19.1原子核的组成
1.(2014·徐州高二检测)天然放射现象说明 ( )
A.原子不是单一的基本粒子
B.原子核不是单一的基本粒子
C.原子内部大部分是中空的
D.原子核是由带正电和带负电的基本粒子组成的
【解析】选B。电子的发现说明原子不是单一的基本粒子,A错;天然放射现象是由原子核内向外辐射射线,说明原子核不是单一的基本粒子,B正确;卢瑟福的α粒子散射实验说明了原子内大部分是中空的,C错;原子核是由质子和中子构成的,D错误。
2.(多选)(2014·广州高二检测)下列哪些现象能说明射线来自原子核 ( )
A.三种射线的能量都很高
B.放射线的强度不受温度、外界压强等物理条件的影响
C.元素的放射性与所处的化学状态(单质、化合态)无关
D.α射线、β射线都是带电的粒子流
【解析】选B、C。能说明放射线来自原子核的证据是元素的放射性与其所处的化学状态和物理状态无关,B、C正确。
3.以下实验能说明原子核内有复杂结构的是 ( )
A.光电效应实验 B.原子发光产生明线光谱
C.α粒子散射实验 D.天然放射现象
【解析】选D。光电效应实验是光子说的实验依据;原子发光产生明线光谱说明原子只能处于一系列不连续的能量状态中;α粒子散射实验说明原子具有核式结构;天然放射现象中放射出的粒子是从原子核中放出的,说明原子核内有复杂结构,故D正确。
4.(多选)一个原子核为Bi,关于这个原子核,下列说法中正确的是 ( )
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,127个中子
D.核内有210个核子
【解析】选C、D。根据原子核的表示方法得质子数为83,质量数为210,故中子数为210-83=127个,而质子和中子统称核子,故核子数为210个,因此C、D正确。由于不知道原子的电性,就不能判断核外电子数,故A、B不正确。
5.(多选)由原子核符号U,可知 ( )
A.U原子核中有质子92个
BU原子核中有电子92个
CU原子核中有中子235个
DU原子核中有中子143个
【解析】选A、D。原子核符号为X,A为核子数,Z为质子数,可见U原子核中核子数是235个,质子数是92个,中子数为235-92=143个,故B、C错误,A、D正确。
6.放射性元素放出的射线,在电场中分成A、B、C三束,如图所示,其中 ( )
A.C为氦核组成的粒子流
B.B为比X射线波长更长的光子流
C.B为比X射线波长更短的光子流
D.A为高速电子组成的电子流
【解析】选C。根据射线在电场中的偏转情况,可以判断,A射线向电场线方向偏转,应为带正电的粒子组成的射线,所以是α射线,D错误;B射线在电场中不偏转,所以是γ射线,其波长比X射线波长更短,B错,C对;C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力,应为带负电的粒子,所以是β射线,A错误。
7.(2014·临沂高二检测)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.无法判定
【解析】选A。γ射线在电场、磁场中不受力,所以沿直线前进。β射线在电场、磁场中受到一对平衡力而沿直线运动,即向左的电场力和向右的洛伦兹力大小相等、方向相反,即Bqv=Eq,所以v=。而α粒子的速度远小于β射线中电子的速度,所以向右的电场力远大于向左的洛伦兹力,α粒子向右偏,A正确。
8.(2013·攀枝花高二检测)如图,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,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
【解题指南】(1)根据射线的穿透能力进行判断。
(2)根据射线在磁场中的运动轨迹结合弯曲程度进行判断。
【解析】选C。由于α粒子的贯穿本领较小,在放射源和计数器之间加上薄铝片后,计数器的计数率大幅度减小,说明含有α粒子;在薄铝片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,说明穿过铝片的是γ射线而不是β射线,因此放射源为α和γ的混合放射源。故正确选项为C。
9.在匀强磁场中有一静止的原子核X,它自发地射出一个α粒子,α粒子的速度方向与磁感线垂直,若它在磁场中做圆周运动的半径为R,则反冲核的轨迹半径多大?
【解析】α粒子与反冲核在垂直于磁场方向上动量守恒,有
mαvα=m核v核 ①
又洛伦兹力提供向心力
Bqv=得R=②
对α粒子有Rα= ③
对反冲核有R核= ④
将①代入③④得R核=Rα
即R核=R。
答案:R
1.(2013·淄博高二检测)如图所示,放射源放在铅块上的细孔中,铅块上方有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源放出的射线有α、β、γ三种,下列判断正确的是 ( )
A.甲是α射线,乙是γ射线,丙是β射线
B.甲是β射线,乙是γ射线,丙是α射线
C.甲是γ射线,乙是β射线,丙是α射线
D.甲是α射线,乙是β射线,丙是γ射线
【解析】选B。由三种射线的带电情况,由左手定则可确定各自的偏转方向,甲是β射线,乙是γ射线,丙是α射线,由此选出答案为B。
2.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
【解析】选C。γ射线的穿透能力很强,它能穿透薄金属板和较厚的水泥墙。所以图乙是利用γ射线检查金属内部伤痕的情况,C选项正确。
3.(2014·安庆高二检测)如图所示,一天然放射性物质射出三种射线,经过一个匀强电场和匀强磁场共存的区域(方向如图所示),调整电场强度E和磁感应强度B的大小,使得在MN上只有两个点受到射线照射。下面的判断哪种是正确的
( )
A.射到b点的一定是α射线
B.射到b点的一定是β射线
C.射到b点的一定是α射线或β射线
D.射到b点的一定是γ射线
【解析】选C。γ射线不带电,在电场或磁场中它都不受场的作用,只能射到a点,故D项错误;调整E和B的大小,既可以使带正电的α射线沿直线前进,也可以使带负电的β射线沿直线前进。沿直线前进的条件是电场力与洛伦兹力平衡,即Eq=qvB。已知α粒子的速度比β粒子的速度小得多,当调节使α粒子沿直线前进时,速度大的β粒子向右偏转,有可能射到b点;当调节使β粒子沿直线前进时,速度较小的α粒子也将会向右偏,也有可能射到b点,因此C项正确,A、B项错误。
4.在暗室的真空装置中做如下实验:在竖直放置的平行金属板间的匀强电场中,有一个能产生α、β、γ三种射线的射线源。从射线源射出的一束射线垂直于电场方向射入电场,如图所示。在与射线源距离为H高处,水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药的纸),经射线照射一段时间后两张印像纸显影,则
(1)上面的印像纸有几个暗斑?各是什么射线的痕迹?
(2)下面的印像纸显出三个暗斑,试估算中间暗斑与两边暗斑的距离之比。
(3)若在此空间再加上与电场方向垂直的匀强磁场,一次使α射线不偏转,一次使β射线不偏转,则两次所加匀强磁场的磁感应强度之比是多少?
(已知:mα=4u,mβ=u,vα=,vβ=c)
【解析】(1)因α粒子贯穿本领弱,穿过下层纸的只有β射线、γ射线,β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑。
(2)下面印像纸从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。设α射线、β射线暗斑到中央γ射线暗斑的距离分别为sα、sβ则sα=aα·()2,sβ=
aβ·()2,
aα=,aβ=。
由以上四式得=。
(3)若使α射线不偏转,qαE=qαvα·Bα,所以Bα=,同理若使β射线不偏转,应加磁场Bβ=,故==10∶1。
答案:(1)两个暗斑 β射线,γ射线
(2)5∶184 (3)10∶1
【总结提升】三种射线的特性认识和判断
α、β、γ三种射线是人们认识原子核和原子核衰变的主要形式,我们认识这三种射线对于认识原子核有非常重要和积极的作用。
(1)要明确三种射线的本质,知道各种射线是什么物质。
(2)清楚三种射线在电场或磁场中的受力情况和运动特性,并能据其判断射线的带电性质或判断射线种类。
(3)认识三种射线的穿透能力和电离特性,根据这种特性了解其应用或判断其种类。
19.1原子核的组成
【小题达标练】
一、选择题
1.人类认识原子核的复杂结构并进行研究是从 ( )
A.发现电子开始的
B.发现质子开始的
C.进行α粒子散射实验开始的
D.发现天然放射现象开始的
【解析】选D。自从贝可勒尔发现天然放射现象,科学家对放射性元素及射线的组成、产生的原因等进行了大量研究,逐步认识到原子核的复杂结构,故D正确,A、B、C错误。
2.(2015·宿州高二检测)据报道,放射性同位素钬Ho可以有效治疗癌症,该同位素原子核内中子数是 ( )
A.32 B.67 C.99 D.166
【解析】选C。根据原子核的表示方法得核外电子数=质子数=67,中子数为166-67=99,故C对,A、B、D错。
【互动探究】该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是 ( )
A.32 B.67 C.99 D.166
【解析】选A。根据原子核的表示方法得核外电子数=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A对,B、C、D错。
3.(多选)天然放射物质的射线包含三种成分,下列说法中正确的是 ( )
A.α射线的本质是高速氦核流
B.β射线是不带电的光子流
C.三种射线中电离作用最强的是γ射线
D.一张厚的黑纸可以挡住α射线,但挡不住β射线和γ射线
【解析】选A、D。α射线的本质是高速氦核流,A正确。β射线是高速电子流,B错误。三种射线中电离作用最强的是α射线,C错误;一张厚的黑纸可以挡住α射线,但挡不住β射线和γ射线,D正确。
4.(2015·青岛高二检测)两个同位素原子核的符号分别是X和Y,那
么 ( )
A.M=N B.A=B C.M-A=N-B D.M+N=A+B
【解析】选B。具有相同质子数不同中子数的同一元素互称同位素,所以A=B。
5.在α粒子轰击金箔的散射实验中,α粒子可以表示为HeHe中的4和2分别表示 ( )
A.4为核子数,2为中子数
B.4为质子数和中子数之和,2为质子数
C.4为核外电子数,2为中子数
D.4为中子数,2为质子数
【解析】选B。根据He所表示的物理意义,原子核的质子数决定核外电子数,原子核的电荷数就是核内的质子数,也就是这种元素的原子序数。原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和,即为核内的核子数He符号的左下角表示的是质子数或核外电子数,即为2He符号左上角表示的是核子数,即为4,故选项B正确。
6.(多选)(2015·通辽高二检测)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,则下列说法中正确的有 ( )
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
【解析】选A、C。由于γ射线不带电,故不偏转,打在b点。由左手定则可知粒子向右射出后,在匀强磁场中α粒子受的洛伦兹力向上,β粒子受的洛伦兹力向下,轨迹都是圆弧,A、C正确;B错误,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(如果一个打在b,则另一个必然打在b点下方)。D错误。
【总结提升】三种射线的偏转特点
(1)α射线和β射线在电场和磁场中都会发生偏转,γ射线在电场和磁场中均不发生偏转,沿直线传播。
(2)α射线和β射线带电性质相反,所以在同一电场或磁场中,α射线和β射线偏转方向相反。
(3)α射线和β射线在电场中的偏转轨迹是抛物线,在磁场中的偏转轨迹是圆弧。
7.(多选)某空间内可能存在磁场或电场,可能磁场和电场同时存在或都不存在,一束包含α射线、β射线和γ射线的射线束以同方向进入此空间,如它们的运动轨迹仍为一束,则此空间可能的情形是 ( )
A.存在互相垂直的匀强电场及匀强磁场
B.磁场及电场都存在
C.有电场,无磁场
D.有磁场,无电场
【解析】选B、C、D。α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电,它们以同方向不同速度进入某空间,运动轨迹仍为一束,则它们不受力作用或受力方向与运动方向一致。空间中可有与运动方向平行的电场,无磁场,C正确;空间中可有与运动方向平行的磁场,无电场,D正确;空间中可有与运动方向平行的电场、磁场,B正确;空间中存在互相垂直的匀强电场及匀强磁场时,不同速度的粒子受到的洛伦兹力不同,不同的粒子受到的电场力不同,三种粒子不可能向同一方向运动,A错误。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)认为符合速度选择器的条件时,三条射线可以都沿直线运动,忽略了α射线和β射线速度不同的特点,而错选A。
(2)正是考虑了α射线和β射线速度不同的特点,认为同时存在磁场和电场不可能,忽略了磁场与电场可以与粒子速度在同一条直线上,而漏选B。
二、非选择题
8.如图所示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,该生产线压制的是3 mm厚的铝板,那么是三种射线中的 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,将会通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离调节得 些。
【解题指南】解答本题可从以下两个方面考虑:
(1)α射线、β射线、γ射线的穿透本领依次增强,一张纸就可以把α射线挡住,故不是α射线,γ射线太强甚至可以穿透几厘米厚的铅板,故也不是γ射线,故本题β射线最合适。
(2)当接收个数超过标准值时,说明铝板太薄,需要加厚。
【解析】因β射线能穿过几毫米厚的铝板,故β射线对厚度起主要作用。通过铝板的粒子数超标是指通过铝板的粒子个数太多,铝板的厚度偏薄,应加大铝板的厚度,即将M、N两轧辊间距离调大一些。
答案:β 大
【补偿训练】(2015·南昌高二检测)若让氢的三种同位素先以相同的速度进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,再以相同的动量进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,其受到的向心力和轨道半径大小顺序如何?
【解析】当同位素以相同速度进入相同的匀强磁场,由洛伦兹力提供向心力得qvB=,则R=,B、q一定,当v相同时,R∝m,则R氕由于动量p=mv,当动量相同时,则R氕=R氘=R氚.
由Fn=qvB知速度相同时向心力大小相同,
即F氕=F氘=F氚,
又因为F=qvB=,q、p、B一定,F∝,
故F氕>F氘>F氚。
答案:以相同速度进入磁场时,
F氕=F氘=F氚,R氕以相同动量进入磁场时,
F氕>F氘>F氚,R氕=R氘=R氚
【大题提升练】
1.(1)(多选)下列说法正确的是 ( )
A.玻尔对氢原子光谱的研究导致原子的核式结构模型的建立
B.可利用某些物质在紫外线照射下发出荧光来设计防伪措施
C.天然放射现象中产生的射线都能在电场或磁场中发生偏转
D.观察者与波源互相远离时接收到波的频率与波源频率不同
(2)1896年法国物理学家发现了放射线,人们从破解 入手,一步步揭开原子核的秘密,原子核是由 和 组成的。
【解析】(1)选B、D。原子的核式结构模型源于卢瑟福的α粒子散射实验,A错;紫外线可使荧光物质发光,此现象广泛应用于人民币等的防伪措施,B对;天然放射现象中的γ射线是电磁波,不会在电磁场中偏转,C错;由多普勒效应可知,观察者与波源靠近或远离时,接收到波的频率相对于波源频率会增大或减小,D对。
(2)研究原子核是从破解天然放射现象入手的,原子核是由质子和中子组成的。
答案:(1)B、D (2)天然放射现象 质子 中子
2.(1)(多选)下列描述中正确的是 ( )
A.卢瑟福的原子核式结构学说能很好地解释α粒子散射实验事实
B.放射性元素发射β射线时所释放的电子来源于原子的核外电子
C.氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后,再向低能级跃迁时放出光子的频率一定等于入射光子的频率
D.分别用X射线和紫光照射同一金属表面都能发生光电效应,则用X射线照射时光电子的最大初动能较大
E.Th(钍)核衰变为Pa(镤)核时,核内减少一个中子
(2)α射线、β射线和γ射线它们具有不同的特点,穿透能力最强的是 ,电离能力最强的是 。互称为同位素的原子核具有相同的 数而
数不同。
【解析】(1)选A、D、E。卢瑟福的原子核式结构学说能很好地解释α粒子散射实验事实,A正确;放射性元素发射β射线时所释放的电子来源于中子转化为质子后产生的电子,B错误,E正确;氢原子吸收一个光子跃迁到激发态后,再向低能级跃迁时放出光子的频率有多种,C错误;分别用X射线和紫光照射同一金属表面都能发生光电效应,X射线的频率大,则用X射线照射时光电子的最大初动能较大,D正确。
(2)α射线、β射线和γ射线中穿透能力最强的是γ射线,电离能力最强的是α射线。质子数相同而中子数不同的原子核互称为同位素。
答案:(1)A、D、E
(2)γ射线 α射线 质子 中子
课件42张PPT。第十九章 原 子 核
1 原子核的组成1.知道什么是放射性及放射性元素。
2.知道三种射线的特性,知道原子核的组成,会正确书写原子核符号。
3.通过核结构模型的探究,经历分析和解决问题的过程,体会物理的研究方法。一、天然放射现象
1.天然放射现象:
(1)天然放射现象的发现:1896年,法国物理学家_________发
现,铀和含铀的矿物能发出看不见的射线,这种射线可使被黑
纸包裹的照相底版_____。贝可勒尔感光(2)放射性和放射性元素:
①放射性:物质_________的性质。
②放射性元素:具有_______的元素。
③原子序数大于或等于83的元素,都是_______元素,原子序数
小于83的元素有的也具有放射性。
(3)天然放射性元素:能_______发出射线的放射性元素。发射射线放射性放射性自发地2.三种射线:
(1)α射线实际上就是_________,速度可达光速的 ,其_____
能力强,_____能力较差,在空气中只能前进几厘米,用_______
就能把它挡住。
(2)β射线是高速_______,它速度很大,可达光速的99%,它的
_____能力较弱,穿透能力较强,很容易穿透黑纸,也能穿透几
毫米厚的_____。氦原子核电离穿透一张纸电子流电离铝板(3)γ射线呈电中性,是能量很高的_______,它的_____作用更
小,但穿透能力更强,甚至能穿透几厘米厚的_____和几十厘米
厚的混凝土。电磁波电离铅板二、原子核的组成
1.质子:质子是_______用α粒子轰击氮核时发现的一种新的带
正电的粒子。
2.中子:原子核内存在着一种_____与质子非常接近,但是不带
___的粒子,这种粒子叫做中子。中子是由_________发现的。
3.核子:质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差
别外,其余性质十分相似,而且都是_______的组成成分,统称为
核子。卢瑟福质量电查德威克原子核4.原子核的符号:质子数 质子数 5.同位素:
(1)定义:具有相同_______而_______不同的原子,在元素周期
表中处于_____位置,因而互称同位素。
例如,氢有三种同位素:___(通常所说的氢),氘(也叫重氢),氚
(也叫超重氢),符号分别是__________。
碳有两种同位素,符号分别是_________。质子数中子数同一氕(2)性质:原子核的_____数决定了核外 _______,也决定了电子
在核外的分布情况,从而决定了这种元素的化学性质,因而同种
元素的同位素具有相同的_____性质。质子电子数化学1.判一判:
(1)天然放射现象是通过实验发现的。 ( )
(2)任何物质都有放射性。 ( )
(3)天然放射现象说明了原子核有复杂的结构。 ( )
(4)质量数就是原子核的质量。 ( )
(5)在元素周期表中处在同一个位置上,而质量数不同的元素叫同位素。 ( )提示:(1)×。天然放射性是法国物理学家贝可勒尔将用黑纸包好的照相底版和铀放在一起,底版感光时偶然发现的。
(2)×。原子序数大于83的元素和个别的原子序数小于83的元素有放射性。
(3)√。因为放射性的射线来自原子核,所以原子核有复杂的结构。
(4)×。质量数是中子和质子的总个数,不是指原子核的质量。
(5)√。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个位置,这样的元素互称同位素。2.想一想:
(1)所有的放射现象都是天然放射现象吗?为什么?
提示:不都是。放射性元素自发地放出射线的现象才是天然放射现象,若放出射线不是自发进行的,就不是天然放射现象。(2)若在含有α、β、γ三种射线经过的空间施加电场(方向与射线出射方向垂直),射线能分成三束吗?
提示:能分成三束。三种射线的带电情况各不相同,它们在电场中的受力情况不同,故可分成三束。主题一 射线的本质和特性的确定
【问题探究】
1.射线的电性是如何确定的?
提示:根据电场或磁场对射线的作用,即根据射线在电磁场中的偏转情况来确定它们的电性。2.怎样用磁场和电场对电荷作用力的方向来确定射线的电性?
提示:把放射源放入由铅做成的容器中,射线只能从容器的小孔射出,成为细细的一束。在射线经过的空间施加磁场,发现射线如图甲所示:①射线分成三束,射线在磁场中发生偏转,受到力的作用,这个力是洛伦兹力,说明其中的两束射线是带电粒子。
②根据感光的位置和左手定则可以知道,带正电的射线向左偏转,这种射线叫α射线;带负电的射线向右偏转,这种射线叫β射线;不偏转的叫γ射线。
③带电粒子在电场中要受电场力的作用,
可以加一偏转电场来判断三种射线的带
电性质,如图乙所示。3.结合下表探究三种射线的组成和特性。氦原子核电子流薄纸很强铝板较弱电磁波铅板很小4.天然放射现象使人们认识到原子核是有结构的,为什么说射线来自原子核的内部?为什么说原子核是可分的,是有结构的?
提示:因为实验发现,任何一种具有放射性的元素,无论它是以单质形式存在还是以化合物形式存在,都具有放射性,而且放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质取决于原子的核外电子,这说明射线与核外电子无关,也就是说射线来自原子核的内部,从而说明原子核是可分的,是有结构的。5.每一种放射性元素一定是同时放出三种射线吗?
提示:一般情况下放射性元素同时放出两种射线,即α射线和γ射线或β射线和γ射线。
6.当温度降到很低时,放射现象是否就停止了?
提示:元素具有放射性是由原子核本身的性质决定的,跟原子所处的物理或化学状态无关,不管该元素是以单质形式存在,还是和其他元素形成化合物,或者对它施加压力,或者降低它的温度,它都具有放射性。【探究总结】
三种射线在电场或磁场中的运动特点
(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射线在磁场中的偏转特点:在匀强磁场中,α和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动,且同样条件下,β粒子的轨道半径小,偏转大。(3)α射线和β射线在电场中的偏转特点:在匀强电场中,α和β粒子沿相反方向做类平抛运动,且在同样的条件下,β粒子的偏移量大。
如果电场和磁场方向未知,也可以由偏转的大小情况区分射线的种类。【即时训练】
1.(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场,图中表示射线偏转情况中正确的是 ( )【解题探究】(1)因为α粒子带正电,β粒子带负电,γ射线不
带电,所以α、β射线会在电场或磁场中_____,γ射线_______。
(2)α、β粒子在电场中做___________,用平抛的规律研究,在
磁场中做圆周运动,利用_________提供向心力进行研究。偏转不偏转类平抛运动洛伦兹力【解析】选A、D。已知α粒子带正电,β粒子带负电,γ射线不带电,根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向,可知A、B、C、D四幅图中α、β射线的偏转方向都是正确的,但偏转的程度需进一步判断。带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,其半径 将其数据
代入,则α粒子与β粒子的半径之比为:
选项A正确,选项B错误;对某一确定的x值,α、
β粒子沿电场线偏转距离之比为
由此可见,C项错误,D项正确。2.有三种射线,射线a很容易穿透黑纸,速度接近光速;射线b可穿透几十厘米厚的混凝土,能量很高;用射线c照射带电的导体,可使电荷很快消失。则下列判断中正确的是 ( )
A.a是α射线,b是β射线,c是γ射线
B.a是β射线,b是γ射线,c是α射线
C.a是γ射线,b是α射线,c是β射线
D.a是γ射线,b是β射线,c是α射线【解析】选B。由题意知,射线a贯穿能力较强,速度接近光速,故是β射线;射线b贯穿能力很强且能量高,是γ射线;射线c很容易使空气电离成为导体,从而将电荷导入大地,是α射线。主题二 原子核的组成
【问题探究】
1.结合我们已经学过的汤姆孙发现电子的过程以及人们通过天然放射性认识原子核是可分的,谈一谈探索原子微观世界的过程。提示:汤姆孙通过确定阴极射线的电性和电量,猜测电子来源于原子,通过换用不同的材料作阴极得到相同的阴极射线,证明了电子是原子的组成部分;天然放射线是从原子核中射出的,使人们认识到原子核可分,进而才有质子、中子的发现。人们探索原子微观世界经历了“实验事实”→“猜想(预言)”→“实验验证”的过程。2.卢瑟福对原子核组成的认识和贡献是什么?
提示:(1)卢瑟福通过α粒子轰击氮原子核得到质子,并确定了质子的电性和电量,猜测质子来源于原子核,通过用α粒子轰击不同原子的原子核都得到相同的质子,证明了质子是原子核的组成部分。质子带正电荷,电荷量与一个电子所带的电荷量相等,质量mp=1.672 623 1×10-27kg。
(2)卢瑟福发现质子是原子核的组成部分后,发现原子核的质量与电荷量之比大于质子的质量与电荷量之比,所以卢瑟福猜想原子核内存在质量与质子相同,但不带电的粒子即中子。3.中子是由谁发现的?它有什么特性?质量有多大呢?
提示:(1)1932年,查德威克通过实验证实了中子的存在。
(2)中子不带电。
(3)质量mn=1.674 928 6×10-27kg。4.人们通过实验得到了质子和中子,它们都是来源于原子核,所以原子核的组成和人们假设的相同,那么原子核的组成是怎样的?
提示:原子核是由质子和中子构成的,质子带正电,中子不带电。质子和中子统称为核子,质子数和中子数之和叫核子数。5.组成原子核的粒子之间有什么联系?
提示:原子核中的两个等式:
(1)原子核的电荷数=质子数=核外电子数=原子序数。
(2)原子核的质量数=核子数=质子数+中子数。【探究总结】
原子核组成的三个概念
(1)电荷数:原子核所带的电荷量总是质子电荷量的整数倍,这个倍数就叫做原子核的电荷数。
(2)质量数:原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍,这个倍数叫做原子核的质量数。
(3)同位素:
①具有相同的质子数,不同的中子数。
②具有相同的化学性质。【即时训练】
1.(2014·泰安高二检测) 可以作为核聚变材料。下列关于
的叙述正确的是 ( )
A. 和 互为同位素
B. 原子核内的中子数为2
C. 原子核外的电子数为2
D. 代表原子核内有2个质子和3个中子的氦原子【解析】选C。 的电荷数不同,A错误; 内质子数为2,
中子数为1,中性原子的核外电子数为2,故C正确,B、D错误。2.据报道,放射性同位素钬 可以有效治疗癌症,该同位素
原子核内中子数与核外电子数之差是 ( )
A.32 B.67 C.99 D.166
【解析】选A。根据原子核的表示方法得核外电子数=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A对,B、C、D错。3.已知镭的原子序数是88,原子核质量数是226。试问:
(1)镭核中有几个质子?几个中子?
(2)镭核所带的电荷量是多少?
(3)若镭原子呈中性,它核外有几个电子?
(4) 是镭的一种同位素,让 以相同速度垂直射
入磁感应强度为B的匀强磁场中,它们运动的轨道半径之比是
多少?【解题探究】(1)明确质量数、_______、中子数、核电荷数、
电子数之间的关系;
(2)利用_________充当向心力求出两种同位素运动的轨道
半径之比。质子数洛伦兹力【解析】(1)镭核中的质子数等于其原子序数,故质子数为88,中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差,即N=A-Z=226-88=138。
(2)镭核所带电荷量
Q=Ze=88×1.6×10-19C =1.41×10-17C。
(3)核外电子数等于核电荷数,故核外电子数为88。(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力为洛伦兹力,故有
两种同位素具有相同的核电荷数,但质量数不同,故
答案:(1)88 138 (2)1.41×10-17C (3)88 (4)课件47张PPT。第十九章 原 子 核
1 原子核的组成一、天然放射现象
(1)1896年,法国物理学家_________发现,铀和含铀的矿物能够发出
看不见的射线,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
(2)物质发射射线的性质称为_______,具有放射性的元素称为_____
_______,放射性元素___________射线的现象叫作_____________。贝可勒尔放射性放射性元素自发地发出天然放射现象(3)原子序数大于或等于83的元素,都能_____地发出射线,原子序数
小于___的元素,有的也能放出射线。
(4)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的
新元素,命名为_______________。83钋(Po)和镭(Ra)自发【判一判】
(1)1896年,法国的玛丽·居里首先发现了天然放射线。( )
(2)原子序数大于83的元素都是放射性元素。 ( )
(3)原子序数小于83的元素都不能放出射线。 ( )
提示:(1)×。1896年,法国物理学家贝可勒尔首先发现了天然放射线。
(2)√。原子序数大于或等于83的元素,都能自发地发出射线,都是放射性元素。
(3)×。原子序数小于83的元素,有的也能放出射线。二、射线到底是什么
1.α射线:实际上就是_________,速度可达到光速的 ,其_____
能力强,_____能力较差,在空气中只能前进几厘米,用_______就能
把它挡住。
2.β射线:是___________,它速度很大,可达光速的99%,它的穿透能
力较强,_____能力较弱,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的_____。氦原子核电离穿透一张纸高速电子流电离铝板3.γ射线:呈电中性,是能量很高的_______,波长很短,在10-10m以下,
它的_____作用更小,但_________更强,甚至能穿透几厘米厚的_____
或几十厘米厚的混凝土。
4.放射线来自原子核,说明___________是有结构的。电磁波电离穿透能力铅板原子核内部【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。 ( )提示:(1)×。α射线实际上就是氦原子核,α射线穿透能力较差,用一张纸就能把它挡住。
(2)√。β射线是高速电子流,穿透能力较强,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,电离作用很弱。三、原子核的组成
1.质子的发现:1919年,卢瑟福用_______轰击氮原子核发现了质子,
质子是_______的组成部分。
2.中子的发现:卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子_____,
但_______的粒子,称为中子。查德威克通过实验验证了这个猜想。
3.原子核的组成:原子核由___________组成,质子和中子统称为
_____。α粒子原子核相同不带电质子和中子核子4.原子核的符号:
5.同位素:具有相同的_______而_______不同的原子核,在元素周
期表中处于_________,因而互称同位素。例如,氢有三种同位素
氕、氘、氚,符号是 质子数中子数质子数质子数中子数同一位置【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)原子核的电荷数就是核内的质子数,也就是这种元素的原子序数。 ( )
(3)同位素具有不同的化学性质。 ( )提示:(1)×。质子带正电,中子不带电,都是原子核的组成成分,统称为核子。
(2)√。原子核的电荷数就是核内的质子数,也就是这种元素的原子序数。
(3)×。同位素具有相同的核外电子分布,所以具有相同的化学性质。一、天然放射现象的三种射线
思考探究:
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?
(2)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:(1)说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(2)说明α射线比荷小于β射线的比荷。【归纳总结】
1.三种射线的比较:2.三种射线在电场和磁场中的偏转:
(1)在匀强电场中,γ射线不发生偏转,做匀速直线
运动,α粒子和β粒子沿相反方向做类平抛运动,
在同样的条件下,β粒子的偏移大,如图所示。
位移x可表示为
所以,在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为(2)在匀强磁场中:γ射线不发生偏转,仍做匀速
直线运动,α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆
周运动,且在同样条件下,β粒子的轨道半径小,
如图所示。
根据qvB=
所以,在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为3.元素的放射性:如果一种元素具有放射性,那么不论它是以单质的形式存在,还是以某种化合物的形式存在,放射性都不受影响。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此,原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。【特别提醒】
(1)射线跟原子核外电子的关系方面:一种元素的放射性,与单质还是化合物无关,这就说明射线跟原子核外电子无关。
(2)原子核内部的结构情况方面:射线来自于原子核说明原子核内部是有结构的。【典例示范】(多选)(2015·南昌高二检测)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场,图中表示射线偏转情况正确的是( )【解题探究】
(1)α射线、β射线、γ射线,它们的带电性质有什么不同?
提示:α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(2)α射线和β射线偏转程度相同吗?
提示:α射线比β射线的比荷小,所以α射线的偏转程度小,β射线的偏转程度更大。【正确解答】选A、D。已知α粒子带正电,β粒子带负电,γ射线不带电,根据正、负电荷在磁场中运动受洛伦兹力方向和正、负电荷在电场中受电场力方向可知,A、B、C、D四幅图中α、β粒子的偏转方向都是正确的,但偏转的程度需进一步判断。
带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,其半径r=将数据代入,则α粒子与β粒子的半径之比
A对,B错;带电粒子垂直进入匀强电场,设初速度为v0,垂直电场线方向位移为x,沿电场线方向位移为y,则有
x=v0t,y= ,消去t可得y=
对某一确定的x值,α、β粒子沿电场线偏转距离之比【过关训练】
1.(2015·哈尔滨高二检测)如图所示,放射源放在铅块中,铅块上方有匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外。已知放射源通过细孔放出的射线有α,β,γ三种,下列判断正确的是 ( )A.甲是α射线,乙是γ射线,丙是β射线
B.甲是β射线,乙是γ射线,丙是α射线
C.甲是γ射线,乙是α射线,丙是β射线
D.甲是α射线,乙是β射线,丙是γ射线
【解析】选B。粒子垂直进入磁场,若带电则必受洛伦兹力的作用而做圆周运动,轨迹为圆弧,而乙为直线,可判定其为不带电粒子,即乙是γ射线;再根据左手定则,即可判断甲为β射线,丙为α射线,故正确选项为B。2.(2015·巴彦淖尔高二检测)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【解析】选D。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,它的穿透能力较差,电离作用最强,选项B不正确。
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,选项A不正确。
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,故选项C错误,D正确。【补偿训练】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,MN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点的射线种类应属于下表中的 ( )【解析】选C。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,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。【规律方法】判断三种射线性质的方法
(1)射线的电性: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,它是波长很短的电磁波。
(2)射线的偏转: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)射线的穿透能力: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。二、原子核的组成
思考探究:
如图所示为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)原子核由质子和中子组成,原子核的质量数是其质子数加中子数。【归纳总结】
1.原子核的组成:原子核是由质子、中子构成的,质子带正电,中子不带电。不同的原子核内质子和中子的个数并不相同。原子核的直径为10-15～10-14m。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号:
(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.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。4.同位素: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,但它们的中子数可以不同,所以它们的物理性质不同。把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。【特别提醒】
(1)电子与原子核的关系方面:β射线是原子核变化时产生的,电子并不是原子核的组成部分。
(2)同位素的物理性质与化学性质方面:同位素的化学性质相同,但物理性质不同。【典例示范】已知镭的原子序数是88,原子核质量数是226。试问:
(1)镭核中有多少个质子?多少个中子?
(2)镭核所带的电荷量是多少?
(3)呈中性的镭原子,核外有多少个电子?【解题探究】
(1)原子核的核电荷数、质子数、核外电子数具有_____的关系。
(2)质量数和核子数具有_____的关系。相等相等【正确解答】(1)镭核中的质子数等于其原子序数,故质子数为88,中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差,即N=A-Z=226-88=138。
(2)镭核所带电荷量:Q=Ze=88×1.6×10-19C=1.41×10-17C
(3)核外电子数等于核电荷数,故核外电子数为88。
答案:(1)88 138 (2)1.41×10-17C (3)88【过关训练】
(多选)氢有三种同位素,分别是
则( )
A.它们的质子数相等 B.它们的核外电子数相等
C.它们的核子数相等 D.它们的中子数相等
【解析】选A、B。氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3,质子数和核外电子数相同,都为1,中子数等于核子数减去质子数,故中子数各不相同,所以A、B选项正确。【补偿训练】
1.(2015·莱芜高二检测)放射性元素钴 可以有效治疗癌症,该元素原子核内中子数与核外电子数之差是 ( )
A.6 B.27 C.33 D.60
【解析】选A。中子数为60-27=33个,核外电子数等于质子数等于原子序数27,所以中子数33与核外电子数27之差等于6,A正确。2.某种元素的原子核用 表示,下列说法中正确的是 ( )
A.原子核的质子数为Z,中子数为A
B.原子核的质子数为Z,中子数为A-Z
C.原子核的质子数为A,中子数为Z
D.原子核的质子数为A-Z,中子数为Z
【解析】选B。根据原子核的符号的含义:A表示质量数,Z表示质子数,则中子数为A-Z,所以B正确。【规律方法】原子核的“数”与“量”辨析技巧
(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。【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例示范】(多选) 的一种同位素,对于这两种镭的原子而言,下列说法正确的有 ( )
A.它们具有相同的质子数和不同的质量数
B.它们具有相同的中子数和不同的原子序数
C.它们具有相同的核电荷数和不同的中子数
D.它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质【正确解答】选A、C。原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的,原子核的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和,由此可知这两种镭是同位素,核内的质子数均为88,核子数分别为228和226,中子数分别为140和138,原子的化学性质由核外电子数决定,由于它们的核外电子数相同,故它们的化学性质也相同。故正确答案为A、C。19.2放射性元素的衰变
1.(多选)(2014·昆明高二检测)关于天然放射现象,下列说法中正确的是
( )
A.α粒子带正电,所以α射线一定是从原子核中射出的
B.β粒子带负电,所以β射线有可能是核外电子
C.γ粒子是光子,所以γ射线有可能是由原子发光产生的
D.α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
【解析】选A、D。α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核放出,A正确;β衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子,然后释放出电子,B错误;γ射线伴随α衰变和β衰变的产生而产生,C错误;三种射线都是从原子核内部释放出来的,D项正确。
2.(多选)关于放射性元素的半衰期说法正确的是 ( )
A.是原子核质量减少一半所需的时间
B.是原子核有半数发生衰变所需的时间
C.与外界压强和温度有关,与原子的化学状态无关
D.可以用于测定地质年代、生物年代等
【解析】选B、D。原子核的衰变是由原子核内部因素决定的,与一般外界环境无关,C错误。原子核的衰变有一定的速率,每隔一定的时间即半衰期,原子核就衰变了总数的一半,A错,B对。不同种类的原子核,其半衰期也不同。若开始时原子核数目为N0,经时间t剩下的原子核数目为N,半衰期为T,则有关系式:N=N0(。若能测定出N与N0的比值,就可求出时间t的值,依此公式就可测定地质年代、生物年代或考察出土文物存在年代等,D正确。
3.(多选)(2014·连云港高二检测)由原子核的衰变规律可知 ( )
A.放射性元素一次衰变就同时产生α射线和β射线
B.放射性元素发生β衰变,产生的新核的化学性质不变
C.放射性元素衰变的快慢跟它所处的物理、化学状态无关
D.放射性元素发生正电子衰变时,产生的新核质量数不变,核电荷数减少1
【解析】选C、D。放射性元素一次衰变只放射一种粒子,但同一物体包含原子数目较多,同一时间不同原子可能发生不同衰变,所以可以看到各种射线同时存在;放出粒子后,原子核变成了新核,所以化学性质改变,故A、B错误;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,C正确;发生正电子衰变时,根据质量数和电荷数守恒知,产生的新核质量数不变,核电荷数减少1,D正确。
4.某放射性元素经过11.4天有的原子核发生了衰变,该元素的半衰期为
( )
A.11.4天 B.7.6天
C.5.7天 D.3.8天
【解析】选D。根据(=,=3,因为t=11.4天,所以τ=天=3.8天,选项D正确。
5.(2013·南京高二检测)建材中的放射物质,衰变成放射性的氡气,会导致肺癌,其中建材中放射性元素中含有很多的是钋222(),它经过多少次β衰变能生成氡222 ( )
A.222次 B.136次 C.2次 D.86次
【解析】选C。钋222衰变成氡222质量数没有变,故仅发生了β衰变,次数为86-84=2次,故A、B、D错,C对。
6.下列表示放射性元素碘131I)β衰变的方程是 ( )
AISbHe BIXee
CIIn DITeH
【解析】选B。β衰变是原子核自发地释放一个β粒子(即电子)产生新核的过程,原子核衰变时质量数与电荷数都守恒,结合选项分析可知,选项B正确。
7.核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天,会释放β射线;铯137是铯133的同位素,半衰期约为30年,发生衰变时会辐射γ射线。下列说法正确的是( )
A.碘131释放的β射线由氦核组成
B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C.与铯137相比,碘131衰变更慢
D.铯133和铯137含有相同的质子数
【解析】选D。β射线由高速的电子流组成,A选项错;γ光子是能量非常高的光子,高于任何可见光的光子的能量,B选项错;半衰期长说明衰变的慢,C选项错;铯133和铯137是同位素,含有相同的质子数,中子数不同,D选项正确。
8.天然放射性元素Pu经过________次α衰变和______次β衰变,最后变成铅的同位素________。(填铅的三种同位素PbPbPb中的一种)
【解析】发生β衰变释放的是电子,核电荷数发生改变但质量数不会改变,发生α衰变释放α粒子,从而质量数发生改变,因而新、旧核的质量数之差一定是4的整数倍,所以最后变为铅的3种同位素只能是Pb,所以发生α衰变的次数是=8次,发生β衰变的次数94-2×8-82=-4,可知发生4次β衰变。
答案:8 4Pb
1.(2013·石家庄高二检测)用大写字母代表原子核。E经α衰变成为F,再经β衰变成为G,再经α衰变成为H。上述系列衰变可记为下式:EFGH
另一系列衰变如下:PQRS
已知P是F的同位素,则 ( )
A.Q是G的同位素,R是H的同位素
B.R是E的同位素,S是F的同位素
C.R是G的同位素,S是H的同位素
D.Q是E的同位素,R是F的同位素
【解析】选B。因为P是F的同位素,其电荷数设为Z,则衰变过程可记为Z+2EFGH
ZPQRS
显然E和R的电荷数均为Z+2,则E和R为同位素,Q和G的电荷数均为Z+1,则Q和G为同位素,S、P、F的电荷数都为Z,则S、P、F为同位素,故B正确,A、C、D错。
2.A、B两种放射性元素,原来都静止在同一匀强磁场中,磁场方向如图所示,其中一个放出α粒子,另一个放出β粒子,α与β粒子的运动方向跟磁场方向垂直,图中a、b、c、d分别表示α粒子、β粒子以及两个剩余核的运动轨迹,则 ( )
A.a为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹
B.b为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹
C.b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹
D.a为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹
【解题指南】解答本题应把握以下三点:
(1)原子核在释放α或β粒子的过程中系统的动量守恒。
(2)由左手定则和轨迹的内切和外切判断释放粒子的电性。
(3)根据洛伦兹力和牛顿第二定律以及动量守恒定律可知半径和粒子电量的关系。
【解析】选C。两个相切的圆表示在相切点处是静止的原子核发生了衰变,由于无外力作用,动量守恒,所以原子核发生衰变后,新核与放出的粒子速度方向相反,若它们带相同性质的电荷,则它们所受的洛伦兹力方向相反,则轨道应是外切圆,故左图应该是原子核发生了α衰变,又因为r=,半径大的应该是电荷量小的α粒子的运动轨迹,A、D错误;若它们所带电荷的性质不同,则它们的轨道应是内切圆。右图所示的轨迹说明是放出了与原子核电性相反的电荷,故应该是发生了β衰变,半径大的应该是电荷量小的电子的运动轨迹,故B错误,C正确。
3.约里奥·居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是什么?P是P的同位素,被广泛应用于生物示踪技术。1 mgP随时间衰变的关系如图所示,请估计4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?
【解析】由核反应过程中电荷数和质量数守恒,可写出核反应方程PSie,可知这种粒子是正电子。由图像可知P的半衰期为14天,4 mg的P衰变后还剩0.25 mg,由mt=m0(知=(解得t=56,所以为56天。
答案:正电子 56天
【总结提升】半衰期公式的灵活应用
(1)分析有关放射性元素的衰变数量和时间问题时,正确理解半衰期的概念,灵活运用有关公式进行分析和计算是关键。
(2)某种核经过一个半衰期后,剩余的核的数量从微观上讲是“个数变为原来的一半”。当然,这个规律是个统计规律,如果具体到有限的几个、几十个,甚至几百几千个,这个规律就不成立了,因为一摩尔物质所含的微粒数就是阿伏加德罗常数。几百几千个算不上大量。
(3)在分析计算时,应注意:经过一个半衰期,剩余的核的质量应该变为反应前的一半,即未衰变的核的质量变为原来的一半,不是反应后质量变为反应前的一半,因为笼统说反应后的质量还包括反应中生成的新核的质量。
4.(2014·珠江高二检测)天然放射性铀U)发生衰变后产生钍Th)和另一个原子核。
(1)请写出衰变方程;
(2)若衰变前铀U)核的速度为v,衰变产生的钍Th)核的速度为,且与铀核速度方向相同,求产生的另一种新核的速度。
【解析】(1UThHe。
(2)设另一新核的速度为v′,铀核质量为238m,由动量守恒定律得:238mv=234m+4mv′得:v′=v。
答案:(1)见解析 (2)v
5.如图所示,垂直于纸面向里的匀强磁场的磁感应强度B=0.500T,MN是磁场的左边界。在磁场中的A点有一静止镭核,A距MN的距离OA=1.00m。D为放置在MN边缘的粒子接收器,OD=1.00m。发生放射性衰变,放出某种粒子x后变为氡,接收器D接收到了沿垂直于MN方向射来的粒子x。
(1)写出上述过程中的衰变方程(衰变方程必须写出x的具体符号);
(2)求该镭核在衰变为氡核和x粒子时释放的能量。(保留三位有效数字,取mα=1.66×10-27kg,电子电荷量e=1.60×10-19C)
【解析】(1)
(2)根据题意可知,α粒子在磁场中所做圆周运动的半径R=1.00m,设α粒子的速度为v,带电量为q,
则有qvB=
p=qBR=1.60×10-19×2×0.500×1.00kg·m/s=1.6×10-19kg·m/s
α粒子的动能E1==7.71×10-12J
镭核衰变满足动量守恒,设氡核的质量为M,速度为v′,
有mαv-Mv′=0
氡核的动能E2=Mv′2=E1
镭核衰变时释放的能量
ΔE=E1+E2=(1+)E1≈7.85×10-12J。
答案:(1) (2)7.85×10-12J
19.2放射性元素的衰变
【小题达标练】
一、选择题
1.表示放射性元素碘131I)β衰变的方程是 ( )
AISbHe BIXee
CIIn DITeH
【解析】选B。碘I)的原子核内一个中子放出一个电子,变成一个质子,质量数没有发生变化,核电荷数增加1,所以生成54号元素Xe,放出一个电子。B选项正确。
2.某放射性元素经过11.4天有的原子核发生了衰变,该元素的半衰期
为 ( )
A.11.4天 B.7.6天 C.5.7天 D.3.8天
【解析】选D。根据=,=3,因为t=11.4天,所以τ=天=3.8天,选项D正确。
【互动探究】若将这种元素表示为X,X的氧化物表示为X2O,X2O与F能发生如下反应2X2O+2F24XF+O2,XF的半衰期为 ( )
A.11.4天 B.7.6天 C.5.7天 D.3.8天
【解析】选D。元素的半衰期与原子所处的状态及外部环境无关,由原子核内部的因素决定,所以它的半衰期仍然为3.8天,D项正确。
3.(2015·南京高二检测)放射性原子核发生一次α衰变后( )
A.核的电荷数少1,质量数少1
B.核的电荷数多1,质量数多1
C.核的电荷数少2,质量数少4
D.核的电荷数少2,质量数少2
【解析】选C。α粒子为氦原子核,放射性原子核发生一次α衰变后核的电荷数少2,质量数少4,故选C。
4.(多选)(2015·宿迁高二检测)某原子核的衰变过程,下列说法正确的
是 ( )
A.核C比核A的质子数少1
B.核C比核A的质量数少5
C.原子核为A的中性原子的电子数比原子核为B的中性原子的电子数多2
D.核C比核B的中子数少2
【解析】选A、D。由衰变方程可写出关系式可得A、D项正确。
5.(2015·昆明高二检测)核电站核泄露的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天,会释放β射线;铯137是铯133的同位素,半衰期约为30年,发生衰变时会辐射γ射线,下列说法正确的是 ( )
A.碘131释放的β射线由氦核组成
B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C.与铯137相比碘131衰变更快
D.铯133和铯137含有相同的中子数
【解析】选C。β射线是高速电子流,A项不正确。由于γ射线是电磁波,它的频率大于可见光的频率,故γ光子的能量大于可见光光子的能量,B项不正确。由于铯137的半衰期约为30年、碘131的半衰期约为8天,故与铯137相比,碘131衰变要快得多,C项正确。铯133和铯137是同位素,具有相同的质子数和不同的中子数,D项不正确。
6.(多选)日本福岛核电站泄漏事故中释放出大量的碘131,碘131是放射性同位素,衰变时会发出β射线与γ射线,碘131被人摄入后,会危害身体健康,由此引起了全世界的关注。下面关于核辐射的相关知识,说法正确的是 ( )
A.人类无法通过改变外部环境来改变碘131衰变的快慢
B.碘131的半衰期为8.3天,则4个碘原子核经16.6天后就一定剩下一个原子核
C.β射线与γ射线都是电磁波,但γ射线穿透本领比β射线强
D.碘131发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转化为质子时产生的
【解题指南】解答此题应弄清以下四点:
(1)放射性元素衰变的快慢由原子核本身决定,与外部环境无关。
(2)半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对于少数原子核无意义。
(3)γ射线的穿透能力比其他两种射线都强。
(4)β粒子是从原子核中放出的。
【解析】选A、D。衰变的快慢由放射性元素本身决定,与外部环境无关,A正确。半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对少数几个原子核无意义,B错误。β射线是高速电子流,γ射线是电磁波,故C错误。β衰变的实质是nH+e,D正确。
7.下列关于半衰期的说法中正确的是 ( )
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要的时间越短,衰变速度越快
B.放射性元素的样品不断衰变,随着剩下的未衰变的原子核的减少,元素的半衰期也变短
C.把放射性元素放在密封的容器中,可以减慢放射性元素衰变的速度
D.降低温度或增大压强,让放射性元素与其他物质形成化合物,均可以减小该元素的衰变速度
【解析】选A。放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需要的时间,它反映了放射性元素衰变的快慢,衰变越快,半衰期越短。某种元素的半衰期长短由其本身因素决定,与它所处的物理状态或化学状态无关。故只有A正确。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)受传统观念的影响,认为数量少了半衰期会变化,从而错选B。
(2)受日常生活影响,认为放在密闭的容器中半衰期会变化,从而错选C。
二、非选择题
8.U核经一系列的衰变后变为Pb核,问:
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变?
(2Pb和U相比,质子数和中子数各少了多少?
(3)综合写出这一衰变过程的方程。
【解析】(1)设U衰变为Pb经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒
可得238=206+4x ①
92=82+2x-y ②
联立①②解得x=8,y=6。即一共经过8次α衰变和6次β衰变。
(2)因为原子核的电荷数等于质子数,因此质子数减少92-82=10个。原子核的质量数为质子数与中子数的和,故中子数减少量为(238-92)-(206-82)=22个。
(3)此核反应方程为UPb+He+e。
答案:(1)8次 6次 (2)10 22
(3UPb+He+e
【总结提升】有关核反应方程问题的处理方法
(1)核反应过程一般都是不可逆的,所以核反应方程只能用箭头表示反应方向,不能用等号连接。
(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定律杜撰出生成物来写核反应方程。
(3)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒。
(4)在书写核反应方程时,应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上,然后根据核反应规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数,最后确定它们是哪种元素(或哪种粒子)。
9.(2015·巴彦淖尔高二检测)在匀强磁场中,一个原来静止的原子核,由于放出一个α粒子,结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图所示),今测得两个相切圆半径之比r1∶r2=1∶44,求:
(1)图中哪一个圆是α粒子的径迹?(说明理由)
(2)这个原子核原来所含的质子数是多少?
【解析】(1)因为动量相等,所以轨道半径与粒子的电荷量成反比,所以圆轨道2是α粒子的径迹,圆轨道1是新生核的径迹。
(2)设衰变后新生核的电荷量为q1,α粒子的电荷量为q2=2e,它们的质量分别为m1和m2,衰变后的速度分别是v1和v2,所以原来原子核的电荷量q=q1+q2。
根据轨道半径公式有==
又由于衰变过程中遵循动量守恒定律,则m1v1=m2v2
以上三式联立解得q=90e。
即这个原子核原来所含的质子数为90。
答案:(1)见解析 (2)90
【大题提升练】
1.(1)某一放射性元素放出的射线通过电场后分成三束,如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.射线1的电离作用在三种射线中最强
B.射线2贯穿本领最弱,用一张白纸就可以将它挡住
C.一个原子核放出一个射线3的粒子后,质子数和中子数都比原来少2个
D.一个原子核放出一个射线1的粒子后,形成的新核比原来的电荷数少1个
(2)(2015·武汉高二检测)在一个原子核衰变为一原子核的过程中,发生α衰变的次数为 次,发生β衰变的次数为 次。
【解析】(1)选C。根据三束射线的偏转方向,可以断定射线1带负电,是β射线;射线2不带电,是γ射线;射线3是α射线。α射线的电离作用最强,选项A错误。γ射线贯穿本领最强,用一张白纸可以挡住的是α射线,选项B错误。每发生一次α衰变,原子核里面的2个中子和2个质子结合成一个氦核而释放出来,选项C正确。每发生一次β衰变,原子核里面的一个中子变成一个质子,因此核电荷数增加1,选项D错误。
(2)一个原子核衰变为一个原子核的过程中,发生α衰变的次数为(238-206)÷4=8次,发生β衰变的次数为2×8-(92-82)=6次。
答案:(1)C (2)8 6
2.(1)(多选)原子核具有天然放射性,它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核。下列原子核中,有三种是衰变过程中可以产生的,它们
是 ( )
(2)一静止的核经α衰变成为Th核,释放出的总动能为4.27MeV。问此衰变后Th核的动能为多少MeV(保留1位有效数字)?
【解析】(1)选A、C、D。发生1次α衰变时核子的质量数减4,电荷数减2;发生1次β衰变时,质量数不变,电荷数加1。先从质量数的变化分析,易得A、C、D正确。
(2)据题意知,此α衰变的衰变方程为UThHe,
根据动量守恒定律得mαvα=mThvTh ①
式中,mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量,vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度,由题设条件知:mα+mTh=Ek ②
= ③
式中Ek=4.27MeV是α粒子与Th核的总动能。
由①②③式得mTh=Ek ④
代入数据得,衰变后Th核的动能mTh=0.07MeV
答案:(1)A、C、D (2)0.07MeV
课件30张PPT。2
放射性元素的衰变1.知道原子核的衰变。
2.会用半衰期描述衰变速度,知道半衰期的统计意义。
3.知道两种衰变的规律,能够熟练写出衰变方程。一、原子核的衰变
1.原子核衰变的定义:原子核放出_______粒子,由于_________
变了,它在元素周期表中的位置就变了,变成另一种_______。
我们把这种变化称为_____________。α或β核电荷数原子核原子核的衰变2.原子核衰变的种类:
(1)α衰变:放出_______的衰变叫做α衰变。
铀238核放出一个α粒子后,核的质量数______,核电荷数___
____,变成新核——钍234核。
衰变方程式: → _______+ α粒子减少4减少2(2)β衰变:放出_______的衰变叫做β衰变。钍234核也具有放
射性,它能放出一个β粒子而变成 (镤)。
衰变方程式
3.原子核衰变的规律:原子核衰变时_______和_______都守恒。β粒子电荷数质量数二、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.决定因素:放射性元素衰变的快慢是由___________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。不同的放
射性元素,半衰期_____。
3.应用:利用半衰期非常_____这一特点,可以测量其衰变程度,
推断时间。半数核内部自身不同稳定1.判一判:
(1)α和β射线是同时由一个原子核射出的。 ( )
(2)原子核发生衰变时质量数和电荷数都改变。 ( )
(3)原子核可以单纯地发生γ衰变。 ( )
(4)半衰期就是两个原子核中有一个发生了衰变时用的时间。
( )
(5)放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态以及温度、
压强等外部条件无关。 ( )提示:(1)×。任何元素只有一种放射性,所以α和β射线不能同时由一个原子核射出。
(2)×。原子核发生β衰变时,电荷数改变,但质量数却不变。
(3)×。γ射线是伴随着α或β衰变射出的,是原子核衰变过程中释放的能量,没有单纯的γ衰变。
(4)×。半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对单个的事件是不可测的。
(5)√。放射性元素衰变是原子核内部的变化,与原子所处的化学状态以及外部条件无关。2.想一想:
原子核发生β衰变时,新核的核电荷数如何变化?新核在元素周期表中的位置如何变化?
提示:原子核发生β衰变是从原子核中放出电子的现象,新核的核电荷数增加了1个,原子序数增加1,所以新核在元素周期表中的位置向后移了1位。主题一 原子核的衰变
【问题探究】
1.原子核辐射射线会发生什么变化?
提示:天然放射性元素的原子核辐射α或β射线,原子核的核电荷数就发生了变化,变成了另一种原子核,也就是原子核发生了衰变。2.原子核衰变时遵守什么规律?
提示:原子核的衰变符合质量数守恒和电荷数守恒。
3.发生α衰变时,原子核的电荷数和质量数发生了怎样的变化?
提示:α粒子的质量数是4,电荷数是2,所以发生α衰变的原子核的质量数减少4,电荷数减少2,新核在元素周期表中的位置向前提了两位,核反应方程为:4.发生β衰变的原子核的电荷数和质量数发生了怎样的变化?β衰变时的核电荷数为什么会增加?释放的电子是从哪里来的?
提示:β粒子的质量数是0,电荷数是-1,所以发生β衰变的原子核质量数不变,电荷数增加1,新核在元素周期表中的位置向后退一位,核反应方程式为:原子核内虽然没有电子,但核内的质子和中子是可以相互转化的,当核内的中子转化为质子时,同时要产生一个电子并从核内释放出来,就形成了β衰变,从而新核少了一个中子,但增加了一个质子,核电荷数增加,并辐射出来一个电子。5.原子核发生衰变的实质是什么?
提示:α衰变的实质是原子核内的2个质子和2个中子结合成一个α粒子放射出来,β衰变的实质是原子核内的中子转化为一个质子和一个电子放射出来。可见,放射出的α粒子和β粒子是原子核内的质子或中子转化而成的。【探究总结】
1.书写核反应方程应注意的问题:
(1)单向性:衰变过程是不可逆的,所以核衰变方程只能用箭头,不能用等号。
(2)实验性:核衰变的生成物一定要以实验为基础,不能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。
(3)衰变方程遵循质量数守恒,不是质量守恒。2.确定衰变次数的方法:
(1)题境:设放射性元素 经过n次α衰变和m次β衰变后,变成
稳定的新元素 。
(2)反应方程:
(3)根据电荷数和质量数守恒列方程
A=A′+4n
Z=Z′+2n-m
两式联立解得: 【即时训练】
1.(多选)(2014·揭阳高二检测)元素X是放射性元素Y的同位素,X与Y分别进行了这样的衰变过程:
则下列叙述中,正确的是 ( )
A.Q和S是同位素
B.X和R的原子序数相同
C.X和R的质量数相同
D.R的质子数多于上述任一元素的质子数【解析】选A、D。X和Y是同位素,Q和S是它们发生了一次α衰变和一次β衰变的产物,它们的质子数相同,故为同位素,A项正确;R是Y发生一次β衰变的产物,它的原子序数比Y多1,质量数与Y相同,D正确;X与Y的原子序数相同,质量数不同,故X与R原子序数不同,质量数也不同,B、C错误。2.(2013·昆明高二检测) 核经一系列的衰变后变为
核,问:
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变?
(2) 相比,质子数和中子数各少多少?
(3)综合写出这一衰变过程的方程。【解题探究】(1)衰变过程中_______守恒和_______守恒。
(2)根据每发生一次α衰变原子核的质子数和中子数均______,
每发生一次β衰变原子核的中子数______,质子数______。质量数电荷数减少2减少1增加1【解析】(1)设 衰变为 经过x次α衰变和y次β衰变。由质量数守恒和电荷数守恒可得
238=206+4x①
92=82+2x-y②
联立①②解得x=8,y=6,即一共经过8次α衰变和6次β衰变。(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2,每发生一
次β衰变中子数减少1,而质子数增加1,故 较 质子数
少10,中子数少22。
(3)核反应方程为
答案:(1)8 6 (2)10 22 (3)见解析主题二 探究半衰期
【问题探究】
1.对半衰期的理解:半衰期的含义是什么?它是怎么得到的?
提示:半衰期是一个时间,是某种放射性元素的大量的原子核有半数发生衰变所需要时间的统计规律。
2.对于某个或特定的几个原子核什么时候发生衰变能否根据半衰期算出?
提示:某个或几个特定的原子核的衰变时间是不能预测的。3.半衰期的应用:半衰期的公式及意义是什么?如何根据半衰期
推算放射性元素的剩余质量或根据剩余质量推算衰变的时间?
提示:剩余的放射性元素的原子核的个数可用公式表示为:Nt=
N0表示开始时的放射性元素的原子核的个数,此式也可
以演变成放射性元素的剩余质量 式中m0表示开始
时的放射性物质的质量。而 即由自然对数可
根据剩余质量推算衰变的时间。4.什么因素能影响放射性元素的半衰期?能否通过增大压强或提高温度的方法加快某种放射性元素衰变的速度?
提示:(1)放射性元素衰变的快慢由原子核内部因素决定。跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。
(2)不能通过增大压强或提高温度的方法加快某种放射性元素的衰变速度,也不能通过物理或化学的方法减缓放射性元素的衰变速度。【探究总结】
对半衰期的理解
(1)半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素具有的衰变速率一定,不同元素半衰期不同,有的差别很大。
(2)半衰期的适用条件: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,但可以确定各个时刻发生衰变的概率,即某时刻衰变的可能性,因此,半衰期只适用于大量的原子核。【即时训练】
1.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【解题探究】(1)放射性元素的半衰期反映了放射性元素衰变
速度的_____。
(2)放射性元素的半衰期是由核内部_____的因素决定的。
(3)半衰期与温度和压力等外部条件_____。快慢自身无关【解析】选A。放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核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,故A正确;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,B、C、D错误。2.(2014·重庆高考)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 ( )
【解析】选C。由原子核的衰变公式m余=m( )n,其中n=
=4,为衰变的次数,解得m余= 故选C。课件43张PPT。2
放射性元素的衰变一、原子核的衰变
1.定义:原子核放出_______或_______,变成另一种原子核的过程。
2.衰变类型:
(1)α衰变:放射性元素放出α粒子的衰变过程。放出一个α粒子
后,核的质量数______,电荷数______,成为新核。
(2)β衰变:放射性元素放出β粒子的衰变过程。放出一个β粒子
后,核的质量数_____,电荷数______。α粒子β粒子减少4减少2不变增加13.衰变规律:原子核衰变时_______和_______都守恒。
4.衰变的实质:
(1)α衰变的实质:2个_____和2个_____结合在一起形成α粒子。
(2)β衰变的实质:核内的_____转化为了一个_____和一个_____。
(3)γ射线经常是伴随α衰变和β衰变产生的。电荷数质量数中子质子中子质子电子【判一判】
(1)原子核在衰变时,它在元素周期表中的位置不变。 ( )
(2)发生β衰变是原子核中的电子发射到核外。 ( )
(3)γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。 ( )提示:(1)×。原子核在衰变时,由于核电荷数变了,所以它在元素周期表中的位置就变了。
(2)×。原子核内没有电子,发生β衰变是中子转变成一个质子和一个电子,电子被发射到核外就是β粒子。
(3)√。原子核在发生α衰变、β衰变时,蕴藏在核内的能量以γ光子的形式释放出来形成γ射线,所以γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。二、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_________。半数不同核内部自身的因素没有关系3.适用条件:半衰期描述的是_________,不适用于单个原子核的
衰变。
4.半衰期的应用:利用半衰期非常稳定这一特点,可以通过测量其
衰变程度来推断_____。统计规律时间【判一判】
(1)半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间,经过两个半衰期原子核就全部发生衰变。 ( )
(2)根据半衰期的计算,我们可以知道一个特定的原子核何时发生衰变。 ( )
(3)半衰期与原子所处的化学状态和外部条件都无关。 ( )提示:(1)×。半衰期是原子核有半数发生衰变需要的时间,经过两个半衰期原子核还剩四分之一。
(2)×。半衰期描述的是大量原子核衰变的统计规律,不适用于单个原子核的衰变,我们不能知道一个特定的原子核何时发生衰变。
(3)√。半衰期由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都无关。一、原子核的衰变规律与衰变方程
思考探究:
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?
(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:(1)当原子核发生α衰变时,原子核的质子数减小2,中子数减小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抛射出来。
(2)β粒子为 ,发生β衰变时核电荷数增加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。【归纳总结】
1.定义:原子核放出α粒子或β粒子转变为新核的变化叫作原子核的衰变。
2.衰变种类:
(1)α衰变:放出α粒子的衰变,如
(2)β衰变:放出β粒子的衰变,如
3.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。4.衰变实质:
α衰变:原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子,并在一定
条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来,产生α衰变。
β衰变:原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内,同时放出一个电子,即β粒子放射出来。5.衰变方程通式:
(1)α衰变：
(2)β衰变：6.确定原子核衰变次数的方法与技巧:
(1)方法:设放射性元素 经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定
的新元素 ,则衰变方程为:
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程:
A=A′+4n,Z=Z′+2n-m。
以上两式联立解得:
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。【特别提醒】
(1)衰变方程的书写方面:衰变方程用“→”表示,而不用“=”表示。
(2)衰变方程表示的变化方面:衰变方程表示的是原子核的变化,而不是原子的变化。【典例示范】钍232( )经过 次α衰变和 次β衰
变,最后成为铅208( )。【解题探究】
(1)两种衰变的质量数变化有什么规律?怎样判断α衰变的次数?
提示:β衰变质量数不变,每发生一次α衰变,质量数减少4;用两种原子核的质量数之差除以4就是α衰变的次数。
(2)两种衰变的电荷数怎样变化?
提示:每发生一次α衰变电荷数减少2,每发生一次β衰变电荷数增加1。【正确解答】因为α衰变改变原子核的质量数而β衰变不能,所以应先从判断α衰变次数入手:
α衰变次数=
每经过1次α衰变,原子核电荷数减少2,那么,钍核经过6次α衰变后剩余的电荷数与铅核实际的电荷数之差,决定了β衰变次数:
β衰变次数=
答案:6 4【过关训练】
1.(2015·北京高考)下列核反应方程中,属于α衰变的是( )
【解析】选B。选项A是人工核反应,选项B是α衰变,选项C是核聚变,选项D是β衰变,选项B正确。2.(2015·福州高二检测)放射性元素所放出的β粒子是 ( )
A.原子核外的最外层电子
B.原子核外电子跃迁时所发射的光子
C.原子核内的中子转变为质子时放出的电子
D.原子核内的质子转变为中子放出的电子
【解析】选C。β衰变的实质是中子转变为质子同时放出一个电子,C项正确。【补偿训练】
1.(2015·苏州高二检测)某放射性元素的原子核内有N个核子,其
中有n个质子,该原子核发生2次α衰变和1次β衰变,变成1个新核,
则 ( )
A.衰变前原子核有(N-n)个中子
B.衰变后新核有(n-4)个质子
C.衰变后新核的核子数为(N-3)
D.衰变后新核的中子数为(N-n-3)【解析】选A。核子数等于质子数加中子数,所以衰变前原子核有中子数(N-n)个,A项正确;衰变后新核有n-(2×2-1)=(n-3)个质子,B项错;衰变后新核的核子数为N-2×4=N-8;衰变后新核的中子数为(N-n-5),D项错。2.(2015·武汉高二检测) 经过m次α衰变和n次β衰变,变成
则 ( )
A.m=7,n=3 B.m=7,n=4
C.m=14,n=9 D.m=14,n=18
【解析】选B。衰变方程为 由质量数守恒知235=207+4m,解得m=7,由电荷数守恒知92=82+2m-n,解得n=4,故选项B正确。【规律方法】衰变次数的判断技巧
(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。二、半衰期
思考探究:
如图所示为氡衰变剩余质量与原有质量比值
示意图。
氡的衰变,纵坐标表示的是任意时刻氡的质量
m与t=0时的质量m0的比值。
(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量变为原来的多少倍?
(2)从图上可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少?提示:(1)每经过一个半衰期,氡原子核的质量变为原来的二分之一。
(2)从图上可以看出,经过两个半衰期未衰变的原子核还有四分之一。【归纳总结】
1.意义:表示放射性元素衰变的快慢。
2.半衰期公式:N余=
式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量,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,τ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。
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。【特别提醒】
(1)半衰期由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都无关。
(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,对于个别少数原子核不适用。【典例示范】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。
(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后,会形成不稳定
的 ,它很容易发生衰变,放出β射线变成一个新核,其半衰期为5730年,试写出14C的衰变方程。
(2)若测得一古生物遗骸中的 含量只有活体中的25%,则此遗骸距今约有多少年?【解题探究】
(1)如何写出14C的衰变方程?
提示:根据质量守恒和电荷数守恒写出。
(2)怎样确定古生物的年代?
提示:由古生物14C的含量与活体14C的含量对比可确定其半衰期数,即可计算出古生物的年代。【正确解答】(1) 的β衰变方程为：
(2) 的半衰期τ=5 730年。
生物死亡后，遗骸中的 按其半衰期变化，设活体中 的含量
为N0,遗骸中的 含量为N,则N=
即0.25N0= 故 =2,t=11 460年。
答案：(1) (2)11 460年【过关训练】
1.(拓展延伸)【典例示范】中再过5 730年,这一古生物遗骸中的
含量是活体中的多少倍?
【解析】遗骸再过5 730年,所经过的时间为t=11 460+5 730=
17 190年。古生物中 的含量由m余=
代入数据得 =0.125
答案:0.1252.(多选)(2015·山东高考)14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5700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的比例持续减少。现通过测量得知,某古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是( )
A.该古木的年代距今约5700年
B.12C、13C、14C具有相同的中子数
C.14C衰变为14N的过程中放出β射线
D.增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变【解析】选A、C。剩余的碳14占 ,表明经过了一个半衰期,A正确;碳14、13、12的质子数相同,质量数不同,中子数不同,B错误;碳14变为氮14,质量数未变,放出的是电子流,即β射线,C正确;半衰期不受外界环境影响,D错误。【补偿训练】一块含铀的矿石质量为M,其中铀元素的质量为m,铀发生一系列衰变,最终生成物为铅。已知铀的半衰期为T,那么下列说法中正确的是 ( )
A.经过2个半衰期后,这块矿石中基本不再含有铀
B.经过2个半衰期后,原来所含的铀元素的原子核有 发生了衰变
C.经过3个半衰期后,其中铀元素的质量还剩
D.经过1个半衰期后该矿石的质量剩下【解析】选C。经过2个半衰期后矿石中剩余的铀应该有 ,故选项A、
B错误;经过3个半衰期后矿石中剩余的铀还有 ,故选项C正确;因为
衰变产物大部分仍然留在该矿石中,所以矿石质量没有太大的改变,
选项D错误。【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例示范】现在很多心血管专科医院引进了一种被称为“心肌灌注
显像”的检测技术,方法是将若干毫升含放射性元素锝的注射液注入
被检测者的动脉,经过40分钟后,这些含放射性物质的注射液通过血液
循环均匀地分布在血液中,这时对被检测者的心脏进行造影。心脏血
管正常的位置由于有放射性物质随血液到达而显示出有射线射出;心
脏血管被堵塞的部分由于无放射性物质到达,将无射线射出。医生根
据显像情况就可以判定被检测者心血管有无病变,并判断病变位置。你认为检测用放射性元素锝的半衰期应该最接近下列数据中
的 ( )
A.6秒 B.6小时 C.6个月 D.6年【正确解答】选B。如果半衰期太短,一是在明显的放射期内放射性物质的注射液尚未均匀地分布在血液中而无法完成检测工作,二是因放射强度较大而对人体造成伤害。如果半衰期太长,放射性物质长期残留在人体内也会对人体造成伤害。对比四个选项中的时间,应以6小时为宜,故正确选项应为B。19.3-19.4探测射线的方法 放射性的应用与防护
1.关于放射性同位素,下列说法正确的是 ( )
A.每一种放射性同位素都有一定的半衰期
B.每一种元素都有放射性同位素
C.放射性同位素都是天然形成的,不能用人工方法得到
D.每种元素的放射性同位素只有一种
【解析】选A。每种放射性同位素都要发生衰变,所以都有半衰期;不是所有的元素都有放射性同位素;通过人工方法也能得到放射性同位素,如磷30;既然是同位素,肯定至少有两种。综上所述,只有A正确。
2.(多选)关于国际通用的放射性标志,下列说法正确的是 ( )
A.国际通用的放射性标志是毒性标志的骷髅
B.国际通用的放射性标志是以黄色的圆形为背景的黑色的圆形中心和三个黑色叶瓣的图形
C.有此项标志的地方是有放射性危险的地方
D.没有特别的极其特殊的需要要远离有国际通用的放射性标志的地方
【解析】选B、C、D。国际通用的放射性标志是以黄色的圆形为背景的黑色的圆形中心和三个黑色叶瓣的图形,A错,B正确;因为放射性的危险性和放射性的穿透性,所以要远离有放射性的地方,C、D正确。
3.(多选)对放射性的应用,下列说法正确的是 ( )
A.放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂,对人体的正常细胞不会有伤害作用
B.对放射性的废料,要装入特制的容器并埋入深地层进行处理
C.γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制的容器里,而不能随意放置
D.对可能有放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的
【解析】选B、C、D。放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂,但也会对人体的正常细胞有伤害,选项A错;正因为放射线具有伤害作用,选项B、C、D均是正确的。
4.(2013·长宁区高二检测)最近医学界通过用放射性14C标记的C60,发现一种C60的羧酸衍生物在特定条件下可通过断裂DNA杀死细胞,从而抑制艾滋病(AIDS),则14C的用途是 ( )
A.示踪原子 B.电离作用
C.催化作用 D.贯穿作用
【解析】选A。利用了放射性同位素14C的示踪作用研究C60的行踪,故A正确。
5.(多选)用α粒子轰击铍核Be),生成一个碳核C)和一个粒子,则该粒子
( )
A.带正电,能在磁场中发生偏转
B.在任意方向的磁场中都不会发生偏转
C.电离本领特别强,是原子核的组成部分之一
D.卢瑟福预言,查德威克发现
【解析】选B、D。核反应方程为HeBeCn,这种粒子是中子,故B、D正确。
6.(多选)(2013·济宁高二检测)下列关于放射线的说法中正确的是 ( )
A.放射线可以用来进行工业探伤
B.放射线可以使细胞发生变异
C.放射性同位素可以用来作示踪原子
D.放射线对人体无害
【解析】选A、B、C。根据放射线的特征可知放射性同位素可以通过其放射线进行工业探伤,使生物细胞发生变异,可作为示踪原子,大量射线对人体有很大的伤害,故A、B、C正确,D错误。
7.(多选)用盖革—米勒计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次,若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间,计数器几乎测不到射线。10天后再次测量,测得该放射源的放射强度为每分钟101次,则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是 ( )
A.放射源射出的是α射线
B.放射源射出的是β射线
C.这种放射性元素的半衰期是5天
D.这种放射性元素的半衰期是2.5天
【解析】选A、C。α粒子贯穿能力很弱,一张纸就可挡住,放上纸板后,计数器几乎测不到射线,说明是α射线,故A对,B错;衰变次数与原子核总数成正比,10天后衰变次数为原来的,说明原子核总数约为原来的,10天为2个半衰期,即T=5天,故C对,D错。
8.(多选)(2013·海口高二检测)放射性同位素,被用来作示踪原子,主要是因为
( )
A.放射性同位素不改变其化学性质
B.放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C.半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D.放射性同位素容易制造
【解析】选A、B、C。放射性同位素用于作示踪原子,主要是用放射性同位素替代没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程,既要利用化学性质相同,也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响,同时还要考虑放射性废料容易处理等,因此,选项A、B、C正确,D不正确。
9.(多选)(2014·石家庄高二检测)三个原子核X、Y、Z,X核放出一个正电子后变成Y核,Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个氦He),则下面说法正确的是 ( )
A.X核比Z核多一个质子
B.X核比Z核少一个中子
C.X核的质量数比Z核质量数大3
D.X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍
【解析】选C、D。设原子核X的质量数为x,电荷数为y,依题意写出核反应方程,根据质量数守恒和电荷数守恒,可得原子核Y的质量数为x,电荷数为y-1,原子核Z的质量数为x-3,电荷数为y-2。由此可得X核的质子(y)比Z核的质子(y-2)多2个,A错;由此可得X核的中子(x-y)比Z核的中子(x-y-1)多1个,B错;X核的质量数(x)比Z核的质量数(x-3)多3个,C对;X核与Z核的总电荷(2y-2)是Y核电荷(y-1)的2倍,D对。
1.(2014·上海高考)核反应方程BeHe→ +X中的X表示 ( )
A.质子 B.电子 C.光子 D.中子
【解析】选D。根据质量数守恒可知X的质量数为1;根据电荷数守恒可知X的电荷数为0,所以X表示中子。
2.(2013·平顶山高二检测)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。下表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
元素
射线
半衰期
钋210
α
138天
锶90
β
28年
氡222
β
3.8天
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】选C。γ射线穿过薄膜时强度几乎不变,而α射线则几乎不能穿过薄膜,只有β射线穿过薄膜时强度会因薄膜厚度不同而发生明显变化。考虑到生产工序的稳定性,放射源应在相对较长的一段时间内保持稳定,故C正确。
3.在茫茫宇宙间存在大量的宇宙射线,对宇航员构成了很大威胁,现有一束射线(含有α、β、γ三种射线)。
(1)在不影响β和γ射线的情况下,如何用最简单的办法除去α射线。
(2)余下这束β和γ射线经过一个使它们分开的磁场区域,画出β和γ射线在进入如图所示磁场区域后轨迹的示意图。
【解题指南】解答本题应把握以下两点:
(1)α、β、γ射线穿透力不同。
(2)α、β、γ射线电性不同,在磁场中偏转方向不同。
【解析】(1)可以利用三种射线的穿透能力不同来解决。由于α粒子的穿透性很弱,所以用一张纸放在射线经过处,即可除去α射线。
(2)γ射线不带电,垂直磁场进入磁场中不会受到洛伦兹力,故不偏转。由左手定则可判断出β射线进入磁场中时受向上的洛伦兹力。轨迹示意图如图所示。
答案:见解析
4.完成下列核反应方程:
(1HhPa+________?
(2BHeN+________?
(3Aln________?H
(4ee________?
(5H________?e
【解析】根据核反应方程满足质量数守恒和电荷数守恒,可以确定生成的新粒子分别为enMg、2γn。
答案:(1e (2n (3Mg (4)2γ (5n
【总结提升】核反应方程书写的三大原则
核反应既包括衰变、人工转变,也包括重核的裂变和轻核的聚变,种类繁多,易在书写中出现错误,要避免这些错误就要掌握好核反应方程书写的三大原则。
(1)核反应方程一般不可逆,所以核反应方程都用单向箭头表示反应方向,而不能用等号连接。
(2)核反应方程遵循电荷数守恒和质量数守恒(而非质量守恒)。
(3)核反应能否发生要以事实为依据,其生成物不能根据两个守恒任意编造。
5.(2014·忻州高二检测)历史上第一次利用加速器实现的核反应,是用加速后的质子H轰击静止的X,生成两个He。上述核反应方程中的X核的质子数为________,中子数为______________。
【解析】据核反应前后质量数和电荷数守恒得:A=8-1=7,Z=4-1=3,而中子数等于质量数减去电荷数:n=A-Z=7-3=4。
答案:3 4
19.3-19.4探测射线的方法 放射性的应用与防护
【小题达标练】
一、选择题
1.用α粒子照射充氮的云室,得到如图所示的照片,下列说法中正确的是 ( )
A.A是α粒子的径迹,B是质子的径迹,C是新核的径迹
B.B是α粒子的径迹,A是质子的径迹,C是新核的径迹
C.C是α粒子的径迹,A是质子的径迹,B是新核的径迹
D.B是α粒子的径迹,C是质子的径迹,A是新核的径迹
【解析】选D。α粒子轰击氮核产生一个新核并放出质子,入射的是α粒子,所以B是α粒子的径迹,产生的新核质量大电离作用强,所以径迹粗而短,故A是新核径迹,质子电离作用弱一些,贯穿作用强,所以细而长的径迹是质子的径迹,所以正确选项为D。
2.(2015·广州高二检测)以下几个核反应方程,粒子X代表中子的方程
是 ( )
【解析】选B。由核反应过程中质量数和电荷数守恒可以判断出选项B正确。
【互动探究】这个题D项中的X代表什么粒子?
【解析】由核反应方程中质量数守恒和电荷数守恒可以得出D项中的X代表电子。
答案:电子
3.(多选)放射性同位素钴60能放出较强的γ射线,其强度容易控制,这使得γ射线得到广泛应用。下列选项中,属于γ射线的应用的是 ( )
A.医学上制成γ刀,无需开颅即可治疗脑肿瘤
B.机器运转时常产生很多静电,用γ射线照射机器可将电荷导入大地
C.铝加工厂将接收到的γ射线信号输入计算机,可对薄铝板的厚度进行自动控制
D.用γ射线照射草莓、荔枝等水果,可延长保存期
【解析】选A、D。γ射线的电离作用很弱,不能使空气电离成为导体,B错误;γ射线的穿透能力很强,薄铝板的厚度变化时,接收到的信号强度变化很小,不能控制铝板厚度,C错误;γ射线能量很大,可以杀菌,延长水果的保存期,对肿瘤细胞有很强的杀伤作用,故A、D正确。
【补偿训练】下列说法正确的是 ( )
A.用α粒子轰击铍核Be,铍核变为碳核C,同时放出β射线
B.β射线是由原子核外电子受到激发而产生的
C.γ射线是波长很短的电磁波,它的贯穿能力很强
D.利用γ射线的电离作用,可消除机器运转时产生的静电
【解析】选C。根据电荷数和质量数守恒知,用α粒子轰击铍核Be时,产生中子,A错误;β射线是原子核内放出的,B错误;γ射线是波长很短的电磁波,它的贯穿能力很强,但电离能力很弱,无法利用其电离作用消除静电,C正确、D错误。
4.(多选)(2015·东城区高二检测)关于放射性同位素,以下说法正确的
是 ( )
A.放射性同位素与放射性元素一样,都具有一定的半衰期,衰变规律一样
B.放射性同位素衰变可生成另一种新元素
C.放射性同位素只能是天然衰变时产生的,不能用人工方法制得
D.以上说法均不对
【解析】选A、B。放射性同位素也具有放射性,半衰期也不受物理和化学因素的影响,衰变后形成新的原子核,选项A、B正确。大部分放射性同位素都是人工转变后获得的,选项C、D错误。
5.用中子轰击铝27,产生钠24和X粒子,钠24具有放射性,它衰变后生成镁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
【解析】选C。根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可知X粒子的电荷数为2,质量数为4,所以X为α粒子,钠24衰变后生成镁24,质量数不变,所以只能是β衰变,故只有C正确。
6.用高能Kr(氪)离子轰击Pb(铅),释放出一个中子后,生成了一个新核,关于新核的推断正确的是 ( )
A.其质子数为122 B.其质量数为294
C.其原子序数为118 D.其中子数为90
【解题指南】解答本题应首先确定这是一个人工核反应,根据电荷数、质量数守恒写出核反应方程,然后根据原子核的组成确定质量数、质子数、中子数等。
【解析】选C。核反应方程为PbKrnX,新核质量数为293,质子数为118,中子数为293-118=175。故正确选项为C。
7.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。下表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】选C。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半衰期太小,铀238半衰期太长,所以只有锶90较合适。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)忽略了α射线的穿透能力,又认为半衰期比较合适,从而错选A。
(2)在穿透能力上选对了β射线,但没有注意到3.8天的半衰期对于工业生产时间太短了,从而错选B。
二、非选择题
8.在中子、质子、电子、正电子、α粒子中选出一个适当的粒子,分别填在下列核反应式的横线上。
(1UTh+ ;
(2BeHeC+ ;
(3ThPa+ ;
(4PSi+ ;
(5U+ ?SrXe+1n;
(6NHeO+ 。
【解析】在核反应过程中,遵循反应前后电荷数守恒、质量数守恒规律。对参与反应的所有基本粒子采用左下角(电荷数)配平,左上角(质量数)配平。未知粒子可根据其电荷数和质量数确定。如(1)电荷数为92-90=2,质量数为238-234=4,由此可知为α粒子He),同理确定其他粒子分别为:中子n),电子e),正电子e),中子n),质子H)。
答案:(1He (2n (3e (4e (5n (6H
【补偿训练】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。
(1NnC+ ?
(2NHeO+ ?
(3Bn ?He
(4BeHe ?n
(5FeHCo+ ?
【解析】(1NnCH
(2NHeOH
(3BnLiHe
(4BeHeCn
(5FeHCon
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)。
答案:见解析
9.(2015·南京高二检测)如图所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。
(1)请简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的是厚度为2mm的铝板,在α、β和γ三种射线中,哪一种对铝板的厚度控制起主要作用?为什么?
【解析】(1)放射线具有穿透本领,如果向前移动的铝板的厚度有变化,则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化,将这种变化转变为电信号输入到相应的装置,使之自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,达到自动控制铝板厚度的目的。
(2)β射线起主要作用,因为α射线的贯穿本领很小,穿不过2毫米的铝板;γ射线的贯穿本领很强,能穿过几厘米的铅板,2毫米左右的铝板厚度发生变化时,透过铝板的γ射线强度几乎不发生变化;β射线的贯穿本领较强,能穿过几毫米厚的铝板,当铝板厚度发生变化时,透过铝板的β射线强度变化较大,探测器可明显地反映出这种变化,使自动化系统做出相应的反应。
答案:见解析
【总结提升】放射性技术的应用问题
(1)弄清各种射线的特性,确定应用射线的哪种特性,如穿透本领、电离本领等。
(2)对于半衰期不同的放射性元素,要根据实际需要来确定半衰期的长短,半衰期太长或太短都不适用。
【大题提升练】
1.(1)如图甲是α、β、γ三种射线穿透能力的示意图,图乙是工业上利用射线的穿透性来检查金属内部的伤痕的示意图,请问图乙中的检查是利用了哪种射线 ( )
A.α射线 B.β射线 C.γ射线 D.三种射线都可以
(2)中国科学院上海原子核研究所制得一种新的铂元素的同位素铂,制取过程如下:
①用质子轰击铍Be产生快中子;②用快中子轰击汞,反应过程有两种可能:a.生成铂,并放出α粒子;b.生成铂,同时放出质子、中子;③生成的铂发生两次衰变,变成稳定的原子核汞,写出上述所有的核反应方程。
【解析】(1)选C。由题图甲可知,γ射线的穿透性最强,且能穿透钢板,其他两种射线不能穿透钢板,故选C。
(2)根据质量数守恒、电荷数守恒,确定新生原子核的电荷数和质量数,然后写出核反应方程,如下:
BeHBn
②a. n→He
b.n→+Hn
③→, →
答案:(1)C (2)见解析
2.(1)(多选)关于放射性的应用与防护,下列说法正确的是( )
A.通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素
B.在人工核反应过程中,质量守恒
C.利用示踪原子可以研究生物大分子的结构
D.人类一直生活在放射性的环境中
E.射线对人体没有破坏作用
(2)硼10俘获一个α粒子后生成氮13放出x粒子,而氮13是不稳定的,它放出y粒子而变成碳13,那么x粒子是 y粒子是 。
【解析】(1)选A、C、D。通过原子核的人工转变可以发现和制造新元素,A项正确;在人工核反应过程中,质量数守恒,B项错;利用示踪原子可以研究生物大分子的结构,C项正确;人类一直生活在放射性的环境中,地球上的每个角落都有射线,D项正确;只有在安全剂量之内的射线才对人体没有破坏作用,E项错。
(2)这两核反应方程分别是即x和y粒子分别是中子和正电子。
答案:(1)A、C、D (2)中子 正电子
【补偿训练】(多选)有关放射性同位素P的下列说法,正确的是 ( )
AP与X互为同位素
BP与其同位素有相同的化学性质
C.用P制成化合物后它的半衰期变长
D.含有P的磷肥释放正电子,可用作示踪原子,观察磷肥对植物的影响
【解析】选B、D。同位素应具有相同的质子数,故A错;同位素具有相同的化学性质,B对;元素的半衰期与其所处的状态无关,C错;放射性同位素可作为示踪原子,故D对。
课件45张PPT。3 探测射线的方法
4 放射性的应用与防护1.知道射线的粒子使气体或者液体电离、使照相底片感光、使荧光物质产生荧光。
2.了解云室、气泡室和计数器的简单构造和基本原理。
3.知道什么是放射性同位素和人工放射性同位素。
4.知道核反应及其遵循的规律。
5.了解放射性在生产和科学领域的应用,知道射线的危害及防护。一、探测射线的方法
1.探测射线的原理:利用射线粒子与其他物质作用时产生的一
些现象来探知放射线的存在。
(1)射线粒子使气体或液体_____;
(2)使照相乳胶_____;
(3)使荧光物质产生_____。电离感光荧光2.探测射线的仪器和方法:
(1)威耳逊云室: ①构造:主要部分是一个___________,底部可上下_____,相当
于活塞,上盖是透明的,可以通过它观察粒子的运动径迹,并可
拍照。
②原理:粒子在云室内从过饱和酒精蒸气中飞过,使沿途的气体
分子_____,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴
而显示出射线的径迹。圆筒状容器移动电离③直而粗 弯曲 电离 (2)气泡室:
①构造:气泡室由一密闭容器组成,容器中盛有_________,如液
态氢,控制气泡室内液体的温度和压强略低于液体的沸点。
②原理:粒子通过_____的液体时,在它的周围产生_____形成粒
子的径迹。工作液体过热气泡(3)盖革—米勒计数器:
①构造:主要部分是_________________,如图,它的外面是玻璃
管,里面有一个接在电源负极的导电圆筒(或在玻璃管内壁镀导
电膜代替),筒的中间有一条接正极的金属丝。玻璃管内装有低
压_____气体和少量的酒精蒸气或溴蒸气,管内压强约为10～
20 kPa。金属丝和圆筒间的电压约为100 V,略低于管内气体
_____的电压。盖革—米勒计数管惰性电离②原理:当射线粒子进入管内时,它使管内的气体_____,产生的
电子在电场中加速。电子跟管中的气体分子碰撞时,又使气体
分子电离,产生电子……这样,一个粒子进入管中可以产生大量
电子。这些电子到达_____,正离子到达阴极,在电路中产生了
一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来。电离阳极③优缺点。
优点:G -M计数器非常_____,使用方便。
缺点:只能用来_____,不能区分_____的种类。如果同时有_____
粒子,或两个粒子射来的时间:间隔小于____μs,盖革—米勒计
数器也不能区分它们。灵敏计数射线大量200二、放射性的应用与防护
1.核反应:
(1)定义:_______在其他粒子的_____下产生_________的过程,
称为_______。
(2)特点:在核反应中,_______守恒、_______守恒。
(3)人工转变核反应方程:______________________;
_______________________。原子核轰击新原子核核反应质量数电荷数2.人工放射性同位素:
(1)放射性同位素:有些同位素具有放射性,叫做_____________。
放射性同位素有_____和_____两种,它们的化学性质_____。
(2)人工放射性同位素:_________________。
(3)人工放射性同位素的优点:_________容易控制;_____容易
控制;半衰期短,_____容易处理。
(4)凡是用到射线时,用的都是_________________。放射性同位素天然人造相同放射强度形状废料人工放射性同位素3.放射性同位素的应用:
(1)利用射线测 _____、放射治疗、___________、延长保质
期等。
(2)作为示踪原子:利用同一种元素的化学性质与其放射性同位
素的化学性质_________,可以用放射性同位素代替_________
_________制成各种化合物,这种化合物的化学性质不会发生变
化,但它却带有“放射性标记”,用放射性探测仪就可以探测出
来,有这种用途的_____________叫做“示踪原子”。厚度培育新品种完全相同非放射性的同位素放射性同位素4.辐射与安全:
(1)危害:_______射线对人体的细胞核造成破坏进而对人体组
织有破坏作用。
(2)防护:
①使用放射性同位素要严格遵守_________。
②防止放射性物质对空气、_____、用具等的污染。过量的操作规程水源1.判一判:
(1)放射性的观察往往通过射线粒子和其他物质的作用来间接地观察。 ( )
(2)威耳逊云室是通过带电粒子对酒精蒸气的电离进而凝集成雾滴来实现射线径迹的呈现的。 ( )
(3)气泡室内液体的温度和压强要略高于凝结点。 ( )
(4)盖革—米勒计数器既灵敏又能区分射线的种类。 ( )提示:(1)√。射线是看不见的,所以要通过射线粒子和其他物质的作用来间接地观察。
(2)√。威耳逊云室是通过带电粒子对酒精蒸气的电离进而凝集成雾滴来实现射线径迹的呈现的。
(3)×。气泡室内的液体的温度和压强要略低于沸点。
(4)×。盖革—米勒计数器灵敏但不能区分射线的种类。2.想一想:
(1)云室和气泡室是应用射线的穿透能力还是电离能力研究射线的径迹?
提示:研究过程需要显示粒子(射线)的轨迹,所以利用的不是射线的穿透能力,而是应用射线的电离能力。
(2)衰变和原子核的人工转变有什么不同?
提示:衰变是放射性元素自发的现象,原子核的人工转变是能够人工控制的核反应。其核反应方程的书写也有区别。(3)原子核的衰变方程和原子核的人工转变方程有何区别?
提示:衰变方程的箭头左边只有一个放射性原子核,原子核的人工转变方程的箭头左边有靶核和轰击靶核的粒子各一个。
(4)射线测厚装置利用了哪种射线的哪种能力?换用另外的射线可以吗?
提示:利用了γ射线的穿透能力。α射线和β射线的穿透能力不足,且α射线和β射线具有较强的电离能力,射线对人体的伤害很大,所以不能换用这两种射线。(5)医学上做射线治疗用的放射性元素,使用一段时间后当射线强度降低到一定程度时就需要更换放射材料,原来的材料成为核废料,这些放射治疗选用的放射性元素的半衰期应该很长还是较短?为什么?
提示:应选用半衰期较短的。因为半衰期短的放射性废料容易处理。当然也不能选用太短的,否则就需要频繁更换放射原料了。主题一 探测射线的方法
【问题探究】
1.为什么α粒子显示的径迹直而粗,β粒子显示的径迹在低速时弯曲而高速时细?提示:因为α粒子电离本领强,穿越云室时,沿途能使大量的气体分子发生电离,过饱和酒精蒸气凝结在这些离子上,形成很粗的径迹。又由于α粒子质量大,穿越云室时不易改变方向,所以显示的径迹很直。β粒子电离本领较弱,高速β粒子沿途使气体发生电离而产生的离子少,因而径迹细;β粒子质量小,其运动状态容易改变,所以显示的低速β粒子的径迹弯曲。2.气泡室和威耳逊云室原理有什么异同?通过气泡室中粒子径
迹的照片我们可以分析哪些量?
提示:威耳逊云室的原理是利用气体中的离子作为形成酒精蒸
气的凝结中心。当快速运动的粒子穿过含有过饱和酒精蒸气的
气体空间时,在它的路程上产生许多离子,许多蒸气分子凝结在
这些离子上,形成许多雾滴。这样,在粒子所飞过的轨迹上形成
一条狭窄的雾带状痕迹,叫做粒子的径迹。用很强的光从侧面照射,能够看到这种痕迹,也可以用照相机把它拍下来。气泡室的原理同云室的原理类似,所不同的是气泡室里装的是液体。当射线粒子通过过热液体时,在射线粒子周围有气泡形成。根据照片可以分析粒子的动量、能量及带电情况等。3.过饱和气体为什么能显示出射线中粒子的径迹?
提示:射线粒子在云室中的过饱和气体中飞过,射线粒子具有电离作用,可以使沿途的过饱和气体分子电离,过饱和气体就会以这些离子为核心凝结成雾滴,于是显示出射线的径迹。4.在威尔逊云室中如何判断放射线的性质和带电的正负?
提示:根据放射线在威尔逊云室中径迹的长短和粗细,可以知道粒子的性质,把云室放在磁场中,根据带电粒子运动径迹的弯曲方向,还可以知道粒子所带电荷的正负。【探究总结】
1.云室中不同粒子径迹产生的原因:2.探究射线及其方法:
(1)根据粒子径迹的长短和粗细,可以知道粒子的性质;把云室放在磁场中,从带电粒子运动轨迹的弯曲方向,还可以知道粒子所带电荷的正负。
(2)根据各种射线的穿透本领可知,盖革—米勒计数器不能探测α粒子,因为α粒子连一层白纸都不能穿透,无法进入盖革—米勒计数器的管内。
(3)盖革—米勒计数器只能计数,不能区分射线的种类,它只能探测β粒子和γ射线。【即时训练】
1.(多选)关于威耳逊云室探测射线,下列说法正确的是( )
A.威耳逊云室内充满过饱和蒸气,射线经过时可显示出射线运动的径迹
B.威耳逊云室中径迹直而粗的是α射线
C.威耳逊云室中径迹细而弯曲的是γ射线
D.威耳逊云室中显示粒子径迹的原因是电离,所以无法由威耳逊云室判断射线所带电荷的正负【解题探究】(1) _______带电量较多,质量大,它的电离本领
强,穿越云室时,径迹粗而直。
(2) _______带电量较少,质量小,它的电离本领较小,穿越云室
时,径迹细而弯曲。α粒子β粒子【解析】选A、B。云室内充满过饱和蒸气,射线经过时把气体电离,过饱和蒸气以离子为核心凝结成雾滴,雾滴沿射线的路径排列,显示出射线的径迹,故A正确;由于α粒子的电离本领大,贯穿本领小,故α粒子在云室中的径迹直而粗,即B正确;γ射线的电离本领很弱,所以在云室中一般看不到它的径迹,而细而弯曲的是β射线,所以C错误;把云室放到磁场中,由射线径迹的弯曲方向就可以判断射线所带电荷的正负,故D错误。2.(多选)利用威耳逊云室探测射线时若观察到细长和弯曲的径迹,则下列说法正确的是 ( )
A.可知有α射线射入云室
B.可知有β射线射入云室
C.观察到的是射线粒子的运动
D.观察到的是射线粒子运动路径上的酒精雾滴【解析】选B、D。因为观察到威耳逊云室中存在细长和弯曲的径迹,可知是β射线的径迹,A错,B对;射线粒子的运动是观察不到的,观察到的是酒精过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴,C错,D对。主题二 放射性的应用与防护
【问题探究】
1.如何实现原子核的人工转变?
提示:人为地用α粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核,可以实现原子核的人工转变。2.核反应的实质是什么?它符合哪些规律?
提示:(1)核反应的实质是将一种原子核在粒子的轰击之下转变成一种新的原子核,并产生新的粒子。
(2)在转变过程中符合质量数和电荷数守恒。3.常见的人工转变的核反应:
(1)卢瑟福发现质子:_________________。
(2)查德威克发现中子:_________________。
(3)居里夫妇人工制造同位素:___________________。4.如何区分核反应的种类是衰变还是人工核反应?
提示:衰变是一个原子核释放出α粒子或β粒子变成新原子核的过程,而人工核反应是用α粒子、质子、中子甚至γ光子轰击原子核,实现原子核的人工转变的过程。【探究总结】
射线的主要应用
(1)射线测厚装置:
原理:仪器探测到的γ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。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。(2)放射治疗:
原理:人体组织对射线的耐受能力是不同的,细胞分裂越快的组织,它对射线的耐受力就越弱。癌细胞繁殖迅速,在射线照射下破坏得比健康细胞快。(3)培育新品种:
原理:利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,从而培育出新的优良品种。
(4)延长保质期:
原理:利用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保质期。【即时训练】
1.(多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的
( )
A.利用含有放射性碘131的油,检测地下输油管的漏油情况
B.把含有放射性元素的肥料施给农作物,利用探测器的测量,找出合理的施肥规律
C.利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹
D.给怀疑患有甲状腺病的病人注射碘131,论断甲状腺的器质性和功能性疾病【解析】选A、B、D。利用射线探伤法检查金属中的砂眼和裂纹是利用γ射线穿透能力强的特点,因此选项C不属于示踪原子的应用。2.如图所示是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意
图。
(1)请简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的是厚度为1 mm的铝板,在α、β和γ三种射
线中,哪一种对铝板的厚度控制起主要作用?为什么?【解题探究】放射源放出的三种射线的贯穿本领_____,如果遮
挡物的厚度_____,会引起贯穿后射线的强度发生变化。利用这
一特点,可实现自动控制。不同不同【解析】(1)放射线具有穿透本领。如果向前移动的铝板的厚度有变化,则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化,将这种变化转变为电信号输入到相应的装置,使之自动控制题图中右侧的两个轮间的距离,达到自动控制铝板厚度的目的。(2)β射线起主要作用。因为α射线的贯穿本领很小,一张薄纸就能把它挡住,更穿不过1 mm的铝板;γ射线的贯穿本领很强,能穿过几厘米的铅板,1 mm左右的铝板厚度发生变化时,透过铝板的γ射线强度变化不明显;β射线的贯穿本领较强,能穿过几毫米的铝板,当铝板厚度发生变化时,透过铝板的β射线强度变化较大,探测器可明显地反映出这种变化,使自动化系统做出相应的反应。
答案:见解析课件71张PPT。3 探测射线的方法
4 放射性的应用与防护一、探测射线的方法
1.探测方法:
(1)组成射线的粒子会使气体或液体电离,以这些离子为核心,
_____________会产生雾滴,_________会产生气泡。
(2)射线能使照相乳胶_____。
(3)射线能使_________产生荧光。过饱和的蒸气过热液体感光荧光物质2.探测仪器:
(1)威耳逊云室:
①原理:当酒精蒸气达到过饱和状态,粒子在云室内气体中飞过,使
沿途的_________电离,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心
___________,于是显示出射线的径迹。气体分子凝结成雾滴② 直而清晰弯曲(2)气泡室:气泡室里装的是液体,如液态氢。粒子通过过热液体时,
在它的周围_________而形成粒子的径迹。
(3)盖革—米勒计数器:
①优点:G-M计数器_________,用它检测射线十分方便。
②缺点:只能用来_____,不能区分___________。产生气泡非常灵敏计数射线的种类【判一判】
(1)威尔逊云室可以显示α粒子和β粒子的径迹。( )
(2)高速β粒子在威尔逊云室中的径迹又短又粗而且是弯曲
的。( )
(3)G-M计数器非常灵敏,不仅可以计数,还可以区分射线的
种类。( )提示:(1)√。威尔逊云室通过气体分子电离,让过饱和蒸气凝结成雾,可以显示α粒子和β粒子的径迹。
(2)×。高速β粒子在威尔逊云室中的径迹又细又直。
(3)×。G-M计数器非常灵敏,只能计数,不能区分射线的种类。二、核反应和人工放射性同位素
1.核反应:
(1)定义:原子核在其他粒子的轰击下产生_________的过程。
(2)原子核的人工转变:卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,核反应方程
(3)遵循规律:_______守恒,电荷数守恒。新原子核质量数2.人工放射性同位素:
(1)放射性同位素:具有_______的同位素。
(2)人工放射性同位素的发现:
①1934年,约里奥??居里夫妇发现经过α粒子轰击的铝片中含有放
射性磷
②发现磷同位素的方程 放射性3.放射性同位素优点:
(1)资源丰富,应用广泛。
(2)放射强度容易控制,可以制成各种所需的形状,废料容易处理。
(3)现在凡是用到射线时,用的都是___________同位素,而不用天然放射性物质。人工放射性【判一判】
(1)在核反应中,质量数守恒,电荷数守恒。 ( )
(2)放射性同位素 ,既可以通过核反应人工获得,也可以从自然界中获得。 ( )
(3)现在用到射线时,既可以用人工放射性同位素,也可以用天然放射性物质。 ( )提示:(1)√。在核反应中,质量数守恒,电荷数守恒。
(2)×。自然界中没有天然的 ,只能通过核反应人工获得。
(3)×。现在用到射线时,用的都是人工放射性同位素,不用天然放射性物质。三、放射性同位素的应用与防护
1.应用射线:利用γ射线的_________可以测厚度等,还可以用于放
射治疗、照射种子培育优良品种等。
2.示踪原子:一种元素的各种同位素具有_______化学性质,用放射
性同位素替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。
3.辐射与安全:人类一直生活在放射性的环境中,过量的射线对人体
组织___________。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。穿透本领相同的有破坏作用【判一判】
(1)利用γ射线照射种子,可以培育出优良品种。 ( )
(2)用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期。 ( )
(3)任何放射性物质都可以作为示踪原子使用。 ( )提示:(1)√。利用γ射线照射种子,会使种子的遗传基因发生变异,可以培育出优良品种。
(2)√。用γ射线照射食品可以杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期。
(3)×。只有放射性同位素才能作为示踪原子使用。一、探测射线的方法及三种仪器
思考探究:
如图为α粒子和β粒子在威尔逊云室中的径迹示意图。(1)如何根据径迹的情况,分析判断粒子的性质?
(2)如何判断粒子所带电荷的正负?
提示:(1)根据径迹的长短和粗细,可以知道粒子的性质。
(2)把云室放在磁场中,根据运动径迹的弯曲方向,可以知道粒子所带电荷的正负。【归纳总结】
1.探测射线的方法:也是探测运动粒子的方法。可以根据射线粒子与其他物质作用时的表现进行判断,常利用射线的以下特性:
(1)粒子使气体或液体电离,以这些离子为核心,过饱和的蒸气会产生雾滴,过热液体会产生气泡。
(2)使照相乳胶产生感光。
(3)使荧光物质产生荧光。2.三种探测射线的仪器:
(1)威尔逊云室:
①原理:实验时先往云室里加入少量的酒精,使室内充满酒精的饱和蒸气,然后使活塞迅速向下运动,室内气体由于迅速膨胀,温度降低,酒精蒸气达到过饱和状态。这时让射线粒子从室内的气体中飞过,使沿途的气体分子电离,过饱和酒精蒸气就会以这些离子为核心凝结成雾滴,这些雾滴沿射线经过的路线排列,于是就显示出了射线的径迹,可用照相机拍摄下其运动的径迹进行观察分析。②三种射线在云室中的径迹比较:
a.α粒子的质量比较大,在气体中飞行时不易改变方向。由于它的电离本领大,沿途产生的离子多,所以它在云室中的径迹直而粗。
b.β粒子的质量小,跟气体碰撞时容易改变方向,并且电离本领小,沿途产生的离子少,所以它在云室中的径迹比较细,而且速度减小后的轨迹常常弯曲。
c.γ粒子的电离本领更小,在云室中一般看不到它的径迹。(2)气泡室:
①原理:气泡室的原理同云室的原理类似,所不同的是气泡室里装的是液体,控制气泡室内液体的温度和压强,使室内温度略低于液体的沸点。当气泡室内压强突然降低时,液体的沸点变低,使液体过热,此时让射线粒子射入室内,粒子周围就有气泡形成。用照相机拍摄出径迹照片,根据照片上记录的情况,可以分析粒子的性质。
②气泡室和云室的比较:气泡室的工作原理与云室相类似,云室内装有干净的空气,而气泡室内装的是液体。相同之处在于都可以形成射线粒子的运动径迹,通过研究径迹,研究射线的性质。(3)盖革—米勒计数器:
①原理:在金属丝和圆筒间加上一定的电压,这个电压稍低于管内气体的电离电压,当某种射线粒子进入管内时,它使管内的气体电离,产生电子……这样,一个射线粒子进入管中后可以产生大量电子,这些电子到达阳极,正离子到达阴极,在外电路中产生一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来。②优缺点:
优点:放大倍数很大,非常灵敏,用它检测射线十分方便。
缺点:a.不同射线产生的脉冲现象相同,只能用来计数,不能区分射线种类。b.如果同时有大量粒子或两个粒子射来的时间间隔小于200μs,则计数器不能区分它们。【特别提醒】
(1)探测原理方面:探测原理都是利用射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象,来显示射线的存在。
(2)G-M计数器区分粒子方面:G-M计数器不能区分时间间隔小于200μs的两个粒子。【典例示范】(多选)用盖革—米勒计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次,若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间,计数器几乎测不到射线。10天后再次测量,测得该放射源的放射强度为每分钟101次,则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是 ( )
A.放射源射出的是α射线
B.放射源射出的是β射线
C.这种放射性元素的半衰期是5天
D.这种放射性元素的半衰期是2.5天【解题探究】
(1)α射线和β射线的穿透能力的强弱程度如何?
提示:α射线的穿透能力很弱,用一张纸就能把它挡住,β射线的穿透能力较强,可以穿透几毫米厚的铝板。
(2)半衰期是如何定义的?
提示:放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间。【正确解答】选A、C。因厚纸板能挡住这种射线,可知这种射线是穿透能力最差的α射线,选项A正确,B错误;因放射性元素原子核个数与单位时间内衰变的次数成正比,10天后测出放射强度为原来的四分之一,说明10天后放射性元素的原子核个数只有原来的四分之一,由半衰期公式知,已经过了两个半衰期,故半衰期是5天。【过关训练】
1.(多选)(2015·湛江高二检测)关于威耳逊云室探测射线,下列说法中正确的是 ( )
A.威耳逊云室内充满过饱和蒸气,射线经过时可显示射线运动的径迹
B.威耳逊云室中径迹直而清晰的是α射线
C.威耳逊云室中径迹细而长的是γ射线
D.威耳逊云室中显示粒子径迹的原因是蒸气电离,即使放入磁场中也无法判断射线所带电荷的正负【解析】选A、B。云室内充满过饱和蒸气,射线经过时把气体电离,而凝结成雾滴,雾滴沿射线的路线排列,显示出射线的径迹,故选项A正确;由于α粒子的质量比较大,飞行时不易改变方向,电离本领大,产生的离子多,所以α射线在云室中的径迹直而清晰,则选项B正确;由于γ射线的电离本领很弱,所以在云室中一般看不到它的径迹,而细长径迹是β射线的,所以选项C错误;把云室放在磁场中,由射线径迹的弯曲方向就可判断射线所带电荷的正负,所以选项D错误。2.如图是科学史上一张著名的实验照片,显示一个带电粒子在云室中穿过某种金属板运动的径迹,云室放置在匀强磁场中,磁场方向垂直照片向里。云室中横放的金属板对粒子的运动起阻碍作用。分析此径迹可知粒子 ( )
A.带正电,由下向上运动
B.带正电,由上向下运动
C.带负电,由上向下运动
D.带负电,由下向上运动【解析】选A。由图可以看出粒子在金属板上方的轨道半径比在金属
板下方时小,由带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式R= 可知粒子在金属板上方运动的速率小,所以粒子由下往上运动,B、C错误;磁场方向垂直照片向里,结合粒子运动方向,根据左手定则可知粒子带正电,A正确,D错误。【补偿训练】
1.(多选)利用威尔逊云室探测射线时能观察到细长而弯曲的径迹,则下列说法中正确的是 ( )
A.可知是α射线射入云室中
B.可知是β射线射入云室中
C.观察到的是射线粒子的运动
D.观察到的是射线粒子在运动路径上的酒精雾滴【解析】选B、D。α射线质量较大,在气体中飞行时不易改变方向,在云室中的径迹直而粗,β射线质量较小,在云室中的径迹细而弯曲,因此观察到威尔逊云室中细长而弯曲的径迹是β射线的径迹,故A错误,B正确;射线粒子的运动肉眼是观察不到的,观察到的是酒精的过饱和蒸气在射线粒子运动路径上形成的雾滴,故C错误,D正确。2.(多选)下列说法正确的是 ( )
A.在威尔逊云室中α粒子的径迹细且直,β粒子的径迹较粗且弯曲程度大
B.γ粒子在威尔逊云室中一般看不见其径迹
C.盖革—米勒计数器探测射线的原理中也利用了射线的电离本领
D.盖革—米勒计数器不仅能计数,还能用来分析射线的性质【解析】选B、C。α粒子的质量比较大,在气体中飞行时不易改变方向,并且电离本领大,沿途产生的离子多,所以它在云室中的径迹直而短粗;β粒子的质量小,跟气体碰撞时容易改变方向,并且电离本领小,沿途产生的离子少,所以它在云室中的径迹比较细,且常常发生弯曲,A错误;γ粒子的电离本领更小,一般看不见它的径迹,B正确;盖革—米勒计数器是利用射线的电离作用,产生电脉冲进而计数的,C正确;盖革—米勒计数器对于不同射线产生的脉冲现象相同,因此计数器只能用来计数,不能区分射线的性质,D错误。【规律方法】三种射线被探测时径迹区分技巧
(1)γ射线不带电,电离本领最弱,一般看不到它的径迹。
(2)α粒子的质量大,电离本领大,沿途产生的离子多,飞行中又不易改变方向,径迹直而清晰。
(3)β粒子的情况居中,所以高速β粒子的径迹又细又直,低速β粒子的径迹又短又粗并且是弯曲的。二、原子核的人工转变和核反应方程
思考探究:
如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。(1)充入氮气前荧光屏上看不到闪光,充入氮气后荧光屏上看到了闪光,说明了什么问题?
(2)原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律?
提示:(1)说明α粒子轰击氮核后产生了新的粒子。
(2)都符合质量数守恒,电荷数守恒。【归纳总结】
1.核反应的条件: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。
2.核反应的实质: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。3.原子核人工转变的三大发现:
(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应:
(2)1932年查德威克发现中子的核反应:
(3)1934年约里奥—居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应:【特别提醒】
(1)原子核的人工转变的发生方面:原子核的人工转变必须要有一定的装置和条件,不可以自发产生。
(2)原子核的人工转变的实质方面:原子核人工转变的实质是粒子打入核内部使核发生了转变。【典例示范】(2012·重庆高考)以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x、y和z是3种不同的粒子,其中z是 ( )
A.α粒子 B.质子 C.中子 D.电子【解题探究】
(1)如何确定x、y、z三种粒子的质子数?
提示:利用电荷数守恒,分别计算它们的电荷数也就是质子数。
(2)每个人工核反应方程中都有两个未知粒子,如何利用质量数守恒?
提示:利用相当于数学上的列方程,利用消元法。【解析】选C。把前两个方程化简,消去x,即
可见y是 ,结合第三个方程,根据电荷数守恒、质量数守恒
可知z是中子 。因此选项C正确。【过关训练】
1.(2015·衡水高二检测)用α粒子轰击铍-9核,生成一个碳-12核和一个粒子,则该粒子 ( )
A.带正电,能在磁场中发生偏转
B.带负电,能在磁场中发生偏转
C.电离本领特别强,是原子的组成部分之一
D.在任何方向的磁场中都不会发生偏转【解析】选D。根据电荷数守恒、质量数守恒知,2+4=6+0,该粒子的电荷数为0;4+9=12+1,该粒子的质量数为1,为中子不带电,在磁场中不偏转。故D正确,A、B、C错误。2.(2013·上海高考)放射性元素 衰变为 ,此衰变过程的
核反应方程是 ;用此衰变过程中发出的射线轰击
可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子,此核反应过程的
方程是___________________。【解析】根据衰变规律,此衰变过程的核反应方程是
用α射线轰击 ,可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子,
此核反应过程的方程是
答案: 【补偿训练】某原子核 吸收一个中子后,放出一个电子,分裂为两个α粒子。由此可知 ( )
A.A=7,Z=3 B.A=7,Z=4
C.A=8,Z=3 D.A=8,Z=4
【解析】选A。其核反应方程为: 由核反应中的质量数守恒和电荷数守恒可知:A+1=4×2,Z=2×2-1,得:A=7,Z=3。故A正确。【规律方法】人工核反应规律
(1)人工核反应和衰变的联系:
①共同点——都会产生新的原子核,都遵循质量数守恒、电荷数守恒;
②不同点——衰变是原子核的自发变化,核反应可以人工控制。
(2)核反应过程一般是不可逆的,所以核反应方程只能用箭头不能用等号。
(3)核反应过程还遵循动量守恒和能量守恒。
(4)核反应的生成物必须以实验为基础,不能凭空杜撰。三、放射性同位素的应用
思考探究:
如图所示是利用γ射线的两张示意图。(1)能用α射线来测量金属板的厚度吗?
(2)γ射线照射食品延长保存期的原理是什么?
提示:(1)α射线的穿透力最差,不能用α射线来测量金属板的厚度,一般用γ射线。
(2)γ射线照射食品可以杀死让食物腐败的细菌,延长保存期。【归纳总结】
1.概念:同一元素的各种同位素中,有的稳定,有的不稳定,不稳定的同位素会自发地放出粒子而衰变为其他元素,这种具有放射性的同位素叫作放射性同位素。
2.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1000多种,每种元素都有自己的放射性同位素。3.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。4.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。【特别提醒】
(1)射线的强度与安全的关系方面:射线的强度在一定剂量内是安全的,过量辐射对人体组织有破坏作用。
(2)放射性同位素应用时注意的方面:在使用放射性同位素时,必须严格遵守操作规程,注意安全,保护环境。【典例示范】下列说法正确的是 ( )
A.给农作物施肥时,在肥料里放一些放射性同位素,是因为农作物吸收放射性同位素后生长更好
B.输油管道漏油时,可以在输的油中放一些放射性同位素探测其射线,确定漏油位置
C.天然放射元素也可以作为示踪原子加以利用,只是较少,经济上不划算
D.放射性元素被植物吸收,其放射性将发生改变【解题探究】
(1)放射性元素和它的同位素化学性质是否相同?
提示:相同。
(2)放射性元素和它的同位素哪个对环境污染小?
提示:同位素含量易控制,衰变周期短对环境污染小。【正确解答】选B。放射性元素与它的同位素的化学性质相同,但是利用放射性元素可以确定农作物在各季节吸收含有哪种元素的肥料。无论植物吸收含放射性元素的肥料,还是无放射性肥料,植物生长是相同的,A错;放射性同位素,含量易控制,衰变周期短,不会对环境造成永久污染,而天然放射性元素,剂量不易控制、衰变周期长、会污染环境,所以不用天然放射元素,C错;放射性是原子核的本身性质,与元素的状态、组成等无关,D错。放射性同位素可作为示踪原子,故B正确。【过关训练】
1.(多选)(2015·佛山高二检测)人工放射性同位素被用作示踪原子,主要是因为 ( )
A.放射性同位素不改变其化学性质
B.人工放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C.半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D.放射性同位素容易制造【解析】选A、B、C。放射性同位素用作示踪原子,主要是用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程,既要利用化学性质相同,也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响,同时还要考虑放射性废料容易处理,因此选项A、B、C正确,选项D不正确。2.(多选)近几年来,我国北京、上海、山东、洛阳、广州等地引进了十多台γ刀,治疗患者5000余例,效果极好,成为治疗脑肿瘤的最佳仪器。令人感叹的是,用γ刀治疗时不用麻醉,病人清醒,时间短,半小时完成手术,无需住院,因而γ刀被誉为“神刀”。据报道,我国自己研制的旋式γ刀性能更好,即将进入各大医院为患者服务。γ刀治疗脑肿瘤主要是利用 ( )A.γ射线具有很强的穿透能力
B.γ射线具有很强的电离作用
C.γ射线具有很高的能量
D.γ射线能很容易绕过阻碍物到达目的地【解析】选A、C。γ刀就是γ射线,γ射线的特点是穿透能力强,γ射线波长短,光子的能量高,杀伤力强,应用γ刀治疗脑肿瘤就是利用其穿透能力强和杀伤力强。【补偿训练】
1.关于放射性同位素应用的下列说法中正确的有 ( )
A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,因此达到了消除有害静电的目的
B.利用γ射线的贯穿性可以为金属探伤,也能进行人体的透视
C.用放射线照射作物种子能使其DNA发生变异,其结果一定是成为更优秀的品种
D.用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量,以免对人体正常组织造成太大的伤害【解析】选D。利用放射线消除有害静电是利用α射线的电离性,使空气分子电离成导体,将静电泄出,A错误;γ射线对人体细胞伤害太大,因此不能用来人体透视,在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量,B错误,D正确;DNA变异并不一定都是有益的,C错误。2.(多选)关于放射性同位素的应用,下列符合事实的是 ( )
A.利用射线照射种子,可以使种子DNA发生突变,培养新的品种
B.用放射性元素制成肥料,被庄稼吸收后,利用探测器可探知肥料在庄稼内的存留情况
C.利用放射线可以杀死人体内的癌细胞,正常细胞不受影响
D.使大分子生物吸收放射性物质后,可了解生物的分子结构,研究其功能【解析】选A、B、D。利用放射线杀死人体内的癌细胞时,正常细胞也受影响,只不过癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞快,C错误,其他均正确。【规律方法】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。【拓展例题】考查内容:放射性的危害和防护
【典例示范】(多选)联合国环境公署对科索沃地区的调查表明,北约对南联盟进行的轰炸中使用的贫铀炸弹的残留物长期危害环境,对当地居民的健康也产生了严重的影响,下列关于核辐射的说法正确的是( )
A.贫铀炸弹的残留物存在放射性,且半衰期很长,对环境产生长期危害
B.贫铀炸弹的残留物不会对人体产生危害,但对环境产生了长期危害
C.过量的射线对人体组织具有破坏性
D.受到射线伤害后,人能立即感觉到射线对人体的破坏【正确解答】选A、C。贫铀炸弹的残留物对人体和环境都会产生长期危害,A正确、B错误。过量射线对人体造成的伤害有时不会马上感觉到,C正确、D错误。19.5核力与结合能
1.关于核力的说法正确的是 ( )
A.任何物体间都存在核力的作用
B.核力就是电磁力
C.核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内
D.核力与电荷有关
【解析】选C。核力是短程力,超过1.5×10-15m,核力急剧下降几乎消失,物体间不存在核力,故A错误,C正确;核力与万有引力、电磁力不同,故B错误;核力与电荷无关,故D错误。
2.下列说法中正确的是 ( )
A.原子核内的所有质子间都存在核力和库仑力
B.对质子数较多的原子核,其中的中子起到维系原子核稳定的作用
C.重核比中等质量的核更稳定
D.两个质子之间不管距离如何,核力总大于库仑力
【解析】选B。只有相邻质子间才存在核力,A、D错误;中子与其他核子间没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,起到维系原子核稳定的作用,B正确;中等质量大小的核最稳定,C错误。
3.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
【解析】选D。爱因斯坦质能方程E=mc2,定量地指出了物体能量和质量之间的关系,A正确;由质能方程知,当物体的质量减少时,物体的能量降低,向外释放了能量;反之,若物体的质量增加了,则物体的能量升高,表明它从外界吸收了能量,所以由物体的质量变化能算出物体的能量变化,故B、C正确,D错误。
4.(2014·汕头高二检测)下列说法正确的是 ( )
A.自由核子结合成原子核时,一定遵循质量守恒
B.在发生核反应时,反应前物质的总质量一定等于反应后所生成物质的总质量
C.发生核反应时,反应前的总质量大于反应后的总质量,这个反应是放能反应
D.发生核反应时,反应前的总质量大于反应后的总质量,这个反应必须吸收能量才能发生核反应
【解析】选C。核反应过程满足电荷数守恒和质量数守恒,其中质量数守恒并不是质量守恒。核反应过程中往往伴随着质量亏损,并有能量变化。若反应后质量减小,则释放出能量,反之则吸收能量,所以C选项正确。
5.关于原子核的结合能与平均结合能,下列说法中不正确的是 ( )
A.原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时,核力做的功
B.原子核的结合能等于核子从原子核中分离,外力克服核力做的功
C.平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量
D.不同原子核的平均结合能不同,重核的平均结合能比轻核的平均结合能大
【解析】选D。原子核中,核子与核子之间存在核力,要将核子从原子核中分离,需要外力克服核力做功;当自由核子结合成原子核时,核力将做正功,释放能量,故A、B正确;对某种原子核,平均每个核子的结合能称为平均结合能;不同原子核的平均结合能不同;重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小,轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小,C正确,D错。
6.(多选)(2013·郑州高二检测)在某些恒星内,3个α粒子结合成1个C核C原子的质量是12.000 0 uHe原子的质量是4.002 6 u,已知1 u=1.66×10-27kg。则 ( )
A.反应过程中的质量亏损是0.078 u
B.反应过程中的质量亏损是1.29×10-29kg
C.反应过程中释放的能量是7.27 MeV
D.反应过程中释放的能量是1.16×10-19J
【解题指南】质能方程ΔE=Δmc2中Δm的单位用“kg”、c的单位用“m/s”,则ΔE的单位为“J”;若Δm的单位用“u”,可直接用原子质量单位1 u对应的能量为931.5 MeV来求解。
【解析】选B、C。由题意可得核反应方程为HeC。则核反应中的质量亏损为Δm=(3×4.002 6-12.000 0)u=0.007 8×1.66×10-27kg≈1.29×10-29kg,由质能方程得ΔE=Δmc2=1.29×10-29×(3×108)2J=1.161×10-12J。因为质量亏损1 u相当于释放931.5 MeV的能量,所以ΔE=0.007 8×931.5 MeV=7.27 MeV。故B、C正确。
7.如图所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线,由图可知下列说法正确的是 ( )
A.将原子核A分解为原子核B、C,可能吸收能量
B.将原子核D、E结合成原子核F,可能吸收能量
C.将原子核A分解为原子核B、F,一定释放能量
D.将原子核F、C结合成原子核B,一定释放能量
【解析】选C。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,同理可得B、D错,C正确。
8.(2014·北京高考)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速) ( )
A.(m1+m2-m3)c B.(m1-m2-m3)c
C.(m1+m2-m3)c2 D.(m1-m2-m3)c2
【解析】选C。由题意可知,质量的变化量Δm=m1+m2-m3;根据质能方程ΔE=Δmc2计算释放的能量为E=(m1+m2-m3)c2。
9.一个α粒子轰击硼B)核变成碳14和一个未知粒子,并放出7.5×105eV的能量,写出核反应方程并求出反应过程中的质量亏损。
【解析】根据质量数守恒和核电荷数守恒可得
HeBCH,
由ΔE=Δmc2可知,
1原子质量单位相当于931.5 MeV的能量,所以可得Δm=0.000 805 u=1.3×10-30kg。
答案：BCH 1.3×10-30kg
1.(多选)(2014·沈阳高二检测)一个质子和一个中子结合成氘核,同时放出γ光子,核反应方程是HnH+γ,以下说法中正确的是 ( )
A.反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B.反应前后的质量数不变,因而质量不变
C.γ光子的能量为Δmc2,Δm为反应中的质量亏损,c为光在真空中的速度
D.因存在质量亏损Δm,所以“物质不灭”的说法不正确
【解析】选A、C。核反应中质量数与电荷数及能量均守恒,由于反应中要释放核能,会出现质量亏损,反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和,所以质量不守恒,但质量数不变,且能量守恒,释放的能量会以光子的形式向外释放,故正确答案为A、C。
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,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】选B。质能方程反映了物体的能量和质量之间存在正比关系,但它们是不同的物理量,不能相互转化,B正确,A、C错误;核反应中,静止质量和运动质量之和守恒,总能量也守恒,D错误。
3.(多选)(2013·新课标全国卷Ⅱ)关于原子核的结合能,下列说法正确的是
( )
A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C.铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能
D.比结合能越大,原子核越不稳定
E.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
【解题指南】解答本题要注意以下两点:
(1)结合能是把核子分开所需的最小能量;
(2)原子核的质量小于组成它的核子质量之和,这个现象叫质量亏损。
【解析】选A、B、C。结合能是把核子分开所需的最小能量,选项A正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,存在质量亏损,核子比结合能增大,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,选项B正确;核子数越多,结合能越大,选项C正确;比结合能也叫平均结合能,比结合能越大,分开核子所需的能量越大,原子核越稳定,选项D错误;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,选项E错误。
4.已知氮核质量mN=14.007 53 u,氧核质量mO=17.004 54 u,氦核质量mHe=
4.003 87 u,质子质量mH=1.008 15 u,试判断核反应方程是吸能反应还是放能反应?能量变化为多少?
【解析】反应前总质量mN+mHe=18.011 40 u
反应后总质量mO+mH=18.012 69 u
因为反应中质量增加,所以此反应是吸能反应
所吸能量为ΔE=Δmc2=[(mO+mH)-(mN+mHe)]c2
=(18.012 69-18.011 40)×931.5 MeV=1.2 MeV。
答案:吸能反应 1.2 MeV
5.用中子轰击锂核Li)发生核反应,生成氚核和α粒子,并释放出4.8 MeV的能量(1 u=931.5 MeV)。
(1)请写出核反应方程;
(2)设放出的能量全部由质量亏损获得,试求质量亏损为多少?
(3)若放出的核能全部转化为α粒子和氚核的动能,且它们的动量等值反向,则α粒子的动能为多少?
【解析】(1)核反应方程为LinHHe
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2
可得:Δm==u=0.005 2 u(或8.55×10-30kg)
(3)设m1、m2、v1、v2分别为氦核和氚核的质量和速度,
根据动量守恒:
m1v1-m2v2=0。
所以α粒子和氚核的动能之比为
E1∶E2=∶=m2∶m1=3∶4
α粒子的动能为
E1=(E1+E2)=×4.8 MeV=2.06 MeV
答案:(1LinHHe
(2)0.005 2 u(或8.55×10-30kg) (3)2.06 MeV
【总结提升】求解核能问题的方法
(1)参与核反应的粒子组成的系统,在核反应中满足动量守恒定律。若开始时系统动量为零,反应后生成两种粒子,便可以得到核反应后两粒子的动量大小相等、方向相反的结论。那么由同一种状态下粒子的动量与动能的关系可知,动能之比等于质量的反比,得出两动能关系。
(2)如果反应发生在磁场中,反应后离子的速度方向垂直于磁场,它们将做匀速圆周运动,还可以得到半径与电荷量成反比这一结论。由于核反应过程中系统遵循能量守恒,而质量亏损释放的能量,往往转化为粒子的动能,则又可根据核能和动能相等列出方程。也就是说这类题目可以涉及动量守恒定律、圆周运动中牛顿定律、能量守恒定律等诸多知识点,要注意知识的综合运用。
19.5核力与结合能课时
【小题达标练】
一、选择题
1.(2015·湛江高二检测)氦原子核由两个质子与两个中子组成,这两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力,则三种力从大到小的顺序是 ( )
A.核力、万有引力、库仑力
B.万有引力、库仑力、核力
C.库仑力、核力、万有引力
D.核力、库仑力、万有引力
【解析】选D。核力是核子之间的一种强相互作用,其相互作用力巨大,远超过两个质子之间的库仑力,两质子之间的万有引力远小于库仑力,故选项D正确。
2.(2015·佛山高二检测)某核反应方程为HHHe+X。已知H的质量为2.0136uH的质量为3.0180uHe的质量为4.0026u,X的质量为1.0087u,则下列说法中正确的是 ( )
A.X是质子,该反应释放能量
B.X是中子,该反应释放能量
C.X是质子,该反应吸收能量
D.X是中子,该反应吸收能量
【解析】选B。由题目所给核反应方程式,根据核反应过程质量数、电荷数守恒规律,可得HHHeX,则X为中子,在该反应发生前反应物的总质量m1=2.0136u+3.0180u=5.0316u,反应后产物总质量m2=4.0026u+1.0087u=5.0113u,总质量减少,出现了质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程可知该反应释放能量,故选项B正确。
【互动探究】这个核反应释放或吸收的能量是多少?
【解析】发生的质量亏损是
Δm=5.0316u-5.0113u=0.0203u,
再有ΔE=Δmc2=0.0203×931.5MeV=18.91MeV
答案:18.91MeV
3.(多选)一个质子和一个中子结合成氘核时,产生γ光子,由此可见 ( )
A.氘核的质量等于质子和中子的质量之和
B.氘核的质量小于质子和中子的质量之和
C.核子结合成原子核时会释放核能
D.原子核分解成核子时会释放核能
【解析】选B、C。由于结合时产生γ光子,即产生能量,故反应中有质量亏损,B对,A错;质子和中子统称核子,该反应为核子结合成原子核的反应,故C对,D错。
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.核子间存在着复杂磁力
【解析】选C。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C。
5.(2015·淮安高二检测)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表明物体具有的总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结合能
C.一个中子和一个质子结合成氘核时,释放出能量,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能量
【解析】选D。公式E=mc2中的E表示物体具有的总能量,m表示物体的质量,故选项A正确;ΔE=Δmc2表示的意义则是当物体的质量变化Δm时,它的能量就会相应的变化ΔE,故选项B正确;只有出现质量亏损时,才能释放核能,故选项C正确;公式E=mc2中,E是质量为m的物体所具有的能量,并非核反应中释放的能量,故选项D错误。
6.原子质量单位为u,1u相当于931.5MeV的能量,真空中光速为c,当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是 ( )
A.(M-m1-m2)u·c2 B.(m1+m2-M)u×931.5J
C.(m1+m2-M)c2 D.(m1+m2-M)×931.5eV
【解题指南】解答本题要清楚以下两点:
(1)当质量单位为kg时,释放的能量ΔE=Δmc2,当质量单位为u时,释放的能量
ΔE=Δm×931.5MeV。
(2)质量亏损等于反应前的质量减反应后的质量。
【解析】选C。在核能计算时,如果质量的单位是kg,则用ΔE=Δmc2进行计算,如果质量的单位是u,则利用1u相当于931.5MeV的能量计算,即ΔE=Δm×931.5MeV进行计算,故C正确,A、B、D错。
7.(2015·济宁高二检测)当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出28.30MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳核时,放出7.26MeV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 ( )
A.21.04MeV B.35.56MeV
C.92.16MeV D.77.64MeV
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)没有理解好结合能的概念,而直接将题目中两个数据相减,错选答案A。
(2)没有理解好结合能的概念,而直接将题目中两个数据加起来,错选答案B。
【解析】选C。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=28.30MeV=[2(mn+mp)-mα]c2
ΔE2=7.26MeV=[3mα-mC]c2
ΔE3=[6mn+6mp-mC]c2
由各式得ΔE3=92.16MeV
二、非选择题
8.一个静止的铀核U(原子质量为232.0372u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.0287u)。(已知原子质量单位
1 u=1.67×10-27kg,1 u相当于931.5MeV的能量)
(1)写出铀核的衰变反应方程。
(2)算出该衰变反应中释放出的核能。
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能,则α粒子的动能为多少?
【解析】(1UThHe
(2)质量亏损Δm=mU-mα-mTh=0.005 9u
ΔE=Δmc2=0.005 9×931.5MeV=5.50MeV
(3)系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即
pTh+(-pα)=0
pTh=pα
EkTh=
Ekα=
EkTh+Ekα=ΔE,
所以α粒子获得的动能
Ekα=·ΔE=×5.5MeV=5.41MeV
答案:(1UThHe
(2)5.50MeV (3)5.41MeV
【总结提升】核能计算的四种方法
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kg,ΔE的单位是J。
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和电子伏特间的关系
1u=1.6606×10-27kg,1eV=1.602178×10-19J。
由ΔE=Δmc2
得ΔE=eV
=931.57MeV
(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5MeV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931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。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。
4.利用比结合能来计算核能。
9.H的质量是3.016 050u,质子的质量是1.007 277u,中子的质量是1.008 665u。则:
(1)一个质子和两个中子结合为氚核时,是吸收还是放出能量?该能量为多少?
(2)氚核的结合能和比结合能各是多少?
(3)如果这些能量是以光子形式放出的,则光子的频率是多少?
【解析】(1)一个质子和两个中子结合成氚核的核反应方程式是H+nH,反应前各核子总质量为mp+2mn=1.007 277u+2×1.008 665u=3.024 607u
反应后新核的质量为mH=3.016 050u
质量亏损为Δm=3.024 607u-3.016 050u=0.008 557u
因反应前的总质量大于反应后的总质量,故此核反应为放出能量的反应。
释放的核能为ΔE=Δm×931.5MeV=0.008 557×931.5MeV=7.97MeV
(2)氚核的结合能即为ΔE=7.97MeV
它的比结合能为=2.66MeV
(3)放出光子的频率为
ν==Hz=1.92×1021Hz。
答案:(1)释放核能 7.97MeV
(2)7.97MeV 2.66MeV (3)1.92×1021Hz
【大题提升练】
1.(1)为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程E=mc2,科学家用中子轰击硫原子,分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量,然后进行比较,精确验证了质能方程的正确性,设捕获中子前的原子质量为m1,捕获中子后的原子质量为m2,被捕获的中子质量为m3,核反应过程放出的能量为ΔE,则这一实验需验证的关系式是 ( )
A.ΔE=(m1-m2-m3)c2 B.ΔE=(m1+m3-m2)c2
C.ΔE=(m2-m1-m3)c2 D.ΔE=(m2-m1+m3)c2
(2)一个静止的钚核Pu自发衰变成一个铀核U和另一个原子核X,并释放出一定的能量,其核衰变方程为PuU+X。
①方程中的“X”核符号为 ;
②钚核的质量为239.0522u,铀核的质量为235.0439u,X核的质量为4.0026u,已知l u相当于931MeV,则该衰变过程放出的能量是 MeV;
③假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X核的动能,则X核与铀核的动能之比是 。
【解析】(1)选B。反应前的质量总和为(m1+m3),
质量亏损Δm=m1+m3-m2,核反应释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m3-m2)c2,故选项B正确。
(2)①设X可写为X,据质量数守恒和电荷数守恒有,A=239-235=4,Z=94-92=2,则X为He。
②ΔE=Δm·c2=(239.0522-235.0439-4.0026)×931MeV≈5.31MeV
③X粒子质量用m1表示,铀核质量用m2表示,衰变过程动量守恒,0=m1v1-m2v2,又m1v1=,m2v2=,联立得==≈58.7。
答案:(1)B (2)He ②5.31(±0.02皆可)
③58.7(±0.1皆可)
【补偿训练】历史上第一次利用加速器实现的核反应,是用加速后动能为0.5MeV的质子H轰击静止的X,生成两个动能均为8.9MeV的He。(1MeV=1.6×10-13J)
(1)上述核反应方程为 。
(2)质量亏损为 kg。
【解析】HXHeHe
Δmc2=E末-E初,
Δm==kg
=3.1×10-29kg
答案:(1HXHeHe或HLiHeHe (2)3.1×10-29
2.(1)(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是 ( )
A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C.铯原子核Cs)的结合能小于铅原子核Pb)的结合能
D.比结合能越大,原子核越不稳定
E.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
(2)已知质子的质量是1.008665u、中子的质量也是1.008665u,氢原子的质量是1.007825u,碳原子的质量是12.000000u,12个核子结合成碳原子核时,质量亏损是 ,碳原子核的比结合能是 。
【解析】(1)选A、B、C。结合能是把核子分开所需的最小能量,选项A正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,存在质量亏损,核子比结合能增大,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,选项B正确;核子数越多,结合能越大,选项C正确;比结合能也叫平均结合能,比结合能越大,分开核子所需的能量越大,原子核越稳定,选项D错误;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,选项E错误。
(2)碳原子可以看成是6个氢原子与6个中子结合而成,质量亏损:Δm=6×1.007825u+6×1.008665u-12.000000u=0.098940u
比结合能为:==
==7.68MeV。
答案:(1)A、B、C (2)0.098940u 7.68MeV
【补偿训练】(2015·淮安高二检测)原子核的比结合能与质量数的关系如图所示,核子组合成原子核时 ( )
A.小质量数的原子核质量亏损最大
B.中等质量数的原子核质量亏损最大
C.大质量数的原子核质量亏损最大
D.不同质量数的原子核质量亏损相同
【解析】选B。比结合能越大,原子核越稳定,从图中可以看出,中等质量的原子核比结合能最大,两个较轻的核子结合成一个新核时,就会释放出巨大的能量,因此中等质量数的原子核质量亏损最大,选项B正确。
课件38张PPT。5
核力与结合能1.了解四种基本相互作用,知道核力的性质。
2.认识原子核的结合能及质量亏损,并能应用质能方程进行计算。
3.能简单解释轻核和重核内分子数、质量数具有不同比例的原因。一、核力与四种基本相互作用
1.核力:
(1)定义:原子核里的_____间存在着的把核子紧紧地_____在
核内,形成稳定的原子核的_________。核子束缚相互作用(2)特点:
①核力是___________(强力)的一种表现。
②作用范围在___________之内。
③核力存在于核子之间,每个核子只跟_____的核子发生核力
作用,这种性质称为_____________。强相互作用1.5×10-15m相邻核力的饱和性2.四种基本相互作用:自然界中存在四种最基本的相互作用,它
们是:___________、___________、电磁相互作用和引力相互
作用。其中强相互作用和弱相互作用是_______,电磁相互作用
和引力相互作用是_______。强相互作用弱相互作用短程力长程力二、原子核中质子与中子的比例
1.较轻原子核:质子数和中子数_________。
2.较重原子核:中子数_____质子数,越重的原子核两者相差
越多。大致相等大于三、结合能与质量亏损
1.结合能:原子核是核子结合在一起的,要把它们_____,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_______之比称做比结合能。比
结合能越大,表示原子核中核子结合得越_____,原子核越___
___。_________的核的比结合能最大、最稳定。分开核子数牢固稳定中等大小3.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。E=mc2小于1.判一判:
(1)核力同万有引力一样总是相互吸引的。 ( )
(2)核力只发生在相邻的核子之间。 ( )
(3)较大的原子核中含有质子和中子的个数基本相同。( )
(4)质量可以转化为能量,能量也可以转化为质量。 ( )提示:(1)×。核力是短程力,并且在大于0.8×10-15m而小于1.5×10-15m时表现为引力,在小于0.8×10-15m时表现为斥力。
(2)√。核力是短程力,只发生在相邻的核子之间,这种性质称为核力的饱和性。
(3)×。较大的原子核含有的中子数大于质子数。
(4)×。质量不能转化为能量,能量也不能转化为质量,质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的量度。2.想一想:
(1)为什么核子不能融合在一起?
提示:核子间存在核力,当核力的作用范围小于0.8×10-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起。
(2)有人认为质量亏损就是核子的个数变少了,这种认识对不对?
提示:不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变,只是核子组成原子核时,仿佛变“轻”了一些,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化。主题一 核力与四种基本相互作用
【问题探究】
1.有的同学认为“原子核内质子间的库仑斥力与质子、中子间的万有引力平衡而使原子达到稳定状态”,这种说法正确吗?
提示:不正确。质子之间的库仑斥力的大小与万有引力的大小相差1035倍,两者相差悬殊,不可能平衡。在原子核内一定还存在第三种相互作用力来克服较强的库仑斥力。2.原子核中的核子为什么能紧紧地束缚在一起,既不融合为一体又不分散开?
提示:核力是短程力,约在10-15m数量级时起作用,当距离大于0.8×10-15m时为引力,距离小于0.8×10-15m时为斥力,距离为10×10-15m时核力几乎消失。所以在核力作用下,原子核内的核子既不能远离散开又不致因为太近而融合为一体。3.原子核中任意两个核子之间都存在核力吗?
提示:不是。核力是短程力,只有相邻的两个核子之间才存在核力。
4.是否只有带电的质子之间存在核力,而中子之间不存在核力呢?
提示:不是。核力与核子是否带电无关,质子与质子之间,质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用。5.四种基本相互作用各有什么特点?
提示:(1)强相互作用(强力):在原子核内,强力将核子束缚在一起,是短程力。
(2)弱相互作用(弱力):弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,也是短程力。(3)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,属于长程力。
(4)引力相互作用:引力主要在宏观尺度上“独领风骚”,是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,是长程力。【探究总结】
核力的理解
(1)原子核内的质子相距很近,库仑斥力很大,然而核力却将它们紧紧约束在一起,可见核力是强相互作用(强力)的一种表现。在原子核的尺度内,核力比库仑斥力大得多。(2)核力是短程力,在约0.8×10-15～1.5×10-15m的距离内主要表现为引力。大于1.5×10-15m核力就迅速减小到零,所以核力是一种短程力。在小于0.8×10-15m的距离内,核力又转变为强大的斥力而使核子不融合在一起。
(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。
(4)核力与核子是否带电无关,质子和质子间、质子和中子间、中子和中子间都存在核力作用。【即时训练】
1.(多选)以下关于核力的说法正确的是 ( )
A.核力存在于任何核子之间
B.核力只存在于相邻的核子之间
C.核力与万有引力性质相同
D.核力是一种短程的强作用力
【解题探究】(1)核子只跟_____的核子发生核力作用。
(2)核力是一种_____力,在小于___________的距离内。相邻短程1.5×10-15m【解析】选B、D。核力是短程力,只发生在相邻的核子之间,故A错误,B正确;由于原子核结合得很牢固,表明核力应当比质子间的库仑斥力大很多,所以核力是一种强相互作用力,故D正确;核力与万有引力的性质不同,核力是短程力,有引力和斥力,万有引力是长程力,只有引力,其大小相差巨大,故C错误。2.下列对核力的认识,正确的是 ( )
A.核力是强相互作用的一种表现,比库仑力大得多
B.核力存在于质子和中子、中子和中子之间,质子和质子之间只有库仑斥力
C.核力是核子间相互吸引的力,是短程力
D.核力只存在于相邻的核子之间,具有饱和性【解析】选D。在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多,但当原子核大到一定程度时,核力将不足以平衡库仑力,A错误;相邻核子间都存在核力作用,B错误,D正确;核子间的距离小于0.8× 10-15m时,核力表现为斥力,大于0.8×10-15m时表现为吸引力,C错误。主题二 原子核中质子和中子的比例、结合能以及质量亏损 【问题探究】
1.为什么自然界中较轻的原子核中质子数和中子数大致相等,较重的原子核中的中子数大于质子数,并且越重的原子核两者相差越多?
提示:(1)在1.5×10-15m范围内,核力起决定作用,它可以平衡库仑斥力,又能使原子核内的核子紧紧地束缚在一定的范围之内,而不至于让库仑斥力使原子核分裂,在这个范围之外,库仑斥力起主要作用,使得原子核外的电子绕核运动。(2)随原子核的增大,核子间的距离增大,核力和库仑斥力都会减小,但核力减小得更快,而库仑斥力依然有很强的作用;所以当原子核增大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑斥力,这个原子核就不稳定了;这时,不再成对地增加质子和中子,而只增加中子,中子与其他核子没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定,因而重原子核的中子数要比质子数多。2.什么是比结合能?什么样的原子核比结合能最大?
提示:(1)核子在核力的作用下结合成原子核要释放一定的核能,把原子核的核子全部分开也要克服核力做功而吸收一定的能量,这种能量就是原子核的结合能。结合能与核子数之比就是比结合能,也叫平均结合能。
(2)中等大小的原子核的比结合能最大(平均每个核子的质量亏损最大),这些核最稳定。3.怎样才能获得核能?
提示:如果使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等大小的核,核子的比结合能都会增大,这样可以释放出能量,人们就是根据这个原理,实现重核裂变为中等质量的原子核或轻核聚变成中等质量的原子核来获得能量,现在人类利用核能一是用来制造核武器,二是和平利用核能发电。4.爱因斯坦质能方程说明质量转化为能量,这种说法对吗?
提示:不对。质量和能量并不能相互转化,质能方程说明质量和能量具有对应关系。5.核子结合成原子核时,质量减少,说明在核反应过程中质量不守恒,这种说法正确吗?它们是如何转化的?
提示:这种认识是错误的。在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒,所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量变为能量。物体的质量应包括静止质量和运动质量,质量亏损是静止质量的减少,减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。6.如何根据质量亏损计算核能?还有哪些计算核能的方法?
提示:(1)根据质量亏损,利用爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。
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和电子伏特计算结合能。
①明确原子质量单位u和电子伏特间的关系:
1 u=1.660 6×10-27kg,1 eV=1.602 178×10-19J
由ΔE=Δmc2得
ΔE= eV=931.5 MeV
②根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV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。【探究总结】
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。
ΔE=Δm×931.5MeV。其中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV【即时训练】
1.已知质子的质量是1.008665u、中子的质量也是1.008 665 u,氢原子的质量是1.007 825 u,碳原子的原子量是12.000 000 u, 12个核子结合成碳原子核时,质量亏损是________,碳原子核的比结合能是________。(已知1 u相当于931.5 MeV)【解题探究】(1)原子核的质量亏损为核子的总质量与_______
的质量之差。
(2)比结合能为结合能与_______之比。原子核核子数【解析】碳原子可以看成是6个氢原子与6个中子结合而成,
质量亏损:
Δm=6×1.007825u+6×1.008 665 u-12.000 000 u
=0.098 940 u
比结合能为 =7.68 MeV。
答案:0.098940u 7.68 MeV2. 的质量是3.016 050 u,质子的质量是1.007 277 u,中子
的质量是1.008 665 u。求:
(1)一个质子和两个中子结合为氚核时,是吸收还是放出能量?
该能量为多少?
(2)氚核的结合能和平均结合能各是多少?
(3)如果这些能量是以光子的形式放出,则光子的频率是多少?【解析】(1)一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程式是
反应前各核子总质量为
mp+2mn=1.007 277 u+2×1.008 665 u=3.024 607 u,
反应后新核的质量为
mH=3.016 050 u,质量亏损为
Δm=3.016 050 u-3.024 607 u=-0.008 557 u。
因反应前的总质量大于反应后的总质量,故此核反应为放能反应。
释放的核能为
ΔE=0.008 557×931.5 MeV=7.97 MeV。(2)氚核的结合能即为ΔE=7.97 MeV,
它的平均结合能为 =2.66 MeV。
(3)放出光子的频率为
ν= Hz=1.92×1021Hz。
答案:(1)放出能量 7.97 MeV
(2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92×1021Hz课件69张PPT。5
核力与结合能一、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。核子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___________之内。在大于0.8×10-15m
小于1.5×10-15m的范围内表现为吸引力,在小于0.8×10-15m时表现为
斥力。
(3)核力的饱和性:每个核子只跟___________发生核力作用。强相互作用1.5×10-15m邻近的核子3.四种基本相互作用:更短电磁力万有引力【判一判】
(1)原子核中的质子是靠自身的万有引力聚在一起的。 ( )
(2)核力是强相互作用力,在原子核的尺度内,核力比库仑力大得
多。 ( )
(3)弱相互作用的力程比强力更短。 ( )
提示:(1)×。原子核中的质子是靠强相互作用力聚在一起的。
(2)√。核力是强相互作用力,在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多。
(3)√。弱相互作用的力程比强力更短,为10-18m。二、原子核中质子与中子的比例
1.自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致_____。
2.较重的原子核,中子数_____质子数,越重的元素,两者相差越多。相等大于【判一判】
(1)在原子核的组成中,质子数等于中子数。 ( )
(2)原子核大到一定程度,原子核就不稳定了。 ( )
(3)在宇宙演化过程中,只有稳定的原子核长久地留了下来。( )提示:(1)×。在原子核的组成中,质子数与中子数大致相等,对于较重的原子核中子数大于质子数。
(2)√。原子核大到一定程度,核力不足以平衡它们之间的库仑力,原子核就不稳定了。
(3)√。在宇宙演化过程中,只有稳定的原子核长久地留了下来,不稳定的就瓦解了。三、结合能和质量亏损
1.结合能和比结合能:
(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_____,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_______之比称为比
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,_________的核的比结合能最大、最稳定。能量核子数越大中等大小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。
(3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm,与它们在互相结合
过程中放出的能量ΔE的关系是___________。E=mc2小于ΔE=Δm·c23.比结合能应用前景:
(1)中等大小的核的比结合能_____,这些核最稳定。
(2)使较重的核分裂成中等大小的核,或者把较小的核合并成中等
大小的核,都将_____新的结合能。最大释放【判一判】
(1)组成原子核的核子越多,它的结合能就越高。 ( )
(2)结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定。 ( )
(3)质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。 ( )
提示:(1)√。原子核凭核力结合在一起,组成原子核的核子越多,它的结合能就越高。
(2)×。比结合能越大,核子结合得越牢固,原子越稳定,而不是结合能。
(3)√。质量亏损表明,的确存在着原子核的结合能。一、根据核力的性质解释原子核的稳定性
思考探究:
如图为3H和3He的原子核结构示意图。(1)核子之间都有相互作用的核力,说明核力与电荷有什么关系?
(2)质子之间除了核力外还有什么作用力?
提示:(1)说明核力与电荷无关。
(2)质子之间除了核力外还有库仑力。【归纳总结】
1.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10-15m数量级时起作用,距离大于0.8×10-15m时为引力,距离小于0.8×10-15m时为斥力,距离为10×10-15m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。核力与核子电荷无关。2.原子核中质子与中子的比例关系:
(1)较轻的原子核质子数与中子数大致相等,但对于较重的原子核中子数大于质子数,越重的原子核,两者相差越多。
(2)形成原因:
①若质子与中子成对地人工构建原子核,随原子核的增大,核子间的距离增大,核力和电磁力都会减小,但核力减小得更快。所以当原子核增大到一定程度时,相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力,这个原子核就不稳定了。②若只增加中子,因为中子与其他核子没有库仑斥力,但有相互吸引的核力,所以有助于维系原子核的稳定,所以稳定的重原子核中子数要比质子数多。
③由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性,若再增大原子核,一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用,这时候再增加中子,形成的核也一定是不稳定的。【特别提醒】
(1)核力表现方面:核力并不只是引力,当距离小于0.8×10-15m时,表现为斥力,核子不会融合在一起。
(2)原子核的质子数与中子数方面:较轻的原子核,质子数与中子数差不多,较重的原子核中子数大于质子数。【典例示范】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,质子数比中子数多
C.原子核都是非常稳定的
D.由于核力的作用范围是有限的,核力具有饱和性,不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在【解题探究】
(1)原子核内的质子数与中子数的分配比例是怎样的?
提示:轻核中质子数与中子数大致相等,重核中中子数大于质子数。
(2)原子核能否无节制地增大?
提示:不能。由于核力的作用范围是有限的,以及核力的饱和性,原子核内的核子越多,原子核越不稳定。【正确解答】选D。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知,质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多,故A、B错误;原子核可以发生衰变,故C错误;由核力作用特点可知,核子数越多的原子核越不稳定,故D正确。【过关训练】
1.(2015·石家庄高二检测)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1.5×10-15m之内
D.核力与电荷有关【解析】选C。核力是短程力,超过1.5×10-15m,核力急剧下降几乎消失,故选项C正确;核力与万有引力、电磁力不同,故选项A、B错误;核力与电荷无关,故选项D错误。2.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.不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【解析】选D。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,原因是核力是短程力,
质子之间还存在“长程力”——库仑力,A、B错误;自然界中存在只有
一个质子的原子核,如 ,C错误;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,故D正确。【补偿训练】
1.下列说法正确的是 ( )
A.质子数与中子数相等的原子核最稳定
B.若两个核子间的距离为1.2×10-15m,则它们间的核力表现为引力
C.两个核子间的核力一定为引力
D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力【解析】选B。中等质量的原子核最稳定,但这些原子核内的质子数
和中子数不一定相等,A错误;两个核子间的距离0.8×10-15m×10-15m时表现为引力,r<0.8×10-15m时表现为斥力,B正确,C错误。一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用,而核力只发生在相邻的核子间,两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力,D错误。2.(多选)核力的特点是 ( )
A.核力是一种强相互作用
B.核力是一种长程力,任意两个核子间都存在核力
C.核力只发生在质子之间或质子和中子间,中子间不存在核力
D.核力具有饱和性
【解析】选A、D。核力是一种强相互作用,A正确;但是核力是一种短程力,仅仅存在于相邻的核子之间,相邻的核子可以是质子和质子,也可以是质子和中子,还可以是中子和中子,因此B、C错误,D正确。【规律方法】记忆核力特点技巧
(1)核子既包括质子也包括中子,质子带电中子不带电,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)质子间是库仑斥力,核力比库仑力大得多,属于强相互作用力。二、结合能与原子核的稳定性
思考探究:
如图所示为原子核的比结合能示意图。(1)比结合能最小的是什么原子核?说明什么问题?
(2)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律?
提示:(1)是氘原子核,说明氘原子核不稳定。
(2)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最稳定。【归纳总结】
1.结合能:要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。
2.比结合能:等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值,它反映了原子核的稳定程度。3.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。4.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。【特别提醒】
(1)原子核的稳定性方面:不是结合能而是比结合能越大原子核越稳定。
(2)核的大小与原子核稳定的关系方面:中等大小核的比结合能最大、原子核最稳定。【典例示范】(多选)对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的
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【解题探究】
(1)核子结合成原子核时是放出能量还是吸收能量?
提示:释放能量。因为核子结合成原子核时,核力做正功,原子核将向外释放能量。
(2)结合能越大,原子核越稳定吗?
提示:不一定。比结合能反映原子核的稳定程度,即比结合能越大,原子核越稳定。【正确解答】选A、D。由自由核子结合成原子核的过程中,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;对核子较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。【过关训练】
1.如图所示是原子核的平均核子质量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【解析】选A。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对B错,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。2.一个中子与某原子核发生核反应,生成一个氘核,其核反应方程式
为 。该反应放出的能量为Q,则氘核的比
结合能为 。【解析】方程式：
核子结合成原子核要放出能量,这个能量叫原子核的结合能。它的
结合能与核子数之比,称作比结合能,由题意知氘核的核子数为2,
所以比结合能为
答案: 【补偿训练】
1.(多选)某种原子序数大于90的原子核不稳定,分裂成三个质量较小的新核和某种射线,关于该分解过程正确的是( )
A.一定放出能量
B.新核的比结合能更小
C.放出的射线可能为X射线
D.若放出的射线为β射线,则分解过程中存在弱相互作用【解析】选A、D。分裂后的原子核的质量数比分裂前小,所以比结合能增大,一定放出能量,A正确,B错误;放出的射线只可能是α、β、γ中的某一种,不可能是X射线,C错误;β射线是中子转化为质子时产生的,而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用,故D正确。2.下列说法正确的是 ( )
A.两个结合能小的原子核结合成一个结合能大的原子核一定要吸收能量
B.比结合能就是原子核的能量与核子数的比
C.比结合能就是两种原子核的结合能之比
D.铁元素的比结合能大于氢元素的比结合能【解析】选D。吸收或放出能量取决于比结合能大小,与结合能大小无关,两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量,A错误;比结合能是结合能与核子数之比,B、C均错误;中等质量的铁核的比结合能远大于氢核的比结合能,D正确。【规律方法】结合能的应用技巧
(1)组成原子核的核子越多,结合能越高。
(2)结合能与核子个数之比称作比结合能,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。三、质量亏损与质能方程
思考探究:
如图所示是原子核转变示意图。(1)在核反应过程中遵循什么规律?
(2)核反应过程中质量守恒吗?
提示:(1)在核反应过程中遵循质量数守恒、电荷数守恒。
(2)核反应过程中质量不守恒,会发生质量损亏。【归纳总结】
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.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决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:
根据质量亏损计算:
(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。
(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。
4.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。【特别提醒】
(1)质量亏损时核子的个数方面:质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子个数是不变的。
(2)质量与能量的关系方面:爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系,说明有质量就有能量,并不是说质量转化为能量。【典例示范】用中子轰击锂核( )发生核反应,生成氚核( )
和另外一个粒子,并放出4.8MeV的能量。
(1)写出核反应方程。
(2)求出质量亏损。【解题探究】
(1)如何确定另一个粒子的种类和质量数?
提示:利用电荷数守恒确定粒子的种类,利用质量数守恒确定粒子的质量数。
(2)计算核能时,能量单位有哪两种取值方法?
提示:根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能时,Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳;利用原子质量单位u和电子伏特计算核能时,ΔE=Δm×931.5MeV,其中Δm的单位是u,ΔE的单位是MeV。【正确解答】(1)利用电荷数守恒可得粒子的电荷数为2,利用质量数守恒可得粒子的质量数为4,所以粒子为氦原子核,核反应方程为:
(2)依据ΔE=Δm×931.5MeV
得Δm= ≈0.0052u
答案:(1) (2)0.0052u【过关训练】
1.(2015·江苏高考)取质子的质量mp=1.672 6×10-27kg,中子的质量mn=1.674 9×10-27kg,α粒子的质量mα=6.646 7×10-27kg,光速c=3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)【解析】α粒子由两个质子和两个中子组成,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,可求:
ΔE=(2mp+2mn-mα)c2=4.3×10-12J。
答案:4.3×10-12J2.三个α粒子结合成一个碳 ,已知碳原子的质量为12.0000u,氦原子的质量为4.0026u。(1u=1.66×10-27kg)
(1)写出核反应的方程;
(2)这个核反应放出的能量是多少焦?
(3)这个能量合多少MeV?【解析】(1)
(2)Δm=3×4.0026u-12.0000u=0.0078u
Δm=0.0078×1.66×10-27kg=1.2948×10-29kg
ΔE=Δmc2≈1.165×10-12J
(3)ΔE= ≈7.28×106eV=7.28MeV
答案:(1) (2)1.165×10-12J (3)7.28MeV【补偿训练】
1.雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(νe)而获得了2002
年度诺贝尔物理学奖,他探测中微子所用的探测器的主体是一个储满
615t四氯乙烯(C2CL4)溶液的巨桶,电子中微子可以将一个氯核转变为
一个氩核,其核反应方程式为 ,已知 核的质量为36.956 58 u, 核的质量为36.95691u, 的质量为0.00055u,
1u质量对应的能量为931.5MeV。根据以上数据,试计算参与上述反应
的电子中微子的最小能量。【解析】在核反应过程中出现了质量盈余,即
Δm=mAr+me-mCl=(36.95691+0.00055-36.95658)u=0.00088u。
电子中微子的最小能量为ΔE=Δm×931.5MeV=0.00088×931.5MeV=0.82MeV。
答案:0.82MeV【规律方法】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)若以原子单位“u”为质量亏损单位,则ΔE=Δm×931.5MeV。
(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”,
1MeV=1×106×1.6×10-19J=1.6×10-13J【拓展例题】考查内容:对质能方程的理解
【典例示范】(多选)关于质能方程,下列说法中正确的是( )
A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量
B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值
C.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系
D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的【正确解答】选B、D。质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,并可根据ΔE=Δmc2进行计算,所以B、D正确。19.6核裂变
1.(多选)(2014·汕尾高二检测)关于铀核裂变,下述说法正确的是 ( )
A.铀核裂变的产物是多种多样的,但只能裂变成两种不同的原子核
B.铀核裂变的同时将释放2～3个中子
C.为了使裂变的链式反应更容易进行,最好用铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
【解析】选B、C。铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况较多,也有的分裂成多块,放出几个中子,A错,B对;铀235受中子轰击时,裂变的概率大,且可以俘获各种能量的中子而引起裂变,而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的高能量中子才引起裂变,且裂变的概率较小,C对;要引起链式反应必须使铀块的体积大于临界体积,选项D错。
2.下列核反应中,表示核裂变的是 ( )
CPSie
【解析】选B。重核的裂变是指重核在中子的轰击下分裂成中等质量原子核的核反应,故B正确。
3.(2014·滨州高二检测)铀是常用的一种核燃料,若它的原子核发生如下的裂变反应:
Una+b+n
则a+b可能是 ( )
AXeKr BBaKr
CBaSr DXeSr
【解析】选D。由原子核反应的质量数守恒及电荷数守恒规律知D正确。
4.(2013·成都高二检测)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,依靠释放中子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
【解析】选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
5.在核反应中,控制铀235核裂变反应速度的方法是 ( )
A.使用浓缩铀
B.改变铀块的临界体积
C.通过自动控制装置,改变镉棒插入的深度,以改变中子数
D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
【解析】选C。在核反应中,使用的浓缩铀达到临界条件时才能发生链式反应,在反应中石墨作为“慢化剂”使快中子减速为慢中子,使铀核能进一步反应,故它们都不是用来控制核反应速度的方法,A、B、D错;调节中子数目是控制反应速度的方法,镉棒具有很强的吸收中子的能力,故C对。
6.(2014·上海高考)链式反应中,重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是 ( )
A.质子 B.中子 C.β粒子 D.α粒子
【解析】选B。链式反应是重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程,故选项B正确。
7.(2014·广州高二检测)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】选C。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。
8.某核电站每昼夜需消耗220gU,如果平均每个铀核裂变时平均放出200MeV的能量,且核电站核电转化效率为25%,则该核电站的电功率为多大?
【解析】一昼夜裂变的铀核数
N=×6.02×1023个=5.64×1023个
共释放核能E=NΔE=5.64×1023×200×106×1.6×10-19J=1.8×1013J
故电功率P==W≈5.2×107W。
答案:5.2×107W
9.美国投在日本广岛上的原子弹相当于2×104t TNT炸药放出的能量。原子弹放出的能量约8.4×1013J,试问有多少个U原子核进行分裂?该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克?(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV)
【解题指南】解答本题可按以下思路分析:
(1)首先求出发生核裂变的铀核个数。
(2)再计算原子弹中铀的最小质量。
【解析】一个U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV=200×106eV=2.0×108×1.6×10-19J=3.2×10-11J。
设共有n个U核发生裂变n=≈2.6×1024(个)
铀的质量m=235×10-3×kg≈1.015kg
答案:2.6×1024个 1.015kg
1.(多选)核电站与火电站相比较,其优势在于 ( )
A.核燃料释放出的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远多于煤炭
C.核电站造成的污染远小于相等发电能力的火电站
D.核电站比火电站更容易建造
【解析】选A、B、C。核电站与火电站相比,相等质量的核燃料放出的能量比煤放出的能量要大很多,地球上可开采核矿石储量所能提供的能量约为煤、石油的15倍,只要措施得当,核电站造成的污染很小,核能属于清洁能源,A、B、C均正确;核电站的建造难度较大,D错误。
2.(多选)下面是铀核裂变反应中的一个UnXeSr+1n已知U的质量为235.0439u,中子质量为1.0087u,锶90的质量为89.9077u,氙136的质量为135.9072u,则此核反应中 ( )
A.质量亏损为Δm=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072)u
B.质量亏损为Δm=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10×1.0087)u
C.释放的总能量为ΔE=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10×1.0087)×(3×108)2J
D.释放的总能量为ΔE=(235.0439+1.0087-89.9077-135.9072-10×1.0087)×931.5MeV
【解析】选B、D。计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量,二者之差可用u或kg作单位,故A错,B对;质量单位为u时,可直接用“1u的亏损放出能量931.5MeV”计算总能量,故D对;当质量单位为kg时,直接乘以(3.0×108)2,总能量单位才是J,故C错。
3.(多选)(2013·广东高考)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是下列说法正确的有 ( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【解题指南】解答本题应注意以下两点:
(1)裂变反应方程的特点及应用。
(2)原子核的半衰期的决定因素。
【解析】选A、C。核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应,A选项正确;铀块要发生链式反应需达到一定的体积,B选项错误;链式反应可人工控制用以建立核电站,C选项正确;原子核的半衰期由原子核本身的性质决定,与其所处的环境或状态无关,D选项错误。
4.U受中子轰击时会发生裂变,产生Ba和Kr,同时放出200兆电子伏特的能量。现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料。假设核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多大?(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol-1)
【解析】核电站每天的发电量为
E=Pt=50×104×103×24×3 600 J=4.32×1013J
据题意知,核电站一天的发电量就等于发电站在一天时间内铀235裂变所释放的总能量,故核电站每天所消耗的铀235核的个数为
n==个=1.35×1024个
故发电站每一天需要的纯铀235的质量为
m=·M=×235×10-3kg=0.527 kg。
答案:0.527 kg
【方法技巧】裂变中核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦的质能方程计算,用核子结合成原子核时质量亏损(Δm)的千克数乘以真空中光速(c=3×108m/s)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)能量计算,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5 MeV,即ΔE=Δm×931.5 MeV。
(3)由核能的转化量计算核能。
5.在所有能源中核能具有能量密度大、区域适应性强的优势,在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。
(1)核反应方程式UnBaKr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X为________,a=________。以mU、mBa、mKr分别表示UBaKr的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光在真空中传播的速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=_____。
(2)有一座发电能力为P=1.00×106kW的核电站,核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应,已知每次核反应过程中放出的核能ΔE=2.78×10-11J,铀核的质量mU=390×10-27kg,求每年(1年=3.15×107s)消耗的U的质量。
【解析】(1)由反应方程可知:X为n,a为3,释放的能量为ΔE=(mU-mBa-mKr-2mn)c2。
(2)因核电站发电效率为40%,故核电站消耗U的功率为P′==kW=2.5×106kW。
核电站每年消耗U的能量为
W=P′t=2.5×109×3.15×107J=7.875×1016J
产生这些能量消耗的铀核的数目:
n===2.83×1027(个)
每年消耗U的质量为
M=nmU=2.83×1027×390×10-27kg=1104kg。
答案:(1n 3 (mU-mBa-mKr-2mn)c2 (2)1104kg
19.6核裂变
【小题达标练】
一、选择题
1.(多选)当一个重核裂变时,它所产生的两个核 ( )
A.含有的质子数比裂变前重核的质子数少
B.含有的中子数比裂变前重核的中子数少
C.裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D.可能是多种形式的两个核的组合
【解析】选B、D。由于在裂变反应中吸收一个中子而释放出几个中子,质子数没有发生变化,而两个新核的中子数减少,A错误,B正确;反应前后质量发生了亏损而释放出能量,并不等于俘获中子的能量,在裂变反应中,产物并不是唯一的,故C错误,D正确。
【总结提升】重核裂变的实质
(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。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量,而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
2.(2015·汕头高二检测U吸收一个慢中子后分裂成Kr和Ba,还放
出 ( )
A.1个α粒子 B.3个中子
C.10个中子 D.10个质子
【解析】选B。根据质量数守恒、电荷数守恒可得还放出3个中子,B项正确。
3.(2015·南昌高二检测)中国承诺到2020年碳排放量下降40%～45%。为了实现负责任大国的承诺,我国将新建核电站项目。目前关于核电站获取核能的基本核反应方程可能是( )
AUnSrXe+1n
BNaMge
CNHeOH
DUThHe
【解析】选A。重核的裂变是指质量数较大的原子核分裂成两个中等质量的原子核,A是裂变反应,A正确;B为β衰变,C是发现质子的反应,D是α衰变。
4.一个铀235吸收一个中子后的核反应方程是UnXeSr+n,放出的能量为E,铀235核的质量为M,中子的质量为m,氙136核的质量为m1,锶90核的质量为m2,真空中光速为c,则释放的能量E等于 ( )
A.(M-m1-m2-10m)c2 B.(M+m-m1-m2)c2
C.(M-m1-m2-9m)c2 D.(m1+m2+9m-M)c2
【解析】选C。铀235裂变时的质量亏损:Δm=M+m-m1-m2-10m=M-m1-m2-9m。由质能方程可得ΔE=Δmc2=(M-m1-m2-9m)c2。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:(1)在计算质量亏损时,忘记了箭头前的中子,错选答案A。(2)在计算质量亏损时,错误地用反应后质量减去反应前的质量,错选答案D。
【补偿训练】1个铀235核吸收1个中子发生核反应时,大约放出196MeV的能量,则1g纯铀235完全发生核反应放出的能量为(NA为阿伏加德罗常数) ( )
A.NA×196 MeV B.235NA×196 MeV
C.235×196MeV D.×196 MeV
【解析】选D。1g纯铀235有×NA个铀235核。因此1 g纯铀235吸收中子完全发生核反应可以释放出×196MeV能量。
5.(2015·清远高二检测)铀核裂变是在反应堆中进行的,核反应堆主要由铀棒、镉棒、慢化剂、冷却系统和水泥防护层组成,镉棒在反应堆中起的作用主要
是 ( )
A.使快中子变成慢中子
B.使慢中子变成快中子
C.使反应速度加快
D.控制反应速度,调节反应速度的快慢
【解析】选D。镉棒可以吸收中子,控制镉棒插入反应堆的深度可以控制参与反应的中子数目,从而控制反应堆的反应速度,不一定是加快反应速度,也可能是减慢反应速度,A、B、C错误,D正确。
【互动探究】慢化剂在反应堆中起的作用主要是 ( )
【解析】选A。慢化剂在反应堆中与快中子碰撞,中子能量减小,变为慢中子,故正确答案为A。
6.(多选)人类通过链式反应来利用核能的方式有下列哪两类( )
A.利用可控制的快中子链式反应,制成原子弹
B.利用不可控制的快中子链式反应,制成原子弹
C.利用可控制的慢中子链式反应,建成核反应堆
D.利用不可控制的慢中子链式反应,建成核反应堆
【解析】选B、C。原子弹爆炸时,铀块的体积大于临界体积,快中子直接被铀核吸收,发生裂变反应,放出核能,链式反应速度不可控制,极短的时间内释放出大量的核能;核反应堆释放核能的速度是稳定的,链式反应的速度可以控制,因此答案为B、C。
7.我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的核能来源于U的裂变,现有四种说法:
U原子核中有92个质子,143个中子;
U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,反应方程为UnXeSr+n;
U是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度半衰期缩短;
④一个U裂变能放出200MeV的能量,合3.2×10-11J。
以上说法中完全正确的是 ( )
A.①②③ B.②③④ C.①③④ D.①②④
【解题指南】解答本题应明确以下四点:
(1)质量数=质子数+中子数。
(2)放射性元素的半衰期与温度等外界因素无关。
(3)明确裂变方程的书写方法。
(4)了解1个U裂变大约放出200MeV的能量,并掌握MeV与J的换算。
【解析】选D。由U的质量数和电荷数关系易知①正确;由核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒知②正确;半衰期不受外界因素干扰,故③错误;因为200MeV=200×106×1.6×10-19J=3.2×10-11J,所以④正确,故答案为D。
二、非选择题
8.落在日本广岛上的原子弹,相当于2万吨TNT炸药放出的能量。原子弹放出的能量约8.4×1013J,试问有多少个U原子核进行分裂?该原子弹中含U的质量最小限度为多少千克?(一个U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV)
【解析】一个U原子核分裂时所产生的能量约为
200MeV=200×106eV=2.0×108×1.6×10-19J=3.2×10-11J。
设共有n个U核发生裂变:n=个≈2.6×1024个,铀的质量m=235×10-3×kg≈1.015kg。
答案:2.6×1024个 1.015kg
【总结提升】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。
(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。
(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×NA×
9.(2015·福建师大附中高二检测)受中子轰击时会发生裂变,产生和Kr,同时放出200MeV的能量,现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料,假设核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多少?(阿伏加德罗常数取6.02×1023mol-1)
【解析】每天发电的总量
E=24×3.6×103×5×108J=4.32×1013J。
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n==1.35×1024(个)。
则对应的质量
m=·μ=×235×10-3kg=0.527kg。
答案:0.572kg
【大题提升练】
1.(1)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,依靠释放中子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
(2)现有的核电站常用的核反应之一是:
UnNd+Zr+n+e+
①核反应方程中的是反中微子,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已知铀核的质量为235.0439u,中子的质量为1.0087u,钕(Nd)核的质量为142.9098u,锆核的质量为89.9047u,1u=1.6606×10-27kg。
试计算1kg铀235裂变释放的能量为多少?
【解析】(1)选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用对中子吸收能力强的特点,控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
(2)①锆的电荷数Z=92-60+8=40,质量数A=236-146=90,核反应方程中用符号Zr表示。
②1kg铀235中铀核的个数为
N==2.56×1024(个)。
不考虑核反应中生成的电子质量,1个铀235核裂变产生的质量亏损为
Δm=0.212u,释放的能量为ΔE=0.212×931.5MeV=197.5MeV,则1kg铀235完全裂变释放的能量为E=nΔE=2.56×1024×197.5MeV=8.1×1013J。
答案:(1)C (2)①40 90 ②8.1×1013J
2.(1)(多选)2020年以前我国将新增投产2300万千瓦的核电站,核电站与火电站相比较,其优势在于 ( )
A.核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量
B.就可采储量来说,地球上核燃料资源远大于煤炭
C.在经济效益方面核电与火电不相上下
D.核电站没有任何污染
E.核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性,要做特殊处理
(2)在各种能源中,核能具有能量密度大、地区适宜性强的优势,在核电站中,核反应堆释放的核能被转化为电能,核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量核能。
①核反应方程是反应堆中发生的许多核反应中的一种n为中子,X为待求粒子,a为X的个数,则X= ,a= ,以mU、mBa、mKr分别表示核的质量,mn、mp分别表示中子、质子的质量,c为光在真空中的传播速度,则在上述核反应过程中放出的核能ΔE= 。
②有一座发电能力为P=1.00×106kW的核电站,核能转化为电能的效率η=40%,假定反应堆中发生的裂变反应为①中的核反应,已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10-11J,核的质量mU=390×10-27kg,求每年(1年=3.15×107s)消耗的的质量。
【解析】(1)选A、C、E。核燃料释放的能量远大于相等质量的煤放出的能量A项正确;就可采储量所提供的能量来说,远大于煤炭所能提供的能量,而不是采储量,B项错;在经济效益方面核电与火电不相上下,C项正确;核电站是有污染的,核反应堆用过的核废料具有很强的辐射性,要做特殊处理,D错,E正确。
(2)①铀235裂变除生成外,还产生适当数目的中子,即式中的X为中子,由电荷数和质量数守恒得产生的中子的个数为a=235+1-141-92=3。
反应过程中的质量亏损
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=mU-mBa-mKr-2mn
故核能ΔE=Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mn)c2
②反应堆每年提供的核能E总=,
其中T表示1年的时间。
以M表示每年消耗的的质量,
得M∶mU=E总∶ΔE,
解得M=,
代入数据得M=1.10×103kg。
答案:(1)A、C、E (2)n 3 Δmc2=(mU-mBa-mKr-2mn)c2 ②1.10×103kg
【补偿训练】(2015·唐山高二检测)一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为nXSr+n,则下列说法正确的
是 ( )
A.X的原子核中含有86个中子
B.X的原子核中含有141个核子
C.因为裂变释放能量,出现质量亏损,所以裂变后的总质量数减少
D.是天然放射性元素,它的半衰期约为7亿年,随着地球环境的不断变化,半衰期可能变短也可能变长
【解析】选A。X原子核中的核子数为235+1-94-2=140,选项B错误;质子数为92-38=54,中子数为140-54=86,选项A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但总质量数不变,选项C错误;半衰期不随外界环境变化而变化,选项D错误。
课件37张PPT。6
核 裂 变1.知道重核的裂变反应。
2.知道链式反应的发生条件。
3.了解裂变反应堆的工作原理,了解常用裂变反应堆的类型。
4.知道核电站的工作模式。一、核裂变
1.定义:重核被中子轰击_____为两个或三个质量中等的原子核
并释放_____的过程。
2.铀核的裂变:用_____轰击铀核时发生的裂变,其典型的反应:分裂核能中子3.链式反应:由重核裂变产生的_____使裂变反应一代接一代继
续下去的过程。
4.链式反应的条件:裂变反应的物质必须_________发生链式反
应的最小体积即_____体积,或大于等于相应的质量即_____
质量。
5.能量的释放:核裂变释放的能量巨大,1 kg铀235全部裂变时
释放的能量相当于______t标准煤完全燃烧时释放的化学能。中子大于等于临界临界2 800二、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_____、_____
或_______作慢化剂;反应堆铀棒石墨重水普通水(3)控制棒:为了控制能量释放的速度,就要想办法减少中子的
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。吸收中子2.工作原理:核燃料裂变释放能量,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___
_______,把反应堆内的热量传输出去,用于发电。
4.核污染的处理:为避免_______对人体的伤害和___________
对水源、空气和工作场所造成的放射性污染,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中,_________。循环流动核射线放射性物质水泥层放射性深埋地下1.判一判:
(1)原子核发生放射性衰变的过程也是核裂变的过程。( )
(2)核裂变是用中子轰击重核使之分裂实现的。 ( )
(3)链式反应的条件是反应物质必须大于等于其临界体积或临界质量。 ( )
(4)慢化剂是起减慢裂变反应速度作用的。 ( )提示:(1)×。重核被中子轰击分裂成为两个或三个质量中等的原子核并释放核能的过程才是核裂变。
(2)√。核裂变就是重核被中子轰击分裂为两个或三个质量中等的原子核并释放核能的过程。
(3)√。链式反应的条件是反应物质必须大于等于其临界体积或临界质量。
(4)×。慢化剂是使快中子变为慢中子而不是起控制裂变反应速度作用的。2.想一想:
(1)重核的裂变能够自发地进行吗?
提示:不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应的条件时,才会发生重核的裂变。
(2)铀核裂变的核反应方程是唯一的吗?
提示:不是。铀核裂变的生成物并不确定,所以其核反应方程不是唯一的。主题一 探究核裂变
【问题探究】
1.有的同学认为:因为重核裂变时每次都会释放两个或三个中子,这些中子又使其他铀核发生裂变,所以链式反应一定会自动进行下去,不需要什么条件,这种观点正确吗?提示:不正确。因为原子核的体积非常小,原子内部的空间很大,中子接近原子核的机会很小,如果铀块的体积不是很大,中子在铀块中通过时有可能碰不到铀核就跑到铀块外面了,链式反应也就不能进行了,所以铀块要有一定的体积,才能保证裂变产生的中子有足够的概率打中某个轴核,使裂变进行下去。2.核裂变时为什么会有能量释放?如何计算核裂变时释放的能量?
提示:因为重核的比结合能比中等质量核的比结合能小,所以重核分裂成中等质量的原子核时能释放出较大的能量;核能的释放可以根据核裂变前后的质量亏损,由质能方程求出。3.原子弹应用的是什么核反应,它是根据什么原理制成的,它是如何实现链式反应的?
提示:原子弹是根据重核的裂变原理制成的,是铀核裂变的链式反应,制成时是由两块或几块小于临界体积的铀块分离构成,引爆时,可通过普通炸药使原来分离的几块铀块相互靠近挤压形成一块大于等于临界体积的铀块而发生链式反应,从而瞬间释放巨大的能量即核爆炸。4.原子弹爆炸时发生了什么样的核反应?
提示:重核裂变的链式反应。原子弹是利用重核裂变的链式反应制成的,在极短时间内能够释放大量核能,发生猛烈爆炸。5.铀235裂变需要满足什么样的条件?
提示:(1)要有足够浓度的铀235;(2)要有足够数量的慢中子;
(3)铀块的体积要大于临界体积。【探究总结】
1.铀核的裂变:
(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式。
(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2～3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断进行下去,释放出越来越多的核能。(3)核能的释放:由于重核的核子的平均质量大于中等质量原子核的核子的平均质量,因此,铀核裂变为中等质量的原子核时,会发生质量亏损,释放核能。2.发生链式反应的三大条件:
(1)要有足够浓度的铀235(浓缩铀)——因为铀235可以俘获各种能量的中子。
(2)要有足够数量的慢中子——因为铀235俘获慢中子的概率大。
(3)要有足够大的铀块,即铀块的体积不小于临界体积——不会使中子还未碰到铀核就逸出铀块。【即时训练】
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的能量,产生明显的质量亏损,所以核子数减少
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【解题探究】(1)链式反应的条件是铀块的体积必须大于其
_________。
(2)重核裂变时,要发生_________,_____核能。质量数和电荷
数_____。临界体积质量亏损放出守恒【解析】选D。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,因此其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量,A错;链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于等于其临界体积,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,B错;铀核裂变的质量亏损远小于一个核子的质量,核子数不会减少,C错;重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,发生质量亏损,从而释放出核能,D正确。2.(2014·孝感高二检测)一个 原子核在中子的轰击下发生
一种可能的裂变反应,其裂变方程式为
则下列叙述正确的是 ( )
A.X原子核中含有86个中子
B.X原子核中含有141个核子
C.因为裂变时释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加
D.因为裂变时释放能量,出现质量亏损,所以生成物的总质量数减少【解析】选A。X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140(个), B错误;中子数为140-(92-38)=86(个),A正确;裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,C、D错。主题二 核电站
【问题探究】
1.结合下表分析核电站中反应堆的主要构造及作用。提供核燃料石墨、重水或普通水使裂变产生的快中子减速变为慢中子镉吸收减速后的中子,控制反应速度石墨阻止中子逃逸水产生高温高压蒸汽,推动汽轮发电机发电金属套和钢筋混凝土防止射线对人体及其他生物体的侵害2.为什么要用慢化剂将裂变产生的快中子变为慢中子?用什么作慢化剂?
提示:中子的速度不能太快,否则会与铀235原子核擦肩而过,不能被铀核捉住也就不能发生裂变反应。实验证明只有速度与热运动速度相当的中子最适于引发裂变,所以要设法使裂变产生的速度很大的快中子减速,为此要在铀棒周围放“慢化剂”,使快中子跟慢化剂中的原子核碰撞,使快中子的能量减小,变为慢中子即热中子;常用的慢化剂有石墨、重水和普通水。3.原子弹也是链式反应的核裂变,它在瞬间释放巨大的能量,如何使核裂变的速度慢下来?用什么控制裂变的速度?
提示:调节中子的数量就可以调节裂变的原子核的数量,就可达到控制核裂变的反应速度的目的。镉吸收中子的能力很强,在铀棒之间插进一些镉棒,当裂变反应过于激烈时,将镉棒插入得深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些;链式反应过缓时可以把镉棒向外抽出一些,使它少吸收一些中子,链式反应的速度就会加快一点,从而使得链式反应得到控制。4.如何实现裂变释放的核能转变为电能?核反应有很强的放射性,如何防止核泄漏和核辐射?
提示:反应堆内释放的热量通过水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动传到热交换器,再通过热交换器传到第二回路的水使水吸热变为蒸汽,通过蒸汽推动汽轮机带动发电机发电;反应堆是建在很坚固的金属壳之内的。第一回路循环和第二回路的热交换器,全部用很厚的水泥防护层罩住,从而可以严防核辐射的泄漏。【探究总结】
1.核能的利用:
(1)核武器:原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短的时间内释放出来。
(2)核电站:核电站是利用缓慢释放的核能来发电,这是核能的和平利用。
(3)核反应堆:原子核的链式反应可以在人工控制下进行,使核能较平缓地释放出来,这样释放的核能就可以为人类的和平建设服务。2.核电站的环保性和安全性:
(1)核电站不排放二氧化碳、氮氧化合物等造成温室效应或酸雨的气体和烟尘,有利于环境保护。
(2)为防止放射性物质的泄露,核电站一般有4道安全屏障,大大提高了核能利用的安全性。【即时训练】
1.(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是 ( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.可以通过调节镉棒来调节反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,所以可以调节反应堆的功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;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,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。2.铀核裂变的许多可能的核反应中的一个是
(1)试计算一个铀235原子核裂变后释放的能量。(
的质量分别为235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u、
1.008 7 u)
(2)1 kg铀235原子核发生上述裂变时能放出多少核能?它相当
于燃烧多少煤释放的能量?(煤的热值为2.94×107J/kg)(阿伏
加德罗常数NA=6.02×1023mol-1)【解题探究】(1)求一个铀原子核裂变后释放的能量用公式_________计算。
(2)x千克铀原子核所含原子核个数的公式____________。ΔE=Δmc2【解析】(1)裂变反应的质量亏损为
Δm=(235.043 9+1.008 7-140.913 9-91.897 3-3×
1.008 7)u≈0.215 3 u。
一个铀235原子核裂变后释放的能量为
ΔE=Δmc2=0.215 3×931.5 MeV≈200.6 MeV。(2)1 kg铀235中含原子核的个数为
N= ×6.02×1023≈2.56×1024(个)
1 kg铀235原子核发生裂变时释放的总能量
ΔEN=N·ΔE=2.56×1024×200.6 MeV≈5.14×1026MeV。
设q为煤的热值,M为煤的质量,有ΔEN=qM,所以
M= kg≈2 800 t。
答案:(1)200.6 MeV (2)5.14×1026MeV
相当于燃烧2 800 t煤课件46张PPT。6
核 裂 变一、核裂变及链式反应
1.核裂变:重核被_____轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反
应。
2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多样的,
其中一种典型的裂变是
3.链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应___________继续下去的过程叫核裂变的链式反应。中子一代接一代4.临界体积和临界质量:把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。
5.核裂变的能量:1kg铀235全部裂变放出的能量相当于_______标准煤完全燃烧时释放的化学能。2 800t【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。( )
提示:(1)×。铀核裂变的产物是多样的。
(2)×。裂变中放出的中子数目有多有少。
(3)√。只有铀块的体积大于临界体积时,裂变产生的中子才能够有足够的概率打中某个铀核,使链式反应进行下去。二、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___________________
作慢化剂。反应堆铀棒石墨、重水或普通水(3)控制棒:为了调节中子数目以控制反应速度,还需要在铀棒之间
插进一些隔棒。镉_________的能力很强,当反应过于激烈时,将隔棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度会慢一些,这种镉棒叫作控制棒。吸收中子2.工作原理:___________释放的能量,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循环流动,
把反应堆内的_____传输出去,用于发电。同时也使反应堆冷却。
4.核污染的处理:为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、
空气和工作场所造成的放射性污染,在反应堆的外面需要修建很厚
的_______,用来屏蔽_________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。核燃料裂变热量水泥层裂变反应放射性【判一判】
(1)在核反应中,中子的速度越大越容易击中铀核。 ( )
(2)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。 ( )
(3)核反应堆用过的核废料无毒无害。 ( )
提示:(1)×。在核反应中,中子的速度不能太快,否则不能发生核裂变。
(2)√。核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度。
(3)×。核反应堆用过的核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器深埋地下。一、对重核裂变和链式反应的分析
思考探究:
如图为核裂变示意图。(1)重核裂变是一种天然现象吗?
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应?
提示:(1)重核裂变不是天然现象,是中子轰击才能发生的核反应。
(2)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。【归纳总结】
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200MeV估算,1kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t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。4.铀的同位素中铀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1MeV的中子才能发生裂变,且裂变的几率小。能量低于1MeV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。【特别提醒】
(1)裂变的中子方面:铀核裂变的产物是多样的,放出的中子数目有多有少,中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面:裂变物的体积必须大于临界体积才能发生链式反应。【典例示范】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 ( )
A.这个实验的核反应方程是
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.这个反应中释放出的能量不可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D.实验中产生的γ射线穿透能力极强【解题探究】
(1)怎样分析判断核反应方程是否正确?
提示:根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒分析判断。
(2)如何判断反应前后粒子的质量关系。
提示:根据核反应是吸能还是放能反应判断。【正确解答】选D。根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反
应方程应为: ,选项A不正确;铀核裂变过程中产生γ射线,放出能量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C不正确;核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。【过关训练】
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.重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能【解析】选D。核裂变释放的能量来源于裂变过程的质量亏损,是核能转化为其他形式能的过程,其能量远大于俘获中子时吸收的能量,A错,D对。发生链式反应是有条件的,铀块的体积必须大于其临界体积,否则中子从铀块中穿过时,可能碰不到原子核,则不会发生链式反应,B错。重核裂变时,核子数守恒,C错。2.(2015·江苏高考)核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进
行发电, 是核电站常用的核燃料。 受一个中子轰击后裂变成
两部分,并产生 个中子。要使链式反应发生,裂变物质的体积要 (选填“大于”或“小于”)它的临界体积。【解析】由质量数和电荷数守恒可知:
可见产生了3个中子,链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。
答案:3 大于【补偿训练】
1.下列核反应中,表示核裂变的是 ( )【解析】选C。 是α衰变， 是β衰变，
是人工转变，只有C选项是重核裂变。2.关于重核的裂变,以下说法中正确的是 ( )
A.铀235被中子轰击后都会分裂成两块质量差不多的碎块,同时放出几个中子
B.铀235被中子轰击后二者都会发生分裂
C.要使铀块发生链式反应,其体积必须足够大
D.铀235分裂成两个中等质量的核,比结合能减小,放出核能【解析】选C。铀核也有三分裂、四分裂现象,A错误;慢中子最适于引发裂变,但并不是轰击后都会发生分裂,B错误;要发生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积,C正确;中等质量核的比结合能最大,铀核分裂时比结合能增大,放出核能,D错误。【规律方法】准确理解裂变的特点
(1)重核受中子轰击后生成中等质量的核。
(2)裂变中一般产生2～3个中子。
(3)裂变时产生质量亏损放出能量。二、核电站的结构及工作原理
思考探究:
如图所示为核电站工作流程示意图(1)核电站的核心设施是什么?
(2)核电站是如何实现能量的转化与转移的?
提示:(1)核反应堆是核电站的核心设施,原子核的链式反应在此进行。
(2)在核反应堆中核能转化为内能,在第一回路通过水或钠将反应堆内的热量传输出去,在第二回路用于发电,内能转化为电能。【归纳总结】
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,它的主要部件列表如下: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,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成,石墨(重水)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,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
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。【典例示范】(多选)(2013·广东高考)铀核裂变是核电站核能的
重要来源,其一种裂变反应式是
下列说法正确的有 ( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响【解题探究】
(1)链式反应有什么特点?
提示:①反应产生的中子多于反应需要的中子。
②铀块体积要大于临界体积。
(2)原子核的半衰期由什么因素决定?
提示:由元素本身决定,与原子核所处的物理、化学状态无关。【正确解答】选A、C。核裂变反应是重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应,A选项正确;铀块要发生链式反应需达到一定的体积,B选项错误;链式反应可人工控制用以建立核电站,C选项正确;原子核的半衰期由原子核本身的性质决定,与其所处的环境或状态无关,D选项错误。【过关训练】
1.(拓展延伸)【典例示范】中,若铀核裂变放出的不是3个中子而
是两个中子,发生了如下的核反应:
则a+b可能是( )
【解析】选D。根据题中所给裂变反应方程,质量数守恒,电荷数守恒,故a+b的质量数应为235+1-2=234,电荷数应为92,故只有D选项正确。2.核反应堆是实现可控制的重核裂变链式反应的一种装置,它的主要组成部分是 ( )
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、发热系统和传热系统
C.原子燃料、调速剂、碰撞系统和热系统
D.原子燃料、中子源、原子能聚存和输送系统【解析】选A。核反应堆的主要部分包括:①燃料,即浓缩铀235;②慢化剂,采用石墨、重水或普通水;③控制棒,控制链式反应的速度;④冷却系统,水或液态钠等流体在反应堆内外循环流动,把反应堆的热量传输出去用于发电,故A正确,B、C、D错。【补偿训练】
1.(多选)关于核反应堆,下列说法正确的是 ( )
A.铀棒是核燃料,裂变时释放核能
B.镉棒的作用是控制反应堆的功率
C.石墨的作用是吸收中子
D.冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能【解析】选A、B、D。铀棒是核燃料,裂变时可放出能量,故A正确;镉棒吸收中子的能力很强,作用是调节中子数目以控制反应速度,即控制反应堆功率,故B正确;慢中子最容易引发核裂变,所以在快中子碰到铀棒前要进行减速,石墨的作用是使中子减速,故C错误;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,同时也使反应堆冷却,控制温度,故D正确。2.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】选C。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。【误区警示】对重核裂变的三个误区
(1)误认为既然重核裂变时有质量亏损,那重核裂变时质量就不守恒,因此质量数也不守恒。产生这种误区的原因是对重核裂变反应的本质及核反应的规律理解不到位。核反应遵守的是质量数和电荷数守恒而非质量守恒,只有反应前后有质量亏损,核反应才能向外释放出能量。
(2)误把核反应方程中的单向箭头写成等号。产生这种误区的原因是把核反应方程和化学方程式混淆了,核反应方程一般都是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示核反应的方向,而不能用等号来连接。(3)误认为只要满足反应前后电荷数和质量数相等的核反应一定能够发生。产生这种误区的原因是对核反应的规律理解太机械,核反应要以实验为基础写出生成物的种类,即所书写的核反应方程必须是能够真实发生的,不能仅仅依据质量数和电荷数守恒编造不存在的核反应方程。【拓展例题】考查内容:裂变过程的核能计算
【典例示范】用中子轰击铀核( ),其中的一个可能反应是分裂
成钡( )和氪( )两部分,放出3个中子。各个核和中子的质量如下:
mU=390.3139×10-27kg,mn=1.6749×10-27kg
mBa=234.0016×10-27kg,mKr=152.6047×10-27kg
试写出核反应方程,算出反应中释放的核能。【正确解答】根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒,可以写出核反应方程为
核反应前后的质量亏损为
Δm=mU+mn-mBa-mKr-3mn=0.3578×10-27kg
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE=Δmc2=0.3578×10-27×(3×108)2J
=3.2202×10-11J。
答案: 3.2202×10-11J19.7-17.8核聚变 粒子和宇宙
1.(多选)下列关于聚变的说法中,正确的是 ( )
A.要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万度的高温,因此轻核聚变又叫做热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万度的高温,所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D.只有太阳内部进行着剧烈的热核反应
【解析】选A、B、C。轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15m,故必须克服库仑斥力做功,A正确;要克服核子间作用力做功,必须有足够大的动能,方法就是将其加热到几百万度的高温,B正确;热核反应必须在几百万度的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得,C正确;在太阳和许多恒星内部都存在热核反应,D错误。
2.重核的裂变和轻核的聚变是人类利用核能的两种主要方法,下面关于它们的说法中正确的是 ( )
A.裂变和聚变过程都有质量亏损
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.裂变过程质量有所增加,聚变过程有质量亏损
D.裂变和聚变过程质量都有所增加
【解析】选A。重核裂变和轻核聚变都会放出能量;根据质能互换可知,它们都有质量亏损,故A正确,B、C、D错误。
3.(2014·珠江高二检测)现有三个核反应方程:
NaMge HHHen
下列说法正确的是 ( )
A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变
B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变
C.①是β衰变,②是裂变,③是聚变
D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变
【解析】选C。裂变是重核变为中等质量的核,②是;衰变有α衰变和β衰变,α衰变的结果是释放氦核,β衰变的结果是从原子中释放电子,①是;聚变是质量较小的核结合成质量较大的核,③是。综上所述C正确。
4.(多选)(2013·德州高二检测)下列关于夸克模型的说法正确的是 ( )
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
【解析】选A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
5.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近
( )
A.1036kg B.1018kg C.1013kg D.109kg
【解析】选D。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm==kg=4.4×109kg。
6.(多选)月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3He)”的化学元素,是热核聚变的重要原料。科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3,如果相关技术研究成功,将为地球带来取之不尽的能源。关于氦3与氘核聚变,下列说法中正确的是
( )
A.核反应方程为HeHHeH
B.核反应生成物的质量将大于参加反应物质的质量
C.氦3He)一个核子的结合能大于氦4He)一个核子的结合能
D.氦3He)与氘核发生聚变反应将放出能量
【解析】选A、D。氦3He)与氘核聚变的核反应方程符合质量数与电荷数守恒,故A对;聚变是放能反应,故D对;因为聚变反应放出大量的能量,因此核反应生成物的质量将小于参加反应物质的质量,即质量有亏损,故B错;因为较小的核合并成较大的核,核子的结合能都会增加,故C错。
7.(2013·山东高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应,当温度达到108K时,可以发生“氦燃烧”。
(1)完成“氦燃烧”的核反应方程He+______?Be+γ。
(2Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16s。一定质量的Be,经7.8×10-16s后所剩Be占开始时的________。
【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:
(1)核反应方程与电荷守恒定律;
(2)半衰期及剩余质量的计算方法。
【解析】(1)根据核反应方程和电荷守恒定律可知HeHeBe+γ。
(2Be的半衰期为2.6×10-16s,经过7.8×10-16s后,也就是经过3个半衰期后剩余的质量为
m′=()nm=()3m,
所剩Be占开始时的。
答案:(1He (2)或12.5%
8.(2014·辽师大附中高二检测)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为HCN+Q1HNC+X+Q2,方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:
原子核
H
He
He
C
N
N
质量/u
1.007 8
3.016 0
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
则X是__________,Q2__________(选填“大于”“等于”或“小于”)Q1。
【解析】据核反应过程中反应前后质量数和电荷数守恒,有X为He;据ΔE=Δmc2,Δm为质量亏损,c为光速,经过计算Δm1=0.002 1u,Δm2=0.005 3u,则可以知道Q2>Q1。
答案: 大于
9.一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 0 u。
(1)写出聚变方程;
(2)释放出的核能多大?
(3)平均每个核子释放的能量是多少?
【解析】(1)聚变方程为H+nH
(2)质量亏损
Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u
释放的核能
ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV=2.08 MeV。
答案:(1H+nH (2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV
1.(多选)据新华社报道,由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是 ( )
A.“人造太阳”的核反应方程是HHHen
B.“人造太阳”的核反应方程是n→Kr+n
C.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2
D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=mc2
【解析】选A、C。“人造太阳”发生的是氢核聚变,所以核反应方程式为HHHen,而B选项中的核反应是核裂变,故A正确,B错误;“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2,而核能大小的计算公式为E=mc2,故选项C正确,D错误。
2.(多选)我国自行研制了可控热核反应装置“超导托卡马克”。设可控热核反应前氘核的质量为m1,氚核的质量为m2,反应后氦核的质量为m3,中子的质量为m4。已知光速为c。下列说法正确的是 ( )
A.这种装置中发生的反应方程式是HHHen
B.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C.核反应释放的能量为(m1+m2-m3-m4)c2
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用的核装置的核反应原理是相同的
【解析】选A、C。由核反应的反应物、生成物及电荷数和质量数守恒可知A正确;质量数守恒不是质量守恒,这一核聚变反应过程要释放大量的能量,有质量亏损,B错误;由质能方程知C正确;大亚湾核电站所使用的核装置是利用核的裂变反应原理,D错。
3.K-介子衰变的方程为:K-π-+π0,其中K-介子和π-介子带负的基本电荷,π0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧AP,衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB,两轨迹在P点相切如图所示,它们的半径与之比为2∶1,π0介子的轨迹未画出,由此可知π-的动量大小与π0的动量大小之比为 ( )
A.1∶1 B.1∶2
C.1∶3 D.1∶6
【解析】选C。由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律知:
轨道半径R==∝p
所以==
即=
又由动量守恒定律=-
得=+=
所以=
4.两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素)。已知氘核的质量mD=2.01360u,氦核的质量mHe=3.0150u,中子的质量mn=1.0087u。
(1)写出聚变方程并计算两个氘核聚变释放的核能。
(2)若反应前两个氘核的动能均为0.35MeV。它们正面对撞发生聚变,且反应后释放的核能全部转化为动能,则产生的氦核和中子的动能各为多大?
【解析】(1)聚变的核反应方程:HHen,
核反应过程中的质量亏损为
Δm=2mD-(mHe+mn)=0.0035u
释放的核能为ΔE=Δmc2=0.0035uc2=3.26MeV
(2)对撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反应前后系统的动量为0,即
0=mHevHe+mnvn,
反应前后总能量守恒,得
mHe+mn=ΔE+2EkD。
解得EkHe=0.99MeV,Ekn=2.97MeV。
答案:(1)HHen 3.26MeV
(2)0.99MeV 2.97MeV
【总结提升】三种方法求聚变反应中的质量亏损
在核聚变反应中,释放出核能,聚变后的总质量小于聚变前的总质量,即发生了质量的亏损。在计算质量亏损时往往有以下几种情况:
(1)最简单的是已知聚变前后各粒子的质量,则质量亏损=反应前总质量-反应后总质量。
(2)复杂一些的是已知聚变反应释放的核能,则可根据质能方程求出聚变反应的质量亏损。
(3)最复杂的是不告诉聚变释放的核能而仅告诉聚变前各粒子的速度。这时我们可以先利用动量守恒求出反应后粒子的速度,再根据速度求出聚变反应前后的总动能,然后用反应后总动能减去反应前总动能求出聚变反应释放的核能,最后由质能方程求出质量亏损。
5.有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。求:
(1)该聚变反应释放多少能量?
(2)若1 g氢完全聚变,能释放多少能量?
(3)1 g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?(已知煤的燃烧值q=3.36×107J/kg,氢核质量为1.008 142 u,氦核质量为4.001 509 u,电子的质量为0.000 549 u)
【解析】(1)核反应方程为:
HHe+e,
所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008 142 u-4.001 509 u-2×0.000 549 u
=0.029 961 u
ΔE=Δmc2=0.029 961uc2=0.029 961×931.5 MeV=27.91 MeV=4.47×10-12J
(2)1 g氢完全聚变释放的能量为
E=×6.02×1023×4.47×10-12J=6.73×1011J
(3)相当于煤完全燃烧的质量为
m=kg=2.00×104kg
答案:(1)4.47×10-12J (2)6.73×1011J
(3)2.00×104kg
19.7-19.8核聚变 粒子和宇宙
【小题达标练】
一、选择题
1.(多选)(2015·石家庄高二检测)关于核反应的类型,下列表述正确的
有 ( )
A.是α衰变
B.是β衰变
CHHHen是轻核聚变
DSeKr+e是重核裂变
【解析】选A、C。选项A是α衰变,选项B是原子核的人工转变,选项C是核聚变,选项D是β衰变,选项A、C正确。
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
【解析】选B。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.(2015·广州高二检测)我国自行研制了可控热核反应实验装置“超导托卡马克”(英名称:EAST,俗称“人造太阳”)。设可控热核实验反应前氘核H)的质量为m1,氚核H)的质量为m2,反应后氦核He)的质量为m3,中子n)的质量为m4,光速为c,正确说法正确的是 ( )
A.这种装置中发生的核反应方程式是HHHen
B.由核反应过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C.核反应放出的能量等于(m1-m2-m3-m4)c2
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用装置的核反应原理相同
【解析】选A。核反应方程为HHHen,选项A正确;反应过程中向外释放能量,故质量有亏损,且释放的能量ΔE=Δmc2=(m1+m2-m3-m4)c2,选项B、C错误;可控热核反应为核聚变,大亚湾核电站所用核装置反应原理为核裂变,选项D错误。
【补偿训练】(多选)(2015·昆明高二检测)据新华社报道,我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是 ( )
A.“人造太阳”的核反应方程是HHHen
B.“人造太阳”的核反应方程是UnBaKr+n
C.“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2
D.“人造太阳”核能大小的计算公式是E=mc2
【解析】选A、C。“人造太阳”内进行的是核聚变反应,应符合质量数守恒,故A正确,B错误。核反应放出的能量应由爱因斯坦质能方程计算,C正确,D错误。
4.下列说法正确的是 ( )
A.聚变是裂变的逆反应
B.核聚变反应须将反应物加热到数百万开尔文以上的高温,显然是吸收能量
C.轻核聚变比裂变更为安全、清洁
D.强子是参与强相互作用的粒子,中子是最早发现的强子
【解析】选C。聚变和裂变的反应物和生成物完全不同,两者无直接关系,并非互为逆反应,故A错;实现聚变反应必须使参加反应的轻核充分接近,需要数百万开尔文的高温,但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量,所以聚变反应还是释放能量,故B错;实现聚变需要高温,一旦出现故障,高温不能维持,反应就自动终止了,另外,聚变反应比裂变反应生成的废物数量少,容易处理,故C对;质子是最早发现的强子,故D错。
5.(2015·福建师大附中高二检测)关于粒子,下列说法中不正确的是 ( )
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
【解析】选A。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,选项B对;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+或-,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故选项D正确。
6.(多选)关于轻核聚变,下列说法正确的是 ( )
A.两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
B.同样质量的物质发生聚变时放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多
C.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
D.发生聚变反应时的原子核必须有足够大的动能
【解析】选B、D。根据比结合能图线可知,聚变后比结合能增加,因此聚变反应中会释放能量,故A错误;聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍,故B正确;裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反应时,要使轻核之间的距离达到10-15m以内,这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应,故C错误,D正确。
【易错提醒】解答本题的两个易错点:
(1)忽略了中等质量核的比结合能大,错选答案A。
(2)与核裂变的条件混淆,错选答案C。
7.某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为
HCN+Q1 ①,
HNC+X+Q2 ②,
方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量如表:
原子核
H
H
He
C
N
N
质量/u
1.0078
3.0166
4.0026
12.0000
13.0057
15.0001
以下推断正确的是 ( )
A.X是He,Q2>Q1 B.X是He,Q2>Q1
C.X是He,Q2【解析】选B。由质量数守恒和电荷数守恒,可判断X为He,①式的质量亏损为Δm1=1.0078u+12.0000u-13.0057u=0.0021u。②式的质量亏损为Δm2=1.0078u
+15.0001u-12.0000u-4.0026u=0.0053u,所以Δm2>Δm1根据质能方程ΔE=Δmc2可求解Q2>Q1,故选B。
【互动探究】这两个核反应方程放出的能量之差是多少?
【解析】ΔE=Δmc2=(0.0053u-0.0021u)×931.5MeV
=2.981MeV
答案:2.981MeV
二、非选择题
8.(2013·山东高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应,当温度达到108K时,可以发生“氦燃烧”。
(1)完成“氦燃烧”的核反应方程He+ ?Be+γ。
(2Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16s。一定质量的Be,经7.8×10-16s后所剩Be占开始时的___________。
【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:
(1)核反应方程与电荷数、质量数守恒;
(2)半衰期及剩余质量的计算方法。
【解析】(1)根据核反应方程和电荷数、质量数守恒可知HeHeBe+γ。
(2Be的半衰期为2.6×10-16s,经过7.8×10-16s后,也就是经过3个半衰期后剩余的质量为m′=m=m,
所剩Be占开始时的。
答案:(1He (2)或12.5%
【大题提升练】
1.(1)关于近代物理,下列说法正确的是 ( )
A.α射线是高速运动的氦原子
B.核聚变反应方程HHHen中n表示质子
C.从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比
D.玻尔将量子观念引入原子领域,其理论能够解释氢原子光谱的特征
(2)我国自行设计并研制的“人造太阳”——托卡马克实验装置运行获得重大进展,这标志着我国已经迈入可控热核反应领域先进国家行列。该反应所进行的聚变过程是HHHen,反应原料氘H)富存于海水中,而氚H)是放射性元素,自然界中不存在,但可以通过中子轰击锂核Li)的人工核转变得到。
①请把下列用中子轰击锂核Li)产生一个氚核H)和一个新核的人工核转变方程填写完整: ?n ?H。
②在①中,每产生1g氚的同时有多少个Li核实现了核转变?(阿伏加德罗常数NA取6.0×1023mol-1)
③一个氘核和一个氚核发生核聚变时,平均每个核子释放的能量为5.6×10-13J,求该核聚变过程中的质量亏损。
【解析】(1)选D。α射线是氦原子核,A错n表示中子,B错;据光电效应方程Ekm=
hν-W0可知,光电子的最大初动能随照射光的频率的增大而增大,并不成正比,C错;玻尔的量子观念能解释氢原子光谱,D对。
(2)①核反应方程为LinHeH。
②因为1g氚为mol,根据核反应方程,实现核转变的Li也为mol,所以有2.0×1023个Li实现了核转变。
③根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,核聚变反应中有5个核子参加了反应,5个核子释放总能量ΔE=5×5.6×10-13J=2.8×10-12J,所以质量亏损为Δm=
=kg=3.1×10-29kg。
答案:(1)D (2)LiHe ②2.0×1023个 ③3.1×10-29kg
2.(1)(多选)如图所示,托卡马克(tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidaL(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下列判断中可能正确的是( )
A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D.这种装置是科学家设想的其中一种方案
E.该装置是利用聚变物质的惯性进行约束
(2)有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。求:
①该聚变反应释放多少能量?
②若1g氢完全聚变,能释放多少能量?
③1g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?(已知煤的燃烧值q=3.36×107J/kg,氢核质量为1.008142u,氦核质量为4.001509u,电子的质量为0.000549u)
【解析】(1)选A、B、D。聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A对;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用旋转而不溢出,故B对;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错;该装置是科学家设想的其中一种方案,另一种方案是利用聚变物质的惯性进行约束,故D对E错。
(2)①核反应方程为:HHe+e,
所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008142u-4.001509u-2×0.000549u=0.029961u
ΔE=Δmc2=0.029961uc2=0.029961×931.5MeV=27.91MeV=4.47×10-12J
②1g氢完全聚变释放的能量为
E=×6.02×1023×4.47×10-12J=6.73×1011J
③相当于煤完全燃烧的质量为
m=kg=2.00×104kg
答案:(1)A、B、D (2)①4.47×10-12J ②6.73×1011J
③2.00×104kg
【补偿训练】(2015·衡水高二检测)当一个中子和一个质子结合成氘核时,产生γ光子辐射,对这一实验事实,下列说法正确的是 ( )
A.上述实验事实的核反应方程是:H+γHn
B.一个中子和一个质子结合成氘核时,要吸收一定的能量
C.γ光子的质量为零,氘核的质量等于中子与质子的质量之和
D.γ光子具有一定的能量,氘核的质量小于中子与质子的质量之和
【解析】选D。根据质量数和电荷数守恒知,上述实验的核反应方程为HnH+γ,A错误;聚变反应中有质量亏损要放出能量,故B错误;聚变反应中亏损的质量转化为能量以光子的形式放出,氘核的质量小于中子与质子的质量之和,故C错误,D正确。
课件39张PPT。7 核 聚 变
8 粒子和宇宙1.知道轻核的聚变反应,关注受控聚变反应研究的进展。
2.初步了解粒子物理学的基础知识,初步了解恒星的演化。
3.通过核能的利用,思考科学技术与社会进步的关系。一、核聚变
1.核聚变:
(1)定义:两个轻核结合成质量_____的核的反应。轻核聚变必
须在高温下进行,因此又叫_________。
(2)核反应举例: 较大热核反应2.受控热核反应:
(1)定义:为了使巨大的热核反应能量不以爆炸的形式释放,而
是在_____控制下逐渐释放出来并加以_____的热核反应。
(2)条件:热核燃料加热到非常高的_____;热核反应释放的能量
足以补偿形成聚变过程中所损失的能量。人工利用温度(3)聚变与裂变的对比优点:
①轻核聚变_____效率高;
②地球上聚变燃料的储量_____;
③轻核聚变更___________。
(4)约束核聚变材料的方法:_______和惯性约束。产能丰富安全、清洁磁约束二、粒子和宇宙
1.发现新粒子:
(1)新粒子的发现:1932年发现了_______,1937年发现了_____, 1947年发现了K介子和π介子,迄今发现的粒子已达到400多
种。正电子μ子(2)反粒子:实验中发现,许多粒子都存在着质量与它们_____,
而电荷及其他一些物理性质_____的粒子。
(3)分类:强子、_____和_______。
(4)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。相同相反轻子媒介子夸克2.宇宙及恒星的演化:
(1)宇宙的演化从___________开始。
(2)恒星的演化经历了宇宙尘埃,星云团,恒星诞生,最后恒星的
热核反应停止后恒星演变为_______、_______或_____。宇宙大爆炸白矮星中子星黑洞1.判一判:
(1)热核反应就是原子核的温度很高的反应。 ( )
(2)聚变与裂变相比有产能效率高、燃料储量丰富和安全清洁等优点。 ( )
(3)受控热核反应不容易实现的主要原因是聚变的条件和难以约束聚变的材料。 ( )
(4)质子属于强子,电子属于轻子,夸克属于媒介子。 ( )提示:(1)×。热核反应是指核燃料的温度要高达几百万开尔文,对于原子核来说是指平均动能很大。
(2)√。聚变的核子平均释放的结合能大,反应过程除辐射高能量的光子外不产生核废料,聚变燃料储量非常丰富且安全、清洁。(3)√。受控热核反应既要达到聚变需要的几百万开尔文的温度,又要使反应在一定的区域内完成,没有约束反应的容器是一个难题。
(4)×。质子属于强子,电子属于轻子,但夸克是组成强子的成分。2.想一想:
(1)氢弹爆炸的威力相比原子弹爆炸的威力哪一个大?为什么?
提示:氢弹的威力大。氢弹爆炸是核聚变的结果,而核聚变释放的核能比原子弹中核裂变释放的核能要大得多,故氢弹的威力大。(2)为什么说“基本粒子”不基本?
提示:一方面是因为这些原来被认为不可再分的粒子还有自己的复杂结构,另一方面是因为新发现的很多种新粒子都不是由原来认为的那些基本粒子组成的。主题一 探究核聚变
【问题探究】
1.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:(1)微观上:参与反应的原子核必须接近到核力的作用范围内,约为10-15m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,由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。
(2)宏观上:要使原子核具有足够大的动能,就得把它加热到几百万开尔文的高温,才能使聚变反应发生,因此聚变又叫热核反应。2.与重核的裂变相比聚变有哪些特点?
提示:(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:热核反应在宇宙的恒星中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。3.目前人们实现的核聚变是什么?实现热核反应存在的困难是什么?
提示:(1)目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸,是由普通炸药引爆原子弹,再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核反应,但这是不可控制的。
(2)实现热核反应存在的困难是:地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。4.如何实现对热核反应的控制?可控热核反应有哪些优点?
提示:(1)可能实现对热核反应的控制方法:
磁约束:利用磁场来约束参加反应的物质。环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。
惯性约束:利用强激光从各个方向照射参加反应的物质,使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。
(2)可控热核反应的优点:放射性污染小,不产生核废料,核燃料十分丰富。5.人们为什么要研究可控热核反应?或者说实现可控热核反应的必要性是什么?
提示:实现可控热核反应是有必要的,原因是:由于地球上化石燃料和裂变材料的储量有限,开发聚变能量非常必要,并且是一项十分紧迫的任务。各国科学家都在加紧研究,尽快地在地球上制造出人类自己的“太阳”,缓解甚至消除能源危机的困扰。再者,重核的裂变产生的核废料辐射性很强,而且半衰期很长,特别是福岛核电站由于地震造成的核泄漏又给世人敲了一次警钟,更激发起人们开发可控热核反应能源的极大期望。【探究总结】
1.衰变、人工转变、裂变和聚变方程的区别:
(1)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。
(2)人工转变通常是用α粒子或中子去轰击靶核,靶核俘获入射粒子后产生新的原子核,并放出一个或几个粒子的反应。
(3)重核分解成中等质量的核的反应叫裂变,轻核聚合成重核的反应叫聚变。2.裂变与聚变的对比:【即时训练】
1.(多选)聚变与裂变相比,下列说法正确的是 ( )
A.聚变比裂变产能效率高
B.由于聚变所产生的核能比裂变大得多,故裂变更安全
C.原子弹的燃料是
D.氢弹的原理是核聚变,需由原子弹来引爆【解题探究】(1)聚变反应比裂变反应平均每个核子放能___。
(2)聚变反应后产生的核废料,基本_______放射性,裂变后的
产物_____放射性。多不具有具有【解析】选A、C、D。聚变比裂变的比结合能大,故A正确;在目
前的条件下,在重核的裂变过程中所产生的放射性污染要比轻
核聚变时大得多,故B错;原子弹利用的核裂变燃料为 ,氢弹
利用的核聚变需要原子弹来引爆,故C、D正确。2.以下说法正确的是 ( )
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量
C.聚变需将反应物加热至数百万度以上高温,显然聚变过程是吸收能量的
D.裂变与聚变均可释放巨大能量【解析】选D。从形式上看,裂变与聚变似乎是互为逆反应,但其实不然,因为二者的反应物与生成物全然不同。裂变是重核分裂成中等核,而聚变则是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应,所以A错误;既然裂变与聚变不是互为逆反应,则在能量的流向上也不必相反,B项错误;要实现聚变反应,必须使参加反应的轻核充分接近,需要数百万度高温提供能量。但聚变反应一旦实现,所释放的能量远大于所吸收的能量。因此,总的说来,聚变反应还是释放热量,所以C错误,D正确。主题二 粒子
【问题探究】
1.结合下表分析粒子的分类及特点。夸克介子和重子内部结构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2.强子和夸克的关系是怎样的?夸克分多少种?它的带电性是怎
样的?什么是夸克的“禁闭”?
提示:夸克是强子的基本组成成分;夸克有6种:上夸克、下夸
克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克;它们带的电荷分别
为元电荷的 每种夸克都有对应的反夸克;夸克不能以
自由的状态单个出现的性质,叫夸克的“禁闭”。3.什么是反粒子?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,叫反粒子。按照粒子的对称性,有一个粒子,就应该有一个反粒子。4.“夸克模型”的提出有什么物理意义?
提示:夸克模型的提出是物理学发展史中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。而另一方面也说明科学正是由于一个一个的突破才得到进一步的发展。【探究总结】
轻子的理解
每种轻子都有对应的反粒子。目前发现的轻子只有6种,其中τ子的质量比核子的质量还大,但从力的性质上讲,它仍然属于轻子。【即时训练】
1.(多选)已知π+介子、π-介子都是由一个夸克(夸克u或夸克
d)和一个反夸克(反夸克 或反夸克 )组成的,它们的带电量
如表所示,表中e为元电荷。
下列说法正确的是 ( )
A.π+由u和 组成 B.π+由d和 组成
C.π-由u和 组成 D.π-由d和 组成【解析】选A、D。根据电荷量关系可知,由于π+介子带有+e的
电量,又由于π+介子是由u夸克和d夸克组成,根据题意可知π+
介子(+e)应由一个夸克 和反夸克 合成,同理
π-介子由夸克d和反夸克 构成,A、D项正确。2.在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子
的性质十分特别,因此在实验中很难探测。1953年,莱尼斯和柯
文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统,利用中微子
与水中 的核反应,间接地证实了中微子的存在。
(1)中微子与水中的 发生核反应,产生中子 和正电子
即:中微子 可以判定,中微子的质量数和电荷数
分别是________。(填写选项前的字母)
A.0和0 B.0和1 C.1和0 D.1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,可以转变为两个光子(γ),即
已知正电子和电子的质量都为9.1×10-31kg,反应中产生的每个光子的能量约为________J。正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,原因是____________________________。【解题探究】(1)核反应过程中,_______和_______守恒。
(2)正电子和负电子相遇后湮灭,根据_________可以计算光子
的能量。质量数电荷数质能方程【解析】(1)发生核反应前后,粒子的质量数和电荷数均不变,
据此可知中微子的质量数和电荷数都是0,A项正确。
(2)产生的能量是由于质量亏损。两个电子转变为两个光子之
后,质量变为零,则E=Δmc2,故一个光子的能量为 ,代入数据
得 =8.2×10-14J。正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎
静止的整体,故系统总动量为零,故只产生一个光子是不可能的,
因为此过程遵循动量守恒定律。
答案:(1)A (2)8.2×10-14 此过程遵循动量守恒定律课件51张PPT。7 核 聚 变
8 粒子和宇宙一、核聚变
1.定义:两个轻核结合成_________的核,并释放出_____的反应。
2.举例:
3.条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到_____m以内,核力
才能起作用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须
克服巨大的_________,这就要求原子核具有足够的动能,有一种方法
就是把它们加热到很高的温度,温度高达_______开尔文,因此聚变又
叫_________。质量较大能量10-15库仑斥力几百万热核反应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___,太阳中心温度可达1.5×107K,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。氢弹原子弹氢聚变【判一判】
(1)核聚变时吸收能量。 ( )
(2)核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。 ( )
(3)热核反应主要用在核武器上,那就是原子弹。 ( )
提示:(1)×。核聚变时不是吸收能量而是放出能量。
(2)√。核聚变平均每个核子放出的能量,比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。
(3)×。热核反应主要用在核武器上,那是氢弹。二、受控热核反应
1.聚变的优点:第一:轻核聚变产能效率高。第二:地球上聚变燃料的储量丰富。第三: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【判一判】
(1)轻核聚变比裂变更安全、清洁。 ( )
(2)实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。 ( )
(3)现在已经实现了技术突破,能够稳定地输出聚变能。( )
提示:(1)√。轻核聚变比裂变更安全、清洁。
(2)√。实现核聚变的难点是地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。
(3)×。实现受控核聚变还有一段很长的路要走。三、粒子和宇宙
1.基本粒子不基本:
(1)19世纪末,人们都认为_____、电子、_____和中子是组成物质
的不可再分的最基本的粒子。
(2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、
中子、电子组成的,又发现___________等本身也有自己的复杂结构。光子质子质子、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______和_______及以后的质量比质子的质量大的_____。
(2)粒子的分类:按照___________________的不同关系,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,认为强子是由更基本的成分组成,这种成分叫作_____。夸克
模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在_________。正电子μ子K介子π介子超子粒子与各种相互作用强子轻子媒介子夸克分数电荷3.宇宙和恒星的演化:
(1)宇宙的演化:
宇宙大爆炸 温度为1032K,产生了_________________等粒子
温度下降到1013K左右,_____时代→温度下降到1011K时,
_____时代→温度下降到109K时,_______时代 温度下降到
104K,混合电离态→温度下降到3000K时,_____________
___________。夸克、轻子、胶子强子轻子核合成中性的氢原子恒星和星系(2)恒星的演化:宇宙尘埃→_______→恒星诞生→氢核聚合成_____
→氦核聚合成碳核→其他聚变过程→无聚变反应,形成白矮星或
_______或黑洞。星云团氦核中子星【判一判】
(1)质子、中子不能再分。 ( )
(2)夸克的带电量是电子电荷的整数倍。 ( )
(3)太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦,以电磁波的形式向外辐射核能。 ( )
提示:(1)×。质子、中子本身也有复杂的结构,是可再分的。
(2)×。夸克的带电量不是电子电荷的整数倍。
(3)√。太阳目前正处于氢通过热核反应成为氦,以电磁波的形式向外辐射核能。一、核聚变的特点及应用
思考探究:
如图为氢弹原理示意图。(1)核聚变需要满足什么条件?
(2)为什么要用原子弹才能引爆氢弹?
提示:(1)必须使核之间的距离达到10-15m以内。
(2)由原子弹爆炸产生的高温引发氢弹的热核反应。【归纳总结】
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10-15m,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,有一种办法就是把它们加热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:【典例示范】氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,
该反应方程为: 式中x是某种粒子。已知
和粒子x的质量分别为2.0141u、3.0161u、4.0026u和1.0087u;
1u= ,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是 ,该反应释放出的能量为 MeV(结果保留3位有效数字)。【解题探究】
(1)依据什么规律书写核反应方程?
提示:根据质量数守恒和电荷数守恒书写核反应方程。
(2)如何计算释放的核能?
提示:先计算出核反应前后的质量亏损,再根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算释放的核能。【正确解答】根据质量数和电荷数守恒可得x是 (中子)。核反应中的质量亏损为Δm=(2.0141u+3.0161u-4.0026u-1.0087u)=0.0189u
所以该反应释放出的能量为ΔE=Δm·c2=17.6MeV
答案: (或中子) 17.6【过关训练】
1.(2015·福州高二检测)关于太阳辐射的主要由来,下列说法正确的是 ( )
A.来自太阳中氢元素聚变反应释放的核能
B.来自太阳中碳元素氧化释放的化学能
C.来自太阳中重元素裂变反应释放的核能
D.来自太阳中本身储存的大量内能
【解析】选A。太阳辐射的巨大能量主要来自太阳内部氢核聚变成氦核时释放的能量,只有选项A正确。2.(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放核能的反应方程,表述正确的有 ( )【解析】选A、C。两个轻核聚合成一个较重的核的反应为核聚变反应,故A对B错。重核被中子轰击后分裂成两个中等质量的原子核并放出若干个中子的反应为核裂变反应,故C对。原子核放出α或β粒子后变成另一种原子核的反应称为原子核的衰变。原子核的衰变的反应物只有一种,故D错。【补偿训练】
1.我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有:
关于这两个方程的下列说法,正确的是 ( )
A.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
B.方程(1)中k=6,方程(2)中d=1
C.方程(1)属于轻核聚变
D.方程(2)属于α衰变【解析】选A。根据质量数守恒,方程(1)中箭头左侧的质量数之和为236,箭头右侧应有90+136+k=236,解得k=10,根据质量数守恒,方程(2)中应满足2+3=4+d,解得d=1,A正确,B错误;方程(1)为重核裂变,方程(2)为轻核聚变,C、D均错误。2.太阳内部持续不断地发生着4个质子( )聚变为1个氦核( )
的热核反应,核反应方程是 这个核反应释放出大量核
能。已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为
c。方程中的X表示 ;这个核反应中质量亏损Δm= ;
这个核反应中释放的核能ΔE= 。【解析】由质量数守恒和核电荷数守恒知:X为正电子 ,该反应中
质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c2。
答案:正电子 4m1-m2-2m3 (4m1-m2-2m3)c2二、新粒子的发现和夸克模型
思考探究:
如图所示为粒子发展示意图(1)为什么现在将“基本”二字去掉,统称为粒子?
(2)为什么说夸克模型是物理学发展中的一个重大突破?
提示:(1)原来发现的基本粒子都是由更基本的粒子组成,现在发现的粒子也可能会被证实会由其他粒子组成,所以现在将“基本”二字去掉,统称为粒子。
(2)夸克模型是物理学发展中的一个重大突破,它指出电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数电荷。【归纳总结】
1.新粒子的发现及特点:2.粒子的分类: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)。(3)夸克所带电荷:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为
元电荷的- 或+ 。例如,上夸克带的电荷量为+ ,下夸克带的
电荷量为- 。
(4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数电荷。【典例示范】目前普遍认为,质子和中子都是由被称为u夸克和d夸
克的两类夸克组成的。u夸克带电荷量为 e,d夸克的带电荷量为
- e,e为元电荷,下列论断中可能正确的是 ( )
A.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C.质子由1个u夸克和2个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D.质子由2个u夸克和1个d夸克组成,中子由2个u夸克和1个d夸克组成【解题探究】
(1)质子的带电量是多少?u夸克和d夸克如何才能组合成一个质子?
提示:质子带一个元电荷e的电量,两个u夸克和1个d夸克可组成一个质子。
(2)中子的带电量是多少?u夸克和d夸克如何才能组合成一个中子?
提示:中子不带电。1个u夸克和两个d夸克可组成一个中子。【正确解答】选B。质子 带电荷量为2× e+(- e)=e,中子 带
电荷量为 e+2×(- e)=0。可见B正确。【过关训练】
(拓展延伸)【典例示范】中,若π+介子、π-介子都是由一个夸克
(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克 或反夸克 )组成的,它们的带电荷量如表所示,表中e为元电荷。(1)按最简单的组成,π+介子由谁和谁组成?
【解析】π+介子带有+e的电荷量,且是由一个夸克和一个反夸克
组成的,夸克u带+ e和反夸克 带+ e合成电荷量为e。
答案:π+介子就是由夸克u和反夸克 组成的(2)按最简单的组成,π-介子由谁和谁组成?
【解析】π-介子带有-e的电荷量,是由一个夸克和一个反夸克组
成的,夸克d带- e和反夸克 带- e合成电荷量为-e。
答案:π-介子由夸克d和反夸克 组成【补偿训练】
1.(多选)关于粒子,下列说法正确的是 ( )
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、中子本身也是复合粒子,它们拥有复杂的结构
C.质子是带电的轻子
D.夸克模型说明元电荷不再是电荷的最小单位【解析】选B、D。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A错,B对;不同的夸克组成强子,有的强子带电,有的强子不
带电,质子是最早发现的强子,故C错;夸克模型是研究强子的理论,不
同夸克带电不同,分别为+ e和- e,这说明电子电荷不再是电荷的最小单位,故D对。2.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是 ( )
A.夸克、轻子、胶子等粒子 B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子 D.氢核、氘核、氦核等轻核
【解析】选A。宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代,再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子组合成氘核,并形成氦核的核合成时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确,B、C、D错误。【误区警示】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,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。这是由对以上四种核反应方程的理解不到位造成的。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。【拓展例题】考查内容:聚变过程的核能计算
【典例示范】太阳现在正处于主序星演化阶段,它主要是由电子和质子、氦核等组成,维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应为两个电子和四个质子聚变为氦,已知太阳的质量为2×1030kg,太阳向周围空间辐射能量的总功率为3.8×1023kW。(1)写出上述聚变反应的方程;
(2)已知质子质量mp=1.67×10-27kg,氦核质量mα=6.645 8×10-27kg,电子质量me=9.0×10-31kg,光速c=3×108m/s,求每发生一次上述核反应所释放的能量;
(3)根据题目中数据计算太阳1秒钟减少的质量。【正确解答】(1)根据聚变反应满足质量数和电荷数守恒,得核反应
方程为
(2)反应中的质量亏损Δm=2me+4mp-mα=2×9.0×10-31kg+
4×1.67×10-27kg-6.645 8×10-27kg=3.6×10-29kg
由爱因斯坦质能方程可知核反应释放的能量
ΔE=Δmc2=3.6×10-29×(3×108)2J=3.24×10-12J。(3)太阳每秒释放的能量为3.8×1026J,则太阳每秒减少的质量为
Δm= ≈4.2×109kg。
答案:(1) (2)3.24×10-12J
(3)4.2×109kg【答案速填】①自发地 ②α射线 ③β射线 ④γ射线 ⑤ ⑦半数 ⑧核子
⑨质子数 ⑩中子数 ?电荷数 ?质量数 ?核子 ?核子数 ?mc2
?小于
