第五章　原子核　章末素养提升 学案（学生版+教师版）—2024年春高中物理人教版选择性必修三

第五章　原子核 章末素养提升
物理观念 天然放射现象：三种射线 α射线(He)：氦核流，穿透能力________，电离作用________ β射线(e)：高速电子流， 穿透能力______， 电离作用______ γ射线：是一种电磁波，伴随α衰变和β衰变而产生，穿透能力________，电离作用________
原子核的衰变 意义：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化 ①α衰变：X→Y＋He ②β衰变：X→Y＋e
核反应与核能 核力：短程力，只与________核子发生作用 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________所需要的能量就是原子核的结合能 比结合能(平均结合能)：比结合能越______，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定 爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝________ 重核的裂变：U＋n―→Ba＋Kr＋________ 轻核的聚变：H＋H―→________＋n
“基本 粒子” 粒子的分类：强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子 夸克模型
科学思维 1.能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程 2．能用半衰期、质量亏损和爱因斯坦质能方程计算核能相关问题
科学态度与责任 1.了解两类核能应用的利弊，关注受控热核反应研究的进展 2．关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响
例1　在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是______，属于β衰变的是______，属于核裂变的是________，属于核聚变的是________。(填正确答案前的字母)
A.C→N＋e
B.P→S＋e
C.U→Th＋He
D.N＋He→O＋H
E.U＋n→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H→He＋n
例2　(2022·苏州市高二期末)央视曝光“能量石”核辐射严重超标，该“能量石”含有放射性元素钍Th，Th经多次衰变后变成稳定的铅Pb，Th半衰期长达1.4×1010年。则(　　)
A．衰变过程中发生了6次α衰变和4次β衰变
B.Pb比Th少12个中子
C．衰变产生的射线中β射线穿透能力最强
D.Th在高温、高压条件下半衰期会变短
例3　(2022·常州市高二期末)在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放出一个粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图)，现测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44，则(　　)
A．轨道1是α粒子的径迹
B．轨道2是β粒子的径迹
C．衰变前原子核所含的质子数为88
D．衰变前原子核所含的质子数为90
例4　(2022·徐州市高二期中)硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术。如图所示，硼核(B)进入癌细胞内中吸收中子后转变成锂核(Li)和α粒子。已知质子的质量为mp，中子的质量为mn，硼核的比结合能为E1，锂核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，真空中光速为c。
(1)写出核反应方程并求核反应过程中的质量亏损Δm；
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(2)求α粒子的核子平均质量mα。
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例5　核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。
(1)试完成铀核裂变反应方程：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s。(结果保留两位有效数字)
(3)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少。
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章末素养提升
物理观念 天然放射现象：三种射线 α射线(He)：氦核流，穿透能力很弱，电离作用很强 β射线(e)：高速电子流，穿透能力较强， 电离作用较弱 γ射线：是一种电磁波，伴随α衰变和β衰变而产生，穿透能力更强，电离作用更弱
原子核的衰变 意义：放射性元素的原子核自发放出某种粒子后变成新的原子核的变化 ①α衰变：X→Y＋He ②β衰变：X→Y＋e
核反应与核能 核力：短程力，只与邻近核子发生作用 结合能：原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开所需要的能量就是原子核的结合能 比结合能(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 爱因斯坦质能方程：E＝mc2或ΔE＝Δmc2 重核的裂变：U＋n―→Ba＋Kr＋3n 轻核的聚变：H＋H―→He＋n
“基本粒子” 粒子的分类：强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子 夸克模型
科学思维 1.能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程 2．能用半衰期、质量亏损和爱因斯坦质能方程计算核能相关问题
科学态度与责任 1.了解两类核能应用的利弊，关注受控热核反应研究的进展 2．关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响
例1　在下列描述核反应的方程中，属于α衰变的是________，属于β衰变的是________，属于核裂变的是________，属于核聚变的是______。(填正确答案前的字母)
A.C→N＋e
B.P→S＋e
C.U→Th＋He
D.N＋He→O＋H
E.U＋n→Xe＋Sr＋2n
F.H＋H→He＋n
答案　C　AB　E　F
解析　α衰变是一种放射性衰变，α粒子(He)会从原子核中射出，C项符合要求；β衰变是指原子核内自发地放出一个电子(e)，同时原子序数加1的过程，A、B两项符合要求；核裂变是指一些质量较大的原子核，如铀、钍和钚等在吸收一个中子后分裂成两个或多个质量较小的原子核，同时放出多个中子和很大能量的过程，E项符合要求；核聚变是指两个轻核结合成质量较大的原子核并释放大量能量的过程，F项符合要求；D项属于人工核转变的方程。
例2　(2022·苏州市高二期末)央视曝光“能量石”核辐射严重超标，该“能量石”含有放射性元素钍Th，Th经多次衰变后变成稳定的铅Pb，Th半衰期长达1.4×1010年。则(　　)
A．衰变过程中发生了6次α衰变和4次β衰变
B.Pb比Th少12个中子
C．衰变产生的射线中β射线穿透能力最强
D.Th在高温、高压条件下半衰期会变短
答案　A
解析　根据α和β衰变的特征可知，每经过一次α衰变，质量数减少4、电荷数减少2，每经过一次β衰变，质量数不变，电荷数增加1，所以Th变成Pb的衰变过程中发生α衰变的次数为n1＝＝6，发生β衰变的次数为n2＝2n1－(90－82)＝4，故A正确；中子数等于质量数减质子数，所以Pb和Th的中子数分别为126和142，所以Pb比Th少16个中子，故B错误；γ射线通常会伴随α和β衰变而产生，衰变产生的这三种射线中γ射线穿透能力最强，其次是β射线，最差的是α射线，故C错误；半衰期由放射性元素本身决定，与外界环境无关，故D错误。
例3　(2022·常州市高二期末)在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于衰变放出一个粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图)，现测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44，则(　　)
A．轨道1是α粒子的径迹
B．轨道2是β粒子的径迹
C．衰变前原子核所含的质子数为88
D．衰变前原子核所含的质子数为90
答案　D
解析　原子核X衰变过程满足动量守恒，放出的粒子和新核Y(带正电)初速度方向相反，二者在同一磁场中轨迹形成外切圆，由左手定则可知粒子也带正电，所以是α衰变。X发生α衰变的反应式为X→He＋Y，由动量守恒知α粒子和新核的动量大小p相等，根据牛顿第二定律可得qvB＝m，解得r＝＝，可知粒子圆周运动的半径与带电粒子电荷量成反比，即＝＝，由此可得，α粒子做圆周运动的半径大于新核Y做圆周运动的半径，即圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新核Y的径迹，A、B错误；由＝＝，解得Z＝90，即衰变前原子核原来所含的质子数是90，C错误，D正确。
例4　(2022·徐州市高二期中)硼中子俘获疗法是肿瘤治疗的新技术。如图所示，硼核(B)进入癌细胞内中吸收中子后转变成锂核(Li)和α粒子。已知质子的质量为mp，中子的质量为mn，硼核的比结合能为E1，锂核的比结合能为E2，氦核的比结合能为E3，真空中光速为c。
(1)写出核反应方程并求核反应过程中的质量亏损Δm；
(2)求α粒子的核子平均质量mα。
答案　(1)B＋n→He＋Li　　(2)－
解析　(1)核反应方程为B＋n→He＋Li，由质能方程ΔE＝Δmc2
且ΔE＝4E3＋7E2－10E1，联立解得Δm＝
(2)2个质子和2个中子结合为α粒子时放出能量E＝4E3，质量亏损Δm′＝
则α粒子的核子平均质量mα＝－
例5　核电站利用核反应堆工作，铀核U裂变生成钡核Ba和氪核Kr。在一个反应堆中用石墨做慢化剂使快中子减速。碳核的质量是中子的12倍，假设中子与碳核的每次碰撞都是弹性正碰，而且认为碰撞前碳核都是静止的。
(1)试完成铀核裂变反应方程：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)已知U、Ba、Kr核以及中子的质量分别是235.043 9 u,140.913 9 u,91.897 3 u和1.008 7 u，计算一个铀核裂变放出的核能。1 u＝1.66×10－27 kg，c＝3.0×108 m/s。(结果保留两位有效数字)
(3)设碰撞前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子失去的动能是多少。
答案　(1)U＋n→Ba＋Kr＋3n　(2)3.2×10－11 J　(3)E0
解析　(1)根据电荷数和质量数守恒可得：
核反应方程为U＋n→Ba＋Kr＋3n
(2)核反应过程中的质量亏损为
Δm＝(235.043 9＋1.008 7－140.913 9－91.897 3－3×1.008 7) u＝0.215 3 u
由爱因斯坦质能方程得一个铀核裂变放出的能量为
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×1.66×10－27×(3×108)2 J≈3.2×10－11 J
(3)设中子和碳核的质量分别为m和M，碰撞前中子的速度为v0，碰撞后中子和碳核的速度分别为v和v′，
根据动量守恒定律，可得mv0＝mv＋Mv′
根据弹性碰撞中能量守恒，
可得E0＝mv02＝mv2＋Mv′2
解得v＝v0
已知M＝12m，
可得v＝－v0
则在碰撞过程中中子损失的能量为
ΔE＝mv02－mv2＝E0