课件46张PPT。?第一节 走进原子核
第二节 放射性元素的衰变目标导航预习导引目标导航预习导引二一三四五一、放射性的发现 目标导航二一预习导引三四五二、原子核的组成
1.质子的发现2.中子的发现 目标导航二一预习导引三四五3.原子核的组成
原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子.
4.原子核的符号目标导航二一预习导引三四五卢瑟福发现质子是原子核的组成部分和汤姆生发现电子是原子的组成部分的科学思想有何共同点?
答案:汤姆生通过阴极射线,确定阴极射线的电性和电荷量,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;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荷量,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.卢瑟福和汤姆生都经历了“实验事实→猜想(预言)→实验验证”的过程.目标导航二一预习导引三四五三、放射线的本质 目标导航二一预习导引三四五若在射线经过的空间施加电场(方向与射线的出射方向垂直),射线能分成三束吗?
答案: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.目标导航二一预习导引三四五四、原子核的衰变
1.原子核的衰变:原子核放出α粒子或β粒子,由于核电荷数变了,变成了另一种原子核.
2.目标导航二一预习导引三四五?目标导航二一预习导引三四五五、半衰期
1.定义:放射性元素的原子核数目因衰变减少到原来的一半所经过的时间.
2.公式:
m0表示放射性元素衰变前的质量,m为经过时间t后剩余的放射性元素的质量.
3.影响因素:放射性元素衰变的速率由核本身的因素决定,与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.目标导航二一预习导引三四五有10个镭226原子核,经过一个半衰期有5个发生衰变,这样理解对吗?
答案:不对.10个原子核,数目太少,它们何时衰变是不可预测的,因为衰变规律是大量原子核的统计规律.迁移应用典题例解一二知识精要一、天然放射现象
1.天然放射现象的意义
天然放射现象说明原子核是有内部结构的.元素的放射性不受单质和化合物存在形式的影响.化学反应决定于核外的电子,能量有限,不可能放出α粒子,也不可能放出高速的β粒子和γ光子来,因此三种射线只能是从原子核内放出的.这说明原子核是有复杂结构的.思考探究三特征:贯穿本领小,电离作用强,能使沿途中的空气电离.
(2)β射线:贝克勒尔证实,β射线是电子流,其速度可达光速的99%.
特征:贯穿本领大,能穿透黑纸,甚至穿透几毫米厚的铝板,但电离作用较弱.
(3)γ射线是一种波长很短的电磁波——光子流,是能量很高的电磁波,波长λ<10-10 m.
特征:贯穿本领最强,能穿透几厘米厚的铅板.电离作用最弱.迁移应用典题例解一二知识精要思考探究三知识精要迁移应用典题例解思考探究分析、比较三种射线。
答案:三种射线的比较如下表一二三一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究【例1】 (多选)(2014全国理综Ⅰ)关于天然放射性,下列说法正确的是( )
A.所有元素都可能发生衰变
B.放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D.α、β和γ三种射线中,γ射线的穿透能力最强
E.一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线
解析:只有放射性元素才能发生衰变,A项错误;半衰期由原子核的内部自身的因素决定,与原子核所处的化学状态和外部条件无关,B、C两项正确;γ射线的穿透力最强,D项正确;原子核衰变时,不能同时放出α、β射线,E项错误.
答案:BCD一二三一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究(2015重庆理综)右图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生
衰变放出的部分粒子的径迹,气泡室中磁
感应强度方向垂直于纸面向里.以下判断可能正确的是( )
A.a、b为β粒子的径迹
B.a、b为γ粒子的径迹
C.c、d为α粒子的径迹
D.c、d为β粒子的径迹
答案:D
解析:带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而发生偏转,根据左手定
则可知,曲线a、b为带正电的α粒子的径
迹,曲线c、d为带负电的β粒子的径迹,选项D正确.一二三迁移应用典题例解知识精要思考探究二、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.质子、中子统称核子.不同的原子核内质子和中子的个数并不相同,原子核直径大约为10-15 m.
符号 X表示原子核,X为元素符号;A为核质量数;Z为核电荷数A-Z=中子数.一二三1.质子的发现
(1)质子带正电,电荷量与一个电子所带电荷量相等,质子质量mp=1.672 623 1×10-27 kg.
(2)1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,从中打出了质子;以后,人们用同样的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子.所以质子是原子核的组成部分.
2.中子的发现
1932年,查德威克通过实验证实了中子的存在.中子不带电,质量mn=1.674 928 6×10-27 kg.一二三迁移应用典题例解知识精要思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究原子核的电荷数、质量数就是原子核的电荷量、质量吗?
答案:(1)电荷数Z是指原子核内质子的个数,它可以表示原子核的电荷量,这个电荷量的单位不是库仑,而是“元电荷”,即它表示原子核中所带有Z个元电荷e的电量,原子的电荷量Q=Ze.
(2)质量数也不是原子核的质量.质子和中子统称为核子,原子核内质子和中子的总个数就是质量数,原子核的质量是指原子核内所有质子和中子的质量总和,即m=Zmp+(A-Z)mn≈Amp.一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究【例2】 (多选)以下说法中正确的是( )
A.原子中含有带负电的电子,所以原子带负电
B.原子核中的质子数,一定跟核外电子数相等
C.用α粒子轰击氮、氟、钠、铝等元素的原子核都可以打出质子,
因此人们断定质子是原子核的组成部分
D.绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量
跟质子的电荷量之比,因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子
解析:原子中除了带负电的电子外,还有带正电的质子,故A错误.对于中
性原子来说原子核中的质子数才跟核外电子数相等,故B错误.正是用
α粒子轰击原子核的实验才发现了质子,故C正确.因为绝大多数的原子
核的质量跟质子质量之比都大于原子核的电荷量跟质子的电荷量之比,
才确定原子核内必还有别的中性粒子存在,故D正确.
答案:CD
一二三一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究(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
答案:CD
解析: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,而质子和中子统称核子,
故核子数为210,因此选项C、D正确.由于不知道原子的电性,就不能判断核外电子数,故选项A、B错误.一二三迁移应用典题例解知识精要一二三思考探究三、放射性元素的衰变
1.衰变方程
(1)原子核放出一个α粒子就说它发生了一次α衰变,新核的质量数比原来的核减少了4,而电荷数减少了2,用通式表示为 .
(2)原子核放出一个β粒子就说它发生了一次β衰变,新核的质量数不变,而电荷数增加了1,用通式表示为 .
(3)γ射线经常是伴随α衰变或β衰变而产生的,是由于衰变后的新核具有较大的能量,处于激发态,向低能级跃迁时辐射出来的一份能量,原子核放出一个γ光子不会改变它的质量数和电荷数,不能单独发生γ衰变.2.两个重要的衰变 3.α衰变和β衰变的实质
在放射性元素的原子核中,2个中子和2个质子结合得比较紧密,有时会作为一个整体从较大的原子核中抛射出来,这就是放射性元素发生的α衰变现象.原子核里虽然没有电子,但是核内的中子可以转化成质子和电子,产生的电子从核内发射出来,这就是β衰变.
(1)α衰变实质:α粒子实质就是氦核,它是由两个质子和两个中子组成的.当发生α衰变时,原子核中的质子数减2,中子数也减2,因此新原子核的核电荷数比未发生衰变时的原子核的核电荷数少2,为此在元素周期表中的位置向前移动两位.即 .一二三迁移应用典题例解知识精要思考探究(2)β衰变实质:β衰变是原子核中的一个中子转化成一个质子的同时放出一个电子,即β粒子放射出去,生成的一个质子留在核内,使核电荷数增加1.但β衰变不改变原子核的质量数,所以发生β衰变后,新原子核比原来的原子核在周期表中的位置向后移动一位.即 .
4.半衰期
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,即某时衰变的可能性,因此,半衰期只适用于大量的原子核.
半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量.不同的放射性元素,其半衰期不同,有的差别很大.一二三迁移应用典题例解知识精要思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究每种元素只存在一种放射性,为什么一块放射性物质会放出三种射线?
答案:一种元素放射出一种射线后就衰变成另一种元素,这种新元素会具有新的放射性.一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究【例3】 原来静止的铀 ?U和? Th同时在同一匀强磁场中,由于
衰变而开始做匀速圆周运动.铀238发
生了一次α衰变,钍234发生了一次β衰变.
(1)试画出铀238发生一次α衰变时所产生的新核及α粒子在磁场中的运动
轨迹的示意图.
(2)试画出钍234发生一次β衰变时所产生的新核及β粒子在磁场中的运动
轨迹的示意图.
思路分析:(1)衰变过程中质量数、电荷数守恒;
(2)衰变过程中动量守恒;
(3)带电粒子垂直磁场方向做圆周运动时洛伦兹力提供向心力.一二三一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究知识精要迁移应用典题例解思考探究一二三一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究一二三知识精要迁移应用典题例解思考探究知识链接案例探究类题试解由于宇宙射线的作用,大气中二氧化碳除了含有稳定的碳12,还含有放射性的碳14,并且碳的这两种同位素
含量之比几乎保持不变.活的植物通过光合作用吸收到体内的既有碳12,也有碳14,它们体内碳12与碳14
的含量保持着与大气中一样的比例.植物死后,光合作用停止了,碳14由于β衰变含量逐渐减少.已知碳14
的半衰期是5 730年,如果现在有一个从远古居民遗址中挖掘出来的木片,它的碳14的含量只是活体的二
分之一,那么这个木片大约是多少年前的植物?这座远古居民遗址大约是多少年前的?1.分析讨论
植物死后,碳14由于β衰变含量逐渐减少,与活体的植物含量出现差别.根据从遗址中挖掘出来的木片中剩
余的碳14含量,可推出它死后已经过了多少个半衰期,从而得出它的生长年代.题目中所给木片的碳14含
量只是活体的一半,说明经过了一个半衰期的时间,即 5 730 年,所以此植物的生长年代大约是在5 730年前.
2.结论
因为木片中碳14的含量是活体的二分之一,说明它已经死了一个半衰期的时间,已知碳14的半衰期是 5 730 年,所以这个木片和这座远古居民遗址大约是5 730年前的.知识链接案例探究类题试解知识链接案例探究类题试解知识链接案例探究类题试解(2015山东理综)(多选)14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5 700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5 700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的衰变知识链接案例探究类题试解解析:因古木样品中14C的比例正好是现代植物所制样品的二分之一,则可知经过的时间为一个半衰期,即
该古木的年代距今约为5 700年,A项正确;12C、13C、14C具有相同的质子数,由于质量数不同,故中子数不
同,B项错误;根据核反应方程可知,14C衰变为14N的过程中放出电子,即发出β射线,C项正确;外界环境不
影响放射性元素的半衰期,D项错误.
答案:AC知识链接案例探究类题试解知识链接案例探究类题试解知识链接案例探究类题试解课件21张PPT。第三节 放射性同位素目标导航预习导引目标导航预习导引二三一四一、核反应
1.定义:原子核在其他的高速粒子或人工加速的粒子的轰击下产生新原子核的过程.
2.原子核的人工转变
(1)1919年卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,产生了氧的一种同位素,同时产生了一个质子.
(2)卢瑟福发现质子的核反应方程:目标导航二三一四预习导引?目标导航二三一四预习导引 存在射线危险的地方,常能看到如图所示的标志.你在什么地方见过这个标志?为了保护人身安全,在有这样的标志的场所,应该注意什么? 答案：在医院的放射室看到这个标志.一般情况要远离这些地方,特殊情况下要在医生指导下进出这些场所.目标导航二三一四预习导引 医学上做射线治疗用的放射性元素,应用半衰期长的还是短的?为什么?
答案：半衰期短的.因为半衰期短的放射性废料容易处理.目标导航二一三四预习导引四、放射线的危害及防护
为了防止有害的放射线对人类和自然的破坏,人们采用了有效的防范措施.在生活中对那些有可能有放射线的物质要有防范意识,尽可能远离放射源.知识精要思考探究迁移应用一二典题例解?知识精要思考探究迁移应用一二典题例解?一二知识精要思考探究迁移应用典题例解人工转变核反应与衰变的异同点是什么?
答案：(1)不同点:原子核的人工转变,是一种核反应,是其他粒子与原子核相碰撞的结果,需要一定的装置和条件才能发生,而衰变是原子核的自发变化,它不受物理化学条件的影响.
(2)相同点:人工转变与衰变过程一样,在发生过程中质量数与电荷数都守恒,反应前后粒子总动量守恒.一二知识精要思考探究迁移应用典题例解一二知识精要思考探究迁移应用典题例解答案：见解析一二知识精要思考探究迁移应用典题例解一二知识精要思考探究迁移应用典题例解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
答案：C
解析：由于核反应前后核电荷数守恒,则x+3=2y①,y+7=x+8②,y+4=z+6③,由①②③联立解得x=1,y=2,z=0,故z为中子,选项C正确.一二知识精要典题例解迁移应用思考探究二、放射性同位素的应用与防护
1.人造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)半衰期很短,废料容易处理.
2.应用
(1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性;
(2)烟雾报警器的使用——利用射线的电离作用,增加烟雾导电离子浓度;
(3)农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异,杀死腐败细菌、抑制发芽等;
(4)作示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质.一二知识精要典题例解迁移应用思考探究3.放射性污染与防护一二知识精要典题例解迁移应用思考探究生产和生活中所用的射线为什么都是人造放射性同位素?
答案：这是因为人造放射性同位素的放射强度容易控制,放射源形状可随意制成,更为重要的是,其半衰期比天然放射性物质短得多,放射性核废料容易处理.一二知识精要典题例解迁移应用思考探究【例2】 核能是一种高效的能源.
(1)在核电站中,为了防止放射性物质泄漏,核反应堆有三道防护屏障:燃料包壳、压力壳和安全壳,如图甲所示.结合图乙可知,安全壳应当选用的材料是答案：混凝土一二知识精要典题例解迁移应用思考探究(2)核反应堆中的核废料具有很强的放射性,目前常用的处理方法是将其装入特制的容器中,然后( )
A.沉入海底 B.放至沙漠
C.运到月球 D.深埋地下
答案：D
(3)图丙是用来监测工作人员受到辐射情况的胸章,通过照相底片被射线感光的区域,可以判断工作人员受到何种辐射.当胸章上1 mm铝片和3 mm铝片下的照相底片被感光,而铅片下的照相底片未被感光时,结合图分析可知工作人员受到了 射线的辐射.?一二知识精要典题例解迁移应用思考探究答案：β
解析：(1)在核电站中,核反应堆的最外层安全壳用的都是厚厚的混凝土.
(2)将核废料放入铅制容器深埋地下.沉入海底、放至沙漠和运到月球都造成环境污染.
(3)放射线能穿透几毫米的铝板,γ射线能穿透几毫米的铅板,故当只有铝片下底片被感光时受到的是β射线照射.一二知识精要典题例解迁移应用思考探究答案：D
解析：利用射线的电离效应可消除静电,但射线不能使布料不再因摩擦而生电,A错误.过量的射线照射,对人体组织的破坏作用大,将正常细胞大量杀伤造成危害,B错误.射线照射后的作物种子不一定能成为更优良的品种,C错误.只有D正确.课件28张PPT。第四节 核力与结合能目标导航预习导引目标导航预习导引二一一、核力及其性质
1.核力:是使核子能够克服库仑力而紧密结合在一起的一种强相互作用力.
2.核力的性质
(1)强相互作用力:在它的作用范围内,核力比库仑力大得多.
(2)短程力:①在约0.5×10-15~2×10-15 m的距离内表现为引力.②大于2×10-15 m核力迅速减小为零.③在小于0.5×10-15 m的距离内核力又转变为强大的斥力,使核子不融合在一起.原子核内只有相邻的核子间才存在相互作用的核力,不相邻的核子间不存在核力,这是为什么?
答案:因为核力是短程力,作用范围在2×10-15 m 左右,原子核内相邻核子间距在这个范围内,而不相邻核子间距已超过0.5×10-15~2×10-15 m,故不存在核力作用.目标导航二一预习导引二、重核与轻核
1.重核
(1)定义:排在周期表比较靠后的元素对应的原子核.
(2)核子比例特点:多数重核的中子数多于质子数.
2.轻核
(1)定义:排在周期表比较靠前的元素对应的原子核.
(2)核子比例特点:质子数等于中子数.目标导航一预习导引二三?目标导航一预习导引二三怎样理解爱因斯坦狭义相对论中的质能方程给出的核能的计算方法?
答案:在核反应过程中,质量数虽然守恒,但反应前跟反应后的质量却是不相等的,反应后质量增加的,需要吸收能量;反应后质量减少的,放出能量.不管是吸能反应还是放能反应,都对应有质量的变化,吸收或放出的能量跟质量变化符合质能方程.因此我们理解为爱因斯坦的质能方程给出了核能的计算方法.迁移应用典题例解一二知识精要一、核力与四种基本相互作用
1.核力的理解
组成原子核的核子间的很强的相互作用力叫核力.
核力把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核.
注意说明:原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡其相互的库仑斥力是不可能的.2.核力的特点
(1)核力是短程力,只在约1.5×10-15m的极短距离内有核力的作用,超过这个距离核力就迅速减小到零.由于质子和中子的半径约为0.8×10-15m,所以每个核子只跟它相邻的核子间才有核力作用.
(2)核力是很强的力,它足以克服质子间库仑斥力,使核子结合成原子核.
(3)核力与核子是否带电无关.质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用.
(4)核力从力的分类上看,属于按性质分的力,而不是按效果分的力,与重力、弹力、摩擦力一样属于性质力.迁移应用典题例解一二知识精要迁移应用典题例解一二知识精要3.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)四种相互作用
第一种相互作用是万有引力,第二种是电磁力,第三种是原子核内存在的强相互作用的核力,第四种是原子核内存在的弱相互作用的核力.
(2)四种基本相互作用的性质迁移应用典题例解一二知识精要知识精要迁移应用一二典题例解【例1】 (多选)对于核力,以下说法正确的是( )
A.核力是弱相互作用力,作用力很小
B.核力是强相互作用的表现,是强力
C.核子之间的距离小于0.8×10-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起
D.人们对核力的了解很清楚,特别是在小于0.8×10-15m时核力的变化规律更清楚知识精要迁移应用一二典题例解解析:要掌握好核力的基本特点,掌握核力与万有引力、电磁力的区别,这是解决核力问题的关键.
核力是强相互作用的一种表现,它的作用范围在 1.5×10-15m之内,核力比库仑力大得多,因此选项B正确,A错误.核力在大于0.8×10-15m时表现为吸引力,且随距离增大则减小;在距离小于0.8×10-15m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,所以选项C正确.人们对核力的了解还不是很清楚,这是科学家们奋力攻克的堡垒,故选项D不正确.
答案:BC知识精要迁移应用一二典题例解迁移应用典题例解一二知识精要科学研究表明,自然界存在四种基本相互作用.我们知道分子之间也存在相互作用的引力和斥力,那么分子力实质上属于( )
A.引力相互作用
B.电磁相互作用
C.强相互作用和弱相互作用的共同作用
D.四种基本相互作用的共同作用
解析:分子力作用范围约在10-10 m数量级上,强相互作用和弱相互作用都是短程力,作用范围在10-15 m和10-18 m之内,在这个距离上分子力不存在.在分子力作用范围内引力相互作用和电磁相互作用都存在,但由于电磁力远大于万有引力,引力相互作用可以忽略不计,因此分子力本质上属于电磁相互作用.答案:B 典题例解知识精要二一1.比结合能与原子核的稳定性
(1)比结合能的大小能够反映核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该核就越稳定.
(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.迁移应用二一2.质量亏损
在核反应前后原子核的总质量并不相等.例如,一个质子和一个中子结合成氘核的反应中,精确计算表明氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些,这种现象叫做质量亏损,质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来.
3.爱因斯坦质能方程E=mc2
(1)质能方程的意义:爱因斯坦相对论指出,物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系,即E=mc2,式中c为真空中的光速.
(2)质能方程的本质
①质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来;典题例解知识精要迁移应用二一②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定律和能量守恒定律,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.
4.核反应中由于质量亏损而释放的能量ΔE=Δmc2
物体的能量变化ΔE与物体的质量变化Δm的关系ΔE=Δmc2.典题例解知识精要迁移应用二一【例2】 (2014北京理综)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:根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,此核反应放出的能量ΔE=(m1+m2-m3)c2,故C正确.
答案:C典题例解知识精要迁移应用二一典题例解知识精要迁移应用二一1.下列说法正确的是( )
A.爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量,它们之间可以相互转化
B.由E=mc2可知,能量与质量之间存在着正比关系,可以用物体质量作为它所蕴藏的能量的量度
C.核反应中发现的“质量亏损”是消失的质量转变为能量
D.因为在核反应中能产生能量,有质量的转化,所以系统只有质量数守恒,系统的总能量和总质量并不守恒
答案:B迁移应用典题例解知识精要二一解析:E=mc2说明能量和质量之间存在着联系,即能量与质量之间存在着正比关系,但并不说明能量和质量之间存在相互转化的关系,故A错误,B正确;核反应中的“质量亏损”并不是质量消失,实际上是由静止的质量变成运动的质量,并不是质量转变成能量,故C错误;在核反应中,质量守恒,能量也守恒,在核反应前后只是能量的存在方式不同,总能量不变,在核反应前后只是物质由静质量变成动质量,故D错误.迁移应用典题例解知识精要二一2.(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
D.比结合能越大,原子核越不稳定迁移应用典题例解知识精要答案:ABC
解析:核子结合为原子核时释放的能量叫做原子核的结合能,则原子核分解为核子时需要的最小能量等于结合能,A项正确;重核衰变时,同时向外释放能量,因此衰变产物的结合能大于原来重核的结合能,B项正确;铅原子核中的核子数量多,结合能也就大,C项正确;比结合能越大,原子核越稳定,D项错误.知识链接案例探究 类题试解核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题,其基本方法:
1.根据质量亏损计算,步骤如下:
(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E=mc2或ΔE=Δmc2计算核能.
(3)计算过程中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳.
2.利用原子质量单位u和电子伏特计算
(1)正确写出核反应方程或明确题设的核反应方程中各原子核、粒子的个数;
(2)以原子质量单位(u)为单位,计算反应前后的质量差(即质量亏损)Δm(u);
(3)根据爱因斯坦质能方程直接应用公式ΔE=Δm(u)×931.5 MeV来计算核能.知识链接案例探究 类题试解?案例探究知识链接 类题试解在正、负电子“湮灭”的实验中,产生的两个光子的总能量为多少?已知me=0.000 549 u.
?答案:1.02 MeV案例探究知识链接 类题试解 类题试解 案例探究知识链接??? 类题试解 案例探究知识链接??课件30张PPT。第五节 裂变和聚变目标导航预习导引目标导航预习导引二一一、核裂变与链式反应
1.核裂变:重核分裂为两个或两个以上的较轻质量的核的反应.
2.链式反应:一个核的裂变能够引发一个或一个以上的核发生裂变,让核裂变的过程能自发进行下去,源源不断地将核能释放出来.
3.铀235与铀238比较
(1)天然铀储量:铀238占99.3%,铀235占0.7%.
(2)与中子的作用特点
①铀235俘获各种能量的中子都会发生裂变,而且俘获能量低的中子发生裂变的几率较大.
②铀238只有俘获能量大于1 MeV的中子才可能发生裂变,并且几率很小,俘获能量低于1 MeV的中子时,不发生裂变,而变为铀239.
③为使链式反应容易发生,最好选用铀235.
目标导航预习导引二一?为了使裂变的链式反应容易进行,一般用高纯度的浓缩铀235,原因是什么?
答案:由于裂变放出的中子有的可能被裂变物质中的杂质吸收而造成链式反应不能持续进行下去,要维持链式反应,就要减少裂变物质中的杂质,尽量用高纯度浓缩铀.目标导航二一预习导引二、核聚变与受控热核反应
1.核聚变
两个轻核聚合成一个较重的核的反应.
2.热核反应
物质达到几百万度以上的高温时,原子的核外电子与原子完全脱离,这时小部分原子核具有足够的动能,能够克服核间的库仑斥力,在相互碰撞中接近到能够发生聚变的程度,因此聚变反应又叫热核反应.
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.迁移应用典题例解一知识精要一、核裂变思考探究二一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一重核的裂变能够自发地进行吗?
答案:重核的裂变不能自发地进行,只能发生在人工控制的核反应中,只有达到链式反应所需要的条件时,才会发生核反应.二迁移应用典题例解知识精要思考探究一【例1】 关于重核的裂变,以下说法正确的是( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能二迁移应用典题例解知识精要思考探究一解析:根据重核发生裂变的条件和裂变放能的原理分析可知,裂变时铀核俘获中子即发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,其释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量.链式反应是有条件的,即铀块的体积必须大于其临界体积.如果体积小,中子从铀块中穿过时,碰不到原子核,则链式反应就不会发生.在裂变反应中核子数是不会减少的,
其中各粒子质量分别为
mU=235.043 9 u,mn=1.008 67 u,
mSr=89.907 7 u,mXe=135.907 2 u.
质量亏损Δm=(mU+mn)-(mSr+mXe+10mn)≈0.151 0 u 二迁移应用典题例解知识精要思考探究一可见铀核裂变的质量亏损是远小于一个核子的质量的,核子数是不会减少的,因此选项A、B、C均错误.重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,还会再发生质量亏损,从而释放出核能.综上所述,选项D正确.
答案:D二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二(多选)关于铀核裂变,下列说法正确的是( )
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核
B.铀核裂变时还能同时释放2~3个中子
C.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
答案:BC解析:铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是各种各样的,具有极大的偶然性,但裂变成两块的情况多,也有的分裂成多块,并放出几个中子,铀235受中子的轰击时,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以上的中子才能引起裂变,且裂变的概率小,而要引起链式反应,必须使铀块体积超过临界体积.迁移应用典题例解知识精要思考探究迁移应用典题例解知识精要一二聚变发生的条件
要使轻核聚变,就必须使轻核接近核力发生作用的距离10-15 m,但是原子核是带正电的,要使它们接近10-15 m就必须克服电荷间很大的斥力作用,这就要求使核具有足够的动能.要使原子核具有足够大的动能,就要给核加热,使物质达到几百万摄氏度的高温.综上所述,核聚变只有在超高温条件下才能发生.思考探究一二答案:相信.热核反应的燃料之一,氢的同位素——氘在海水中的储量丰富,每升海水中就含有0.03 g氘核,这些氘核完全聚变释放的能量约和燃烧300 L汽油相当.迁移应用典题例解知识精要思考探究一【例2】 (2015广东理综)(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为
下列表述正确的有( )
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是核聚变反应二迁移应用典题例解知识精要思考探究一答案:AD二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究一解析:(1)应用电荷数守恒和质量数守恒可写出该核反应方程
(2)该核反应中的质量亏损
Δm=2×2.013 6 u-(3.015 0 u+1.008 7 u)=0.003 5 u.
由爱因斯坦质能方程得释放的核能
ΔE=Δmc2=0.003 5 uc2=0.003 5×931.5 MeV≈3.26 MeV.二迁移应用典题例解知识精要思考探究一二迁移应用典题例解知识精要思考探究知识链接案例探究思悟升华知识链接案例探究思悟升华这些反应总的结果与上面碳—氮循环反应相同,根据目前的数据,氢—氢链式反应在太阳能中是主要的反应过程,产生的能量约占总能量的96%.
太阳能资源不仅包括直接投射到地球表面上的太阳辐射能,而且也包括像所有矿物资源能、水能、风能、海洋能、潮汐能等间接的太阳能资源,还应包括绿色植物的光合作用固定下来的能量,即生物质能,严格地说,除了地热能和原子核能以外地球上所有其他能源全部来自太阳能,这也称为“广义太阳能”,以便与仅指太阳辐射能的“狭义太阳能”相区别.案例探究知识链接思悟升华随着科技的进步,太阳能得到广泛应用.试分析:
(1)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应,这种核反应释放出的能量就是太阳能的来源.其核反应方程是 ;若mH=1.007 3 u,mα=4.002 6 u,me=0.000 55 u.则该反应中发生的质量亏损是 u;如果1 uc2=931.5 MeV,由该反应中释放的能量是 MeV.?
由于核反应中的质量亏损,太阳的质量缓慢减少,与现在相比,在很久很久以前,地球公转的周期 (选填“较长”“较短”或“没有变化).?案例探究知识链接思悟升华(2)利用光电转换可以将太阳能转化为电能.若地球附近某太空站上的太阳能电池接收板的面积是S,光电转换效率为η.已知太阳辐射的总功率为P,太阳辐射穿过太阳的能量损失忽略不计,光速为c,太阳光射到地球上经历的时间是t.试求该太阳能电池能够输出的最大功率.案例探究知识链接思悟升华案例探究知识链接思悟升华案例探究知识链接思悟升华聚变的条件是高温,要高到几百万摄氏度,原子弹爆炸能产生这样的温度.太阳内部的温度约为几千万摄氏度,里面激烈地进行着热核反应,源源不断地释放巨大能量.课件32张PPT。第六节 核能利用
第七节 小粒子与大宇宙目标导航预习导引目标导航预习导引二一三目标导航预习导引二一在利用重核裂变制成的原子弹中,需不需要用镉制成的控制棒,为什么?
答案:镉有吸收中子的特性,吸收减少中子的数目,可以控制能量释放的速度,而原子弹需要在极短的时间内释放大量核能,发生剧烈爆炸,不需要控制速度,故不需要镉棒.三目标导航二一预习导引二、核电站、核能利用
1.核电站
利用反应堆工作时释放的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电的装置.
2.核能利用
(1)核能发电.
(2)原子核物理实验制造各种放射性同位素.
3.核电站的优缺点
(1)优点:①消耗的“燃料”很少;
②作为核燃料的铀、钍等在地球上存储量大;
③对环境的污染比火电站要小.
(2)缺点:①核废料难以处理.
②一旦发生核泄漏会造成严重的核污染.三目标导航二一预习导引目前世界上各个国家的核电站是利用核裂变还是核聚变获得核能的?
答案:目前核裂变的和平利用技术已经成熟,但核聚变的控制技术尚处在试验阶段.所以目前世界上的所有核电站都是利用核裂变来获得核能的.三目标导航三一预习导引二三、小粒子与大宇宙
1.空间跨度
(1)大爆炸宇宙模型:大约150亿年前突然发生一次大爆炸,其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称为类星体的遥远发光体等,经历150亿年演化成今天的宇宙.
(2)人类目前所能研究的物质世界的空间尺度:约从10-15 m到1027 m,共跨越了大约42个数量级.?
2.时间跨度
(1)宇宙的年龄的数量级1018 s.?
(2)微观粒子的最短寿命10-25 s.?
(3)物质世界的时间尺度从10-25 s到1018 s,跨越了将近43个数量级.知识精要思考探究迁移应用一二典题例解一、核电站1.核电站的工作原理
原子弹杀伤力强大的原因是核能在极短时间内释放出来.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.现在世界上已有不少国家建有核电站,我国已建成使用和正在建设的核电站必将为现代化的建设提供能源保障.
2.核反应堆——核电站的心脏
裂变反应堆是核电站的“心脏”,这是一种人工控制链式反应的装置,可以使核能较平缓地释放出来,裂变反应堆的结构和工作原理如下表.知识精要思考探究迁移应用一二典题例解知识精要思考探究迁移应用一二典题例解一二知识精要思考探究迁移应用典题例解衰变反应为放热反应,为什么核电站中反应堆采用核裂变放能,而不采用衰变放能?
答案:衰变尽管也释放能量,但是自发进行的,无法人为控制,而且释放的能量较少,不能很好地利用.一二知识精要思考探究迁移应用典题例解【例1】 原子反应堆是实现可控制的重核裂变的一种装置,
它主要由四部分组成( )
A.原子燃料、减速剂、冷却系统、控制调节系统
B.原子燃料、减速剂、发热系统、传热系统
C.原子燃料、减速剂、碰撞系统、传热系统
D.原子燃料、中子源、原子能储存系统、输送系统一二知识精要思考探究迁移应用典题例解解析:原子反应堆里用的核燃料是用浓缩铀(铀235占2%~4%)
制成的铀棒;铀235易俘获慢中子,不易俘获快中子,必须使用减
速剂,让快中子跟减速剂的原子核碰撞后能量减少,变成慢中子;
控制调节系统是用于调节中子的数目以控制反应速度,它是由
镉做成的置放在铀棒之间的一些控制棒及计算机调节系统组
成;冷却系统靠水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动,
把反应堆内的热量传输出去,用于发电,同时使反应堆冷却,保证
安全.
答案:A一二知识精要思考探究迁移应用典题例解一二知识精要思考探究迁移应用典题例解094型导弹核潜艇是中国最先进的战略核潜艇,水下最大航速
为45节(1节=1.852 km/h),核反应堆最大输出功率为4.5万千
瓦,最大续航里程为20万海里(1海里=1.852 km).假设1个
?92235U核裂变放出能量是200 MeV,铀矿石含铀235的浓度是
4%,求:
(1)当核反应堆达到最大输出功率时,每秒至少有多少个铀
235原子核发生裂变?
(2)核潜艇一次至少要装入铀矿石多少千克?
答案:(1)1.4×1018个 (2)220 kg
一二知识精要思考探究迁移应用典题例解?一二知识精要思考探究迁移应用典题例解?迁移应用典题例解知识精要一二二、粒子和宇宙
1.粒子的分类
按照粒子与各种相互作用的关系,可以将粒子分为三大类:强子、轻子和媒介子,如下表所示.迁移应用典题例解知识精要一二迁移应用典题例解知识精要一二2.微观粒子与宏观宇宙的统一
物理学向微观粒子和宇宙两个领域的研究,今天得到了初步统一,统一场论在逐渐形成.物理学的完整、和谐美在这里又得到了充分体现.物理学中研究最大和最小对象的两个分支——宇宙学和粒子物理学就奇妙地衔接在一起,犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴.迁移应用典题例解知识精要一二知识精要迁移应用典题例解一二知识精要迁移应用典题例解一二解析:(1)在核反应中,由质量数和电荷数守恒可知A正确.
(2)ΔE=Δmc2=8.19×10-14 J,碰撞过程中遵循动量守恒,如果是产生一个光子,合动量为零,光子的速度为零,与实际光子的运动状况矛盾.
答案:(1)A
(2)8.19×10-14 遵循动量守恒知识精要迁移应用典题例解一二知识精要迁移应用典题例解一二天文学家测得银河系中氦的含量约为25%.有关研究表明,宇宙
中氦生成的途径有两条:一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的;
二是在宇宙演化到恒星诞生后,由恒星内部的氢核聚变反应生
成的.
(1)把氢核聚变反应简化为4个氢核(11H)聚变成氦核(24He),同时
放出2个正电子(10e)和2个中微子(νe),请写出该氢核聚变反应
的方程,并计算一次反应释放的能量;
(2)研究表明,银河系的年龄约为t=3.8×1017 s,每秒钟银河系产
生的能量约为1×1037 J(即P=1×1037 J/s).现假定该能量全部来
自上述氢核聚变反应,试估算银河系中由此产生的氦的含量(最
后结果保留一位有效数字);知识精要迁移应用典题例解一二?知识精要迁移应用典题例解一二?知识链接案例探究?知识链接案例探究?知识链接案例探究1964年10月16日,我国在新疆罗布泊沙漠成功地
进行了第一颗原子弹试验,结束了中国无核时代.
(1)原子弹爆炸实际上是利用铀核裂变时释放出很大能量,由于
裂变物质的体积超过临界体积而爆炸.
①完成下面核裂变反应方程式:知识链接案例探究?知识链接案例探究第四章过关检测
(时间:45分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共8小题,每小题6分,共48分.在每小题给出的四个选项中,第1~5题只有一项符合题目要求,第6~8题有多项符合题目要求.全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)
1.由原子核的衰变规律可知( )
A.放射性元素一次衰变可同时产生α射线和β射线
B.放射性元素发生β衰变时,新核的化学性质不变
C.放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制
D.放射性元素发生正电子衰变时,新核质量数不变,核电荷数增加1
答案C
解析一次衰变不可能同时产生α射线和β射线,只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线;原子核发生衰变后,新核的核电荷数发生了变化,故新核(新的物质)的化学性质应发生改变;发生正电子衰变,新核质量数不变,核电荷数减小1.
2.14C是一种半衰期为5 730年的放射性同位素.若考古工作者探测到某古木中14C的含量为原来的,则该古树死亡的时间距今大约( )(导学号51160215)
A.22 920年 B.11 460年
C.5 730年 D.2 856年
答案B
解析放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间为一个半衰期,14C的含量为原来的,经过了两个半衰期,故t=2×5 730=11 460(年),故选项B正确.
3.铀是常用的一种核燃料,若它的原子核发生了如下的裂变反应n→a+b+n,则a+b可能是( )(导学号51160216)
AXeKr BBaKr
CBaSr DXeSr
答案D
解析根据核反应中的质量数守恒可知,a+b的质量数应为235+1-2=234,质子数应为92,A项中的质量数为140+93=233,B项中质量数是141+92=233,C项中质量数为141+93=234,质子数为 56+38=94,D项中质量数为140+94=234,质子数为 54+38=92,综上可知,选项D正确.
4.
用α粒子照射充氮的云室,摄得如图所示的照片,下列说法中正确的是( )(导学号51160217)
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
答案D
解析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,所以选项D正确.
5.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
N+Q1C+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
以下推断正确的是( )
A.X是He,Q2>Q1
B.X是He,Q2>Q1
C.X是He,Q2D.X是He,Q2答案B
解析由核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒知:X是He,排除A、C选项;前一核反应过程的质量亏损Δm1=(1.007 8+12.000 0-13.005 7) u=0.002 1 u,而后一核反应的质量亏损Δm2=(1.007 8+15.000 1-12.000 0-4.002 6) u=0.005 3 u,Δm2>Δm1,故Q2>Q1,D错误,B正确.
6.月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3He)”的化学元素,这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,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的能源.关于“氦3He)”与氘核的聚变,下列说法中正确的是( )(导学号51160218)
A.核反应方程为HeHHeH
B.核反应生成物的质量将大于反应物质量
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)的原子核与一个氘核发生聚变将放出能量
答案AD
解析根据电荷数守恒和质量数守恒可得核反应方程为HeHHeH,A对;根据比结合能曲线可知氦3He)一个核子的结合能小于氦 4He) 一个核子的结合能,所以核反应中释放了能量,质量发生亏损,B、C错,D对.
7.“轨道电子俘获”是放射性同位素衰变的一种形式,即原子核俘获一个核外电子,核内一个质子变为中子,原子核衰变成一个新核,并且放出一个中微子(其质量小于电子质量且不带电).若一个静止的原子核发生“轨道电子俘获”(电子的初动量可不计),则( )
A.生成的新核与衰变前的原子核质量数相同
B.生成新核的电荷数增加
C.生成的新核与衰变前的原子核互为同位素
D.生成的新核与中微子的动量大小相等
答案AD
解析发生“轨道电子俘获”时,一个质子变为中子,质子与中子的总量不变,所以发生“轨道电子俘获”后新核与原核质量数相同,选项A正确;新核质子数减少,故核电荷数减少,选项B错误;新核与原核质子数不同,不能称它们互为同位素,选项C错误;以静止原子核及被俘获电子为系统,系统动量守恒,系统初动量为零,所以生成的新核与中微子的动量大小相等,方向相反,选项D正确.
8.下列所述正确的是( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的+或-
答案ABD
解析目前发现的轻子只有6种,分别是电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子,C是错误的.A、B、D正确.
二、非选择题(共4小题,共52分)
9.(10分)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108 K时,可以发生“氦燃烧”.(导学号51160219)
(1)完成“氦燃烧”的核反应方程He+ →Be+γ.?
(2)Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16 s.一定质量的Be,经7.8×10-16 s后所剩Be占开始时的 .?
答案(1He或α (2)或12.5%
解析(1He 根据电荷数守恒和质量数守恒可知参加核反应的原子核质量数为4,电荷数为2.
(2)7.8×10-16 s为3个半衰期
剩余Be占原来的()3=.
10.(10分)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 .?
答案 H
解析设某原子核的质量数为x,核电荷数为y,根据核反应前后质量数、核电荷数均守恒可得x+1=2,0+y=1,联立两式解得x=1,y=1,该原子核为质子,核反应方程式为H.核反应放出能量为Q时, H的比结合能为.
11.(16分)已知铀235的质量为235.043 9 u,钡141的质量为140.913 9 u,氪92 的质量为91.897 3 u,每个中子质量为1.0087 u,1 kg铀235发生nKr+n的铀核裂变所放出的能量相当于多少吨优质煤完全燃烧时放出的能量?(1 kg优质煤完全燃烧时能产生2.9×107 J的热量)(导学号51160220)
答案2.84×103 t
解析质量亏损为Δm=(mU+mn)-(mBa+mKr+3mn)=236.052 6 u-235.837 3 u=0.215 3 u.
释放的能量ΔE=Δmc2≈201 MeV.
1 kg铀235 含有的铀原子核数目为
N=×6.02×1023≈2.56×1024个.
1 kg铀完全反应释放的总能量为E总=N·ΔE=2.56×1024×201×106×1.60×10-19 J≈8.23×1013 J.
1 t煤完全燃烧释放的能量为
E=1 000×2.9×107 J=2.9×1010 J,故1 kg铀完全反应相当于这样的煤完全燃烧的质量为n==2.84×103t.
12.(16分)中子的发现是守恒定律在核反应过程中的重要应用,1930年发现用钋放出的α射线轰击Be核时产生一种射线,其贯穿能力极强,能穿透几厘米厚的铝板,当时著名物理学家居里夫人也不知道这是一种什么射线.1932年,英国青年物理学家查德威克用这种射线分别轰击氢原子和氮原子,结果打出了一些氢核和氮核.若未知射线均与静止的氢核和氮核正碰,测出被打出的氢核最大速度为vH=3.5×107 m/s,被打出的氮核的最大速度vN=4.7×106 m/s,假定正碰时无能量损失,设未知射线中粒子的质量为m,初速为v,被打出的核质量为m'.(导学号51160221)
(1)推导出被打出的核的速度v'的表达式;
(2)根据上述数据,推算出未知射线中粒子的质量m与质子质量之比.(氮核质量mN为氢核质量mH的14倍)
答案(1) (2)
解析(1)未知射线其实是中子流,中子与静止的核正碰过程中应遵守两个守恒定律,即系统动量守恒与机械能守恒.则据动量守恒有
mv=mv″+m'v'(v″为中子的末速度).
据机械能守恒有
mv2=mv″2+m'v'2.
联立两式,解得
v'=;v″=v.
(2)据上式可得
vH=3.5×107 m/s=.
vN=4.7×106 m/s=.
两式相除,可得,
解得.
课时训练13 走进原子核 放射性元素的衰变
基础夯实
1.某放射性同位素样品,在21天里衰减掉,它的半衰期是( )
A.3天 B.5.25天 C.7天 D.10.5天
答案C
解析在21天里衰变掉,则剩余,故经历3个半衰期,因此半衰期为=7(天).
2.表示放射性元素碘131I)β衰变的方程是( )
AISbHe BIXee
CIIn DITeH
答案B
解析原子核发生β衰变时,从原子核内部释放出一个电子,同时生成一个新核,选项B正确.
3.放射性同位素钍232经α、β衰变会生成氡,其衰变方程为ThRn+xα+yβ,其中( )
A.x=1,y=3 B.x=2,y=3
C.x=3,y=1 D.x=3,y=2
答案D
解析根据衰变方程左右两边的质量数和电荷数守恒可得方程组解得x=3,y=2,故答案为D.
4.A、B两种放射性元素,它们的半衰期分别为tA=10天,tB=30天,经60天后,测得两种放射性元素的质量相等,那么它们原来的质量之比为( )
A.3∶1 B.48∶63 C.1∶14 D.16∶1
答案D
解析设A、B两种元素原来的质量分别为mA和mB,对A元素来讲,经过6个半衰期,剩余质量为()6mA;对B元素来讲,经过2个半衰期,剩余质量为()2mB.则()6mA=()2mB,,故D项正确.
5.(多选)下列哪些现象能说明射线来自原子核( )(导学号51160192)
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
答案BC
解析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,选项B、C正确.
6.(多选)关于质子与中子,下列说法正确的是( )
A.原子核(除氢核外)由质子和中子构成
B.质子和中子统称为核子
C.卢瑟福发现了质子,并预言了中子的存在
D.卢瑟福发现了中子,并预言了质子的存在
答案ABC
解析原子核内存在质子和中子,中子和质子统称为核子,卢瑟福只发现了质子,以后又预言了中子的存在.
7.(多选)氢有三种同位素,分别是氕H、氘H、氚H,则( )
A.它们的质子数相等
B.它们原子的核外电子数相等
C.它们的核子数相等
D.它们的中子数相等
答案AB
解析氕、氘、氚是同位素,质子数相等,核子数分别为1、2、3,质子数和原子核外电子数相同,都为1,中子数等于核子数减去质子数,故中子数各不相同,所以本题选项A、B正确.
8.(多选)近几年来,我国北京、上海、山东等地引进了十多台γ刀,治疗患者5 000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”.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射线波长很短,具有很高的能量
D.γ射线能很容易绕过阻碍物到达脑肿瘤位置
答案AC
解析γ射线是波长很短、频率很高的电磁波,具有很高的能量和很强的穿透能力,所以它能穿透皮肉和骨骼到达肿瘤位置并杀死肿瘤细胞.因γ射线不带电,它的电离作用很弱;因波长很短,衍射能力也很差,B、D错误.
9.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).?
答案8 4Pb
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,质量数从而发生改变,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衰变的次数由94-2×8-82=-4,可知发生4次β衰变.
能力提升
10.14C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法.若以横坐标t表示时间,纵坐标m表示任意时刻14C的质量,m0为t=0时14C的质量.下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是( )
答案C
解析由于每经过一个半衰期T1/2,14C的质量减少一半,所以m=m0(,选项C正确.
11.(多选)美国科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池,它是采用半衰期长达100年的放射性同位素镍63Ni)和铜两种金属作为长寿命电池的材料,利用镍63 发生β衰变时释放电子给铜片,把镍63和铜片作电池两极,外接负载为负载提供电能.下面有关该电池的说法正确的是( )
A.镍63的衰变方程是NiCu
B.镍63的衰变方程是NiCu
C.外接负载时镍63的电势比铜片高
D.该电池内电流方向是从铜片到镍
答案CD
解析 Ni的衰变方程为NiCu,选项A、B错.电流方向为正电荷定向移动方向,在电池内部电流从铜片到镍片,镍片电势高,选项C、D正确.
12.(多选)地球的年龄到底有多大,科学家利用天然放射性元素的衰变规律,通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定,推算出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期时不含铅)的一半.铀238衰变后形成铅206,铀238的相对含量随时间变化规律如图所示,图中N为铀238的原子数,N0为铀和铅的原子总数.由此可以判断出( )(导学号51160193)
A.铀238的半衰期为90亿年
B.地球的年龄大致为45亿年
C.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶4
D.被测定的古老岩石样品在90亿年时的铀、铅原子数之比约为1∶3
答案BD
解析由题意、半衰期的含义及铀238衰变后含量随时间的变化规律图象可知:铀238的半衰期和地球的年龄均大致为45亿年;被测定的古老岩石样品在 90亿年时铀原子数的相对值为0.25,即占总原子数的,由此可推得其中铅占原子数的,铀、铅原子数之比约为1∶3.选项B、D正确.
13.(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1,如图所示,则( )(导学号51160194)
A.α粒子与反冲核的动量大小相等,方向相同
B.原来放射性元素的核电荷数为90
C.反冲核的核电荷数为88
D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
答案BC
解析粒子之间相互作用的过程中遵守动量守恒,由于初始总动量为零,则末动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等,方向相反.
由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.
由Bqv=得
R=
若原来放射性元素的核电荷数为Z,则对于α粒子有
R1=,对反冲核:R2=
由于p1=p2,且R1∶R2=44∶1,得Z=90.
它们的速度大小与质量成反比,A、D错误,B、C正确.
14.约里奥·居里夫妇因发现人工放射性而获得了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 ?.P是P的同位素,被广泛应用于生物示踪技术.1 mg P 随时间衰变的关系如图所示,请估算4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?(导学号51160195)?
答案正电子 56天(54~58天都对)
解析 Sie(正电子)
由图象可得1 mg P经14天变成0.5 mg,再经14天变成0.25 mg,由此可知P的半衰期为T1/2=14 d,因此,4 mg的P经4个半衰期,即4×14=56(天),将变成0.25 mg或由m'=m·(可求得t=56天.
课时训练14 放射性同位素
基础夯实
1.用“γ刀”进行手术,可以使病人在清醒状态下经过较短的时间内完成手术,在此过程中,主要利用:①γ射线具有较强的穿透本领;②γ射线很容易绕过障碍物到达病灶区域;③γ射线具有很强的电离能力,从而使癌细胞电离而被破坏;④γ射线具有很高的能量.上述描述中正确的是( )
A.①② B.②③ C.①②③ D.①④
答案D
解析用“γ刀”进行手术,利用的是γ射线具有较强的穿透本领能够进入病灶区,再利用γ射线具有很高的能量杀死癌细胞.γ射线的电离本领最弱,故选项D是正确的.
2.在下列4个核反应方程中,x表示质子的是( )(导学号51160196)
ASi+x
BTh+x
CAlMg+x
DAlHeP+x
答案C
解析由质量数守恒和电荷数守恒知,A中x为正电子e,B中x为He,C中x为质子H,D中x为中子n.
3.α粒子轰击硼10后,生成氮13,放出X粒子,而氮13是不稳定的,它放出Y粒子后变成碳13,那么X粒子和Y粒子分别是( )
A.质子和中子 B.质子和正电子
C.中子和负电子 D.中子和正电子
答案D
解析根据题意可以写出核反应方程为He→e,所以选项D正确.
4.关于放射性同位素的应用,下列说法正确的是( )
A.利用γ射线使空气电离,把静电荷导走
B.利用β射线照射植物的种子,使产量显著增加
C.利用α射线来治疗肺癌、食道癌等疾病
D.利用放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同,作为示踪原子
答案D
解析
选项
个性分析
综合点评
A错误
γ射线的电离作用很弱,应利用α射线的电离作用
利用α射线的电离作用可消除静电,利用γ射线的生物作用可使种子变异、治疗癌症
B错误
γ射线对生物具有物理化学作用,照射种子可使基因变异,可用于放射性治疗,β射线不具有生物作用
C错误
D正确
同位素的核外电子数相同,化学性质相同,放射性同位素带有“放射性标记”,可用探测器探测到
5.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( )(导学号51160197)
A.钋210 B.氡222
C.锶90 D.铀238
答案C
解析要测定聚乙烯薄膜的厚度,则要求射线可以穿透薄膜,因此α射线不合适;另外,射线穿透作用还要受薄膜厚度影响,γ射线穿透作用最强,薄膜厚度不会影响γ射线穿透,所以只能选用β射线,而氡222半衰期太小,铀238半衰期太长,所以只有锶90较合适,选项C正确.
6.(多选)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
答案ABC
解析放射性同位素被用作示踪原子,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.
7.(多选)卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变,核反应方程为HeH.下列说法中正确的是( )(导学号51160198)
A.通过此实验发现了质子
B.实验中利用了放射源放出的γ射线
C.实验中利用了放射源放出的α射线
D.原子核在人工转变过程中,电荷数可能不守恒
答案AC
解析这个核反应方程是首次实现原子核的人工转变的方程,也是发现质子的核反应方程.
8.(多选)有关放射性同位素P的下列说法,正确的是( )
A.P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
DP能释放正电子,可用其作示踪原子,观察磷肥对植物的影响
答案BD
解析同位素有相同的质子数,不同的质量数,故A错;同位素有相同的化学性质,故B对;半衰期与物理、化学状态无关,故C错P为放射性同位素,可用作示踪原子,故D对.故正确选项为B、D.
9.(多选)贫铀是从金属中提炼铀235以后的副产品,其主要成分为铀238,贫铀炸弹贯穿力是常规炸弹的9倍,杀伤力极大,而且残留物可长期危害环境.下列关于其残留物长期危害环境的理由正确的是( )(导学号51160199)
A.由于爆炸后的弹片存在放射性,对环境产生长期危害
B.爆炸后的弹片不会对人体产生危害
C.铀238的衰变速率很快
D.铀的半衰期很长
答案AD
解析天然放射现象周期很长,会对环境和生物造成长期的影响,故选项A、D正确,选项B、C错误.
10.(多选)正电子发射机断层显像(PET)的基本原理是将放射性同位素O注入人体O在人体内衰变放出的正电子与人体内的负电子相遇而湮灭,转化为一对γ光子而被探测器探测到后,经计算机处理即产生清晰的图像.根据PET的原理,下列说法正确的是( )(导学号51160200)
A.O在人体内衰变的方程式是e
B.能用O作“示踪原子”是因为其半衰期短,放射强度弱,对人体影响较小
C.在PET中O注入人体参与代谢化合后半衰期会发生变化
D.在PET中O的主要用途是正常参与代谢
答案AB
解析由质量数守恒和电荷数守恒知,选项A正确;PET中所选的放射性同位素半衰期要短,在受检体内存留时间短才安全,选项B正确;元素的半衰期只由原子核内部的因素决定,选项C错误;将放射性同位素O注入人体O在人体内衰变放出正电子,与人体内负电子相遇而湮灭转化为一对光子,被探测器探测到,所以在PET中O的主要用途是作为示踪原子被探测器探测到,选项D错误.
能力提升
11.用人工方法得到放射性同位素,这是一个很重要的发现,天然放射性同位素只不过40几种,而今天人工制造的同位素已达1 000多种,每种元素都有放射性同位素,放射性同位素在农业、医疗卫生、科研等许多方面得到广泛应用.
(1)带电的验电器在放射线照射下电荷会很快消失,其原因是( )
A.射线的贯穿作用
B.射线的电离作用
C.射线的物理、化学作用
D.以上三个选项都不是
(2)在我国首先用人工方法合成牛胰岛素时需要证明人工合成的牛胰岛素结晶跟天然牛胰岛素结晶是同一物质,为此曾采用放射性同位素14C作为 .?
答案(1)B (2)示踪原子
解析(1)因放射性的电离作用,空气中与验电器所带电荷电性相反的离子与之中和,所以使验电器所带电荷消失.
(2)把掺入14C的人工合成牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起,经多次重新结晶后,得到了放射性14C分布均匀的牛胰岛素结晶,这就证明了人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素合为一体,它们是同一物质,把这种放射性同位素的原子掺到其他物质中去,让它们一起运动迁移,再用放射性探测仪器进行追踪,就可以知道放射性原子通过什么路径,运动到哪里,是怎样分布的了,从而可了解某些不容易观察的情况或规律.
12.自然界中的铀和钴都有同位素.(导学号51160201)
(1)铀主要以三种同位素的形式存在,三者的原子百分含量分别为U 0.005%U 0.72%U 99.275%.请写出计算铀元素近似相对原子质量的计算式(不必算出具体数值):?
.?
(2)放射性同位素钴60能够产生γ射线.高速运动的γ射线作用于DNA,能够产生氢键断裂、碱基替换等效应,从而有可能诱发生物产生 ,使生物体出现可遗传的变异,从而选择和培育出优良品种.此外用γ射线照射过的食品有利于贮藏,这是因为γ射线能 .在进行照射生物或食品的操作时,需要注意人体保护.操作完毕后,人体 (选填“可以”或“不可以”)直接接触射线处理过的材料.?
答案(1)(234×0.005+235×0.72+238×99.275)×10-2
(2)基因突变 杀菌 可以
解析(1)铀元素的相对原子质量等于每种同位素的质量数与其百分含量乘积之和,即(234×0.005+235×0.72+238×99.275)×10-2.
(2)γ射线的照射强度增大到一定程度会诱发生物体的基因突变.由于经过放射性同位素照射过的物体并不存在放射性,所以人体可以直接接触.如利用γ射线照射食品杀菌后,利于贮藏,贮藏后的这些食品照样可以食用.
课时训练15 核力与结合能
基础夯实
1.关于核力的说法正确的是( )
A.核力同万有引力没有区别,都是物体间的作用力
B.核力就是电磁力
C.核力是短程力,作用范围在1.5×10-15 m之间
D.核力与电荷有关
答案C
解析核力是短程力,超过1.5×10-15 m,核力急剧下降几乎消失,故C正确;核力与万有引力、电磁力不同,故A、B错误;核力与电荷无关,故D错误.
2.关于原子核内的核力和库仑力,下列说法中正确的是( )
A.组成U核的核子中任何两个核子之间都存在着不可忽略的核力的作用
B.组成U核的中子中任何两个中子之间都存在着不可忽略的核力的作用
C.组成U核的质子中任何两个质子之间都存在着不可忽略的库仑力的作用
D.组成U核的质子中任何两个质子之间,除库仑力之外还都存在着不可忽略的核力作用
答案C
解析原子核内任何两个质子之间都存在库仑力作用,但每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,故选项C正确.
3.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
答案B
解析只有相邻质子间才存在核力,选项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,选项B正确;中等质量大小的核最稳定,选项C错误.
4.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,以及核力的饱和性,如果继续增大原子核,形成的核也一定是不稳定的
答案D
解析自然界中较轻的原子核,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,越重的元素两者相差越多,稳定的重原子核里,中子数要比质子数多.
5.某核反应方程为He+X.已知H的质量为2.013 6 uH的质量为3.018 0 uHe的质量为 4.002 6 u,X的质量为1.008 7 u.则下列说法中正确的是( )(导学号51160202)
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
答案B
解析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H→X,X是中子,在该反应发生前反应物的总质量m1=2.013 6 u+3.018 0 u=5.031 6 u,反应后产物总质量m2=4.002 6 u+1.008 7 u=5.011 3 u,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B正确.
6.(多选)对结合能、比结合能的认识,下列说法正确的是( )
A.一切原子核均具有结合能
B.自由核子结合为原子核时,可能吸收能量
C.结合能越大的原子核越稳定
D.比结合能越大的原子核越稳定
答案AD
解析由自由核子结合成原子核的过程中,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赋予相应的能量,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.
7.(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
答案BD
解析质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,当物体获得一定的能量,即能量增加某一定值时,它的质量也相应增加一定值,并可根据ΔE=Δmc2进行计算,所以选项B、D正确.
8.(多选)关于核子结合成原子核,下列说法中正确的是( )(导学号51160203)
A.原子核内的核子间均存在核力
B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力
C.当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间“势能”一定减小
D.对质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用
答案CD
解析由于核力为短程力,只会发生在相邻核子之间,故A、B错误.当n个核子靠近到核力作用范围内,而距离大于0.8×10-15 m的核力表现为引力,在此过程核力必做正功,其间“势能”必定减小,形成原子核后距离一般不小于0.8×10-15 m,故C正确.对质子数较多的原子核,由于只有相邻的质子间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力,随着质子数的增加,其库仑斥力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D正确.
能力提升
9.Co发生一次β衰变后变为Ni,其衰变方程为 ;在该衰变过程中还发出频率为ν1、ν2的两个光子,其总能量为 .(导学号51160204)?
答案 CoNie h(ν1+ν2)
解析发生一次β衰变,原子核质量数不变,电荷数增加1,产生一个电子,衰变方程为CoNie;每个光子的能量为hν,总能量为h(ν1+ν2).
10.已知质子的质量是1.008 665 u、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 .(1 uc2=931.5 MeV)(导学号51160205)?
答案0.098 940 u 7.68 MeV
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=6×1.007 825 u+6×1.008 665 u-12.000 000 u=0.098 940 u
比结合能
=≈7.68 MeV.
11.铍核在俘获一个α粒子后放出一个中子并生成一个新核,已知铍核 Be质量为9.012 190 u,α粒子质量为4.002 600 u,中子质量为1.008 665 u,1 uc2=931.5 MeV(导学号51160206)
(1)写出核反应方程;
(2)算出释放的能量.
答案(1BeHen (2)5.71 MeV
解析(1)根据电荷数与质量数守恒可以写出核反应方程式BeHen.
(2)由题意得质量亏损
Δm=(9.012 190 u+4.002 600 u)-(12.000 00 u+1.008 665 u)=0.006 125 u
由ΔE=Δm×931.5 MeV得
释放的能量ΔE=0.006 125×931.5 MeV≈5.71 MeV.
课时训练16 裂变和聚变
基础夯实
1.裂变反应中释放出的能量来自于( )
A.核子消失转化为能量
B.原子中电子与原子核的电势能减小
C.入射的中子消失转化为能量
D.原子核的比结合能变大,释放出能量
答案D
解析发生核反应过程中,核子数保持守恒,中子未消失,故A错误;能量来自于原子核内部,因重核分裂为中等质量的核时,比结合能增加而释放出能量,D正确.
2.科学家发现在月球上含有丰富的He(氦3).它是一种高效、清洁、安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程式为HeHe→He.关于He聚变,下列表述正确的是( )
A.聚变反应不会释放能量
B.聚变反应产生了新的原子核
C.聚变反应没有质量亏损
D.目前核电站都采用He聚变反应发电
答案B
解析聚变反应是轻核变为较大质量核的反应,发生质量亏损,释放能量.目前核电站采用重核裂变反应.
3.一个U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U+n→Sr+n,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
答案A
解析X原子核中的核子数为(235+1)-(94+2)=140,B项错误.中子数为140-(92-38)=86,A项正确.裂变时释放能量,出现质量亏损,但是其总质量数是不变的,所以C、D项错误.
4.铀核裂变时,对于产生链式反应的重要因素,下列说法中正确的是( )
A.反应堆中铀的质量是重要因素与体积无关
B.为了使裂变的链式反应容易发生,最好直接利用裂变时产生的中子
C.若铀235的体积超过它的临界体积,裂变的链式反应就能够发生
D.能否发生链式反应与铀块的质量无关
答案C
解析使铀核裂变产生链式反应,铀块的体积必须大于临界体积,但铀核的质量无论怎样,只要组成铀块的体积小于临界体积,则不会产生链式反应,裂变反应中产生的中子为快中子,这些快中子不能直接引发新的裂变.如果铀块的质量大,则其体积大,若超过临界体积则发生链式反应,由此知A、B、D错误,C正确.
5.(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摄氏度的高温,因此聚变又叫热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温,所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D.太阳和许多恒星内部都在激烈地进行着裂变反应
答案ABC
解析聚变时,要使轻核之间的距离达到10-15 m,所以必须克服库仑斥力做功.原子核必须有足够的动能,才能使它们接近核力能发生作用的范围.实验证明,原子核必须处在几百万摄氏度以上的高温才有这样的能量,氢弹是利用原子弹爆炸获得高温引发热核反应的.在太阳和许多恒星内部存在着热核反应.
6.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是BaKr+n.下列说法正确的有( )(导学号51160207)
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
答案AC
解析反应后的中子数多于反应前参与的中子数,所以该裂变反应中有中子放出,铀块的大小是链式反应能否发生的重要因素,裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积.且链式反应可人工控制,放射性元素的半衰期由核内部自身因素决定,与原子所处的化学状态和外部条件没有关系.选项A、C正确.
7.(多选)人类通过链式反应利用核能的方式有( )
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,建成原子反应堆
D.利用不可控制的慢中子链式反应,建成原子反应堆
答案BC
解析原子弹爆炸时,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;原子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,因此选B、C.
8.(多选)关于聚变,以下说法正确的是( )
A.两个轻核聚变为中等质量的原子核时释放出能量
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好多倍
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
答案BD
解析两个轻核聚合为较大质量的原子核就可释放能量,但不一定是中等质量的核,故A错误.聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时放出的能量大得多,这点我们由聚变反应的特点就可以知道,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,而聚变反应的条件是原子核间距达到10-15 m,故要求有足够大的动能才能克服电荷间强大的斥力做功,故C错误,D正确.
能力提升
9.(多选)下列关于原子结构和原子核的说法中正确的是( )(导学号51160208)
A.卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型
B.天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒,其放射线在磁场中不偏转的是γ射线
C.据图可知,原子核A裂变成原子核B和C要放出核能
D.据图可知,原子核D和E聚变成原子核F要吸收能量
答案ABC
解析卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型,则选项A对;放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒,而γ射线不带电,它在电磁场中不会偏转,则选项B对;由题图可知,A为重核,B、C为中等质量的核,重核裂变为中等质量的核将向外释放出能量,则选项C对;而D、E为轻核,轻核聚变成较大质量的原子核时要向外释放巨大的能量,则选项D错.
10.(多选)核电站的核能来源于U核的裂变,下列说法中正确的是( )(导学号51160209)
A.U原子核中有92个质子、143个中子
BU的一种可能的裂变是变成两个中等质量的原子核,如Xe和Sr,反应方程式为nSr+n
CU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
D.反应后的核废料已不具有放射性,不需要进一步处理
E.一个U核裂变的质量亏损为Δm=0.215 5 u,则释放的核能约201 MeV
答案ABE
解析根据核反应的质量数守恒和电荷数守恒可知A、B正确;特别要注意的是,由于重核裂变的可能性很多,只要满足这两个条件,即发生了分裂,都是可能反应中的一种;半衰期不会因为温度变化而变化,C错误;核裂变的核废料有强烈的放射性,必须深埋处理,D错误;根据爱因斯坦质量亏损方程知E正确.
11.已知铀核U)裂变生成钡Ba)和氪Kr),Ba、Kr以及中子的质量分别是235.043 9 u、143.913 9 u、88.897 3 u和1.008 7 u.我国秦山核电站一期工程的功率为30×104 kW,假如U能够完全发生裂变,其中有一半核能转化为电能.则核电站一年要消耗多少U?(已知1 u=1.66×10-27 kg)(导学号51160210)
答案231.1 kg
解析核裂变方程为BaKr+n.
则一个U裂变释放出来的核能ΔE=(235.043 9 u-143.913 9 u-88.897 3 u-2×1.008 7 u)×c2=0.215 3×1.66×10-27×(3×108)2 J≈3.21×10-11 J
每年核电站产生的总能量E=Pt=30×107×365×24×3 600 J≈9.46×1015 J
所以每年消耗的铀核个数为
N=≈5.894×1026
因此每年需要铀的总质量为m=
m=·mmol=×235×10-3 kg≈231.1 kg.
课时训练17 核能利用 小粒子与大宇宙
基础夯实
1.现已建成的核电站能量来自于( )
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
答案C
解析核电站发电的能量来自于重核裂变放出的能量.重核裂变要在一定条件下才能进行,并能有效地进行控制,核电站利用这一反应放出的能量进行发电,将其转化成电能.
2.下列说法中正确的是( )
A.太阳是宇宙的中心
B.太阳系中只存在太阳和它的八大行星
C.太阳系是由太阳和若干行星以及它们的卫星还有彗星组成的
D.以上说法都正确
答案C
解析太阳系中以太阳为中心,有八大行星绕太阳运行,有的行星还有卫星,此外还有2 000多颗比较小的小行星和彗星等,所以叙述较完整的是C项.通常我们所说的八大行星是指太阳系中较大的几颗行星,太阳系的组成中还有小行星和彗星.
3.在核反应中,控制铀235核裂变反应速率的方法是( )
A.使用浓缩轴
B.改变铀块的临界体积
C.通过自动控制装置,改变使用镉棒插入的深度,以改变反应堆中的中子数目
D.利用石墨与中子的碰撞来改变中子的速度
答案C
解析核反应堆中核裂变反应速度是通过调节镉棒的深度来改变中子数而实现的.
4.(多选)国家重大科技专项示范项目CAP1400核电站在山东荣成石岛湾建设.核电站与火电站相比较,其优势在于( )(导学号51160211)
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
答案ABC
解析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.
5.为应对能源危机和优化能源结构,提高清洁能源的比重,我国制定了优先选择核能,其次加快发展风电和再生能源的政策,在《核电中长期发展规划》中要求2020年核电运行装机总容量达到4 000万千瓦的水平,请根据所学物理知识,判断下列说法中正确的是( )
A.核能发电对环境的污染比火力发电要小
B.核能发电对环境的污染比火力发电要大
C.所有核电站都只利用重核裂变释放大量的原子能
D.重核裂变是非常清洁的能源,无任何污染
答案AC
解析目前核电站都用核裂变,其原料是铀,且核裂变在核反应堆中应用的是比较清洁的能源,但也有一定的污染,故A、C正确,B、D错误.
6.(多选)下列说法中正确的是( )
A.聚变反应中有质量亏损,所以必向外界放出能量
B.使核发生聚变反应必须使核之间的距离接近到1×10-15 m,也就是接近到核力能够发生作用的范围内
C.要使核发生聚变反应,必须克服核力做功
D.热核反应只有在人工控制下才能发生
答案AB
能力提升
7.2011年3月11日,日本发生地震并引发海啸导致福岛核电站发生了核泄漏,对附近的环境造成了很大的危害.核泄漏直接导致严重的环境污染,产生的射线具有非常大的危害性,能够使动植物体内的细胞发生癌变,致使生物死亡.根据以上材料回答以下问题:
核电站的发电原理是通过核裂变产生巨大的能量,完成下面铀核裂变可能的一个反应方程n→Ba+Kr+ ,并计算1 kg铀核裂变放出的能量是 J.(结果保留两位有效数字,Ba、92Kr和中子的质量分别为235.049 3 u,140.913 9 u,91.897 3 u,1.008 7 u,1 u=1.66×10-27 kg)(导学号51160212)?
答案n 8.5×1013
解析一个铀原子核裂变放出的核能,
ΔE=Δmc2=(235.049 3 u-140.913 9 u-91.897 3 u-2×1.008 7 u)c2≈3.3×10-11 J.
1 kg铀中含有铀核数为N= NA=×6.02×1023≈2.562×1024(个)
所以1 kg铀核裂变时放出的能量为
E=N·ΔE=2.562×1024×3.3×10-11 J=8.5×1013 J.
8.在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作慢化剂.中子在重水中可与H核碰撞减速,在石墨中与C核碰撞减速.上述碰撞可简化为弹性碰撞模型.某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次碰撞考虑,用重水和石墨作减速剂,哪种材料减速效果更好?(导学号51160213)
答案重水
解析设中子质量为mn,靶核质量为m,由动量守恒定律得mnv0=mnv1+mv2,
由能量守恒定律得mnmn,
解得v1=v0.
在重水中靶核质量
mH=2mn,
v1H=v0=-v0.
在石墨中靶核质量
mC=12mn,
v1C=v0=-v0.
因为与重水靶核碰撞后中子速度较小,故重水减速效果更好.
9.天文观测表明,几乎所有远处的恒星(或星系)都在以各自的速度背离我们而运动,离我们越远的星体,背离我们运动的速度(称为退行速度)越大;也就是说,宇宙在膨胀.星体的退行速度v和它们离我们的距离r成正比,即v=Hr.式中H为一常量,称为哈勃常数,已由天文观察测定.为解释上述现象,有人提出一种理论,认为宇宙是从一个大爆炸的火球开始形成的.假设大爆炸后各星体以不同的速度向外匀速运动,并设想我们就位于其中心,则速度越大的星体现在离我们越远.这一结果与上述天文观测一致.(导学号51160214)
(1)由上述理论和天文观测结果,可估算宇宙年龄T,其计算式是什么?
(2)根据观测,哈勃常数H=3×10-2米/(秒·光年),其中光年是光在一年中行进的距离,由此估算宇宙的年龄为多少年?
答案(1)T= (2)1×1010年
解析(1)由于爆炸后各星体做的是匀速运动,令宇宙年龄为T,则星球现距我们的距离为r=vT=HrT,得T=.
(2)T=年=1×1010年.
