(共57张PPT)
第三节 核力与核反应方程
核心素养点击
物理观念 (1)知道原子核的组成和核反应方程的书写。
(2)知道四种基本相互作用，知道核力的性质。
(3)认识原子核的结合能和比结合能的概念。
(4)知道质量亏损和质能方程。
科学思维 能用质量亏损和质能方程计算核能相关的问题。
科学探究 结合能、比结合能与原子核的稳定性的关系。
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。
一、原子核的组成 核反应方程
1．填一填
(1)质子的发现：1919年，卢瑟福用______轰击氮原子核，发现了____，它是_______的组成部分。
(2)中子的发现：因绝大多数原子核的质量与电荷量之比都大于质子的相应比值，卢瑟福猜想，原子核内可能还存在着另一种粒子，它的质量与质子相同，但是不带电，称为中子。1932年，卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了这个猜想。
(3)原子核的组成：原子核由___________组成，中子和质子统称为______。
α粒子
原子核
质子和中子
核子
质子
(4)原子核的符号
(5)核反应方程
①核反应：利用天然放射性的___________或人工加速的______去轰击原子核，以产生新的_______，这个过程叫作核反应。核反应过程中放出或吸收的能量叫作_______。
②发现质子的核反应方程为_________________。③发现中子的核反应方程为
。
④遵循规律：质量数和电荷数______。
高速粒子
粒子
原子核
反应能
守恒
2．判一判
(1)质子和中子都不带电，是原子核的组成成分，统称为核子。 ( )
(2)原子核的电荷数等于核内的质子数，也就是这种元素的原子序数。 ( )
(3)发生核反应时不会生成新的原子核。 ( )
×
×
√
答案：BD
二、核力及四种基本相互作用
1．填一填
(1)引力相互作用：引力把行星和恒星聚在一起，组成太阳系、银河系和其他星系，是自然界的一种基本相互作用。
(2)电磁相互作用：______间的相互作用、磁体间的相互作用，从本质上说是同一种相互作用的不同表现。宏观物体之间的压力、拉力、弹力、支持力等，都起源于电荷之间的电磁相互作用。
(3)强相互作用——核力：存在于原子核内核子之间的一种作用力，是引力、强力、_____力。
(4)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，也是短程力，其力程比强相互作用更短，只有10－18 m。
电荷
短程
2．判一判
(1)核力是强相互作用力，是短程力。 ( )
(2)弱相互作用力是短程力。 ( )
(3)原子核内质子能聚合在一起，是靠万有引力来抗衡库仑力的。 ( )
3．想一想
质子之间存在库仑力，质子与中子、中子与中子之间没有库仑力，那么是不是质子之间存在核力，质子与中子、中子与中子之间没有核力？
提示：不是。核力是短程力，存在于相邻的核子之间，无论是质子之间、质子与中子之间，还是中子与中子之间，都存在核力。
√
√
×
三、结合能
1．填一填
(1)结合能
①定义：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_____，这就是原子核的结合能。
②比结合能(平均结合能)：原子核的结合能与________之比，叫作比结合能。比结合能_____，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
(2)质量亏损
①爱因斯坦质能方程：__________。
②质量亏损：原子核的质量______组成它的核子的质量之和的现象。
能量
核子数
越大
ΔE＝Δmc2
小于
2．判一判
(1)组成原子核的核子越多，它的结合能就越大。 ( )
(2)结合能越大，核子结合得越牢固，原子核越稳定。 ( )
(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。 ( )
√
×
×
3．选一选
已知质子、中子、氘核质量分别是m1、m2、m3，光速为c，则质子和中子结合成氘核的过程中 ( )
A．吸收的能量为(m1＋m2＋m3)c2
B．吸收的能量为(m1＋m2－m3)c2
C．释放的能量为(m1＋m2＋m3)c2
D．释放的能量为(m1＋m2－m3)c2
解析：质子和中子结合成氘核的过程中，质量亏损，释放核能，E＝(m1＋m2－m3)c2，故D选项正确。
答案：D
(1)质子是由谁发现的？怎样发现的？
提示：卢瑟福用α粒子轰击氮核，发现质子。
(2)中子是由谁发现的？依据是什么？
提示：查德威克发现中子。发现依据：如果原子核中只有质子，那么原子核的质量与电荷量之比应等于质子的质量与电荷量之比，但实际却是，绝大多数情况下前者的比值较大，卢瑟福猜想核内还有另一种粒子。查德威克通过实验证实了这个猜想。
[重难释解]
1．原子核的大小、组成和同位素
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，所以质子数和中子数之和叫作核子数。
(2)电荷数(Z)：原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍，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(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量总和，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，这个倍数叫作原子核的质量数。
[答案] (1)88 138 (2)1.41×10－17 C (3)88
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，核内的质子数叫作核电荷数，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，也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总和叫作核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
答案：D
2．(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
解析：原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故选项A错；对于原子来说，电中性原子中，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，故选项B错；正是由用α粒子轰击氮原子核的实验发现了质子，故选项C正确；选项D显然正确。
答案：CD
[解析] 设Y的电荷数和质量数分别为m和n，根据核反应方程质量数和电荷数守恒可知，第一个核反应方程的电荷数和质量数满足Z＋7＝m＋8，A＋14＝n＋17，第二个核反应方程的电荷数和质量数满足m＋3＝2Z，n＋7＝2A，联立解得Z＝2，A＝4。
[答案] D
书写核反应方程时应注意以下三点
(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，不能凭空编造。
(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。
答案：C
答案： D
答案：A
探究(三) 对比结合能的理解
[问题驱动]
如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的曲线。
(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？
提示：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放出能量？
提示：放出能量。
[重难释解]
1．比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。
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要小。
2．比结合能与原子核稳定性的关系
(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，表示该核越稳定。
(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；中等质量大小的核比结合能较大，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。
[答案] C
结合能的应用技巧
(1)组成原子核的核子越多，结合能越大。
(2)结合能与核子个数之比称为比结合能，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。
解析：因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，出现质量亏损，故放出核能，故A错误；同理可得B、D错误，C正确。
答案：C
2．(多选)铁的比结合能比铀核的比结合能大，下列关于它们的说法正确的是( )
A．铁的结合能大于铀核的结合能
B．铁核比铀核稳定
C．若铀核能发生核变化变成铁核则要放出能量
D．若铀核能发生核变化变成铁核则质量要亏损
解析：铁核的比结合能大，则它稳定些，铀核比结合能小，变成铁核会放出核能，出现质量亏损，B、C、D正确。
答案：BCD
答案：C
探究(四) 质能方程与核能计算
[问题驱动]
如图所示是原子核转变示意图。
(1)在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？
提示：在核反应过程中质量数与电荷数守恒。
(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：核反应过程中会发生质量亏损。
[重难释解]
1．质量亏损
所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成原子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。总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E＝mc2。
2．能量与质量的关系——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，等于光速的平方与其质量之积，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。
(3)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；
③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．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算。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的单位是千克时，ΔE的单位是焦耳。
(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。
[答案] (1)4.005 MeV (2)3∶1 (3)4.50 MeV
核能的两种单位换算技巧
(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。
(2)若以原子质量单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5 MeV。
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1 MeV＝1×106×1.6×10－19 J＝1.6×10－13 J。
答案：BD
2．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
C．核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变成为能量
D．因在核反应中能产生能量，且有质量的转化，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
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，并不是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的质量由静质量变成动质量，D错误。
答案：B
解析：组成α粒子的核子与α粒子的质量差
Δm＝(2mp＋2mn)－mα，结合能ΔE＝Δmc2
代入数据得ΔE≈4.3×10－12 J。
答案：4.3×10－12 J
答案：14.56 MeV
二、注重学以致用和思维建模
1．(2023·全国乙卷)2022年10月，全球众多天文设施观测到迄今最亮伽马射线暴，其中我国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜等装置在该事件观测中作出重要贡献。由观测结果推断，该伽马射线暴在1分钟内释放的能量量级为1048 J 。假设释放的能量来自于物质质量的减少，则每秒钟平均减少的质量量级为(光速为3×108 m/s)( )
A．1019 kg B．1024 kg
C．1029 kg D．1034 kg
答案： C
答案：B(共49张PPT)
第五节 裂变和聚变
核心素养点击
物理观念 1.了解核裂变反应及链式反应的条件。
2.了解核聚变反应的条件。
3.知道核电站的工作模式。
科学思维 通过热核反应的条件，认识热核反应可能的控制方法。
科学探究 探究核电站的组成，知道其工作原理。
科学态度与责任 1.了解两类核能应用的利弊，关注技术应用对人类生活和社会发展的影响。
2.感悟人类对物质结构的认识是不断深入的，形成相对完整、科学的物质观念。
一、核裂变与链式反应
1．填一填
(1)重核裂变
中子
质量相近
释放
中子
中子
中子
裂变反应
最小
2．判一判
(1)铀核裂变的产物是固定的，就是生成钡和氪，同时放出3个中子。 ( )
(2)裂变中放出的中子数目是固定的3个中子。 ( )
(3)只有铀块的体积大于临界体积时，才能够发生链式反应。 ( )
×
×
√
3．想一想
(1)重核裂变是一种天然现象吗？
提示：重核裂变不是天然现象，是中子轰击才能发生的核反应。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应？
提示：有中子轰击铀块，且铀块的体积大于临界体积，这样就可以产生链式反应。
质量较大
能量
10－15
静电斥力
热核反应
2．判一判
(1)太阳中发生的是可控热核聚变反应。 ( )
(2)轻核发生聚变反应不需要条件。 ( )
(3)轻核发生聚变反应核子必须达到核力发生作用的范围。 ( )
×
×
√
解析：该核反应是聚变反应，放出能量，质量亏损。
答案：C
反应堆
低
小
2．判一判
(1)核电站将核反应堆释放的核能转化为电能。 ( )
(2)目前，可控热核聚变已经被广泛应用于核电站发电。 ( )
(3)核能是一种新能源，不会造成环境污染。 ( )
3．选一选
现已建成的核电站发电的能量来自于 ( )
A．天然放射性元素衰变放出的能量
B．人工放射性同位素放出的能量
C．重核裂变放出的能量
D．化学反应放出的能量
解析：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，故C项正确。
答案：C
√
×
×
探究(一) 重核裂变与核能计算
[问题驱动]
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
提示：有慢中子轰击铀块，铀块的体积大于临界体积，这样就可以产生链式反应。
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。
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全部裂变时放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的化学能，裂变时能产生几百万摄氏度的高温。
4．铀235比铀238更易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的概率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
[答案] (1)40 90 (2)8.32×1013 J
重核裂变释放的核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦质能方程，用裂变反应中质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中的光速(c＝3×108 m/s)的平方，即ΔE＝Δmc2。
(2)根据1个原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算，用裂变反应中质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即ΔE＝Δm(u)×931.5 MeV。
(3)由核能的转化量计算。
答案：C
2. 关于铀核的裂变，下列叙述正确的是 （ ）
A.?核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，并吸收大量能量 ?
B.?核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放大量的核能
C.?要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击
D.?要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有快中子的轰击
解析：核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核，同时释放大量的核能，故?A、B错误；要使核反应堆中铀核发生链式反应，必须要有慢中子的轰击，快中子不易捕获，故C正确，D错误。
答案：C
答案：BC
探究(二) 核电站的主要组成及工作原理
[问题驱动]
如图所示为核电站工作流程示意图：
核电站的核心设施是什么？
提示：核反应堆。
[重难释解]
1．核电站的主要组成
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要组成如表格：
部份 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 水或液态的金属钠 很厚的水泥防护层
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，由天然铀或者浓缩铀(铀235的含量
占2%～4%)制成，常用石墨、重水和普通水(也叫轻水)为慢
化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235的吸收，
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。控制棒插入深一些，吸收中子多，反应速度变慢，插入浅一些，吸收中子少，反应速度加快，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、液态的金属钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把内能传输出去 ，用于推动汽轮发电机发电。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。
3．核电站发电的优点
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大，所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
[解析] 快中子容易与铀235擦肩而过，快中子跟慢化剂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，选项B正确，A错误；控制棒由镉做成，镉吸收中子的能力很强，当反应过于激烈时，使控制棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，选项C、D错误。
[答案] B
[素养训练]
1．核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置，它主要由四部分组成 ( )
A．原子燃料、慢化剂、冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料、慢化剂、发热系统和热传递系统
C．原子燃料、慢化剂、碰撞系统和热传递系统
D．原子燃料、中子源、原子能储存系统和输送系统
解析：核反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%～4%)制成的铀棒；铀235易俘获慢中子，不易俘获快中子，必须使用慢化剂(如石墨、重水、普通水)，让快中子跟慢化剂的原子核碰撞后能量减少，变成慢中子；控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度，它是由镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组成；冷却系统靠水或液态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，同时使反应堆冷却，保证安全。
答案：A
2．(2022·浙江1月选考)(多选)2021年12月15日秦山核电站迎来了安全发电30周年纪念日，核电站累计发电约6.9×1011 kW·h，相当于减排二氧化碳六亿多吨。为了提高能源利用率，核电站还将利用冷却水给周围居民供热。下列说法正确的是 ( )
A．秦山核电站利用的是核聚变释放的能量
B．秦山核电站发电使原子核亏损的质量约为27.6 kg
C．核电站反应堆中需要用镉棒控制链式反应的速度
解析：秦山核电站利用的是重核裂变释放的能量，A错误；没有给出核电站的电能转化率，故无法求出秦山核电站发电使原子核亏损的质量，B错误；核电站反应堆中需要用镉棒能吸收中子的特性，通过中子的数量控制链式反应的速度，C正确；反应堆利用铀235的裂变，生成两个或几个中等质量数的原子核和多个中子，且产物有随机的两分裂、三分裂，即可能存在 92235U＋01n―→ 14456Ba＋3689Kr＋301n的核反应，D正确。
答案：CD
为什么实现核聚变要使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温？
提示：参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内，约为10－15 m这种程度，因而必须使它们具有很大的动能以克服原子核之间巨大的库仑斥力做功，使原子核的动能转化为原子核的电势能，使核子之间的核力发生作用，轻核才能聚变成质量较大的核。
[重难释解]
1．核聚变发生的条件
要使轻核聚变，必须使轻核间距达到核力发生作用的距离10－15 m以内，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．核聚变的作用
(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
反应类型 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
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
(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)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。
答案：A
答案：AC
答案：B
二、注重学以致用和思维建模
1．(多选) 我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获
得重大突破，等离子体中心电子温度首次达到1亿度，为人类
开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变
的说法正确的是 ( )
A．核聚变比核裂变更为安全、清洁
B．任何两个原子核都可以发生聚变
C．两个轻核结合成质量较大的核，总质量较聚变前增加
D．两个轻核结合成质量较大的核，核子的比结合能增加
解析：与核裂变相比，轻核聚变没有放射性污染，安全、清洁，A正确；只有原子序数小的轻核才能发生聚变，B错误；轻核聚变成质量较大的原子核，比结合能增加、总质量减小，故C错误，D正确。
答案：AD
解析：质量亏损Δm＝m1＋m2－m3－m4，所以释放的能量E＝(m1＋m2－m3－m4)c2，A正确；γ光子来源于原子核受激产生的能量，B错误；由于核聚变释放能量，则反应前的总结合能小于反应后的总结合能，C正确；根据质量数和电荷数守恒可知A＝4，D错误。
答案：AC
答案：A(共38张PPT)
第五章 | 原子与原子核
第一节 原子的结构
核心素养点击
物理观念 (1)知道电子的发现和原子的核式结构模型。
(2)了解原子光谱的概念，知道氢原子光谱的实验规律。
(3)知道经典理论的困难在于无法解释原子的稳定性和光谱的分立特性。
(4)了解玻尔原子理论的基本假设的主要内容。
(5)认识玻尔的原子理论和卢瑟福的核式结构模型之间的继承和发展关系，了解玻尔模型的不足之处及其原因。
科学思维 用经典理论解释原子光谱困难时，利用玻尔的原子模型解释氢原子光谱。
科学探究 探究氢原子光谱的实验规律。
一、原子核式结构的提出
1．填一填
(1)汤姆孙的原子结构模型
汤姆孙于1898年提出一种模型，他认为，原子是一个____体，________均匀分布在整个球体内，质量很小的_____镶嵌其中，有人形象地把汤姆孙的原子模型称为“_____模型”或“葡萄干布丁模型”。
球
正电荷
电子
枣糕
(2)α粒子散射实验
①α粒子：从放射性物质中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7 300倍。
②实验装置如图所示，整个装置处于真空中，其中：α粒子源R是被铅块包围的，它发射的α粒子经过一条细通道，形成一束射线，打在金箔F上。显微镜M带有荧光屏S，可以在水平面内转到不同的方向对散射的α粒子进行观察。被散射的α粒子打在荧光屏上会有微弱的闪光产生。通过显微镜观察闪光就可以记录在某一时间内某一方向散射的α粒子数。
绝大多数
少数
大于
撞了回来
核式结构
原子核
正电荷
质量
电子
(4)原子核的电荷与尺度
①原子核的电荷数非常接近它们的__________。
②原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数就是核中的_____数。
③原子核的半径的数量级为10－15～10－14 m，而原子半径的数量级大约是10－10 m，可见原子内部是十分“空旷”的。
2．判一判
(1)α粒子散射实验证明了汤姆孙的原子模型是符合事实的。 ( )
(2)α粒子散射实验中大多数α粒子发生了大角度偏转或反弹。 ( )
(3)α粒子大角度的偏转是电子造成的。 ( )
原子序数
质子
×
×
×
3．选一选
如图所示为α粒子散射实验装置，粒子打到荧光屏上都会引起闪烁，
若将带有荧光屏的显微镜分别放在图中A、B、C、D四处位置。则
这四处位置在相等时间内统计的闪烁次数符合事实的是 ( )
A．1 305、25、7、1 B．202、405、625、825
C．1 202、1 010、723、203 D．1 202、1 305、723、203
解析：根据α粒子散射实验的现象可知，大多数粒子能按原来方向前进，少数粒子方向发生了偏转，极少数粒子偏转超过90°，甚至有的被反向弹回，在相等时间内A处闪烁次数最多，其次是B、C、D三处，并且数据相差比较大，A选项正确。
答案：A
二、氢原子光谱 原子的能级结构
1．填一填
(1)原子光谱：某种原子的气体通电后可以______并产生固定不变的_____。
(2)经典理论的困难
①无法解释原子的稳定性。
②无法解释原子光谱分立的线状谱特征。
发光
光谱
(3)原子的能级结构
①能级：电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的状态，具有______的能量，这些分立的________叫作原子的能级。
②跃迁：原子从_________变化到___________的过程。跃 迁时辐射出光子的能量为hν＝__________。
③基态：______能级对应的状态。
④激发态：除______之外的其他状态。
2．判一判
(1)玻尔的原子结构假说认为电子的轨道是量子化的。 ( )
(2)电子吸收某种频率条件的光子时会从较低的能量态跃迁到较高的能量态。( )
(3)电子能吸收任意频率的光子发生跃迁。 ( )
不同
能量值
一个能级
另一个能级
Em－En
最低
基态
√
√
×
3．选一选
(多选)关于玻尔的原子模型，下列说法中正确的有 ( )
A．它彻底地否定了卢瑟福的核式结构学说
B．它发展了卢瑟福的核式结构学说
C．它完全抛弃了经典的电磁理论
D．它引入了普朗克的量子理论
解析：玻尔的原子模型在核式结构学说的前提下提出轨道量子化、能量量子化及能级跃迁，故选项A错误，B正确；它的成功在于引入了量子化理论，缺点是过多地引入经典力学，故选项C错误，D正确。
答案：BD
探究(一) α粒子散射实验及现象分析
[问题驱动]
如图是α粒子散射实验装置，各部分的作用是什么？
提示：放射源放出快速运动的α粒子，α粒子通过金箔时被散射，打在荧光屏上发出荧光，可通过带有荧光屏的显微镜进行观察，并可以在水平面内转动，观察不同方向和不同位置通过金箔的散射α粒子数量，整个装置封闭在真空内。
[重难释解]
1．实验背景：α粒子散射实验是卢瑟福指导他的学生做的一个著名的物理实验，实验的目的是想验证汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。
2．否定汤姆孙的原子结构模型
(1)质量远小于原子的电子，对α粒子的运动影响完全可以忽略，不应该发生大角度偏转。
(2)α粒子在穿过原子时，受到各方向正电荷的斥力基本上会相互平衡，对α粒子运动方向的影响不会很大，也不应该发生大角度偏转。
(3)α粒子的大角度偏转，否定汤姆孙的原子结构模型。
3．卢瑟福的核式结构模型对α粒子散射分析
(1)分布情况：原子的全部正电荷和几乎全部质量集中在原子核内，原子中绝大部分是空的。
(2)受力情况
①少数α粒子靠近原子核时，受到的库仑斥力大；
②大多数α粒子离原子核较远，受到的库仑斥力较小。
(3)偏转情况
①绝大多数Α粒子运动方向不会明显变化(因为电子的质量相对于Α粒子很小)；
②少数Α粒子发生大角度偏转，甚至被弹回；
③如果Α粒子几乎正对着原子核射来，偏转角就几乎达到180°，这种机会极少。
典例1 如图所示，根据α粒子散射实验，卢瑟福提出了原子的核式结构模型。图中虚线表示原子核所形成的电场的等势线，实线表示一个α粒子的运动轨迹。在α粒子从a运动到b再运动到c的过程中，下列说法中正确的是 ( )
A．动能先增大后减小
B．电势能先减小后增大
C．电场力先做负功后做正功，总功等于零
D．加速度先减小后增大
[答案] C
2．库仑力对α粒子的做功情况
(1)当α粒子靠近原子核时，库仑斥力做负功，电势能增加。
(2)当α粒子远离原子核时，库仑斥力做正功，电势能减小。
3．α粒子的能量转化
仅有库仑力做功时，能量只在电势能和动能之间发生相互转化，且总能量保持不变。
[素养训练]
1．α粒子散射实验中，使α粒子散射的原因是 ( )
A．α粒子与原子核外电子碰撞
B．α粒子与原子核发生接触碰撞
C．α粒子发生明显衍射
D．α粒子与原子核的库仑斥力作用
解析：α粒子与原子核外电子的作用是很微弱的。由于原子核的质量和电荷量很大，α粒子与原子核很近时，库仑斥力很强，足可以使α粒子发生大角度偏转甚至反向弹回，使α粒子散射的原因是与原子核的库仑斥力，选项D正确。
答案：D
2．X表示金原子核，α粒子射向金核被散射，若α粒子入射时的动能相同，其偏转轨迹可能是图中的 ( )
解析：α粒子离金核越远其所受斥力越小，轨迹弯曲程度就越小，故选项D正确。
答案：D
3．(多选)卢瑟福对α粒子散射实验的解释是 ( )
A．使α粒子产生偏转的主要原因是原子中电子对α粒子的作用力
B．使α粒子产生偏转的力是库仑力
C．原子核很小，α粒子接近它的机会很小，所以绝大多数的α粒子仍沿原来的方向前进
D．能产生大角度偏转的α粒子是穿过原子时离原子核近的α粒子
解析：原子核带正电，与α粒子之间存在库仑力，当α粒子靠近原子核时受库仑力而偏转，电子对它的影响可忽略，故A错误，B正确；由于原子核非常小，绝大多数α粒子经过时离原子核较远，因而运动方向几乎不变，只有离原子核很近的α粒子受到的库仑力较大，方向改变较多，故C、D正确。
答案：BCD
探究(二) 氢原子能级跃迁规律
[问题驱动]
如图所示为氢原子能级图。
(1)当氢原子处于基态时，氢原子的能量是多少？
提示：当氢原子处于基态时，氢原子的能量最小，是－13.6 eV。
(2)如果氢原子吸收的能量大于13.6 eV，会出现什么现象？
提示：如果氢原子吸收的能量大于13.6 eV，会出现电离现象。
[重难释解]
1．能级图的理解
(1)能级图中n称为量子数，E1代表氢原子的基态能量，即量子数n＝1时对应的能量，其值为－13.6 eV。En代表电子在第n个轨道上运动时的能量。
(2)作能级图时，能级横线间的距离和相应的能级差相对应，能级差越大，间隔越宽，所以量子数越大，能级越密，竖直线的箭头表示原子跃迁方向，长度表示辐射光子能量的大小，n＝1是原子的基态，n→∞是原子电离时对应的状态。
4．使原子能级跃迁的两种粒子——光子与实物粒子
(1)原子若是吸收光子的能量而被激发，其光子的能量必须等于两能级的能量差，否则不被吸收，不存在激发到n能级时能量有余，而激发到n＋1能级时能量不足，则可激发到n能级的问题。
(2)原子还可吸收外来实物粒子(例如自由电子)的能量而被激发，由于实物粒子的动能可部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的能量大于两能级的能量差值，就可使原子发生能级跃迁。
[答案] 12.75 eV 3.08×1015 Hz 97.4 nm
[迁移·发散]
用一束单色光照射处于n＝4能级的氢原子使其电离(电子脱离原子核的束缚成为自由电子)，光子的能量至少为多大？
答案：0.85 eV
原子跃迁时需注意的三个问题
(1)注意一群原子和一个原子：
氢原子核外只有一个电子，在某段时间内，由某一轨道跃迁到另一个轨道时，只能出现所有可能情况中的一种，但是如果容器中盛有大量的氢原子，这些原子的核外电子跃迁时就会有各种情况出现。
(2)注意直接跃迁与间接跃迁：
原子从一种能量状态跃迁到另一种能量状态时，有时可能是直接跃迁，有时可能是间接跃迁。两种情况辐射或吸收光子的频率不同。
(3)注意跃迁与电离：
hν＝En－Em只适用于光子和原子作用使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用使原子电离的情况，则不受此条件的限制。如基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要大于或等于13.6 eV的光子都能被基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。
[素养训练]
1．(2023·湖北高考) 2022年10月，我国自主研发的“夸父一号”太阳探测卫星成功发射。该卫星搭载的莱曼阿尔法太阳望远镜可用于探测波长为121.6 nm的氢原子谱线(对应的光子能量为10.2 eV)。根据如图所示的氢原子能级图，可知此谱线来源于太阳中氢原子( )
A．n＝2和n＝1能级之间的跃迁
B．n＝3和n＝1能级之间的跃迁
C．n＝3和n＝2能级之间的跃迁
D．n＝4和n＝2能级之间的跃迁
解析：由题图可知，n＝2和n＝1的能级之间的能量差值为ΔE＝E2－E1＝－3.4 eV－(－13.6 eV)＝10.2 eV，与探测卫星探测到的谱线对应的光子能量相等，故可知此谱线来源于太阳中氢原子n＝2和n＝1能级之间的跃迁，故选A。
答案：A
2．(2022·浙江6月选考)如图为氢原子的能级图。大量氢原子处于n＝3的激发态，在向低能级跃迁时放出光子，用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠。下列说法正确的是 ( )
A．逸出光电子的最大初动能为10.80 eV
B．n＝3跃迁到n＝1放出的光子动量最大
C．有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D．用0.85 eV的光子照射，氢原子可以跃迁到n＝4激发态
答案： B
一、培养创新意识和创新思维
(选自鲁科版新教材“物理聊吧”)当电子从离原子核较近的轨道跃迁到离原子核较远的轨道上时，电子受原子核的作用力怎样变化？电子的电势能怎样变化？在玻尔的氢原子能级公式中，为什么原子的能量是负值？
二、注重学以致用和思维建模
1．(2022·广东高考)目前科学家已经能够制备出能级数n较大的氢原子。氢原子第n能级的能量为En＝，其中E1＝－13.6 eV。如图是按能量排列的电磁波谱，要使n＝20的氢原子吸收一个光子后，恰好失去一个电子变成氢离子，被吸收的光子是( )
A．红外线波段的光子 B．可见光波段的光子
C．紫外线波段的光子 D．X射线波段的光子
2． (2023·新课标卷)铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁发射的光子具有稳定的频率，铯原子钟利用的两能级的能量差量级为10－5eV，跃迁发射的光子的频率量级为(普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，元电荷e＝1.60×10－19C)( )
A．103Hz B．106Hz C．109Hz D．1012Hz
答案： C (共33张PPT)
一、主干知识成体系
第五章 原子与原子核
二、迁移交汇辨析清
(一)原子跃迁的条件及规律
1．原子跃迁的条件：辐射(或吸收)的光子能量hν＝Em－En适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的情况，对于光子和原子作用而使原子电离，以及实物粒子和原子作用而使原子激发的情况，则不受此条件的限制。这是因为，原子一旦电离，原子结构即被破坏，因而不再遵守有关原子结构的理论。基态氢原子的电离能为13.6 eV，只要能量大于或等于13.6 eV的光子都能使基态的氢原子吸收而发生电离，只不过入射光子的能量越大，原子电离后产生的自由电子的动能越大。至于实物粒子和原子碰撞的情况，由于实物粒子的动能可全部或部分地被原子吸收，所以只要入射粒子的动能大于或等于原子某两定态能量之差，也可以使原子受激发而向较高能级跃迁。
典例1 (多选)用具有一定动能的电子轰击大量处于基态的氢原子，使这些氢原子被激发到量子数为n(n＞2)的激发态，此时出现的氢光谱中有N条谱线，其中波长的最大值为λ。现逐渐提高入射电子的动能，当动能达到某一值时，氢光谱中谱线数增加到N′条，其中波长的最大值变为λ′。下列各式中可能正确的是( )
A．N′＝N＋n B．N′＝N＋n－1
C．λ′＞λ D．λ′＜λ
[答案] AC
[针对训练]
1． (多选)如图所示为氢原子能级图，可见光的能量范围为1.62～3.11 eV，
用可见光照射大量处于n＝2能级的氢原子，可观察到多条谱线，若是
用能量为E的实物粒子轰击大量处于n＝2能级的氢原子，至少可观察
到两条具有显著热效应的红外线，已知红外线的频率比可见光小，则关于实物粒子的能量E，下列说法正确的是 ( )
A．一定有4.73 eV＞E＞1.62 eV
B．E的值可能使处于基态的氢原子电离
C．E一定大于2.86 eV
D．E的值可能使基态氢原子产生可见光
解析：红外线光子的能量小于可见光光子的能量，用实物粒子轰击大量处于第2能级的氢原子，至少可观察到两种红外线光子，则说明处于第2能级的氢原子受激发后至少跃迁到第5能级。所以实物粒子的最小能量为E＝E5－E2＝－0.54 eV－(－3.4 eV)＝2.86 eV，因为E可以取大于或等于2.86 eV的任意值，则B、D正确，A、C错误。
答案：BD
2．氢原子处于基态时，原子的能量为E1＝－13.6 eV，当处于n＝3的激发态时，能量为E3＝－1.51 eV，则：
(1)当氢原子从n＝3的激发态跃迁到n＝1的基态时，向外辐射的光子的波长是多少？
(2)若要使处于基态的氢原子电离，至少要用多大频率的电磁波照射原子？
(3)若有大量的氢原子处于n＝3的激发态，则在跃迁过程中可能释放出几种不同频率的光子？
答案：(1)1.03×10－7 m (2)3.3×1015 Hz (3)3种
[解析] X的中子数为146，质子数为92，质量数为146＋92＝238，Y的中子数为124，质子数为82，质量数为124＋82＝206，质量数减少238－206＝32，发生α衰变的次数为32÷4＝8，发生β衰变的次数为82－(92－2×8)＝6，即在此过程中放射出电子的总个数为6，A正确。
[答案] A
答案：A
答案：D
(三)核能的计算方法
1．三个角度的比较
角度 放射 核反应 核能
情境
续表
2．核能的计算方法
(1)根据ΔE＝Δmc2计算时，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”；
(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV/u计算时，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”；
(3)利用阿伏伽德罗常数计算核能；
(4)根据动量守恒和能量守恒计算核能；
(5)利用平均结合能计算核能，核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，就是核反应所释放的核能。
答案：ABD
答案：B
三、创新应用提素养
1．汞原子的能级图如图所示。现让一束单色光照射到大量处于基态
的汞原子上，汞原子只发出三种不同频率的单色光。那么，关于
入射光的能量，下列说法正确的是 ( )
A．可能大于或等于7.7 eV
B．可能大于或等于8.8 eV
C．一定等于7.7 eV
D．包含2.8 eV、4.9 eV、7.7 eV三种
解析：汞原子只发出三种不同频率的单色光，知汞原子跃迁到第3能级，则吸收的光子能量ΔE＝－2.7 eV＋10.4 eV＝7.7 eV，故C正确，A、B、D错误。
答案：C
答案：A
答案：A
答案：C
5．科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的。当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在100亿年所产生的能量的总和的1 000倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为的能量。科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟。经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么大的能量。已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒的时间，地球绕太阳公转视为匀速圆周运动，由此来估算在宇宙中一次γ射线爆发所放出的能量。(引力常量G＝6.67×10－11 N·m2/kg2,1年时间约为3.15×107 s)
答案：1.8×1047 J(共31张PPT)
第四节 放射性同位素
核心素养点击
物理观念 (1)了解放射性同位素的发现过程。
(2)知道放射性同位素的应用。
(3)知道射线的危害及防护。
科学思维 分析放射性元素的实际应用问题。
科学探究 探究三种射线的穿透能力。
科学态度与责任 正确认识、放射性同位素的应用给人类带来的成就和危害。
质子数
中子数
同一位置
放射性
(4)应用：
①用γ射线探伤。
②用α射线、β射线消除静电。
③用射线防治害虫和培育良种。
④在医疗上用射线治病、杀菌。
⑤利用放射性同位素作为示踪原子。
⑥利用放射性衰变的半衰期推断年代。
×
√
√
3．选一选
新发现的一种放射性元素X，它的氧化物X2O半衰期为8天，X2O与F2能发生如下反应：2X2O＋2F2―→4XF＋O2，XF的半衰期为 ( )
A．2天 B．4天
C．8天 D．16天
解析：半衰期由原子核内部因素决定，而跟其所处的化学状态和外部条件无关，所以X2O、XF、X的半衰期相同，均为8天，C正确。
答案：C
氦原子核
电离
弱
铝箔
薄纸
电子
弱
强
几毫米
电磁波
弱
强
几厘米
(2)危害和防护
①放射性同位素及射线对人体组织会造成危害。
②防护方法：缩短受照射_______，增大与辐射源间的______、______射线。
2．判一判
(1)α射线实际上就是氦原子核，α射线具有较强的穿透能力。 ( )
(2)β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。 ( )
(3)γ射线是能量很高的电磁波，电离作用很强。 ( )
×
×
√
时间
距离
屏蔽
4．人工转变核反应与衰变的比较
不同点 原子核的人工转变是一种核反应，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，它不受物理和化学条件的影响
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
[答案] 见解析
写核反应方程时应注意以下三点
(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)核反应过程和衰变现象都遵循电荷数和质量数守恒。质量数守恒不是质量守恒，核反应过程中一般会发生质量的变化。
[素养训练]
1．用中子轰击铝27，产生钠24和X粒子，钠24具有放射性，它衰变后变成镁24，则X粒子和钠的衰变过程分别是 ( )
A．质子、α衰变 B．电子、α衰变
C．α粒子、β衰变 D．正电子、β衰变
答案：C
答案：BD
答案：AC
答案：BD
4．(2022·湖北高考)上世纪四十年代初，我国科学家王淦昌先生首先提出证明中微子存在的实验方案：如果静止原子核47Be俘获核外K层电子e，可生成一个新原子核X，并放出中微子νe，即47Be＋ 0－1e→X＋00νe。根据核反应后原子核X的动能和动量，可以间接测量中微子的能量和动量，进而确定中微子的存在。下列说法正确的是 ( )
A．原子核X是37Li
B．核反应前后总质子数不变
C．核反应前后总质量数不同
D．中微子νe的电荷量与电子的相同
解析：根据质量数守恒和电荷数守恒，X的质量数为7，电荷数为3，可知原子核X是37Li，A正确，C错误；核反应方程为47Be＋ 0－1e→37Li＋00νe，则反应前的总质子数为4，反应后的总质子数为3，B错误；中微子不带电，则中微子νe的电荷量与电子的不相同，D错误。
答案：A
提示：利用放射性元素放出的γ射线杀死癌细胞。
[重难释解]
1．分类
可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素两种，天然放射性同位素不过40多种，而人工放射性同位素已达1 000多种，每种元素都有自己的放射性同位素。
2．人工放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制。
(2)可以制成各种所需的形状。
(3)半衰期比天然放射性物质短得多，放射性废料容易处理。因此，凡是用到射线时，用的都是人工放射性同位素。
3．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。
[解析] (1)根据质量数守恒、电荷数守恒写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式。
(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，B正确。
(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，PET中所选的放射性同位素的半衰期应短。
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α射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取γ射线，也有部分选取β射线的。
(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γ射线。
(3)使用放射线时安全是第一位的。
[素养训练]
1．(多选)下列关于放射性同位素的应用说法中正确的是 ( )
A．利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用
B．利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用
C．利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异
D．在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的
解析：利用放射性消除静电是利用射线的电离作用，故A不正确；人们利用γ射线穿透能力强的特点，可以探查较厚的金属部件内部是否有裂痕，故B正确；人们利用γ射线照射种子，可以使种子内的遗传物质发生变异，经过筛选，培育出新的优良品种，故C正确；在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的，故D正确。
答案：BCD
2．下列说法中正确的是 ( )
A．γ射线是原子受激发后向低能级跃迁时放出的
B．在稳定的重原子核中，质子数比中子数多
C．半衰期越长，原子核衰变越快
D．诊断甲状腺疾病时，注入的放射性同位素碘131作为示踪原子
解析：γ射线一般是伴随着α或β射线产生的电磁波，具有一定的能量，是原子核受激发后向低能级跃迁时放出的，故A错误；在稳定的重原子核中，质子数比中子数少，故B错误；半衰期越长，原子核衰变越慢，故C错误；给疑似患有甲状腺的病人注射碘131，诊断甲状腺的器质性和功能性疾病，是将碘131作为示踪原子，故D正确。
答案：D
3．放射性在技术上有很多应用，不同的放射源可用于不同目的。表中列出了一些放射性元素的半衰期和可供利用的射线。
元素 射线 半衰期
钋210 α 138天
氡222 β 3.8天
锶90 β 28年
铀238 α、β、γ 4.5×109年
某塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让厚的聚乙烯膜通过轧辊把聚乙烯膜轧薄，利用适当的放射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀。可利用的元素是( )
A．钋210 B．氡222
C．锶90 D．铀238
解析：要测定聚乙烯薄膜的厚度，则要求射线可以穿透薄膜，因此α射线不合适；另外，射线穿透作用还要受薄膜厚度影响，γ射线穿透作用最强，薄膜厚度不会影响γ射线穿透，所以只能选用β射线，而氡222 半衰期太短，所以只有锶90较合适，C正确。
答案：C
答案：见解析
二、注重学以致用和思维建模
1．如图所示是原子核人工转变实验装置示意图，A是α粒子源，
F是铝箔，S是荧光屏，在容器中充入氮气后，屏S上出现闪
光，该闪光产生的原因是 ( )
A．α粒子射到屏S上产生的
B．粒子源中放出的γ射线射到屏上产生的
C．α粒子轰击铝箔F上打出的某种粒子射到屏上产生的
D．α粒子轰击氮核后产生的某种粒子射到屏上产生的
解析：充入氮气后，α粒子轰击氮核产生质子，质子穿过铝箔后射到荧光屏上，使荧光屏上出现闪光，故D正确。
答案：D
2．核废料具有很强的放射性，需要妥善处理。下列说法正确的是( )
A．放射性元素经过两个完整的半衰期后，将完全衰变殆尽
B．原子核衰变时电荷数守恒，质量数不守恒
C．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期
D．过量放射性辐射对人体组织有破坏作用，但辐射强度在安全剂量内则没有伤害
答案：D(共29张PPT)
第二节 放射性元素的衰变
核心素养点击
物理观念 (1)了解放射性现象和放射性元素。
(2)知道原子核的衰变及三种射线的特性。
(3)掌握半衰期的概念和应用。
科学思维 半衰期在考古学方面的应用。
科学探究 探究三种射线在电场中的偏转。
科学态度与责任 通过对原子核结构的探究，感悟探索微观世界的研究方法，强化证据意识和推理能力。
一、放射性的发现 原子核衰变
1．填一填
(1)放射性的发现
①1896年，法国物理学家___________发现铀和含铀的矿物都能发出一种看不见的_____，这种射线可以使包在黑纸里的照相底片感光。
②波兰裔法国物理学家玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现放射性更强的新元素，分别命名为钋(Po)、______。
贝可勒尔
射线
镭(Ra)
(2)放射性
①定义：物质放射出射线的性质。
②放射性元素：具有______性的元素。
③天然放射性元素：能________放出射线的元素。
(3)原子核衰变
①衰变：一种元素经放射过程变成____________的现象。
②分类：放出α粒子的衰变称为________，放出β粒子的衰变称为________。
2．判一判
(1)原子核发生衰变，变成了一种新的原子核。 ( )
(2)原子核衰变时不会变成新元素。 ( )
(3)β衰变时放出的电子就是核外电子。 ( )
放射
自发地
另一种元素
α衰变
β衰变
√
×
×
3．想一想
如图为α衰变、β衰变示意图。
(1)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？为什么？
提示：α衰变时，原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子抛射出来，则核内的中子数和质子数都减少2个。
(2)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？
提示：β衰变时，核内的一个中子变成一个质子留在核内，同时放出一个电子。则核电荷数增加1，新核在元素周期表中的位置后移一位。
二、半衰期
1．填一填
(1)定义：原子核的数目因衰变减少到原来的_____所经过的时间。
(2)决定因素
不同的放射性元素，半衰期_______。放射性元素衰变的快慢是由_______的因素决定，跟原子所处的化学状态和外部条件______关系。
2．判一判
(1)半衰期就是放射性元素全部衰变所用时间的一半。 ( )
(2)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。 ( )
(3)对放射性元素加热时，其半衰期缩短。 ( )
一半
不同
核本身
没有
×
×
√
3．想一想
有10个镭226原子核，经过一个半衰期有5个发生衰变，这样理解对吗？
提示：不对。10个原子核数目太少，它们何时衰变是不可预测的，因为衰变规律是大量原子核的统计规律。
探究(一) 对三种射线的理解
[问题驱动]
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什么问题？
提示：说明α射线比荷小于β射线的比荷。
[重难释解]
1．α、β、γ射线的比较
典例1 如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，若在放射源
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
[解析] 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，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，故只有γ射线。因此放射源可能是α和γ的混合放射源，C正确。
[答案] C
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。
[素养训练]
1．(2023·海南高考)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
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。
答案： C
2．α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的，为把辐射强度减到一半，所需铝板的厚度分别为0.000 5 cm、0.05 cm和8 cm。工业部门可以使用射线来测厚度。如图所示，轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪，仪器探测到的射线强度与钢板的厚度有关，轧出的钢板越厚，透过的射线越弱。因此，将射线测厚仪接收到的信号输入计算机，就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度需要控制为5 cm，请推测测厚仪使用的射线是 ( )
A．α射线 B．β射线
C．γ射线 D．可见光
解析：根据α、β、γ三种射线特点可知，γ射线穿透能力最强，电离能力最弱，α射线电离能力最强，穿透能力最弱，钢板厚度控制为5 cm，则α、β射线均不能穿透，而γ射线可以穿透，为了能够准确测量钢板的厚度，探测射线应该用γ射线；随着轧出的钢板越厚，透过的射线越弱，而轧出的钢板越薄，透过的射线越强，故A、B、D错误，C正确。
答案：C
答案：B
探究(二) 半衰期及其应用
[问题驱动]
如图为始祖鸟的化石，美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的
原理发明“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)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄？
提示：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)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：这种说法是错误的，因为半衰期描述的是大量放射性元素衰变的统计规律，不适用于少量原子核的衰变。
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，无法确定何时发生衰变，因此，半衰期只适用于大量的原子核的衰变。
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。
[答案] C
关于半衰期的两个误区
(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质量。
[素养训练]
一、培养创新意识和创新思维
根据临床经验，部分药物在体内的代谢也有与原子核衰变相似的规律。药物的血浆半衰期是指药物在血浆中的浓度下降一半所需的时间。某种药物的血浆半衰期为2小时，一次合理剂量的用药后药物在血浆中的浓度为20毫克/升，若血浆中的药物浓度下降至3毫克/升以下就要补充用药，则该药物的用药时间间隔约为 ( )
A．2小时 B．4小时 C．6小时 D．8小时
解析：因为药物的血浆半衰期为2小时，经过6小时，即3个半衰期，血浆中的药物浓度下降至2.5毫克/升，所以该药物的用药时间间隔约为6小时，故C正确。
答案：C
二、注重学以致用和思维建模
1．(多选)俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇在巴伦支海的沉没再次引起了人们对核废料与环境问题的重视，几十年来人们向巴伦支海海域倾倒了不少核废料，而核废料对海洋环境有严重的污染作用。其原因有 ( )
A．铀、钚等核废料有放射性
B．铀、钚等核废料的半衰期很长
C．铀、钚等重金属有毒性
D．铀、钚等核废料会造成爆炸
解析：铀、钚等核废料有放射性，射线有危害，故A正确；铀、钚等核废料的半衰期很长，短期内很难消失，故B正确；铀、钚等是重金属，重金属都有毒性，故C正确；铀、钚等核废料不会造成爆炸，故D错误。
答案：ABC
解析：此射线必须能穿透部件，探测器才能接收到射线粒子，用一张纸就能将α射线挡住，β射线只能穿透几毫米厚的铝板，γ射线能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土，显然应该用γ射线检查直径为20 cm的钢柱内部是否有伤痕存在，选项C正确，A、B错误；当遇到钢柱内部有砂眼或裂纹时，穿过钢柱到达探测器的γ射线比没有砂眼或裂纹处的要强一些，选项D错误。
答案：C
