发生链式反应
C．重核裂变释放出大量能量，产生明显的质量亏损，所以核子数要减小
D．重核裂变为中等质量的核时，要发生质量亏损，放出核能
【答案】BD
【解析】根据重核发生裂变的条件和裂变释放核能的原理分析可知，裂变时因铀核俘获中子即发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程．释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量．链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于其临界体积，如果体积小，中子从铀块中穿过时，碰不到原子核，则链式反应就不会发生．在裂变反应中质量数、电荷数均守恒；即核子数守恒，所以核子数是不会减小的，A、C错误，B正确；重核裂变为中等质量的原子核时，发生质量亏损，从而释放出核能，D正确．
2．(2023年东莞期末)下列四个核反应方程中，属于链式反应的是 ( )
【答案】D
3．为使链式反应平稳进行，可采用下列办法中的 ( )
A．铀块体积尽量制得小些
B．通过慢化剂将产生的中子减速
C．用镉棒作为慢化剂使中子减速
D．铀核裂变释放的中子直接去轰击另外的铀核
【答案】B
【解析】小于临界体积的铀块不可能发生链式反应，且即使大于临界条件，核反应进行的快慢和体积无关，A错误；通过慢化剂将产生的中子减速，可以减小链式反应产生的快中子数量，即可进一步减慢链式反应，B正确；裂变核反应堆中，通常用慢化剂，比如重水等让快中子减速，而镉棒是用于控制中子数量的，C错误；裂变后释放的中子为快中子，不能直接用来轰击铀核，必须用慢化剂减速，D错误．
(1)这个核反应称为________．
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了______kg(保留1位有效数字)．
【答案】(1)核聚变 (2)放出 减少 3×10－29
