第三章 原子核
原子核
专题一
核反应与核反应方程
1.核反应
常见核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型：
(1)衰变：
α衰变：U→Th＋He(核内2H＋2n→He)
β衰变：Th→Pa＋e(核内n→H＋ 0－1e)
γ衰变：原子核处于较高能级，辐射光子后跃迁到低能级。
衰变反应的特点：衰变是原子核自发地转变成另一种原子核，反应物只有一个放射性核，生成物中除有一个新核外，还有α粒子或β粒子。
(2)人工转变：
7N＋He→8O＋H(发现质子的核反应)
Be＋He→6C＋n(发现中子的核反应)
人工转变特点：以高能微观粒子轰击原子核为标志，反应物中除有一个原子核外，还有一个入射粒子，如α粒子、质子、中子等。
(3)裂变：
U＋n→Ba＋Kr＋3n
裂变特点：质量较大的重核捕获中子分裂成两个以上中等质量的核，并放出几个中子。
(4)聚变：
H＋H→He＋n
聚变特点：反应物为n个质量较小的轻核，生成物包含一个质量较大的核。
2．核反应方程的书写
(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律，有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律。
(2)核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。
(3)写核反应方程必须要有实验依据，决不能毫无根据地编造。
(4)在写核反应方程时，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；然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数；最后根据未知核(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号。
[例1] 关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有( )
A.U→Th＋He是α衰变
B.N＋He→O＋H是β衰变
C.H＋H→He＋n是轻核聚变
D.Se→Kr＋2e是重核裂变
[解析] 反应物中只有一个放射性核，生成物中除有一个新核外，还有α粒子或β粒子，故A项是α衰变，D项是β衰变，所以A对D错。反应物中除有一个原子核外，还有一个入射粒子——α粒子，故B项为原子核的人工转变，所以B错。两个质量中等的核结合成一个质量较大的核，故C项为轻核聚变，所以C对。
[答案] AC
专题二
核能与核能的计算
核能的计算是原子核物理中的热点问题，在重核的裂变、轻核的聚变、放射性衰变以及某些人工转变的核反应中，都伴随着巨大的核能释放，根据不同的题设条件和不同的核反应特征，归纳以下四种计算途径。
1．根据质量亏损计算核能
方法一：用质能方程ΔE＝Δmc2计算核能，其中Δm的单位取千克，ΔE的单位是焦耳。
方法二：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。
2．根据平均结合能计算核能
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。
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，在题设条件中没有涉及到质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核反应释放或吸收的能量。
4．根据阿伏加德罗常数计算核能
若已知微观数目的原子核发生核反应释放的能量，要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便。
[例2] 氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程为H＋He→Li，已知各核的平均结合能分别为H：1.112 MeV、He：7.075 MeV、Li：5.603 MeV，试求此核反应过程中释放的核能。
[解析] H和He分解成核子需提供能量，核子结合成Li时释放能量，则此核反应过程中释放的核能为二者之差。
H和 He分解成7个核子所需的能量为
E1＝3×1.112 MeV＋4×7.075 MeV＝31.636 MeV
7个核子结合成Li释放的能量为
E2＝7×5.603 MeV＝39.221 MeV
所以此核反应过程中释放的核能为
ΔE＝E2－E1＝39.221 MeV－31.636 MeV
＝7.585 MeV。
[答案] 7.585 MeV
专题三
半衰期的计算与应用
1.半衰期T
半衰期是指由大量原子组成的放射性样品中，放射性元素的原子核有一半发生衰变所需的时间。
2．计算公式
N′＝N0()n或m′＝m0()n，其中n＝t/T。(式中N′、m′为衰变后剩余的原子数量和质量，N0、m0为衰变前原子数量和质量，n为半衰期个数，t是所用时间)。
3．决定因素
半衰期是指放射性元素的大量原子核半数发生衰变所需要的时间，表示大量原子核衰变的快慢程度。半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关，放射性仅与原子核有关。
[例3] 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3-1所示，请估算4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?
图3-1
[解析] 由质量数守恒，核电荷数守恒，可得：
P―→Si＋e，所以这种粒子是正电子e。
由P随时间衰变的关系图可得，其半衰期T＝14天
由m剩＝()nm0，且得n＝4，所以t＝nT＝56天。
[答案] 正电子 56天
(时间：90分钟 满分：100分)
一、选择题(本题共10小题，每小题5分，共50分。在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项正确，有的小题有多个选项正确，全部选对的得5分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分)
1．某放射性元素经过x次α衰变，y次β衰变得到新核，与原来的放射性元素原子核相比较( )
A．质子数减少(2x－y)，中子数减少(2x＋y)
B．质子数减少(2x－y)，中子数减少2y
C．质子数减少2x，中子数减少2y
D．质子数减少2y，中子数减少(2x＋y)
解析：选A 衰变过程如下X―→Y，由反应方程式可知，新核比原来的原子核质子数减少了(2x－y)，中子数减少了(2x＋y)，故A对，B、C、D错。
2．锌对人体的新陈代谢起着重要作用，在儿童生长发育时期测量体内含锌量已成为体格检查的重要内容之一。取儿童的头发约50 mg，放在反应堆中经中子照射后，头发中的锌元素与中子反应生成具有放射性的锌的同位素，其反应方程式为Zn＋n―→Zn。Zn衰变放射出能量为1115 eV的γ射线，通过γ射线强度的测定可以计算出头发中锌的含量。关于以上叙述，下列说法正确的是( )
A.Zn和Zn有相同的核子数
B.Zn和Zn有相同的质子数
C．γ射线是由锌原子的内层电子激发的
D．γ射线在真空中传播的速度是3×108 m/s
解析：选BD Zn和Zn质子数都是30，中子数分别为34和35，γ射线是原子核受激发产生的高频电磁波，传播速度等于光速3×108 m/s。
3．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和y粒子分别是( )
A．质子和电子 B．质子和中子
C．中子和正电子 D．中子和电子
解析：选C 整个过程的反应方程是B＋He―→N＋n，N―→C＋e，即x和y粒子分别是中子和正电子，故选项C正确。
4．(大纲高考)放射性元素氡(Rn)经α衰变成为钋(Po)，半衰期约为3.8天；但勘测表明，经过漫长的地质年代后，目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素Rn的矿石，其原因是( )
A．目前地壳中的Rn主要来自于其他放射性元素的衰变
B．在地球形成的初期，地壳中元素Rn的含量足够高
C．当衰变产物Po积累到一定量以后，Po的增加会减慢Rn的衰变进程
D.Rn主要存在于地球深处的矿石中，温度和压力改变了它的半衰期
解析：选A 本题考查原子物理的基础知识，意在考查考生对半衰期的理解。地壳中Rn主要来自其他放射性元素的衰变，则A正确，B错误；放射性元素的半衰期与外界环境等因素无关，则C、D错误。
5．太阳能是由于太阳内部高温高压条件下的聚变反应产生的，下列核反应属于聚变反应的是( )
图1
A.H＋H―→He＋n
B.7N＋He―→8O＋H
C.92U＋n―→54Xe＋Sr＋10n
D.92U―→90Th＋He
解析：选A A是聚变反应，B是人工转变的核反应，C是裂变反应，D是α衰变反应，故选项A是正确的。
6．太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应，核反应方程是4H―→He＋2X，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。下列说法中正确的是( )
A．方程中的X表示中子(n)
B．方程中的X表示电子( 0－1e)
C．这个核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2
D．这个核反应中释放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2
解析：选D 由核反应质量数守恒和电荷数守恒可推断出X为 0＋1e，A、B错；质量亏损为Δm＝4m1－m2－2m3，释放的核能为ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C错、D对。
7．如果原子X是原子P的同位素，而且它们分别发生了如下的衰变：XYZ，PQR，则下列说法正确的是( )
A．X的质量数和P的相同
B．Y的质子数比Q的质子数多
C．X的中子数和P的相同
D．Z和R是同位素
解析：选D 同位素是质子数相同中子数不同的原子，D正确，A、C错误；Y的质子数比Q的质子数少3，B错误。
8．在匀强磁场中有一个原来静止的碳14原子核发生了某种衰变，已知放射出的粒子速度方向及反冲核的速度方向均与磁场方向垂直，它们在磁场中运动的径迹是两个相内切的圆，两圆的直径之比为7∶1，如图2所示。则碳14的衰变方程为( )
图2
A.C―→e＋B B.C―→He＋Be
C.C―→e＋N D.C―→H＋B
解析：选C 根据r＝判断两电荷的电荷量之比为1∶7。两圆内切，所以为异种电荷，因此C项正确。
9．由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图3所示，它曾由航天飞机携带升空，将其安装在阿尔法国际空间站中，主要使命之一是探索宇宙中的反物质。所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子即为H。假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，通过OO′进入匀强磁场B2而形成图中的4条径迹，则( )
图3
A．1、2是反粒子径迹 B．3、4为反粒子径迹
C．2为反α粒子径迹 D．4为反α粒子径迹
解析：选AC 由左手定则判定质子、α粒子受到洛伦兹力向右偏转；反质子、反α粒子向左偏转，故选项A正确。进入匀强磁场B2的粒子具有相同的速度，由偏转半径R＝ 知，反α粒子、α粒子在磁场中的半径大，C正确。
10．(新课标全国卷Ⅱ)在人类对微观世界进行探索的过程中，科学实验起到了非常重要的作用。下列说法符合历史事实的是( )
A．密立根通过油滴实验测出了基本电荷的数值
B．贝克勒尔通过对天然放射现象的研究，发现了原子中存在原子核
C．居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素
D．卢瑟福通过α粒子散射实验证实了在原子核内部存在质子
E．汤姆孙通过阴极射线在电场和磁场中偏转的实验，发现了阴极射线是由带负电的粒子组成的，并测出了该粒子的比荷
解析：选ACE 密立根通过油滴实验测出了元电荷即基本电荷的数值，A项正确；贝克勒尔发现了天然放射现象，说明原子核具有复杂的结构，卢瑟福通过α粒子散射实验确定了原子的核式结构模型，B项错误；居里夫妇从沥青铀矿中分离出了钋和镭两种新元素，C项正确；卢瑟福用镭放射出的α粒子轰击氮的原子核，从中找出了新的粒子，通过测定其质量和电荷，确定该粒子为氢的原子核，证实了原子核内部存在质子，D项错误；汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况确定了阴极射线的本质是带电的粒子流，并测出了这种粒子的比荷，E项正确。
二、填空题(本题共3小题，共20分。把答案填在题中横线上，或按题目要求作答)
11．(6分)核反应堆中的燃料是________，用石墨、重水等作为________使裂变时产生的中子速度减小，用镉棒来________以控制核反应的________。
答案：铀235 减速剂 吸收中子 速度
12．(6分)2011年3月11日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站的核泄漏事故。在泄漏的污染物中含有131I和137Cs两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射。在下列四个式子中，有两个能分别反映131I和137Cs衰变过程，它们分别是________和________(填入正确选项前的字母)。131I和137Cs原子核中的中子数分别是________和________。
A．X1―→Ba＋n B．X2―→Xe＋e
C．X3―→Ba＋e D．X4―→Xe＋p
解析：根据衰变过程电荷数守恒、质量数守恒，可知X1是Ba，X2是I，X3是Cs，X4是Cs，所以能分别反映I、Cs的衰变过程的是分别是B、C。I原子核中的中子数是131－53＝78，Cs原子核中的中子数是137－55＝82。
答案：B C 78 82
13．(8分)完成核反应方程：Th→Pa＋__________，若Th衰变为Pa的半衰期是1.2 min，则64 g Th经过6 min 还有________ g尚未衰变。
解析：根据核反应前后质量数守恒、电荷数守恒，反应后未知粒子的电荷数为－1，质量数为0，可判断为e(负电子)。根据衰变规律，经过6 min，即经过＝5个半衰期，未衰变的Th还有64 g×()5＝2 g。
答案：e 2
三、简答题(本题共3小题，共30分。解答应写出必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要注明单位)
14．(8分)(1)美国科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池，它是采用铜和半衰期为100年的放射性同位素镍63(Ni)两种金属作为长寿命电池的材料，利用镍63(Ni)发生一次β衰变变成铜(Cu)，同时释放电子给铜片，把镍63(Ni)和铜片做电池两极。镍63(Ni)的衰变方程为________。16 g镍63经过400年还有________g尚未衰变。
(2)一静止的质量为M的镍核(Ni)发生β衰变，放出一个速度为v0，质量为m的β粒子和一个反冲铜核，若镍核发生衰变时释放的能量全部转化为β粒子和铜核的动能。求此衰变过程中的质量亏损(亏损的质量在与粒子质量相比时可忽略不计)。
解析：(1)Ni―→ 0－1e＋Cu 1
(2)设衰变后铜核的速度为v，
由动量守恒mv0＝(M－m)v ①
由能量守恒ΔE＝mv＋(M－m)v2 ②
由质能方程ΔE＝Δmc2 ③
解得Δm＝。
答案：(1)Ni―→ 0－1e＋Cu 1
(2)
15．(10分)(1)放射性物质Po和Co的核衰变方程分别为：Po―→Pb＋X1，Co―→Ni＋X2，方程中的X1代表的是________，X2代表的是________。
(2)如图4所示，铅盒内装有能释放α、β和γ射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场E或磁场B，在图(a)、(b)中分别画出射线运动轨迹的示意图(在所画轨迹上须标明是α、β和γ中的哪种射线)。
图4
解析：(1)由质量数守恒可知X1、X2的质量数分别为4、0，由电荷数守恒可知X1、X2的电荷数分别为2、－1。故X1是He，X2是e。
(2)α粒子带正电，在(a)图电场中向右偏，在(b)图的磁场受到指向左侧的洛伦兹力向左偏；β粒子带负电，故在(a)图中向左偏而在(b)图中向右偏，γ粒子不带电，故不发生偏转，如图所示(曲率半径不作要求，每种射线可只画一条轨迹)。
答案：(1)He e (2)见解析图
16．(12分)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大？
解析：(1)聚变方程：H＋2n→H
(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：(1)H＋2n→H (2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV
第1节 原子核的组成与核力
(对应学生用书页码P32)
一、原子核的组成
1．质子的发现
为了探测原子核的结构，1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子。实验表明质子是原子核的组成部分。
2．中子的发现
卢瑟福发现质子后，预想核内还有一种不带电的中性粒子。1932年，查德威克利用α粒子轰击铍时，证明了中子的存在。
3．原子核的组成
(1)组成：原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。
(2)原子核的符号：X，其中X表示元素，A表示质量数，Z表示核电荷数。
(3)基本关系：核电荷数＝质子数＝原子序数
质量数＝质子数＋中子数＝核子数
(4)同位素：具有相同质子数、不同中子数的原子核互称同位素。如氢的三种同位素氕、氘、氚。
二、核力
1．定义
原子核内相邻核子之间的相互作用力，也称强力。
2．特点
(1)在原子核的线度内，核力比库仑力大得多。
(2)核力是短程力，当两核子中心距离大于核子本身线度时，核力几乎完全消失。
(3)核力与电荷无关，质子与质子、中子与中子、质子与中子之间的核力是相等的。
[特别提醒] 质子越多的原子核需要更多的中子来维持核的稳定，在大而稳定的原子核中，中子数大于质子数。
三、核反应
1．核反应
用一定能量的粒子轰击原子核，改变原子核结构的过程。
2．核反应方程
用原子核符号描述核反应过程的式子。
3．书写方程式的原则
核反应方程必须满足反应前、后质量数和核电荷数都守恒。
1．判断：
(1)卢瑟福发现了中子。( )
(2)具有相同质子数而中子数不同的原子核称为同位素。( )
(3)核反应只改变核外电子数，不会改变原子核的结构。( )
答案：(1)× (2)√ (3)×
2．思考：一个铅原子质量数为207，原子序数为82，其核外电子有多少个？中子数又是多少？
提示：铅的原子序数为82，即一个铅原子中有82个质子，由于原子是电中性的，质子与电子电性相反、电量相同，故核外电子数与核内质子数相同为82个，根据质量数等于质子数与中子数之和的关系，铅原子核的中子数为207－82＝125(个)。
(对应学生用书页码P32)
原子核的结构
1.原子核的组成
(1)原子核是由质子、中子组成的，质子带正电，电荷量e＝＋1.6×10－19 C，质量m＝1.6726231×10－27kg。中子不带电，质量mn＝1.6749286×10－27kg。不同的原子核内质子和中子的个数并不一定相同。
(2)质量数：原子核的质量等于核内的质子和中子质量之和，原子核的质量近似等于质子(或中子)质量的整数倍，通常用这个整数代表原子核的相对质量，叫做原子核的质量数。原子核的质量数等于质子数和中子数之和。
2．同位素
(1)定义：具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置。
(2)化学性质的决定因素：原子核内的质子数决定了核外电子的数目，也决定了电子在核外分布的情况，进而决定了这种元素的化学性质。
(3)氢的同位素：氕(H)，氘(H)，氚(H)。
元素的化学性质是由原子核外面的电子数决定的，所以同位素具有相同的化学性质，但其物理性质一般是不同的。
1．某种元素的原子核用X表示，下列说法正确的是( )
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 X中，A为质量数，Z为质子数；中子数应为A－Z。
核反应的规律与核反应方程
1.用原子核的符号来表示核反应过程的式子称为核反应方程。一般用下列通式表示
i＋T―→I＋R
i表示为入射粒子，T为靶原子核，R为生成的原子核，I为出射粒子。
2．常见的几个核反应方程：
N＋He―→O＋H(发现质子)
Be＋He―→C＋n(发现中子)
Al＋He―→P＋n P―→Si＋e(发现正电子)
3．写核反应方程时应注意的问题
(1)核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。
(2)核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。
(3)核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。
核反应前后质量数守恒，但原子核的总质量一般会发生变化，即总质量不守恒。
2．下列核反应方程中正确的是( )
A.U―→Th＋H B.Be＋He―→C＋n
C.Th―→Pa＋e D.P―→Si＋e
解析：选B 根据核反应方程中电荷数守恒和质量数守恒进行分析。
(对应学生用书页码P33)
原子核的组成
[例1] 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)Ra是镭的一种同位素，让Ra和Ra以相同的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？
[解析] 原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的。原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。由此可得：
(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＝88×1.6×10－19 C＝1.41×10－17C。
(3)中性原子的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qvB＝m，r＝。
两种同位素具有相同的核电荷数，但质量数不同，故有
＝＝。
[答案] 见解析
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。
核反应方程的书写
[例2] 完成下列各核反应方程，并指出哪个核反应是首次发现质子、中子和正电子的。
(1)B＋He―→N＋( )
(2)Be＋( )―→C＋n
(3)Al＋( )―→Mg＋H
(4)N＋He―→O＋( )
(5)U―→Th＋( )
(6)Na＋( )―→Na＋H
(7)Al＋He―→n＋( )；P―→Si＋( )
[解析] (1)5B＋He―→N＋n。
(2)Be＋He―→6C＋n
此核反应使查德威克首次发现了中子。
(3)Al＋n―→Mg＋H。
(4)N＋He―→O＋H
此核反应使卢瑟福首次发现了质子。
(5)U―→Th＋He。
(6)Na＋H―→Na＋H
(7)Al＋He―→n＋P(磷30放射性同位素)
P―→Si＋e(正电子)
此核反应首次发现了正电子。
[答案] 见解析
书写核反应方程应注意以下几点：
(1)正确书写各粒子的符号。
(2)反应前后体系的总电荷数、质量数守恒。
(3)正确区分核电荷数与原子核的电荷量，原子核的质量数与原子核的质量的不同。
(对应学生用书页码P33)
1．关于质子与中子，下列说法中错误的是( )
A．原子核由质子和中子组成
B．质子和中子统称核子
C．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在
D．卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在
解析：选C 原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，卢瑟福发现了质子并预言了中子的存在，故A、B、D项叙述正确，C项错。
2．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电荷量跟质子电荷量之比，因而原子核内还存在一种不带电的中性粒子
解析：选CD 原子中除了带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；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不正确；正是用α粒子轰击原子核的实验才发现了质子，故C正确；因为绝大多数原子核的质量跟质子质量之比都大于原子核电荷量跟质子电荷量之比，才确定原子核内必还有别的中性粒子，故D正确。
3．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AB 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。故正确答案为A、B。
4．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2 fm左右
D．核力与电荷有关
解析：选C 核力是短程力，超过2×10－15 m，核力急剧下降几乎消失，故C对；核力与万有引力、电磁力不同，故A、B不对；核力与电荷无关，故D错。
5．在下列4个核反应方程中，X表示质子的是( )
A.P―→Si＋X
B.U―→Th＋X
C.Al＋n―→Mg＋X
D.Al＋He―→P＋X
解析：选C 根据电荷数和质量数守恒，选项A中的X为正电子；选项B中的X为α粒子；选项C中的X为质子；选项D中的X为中子。故C正确。
6．下列说法正确的是( )
A．质子和中子的质量不等，但质量数相等
B．质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量总和
C．同一种元素的原子核有相同的质量数，但中子数可以不同
D．中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子和电子的总电荷量之和
解析：选A 质子和中子的质量不同，但质量数相同，A对。质子和中子构成原子核，原子核的质量数等于质子和中子的质量数总和，B错。同一种元素的原子核有相同的质子数，但中子数可以不同，C错。中子不带电，所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量之和，D错。
7．据最新报道，放射性同位素钬Ho，可有效治疗癌症，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。
8．对核子结合成原子核的下列说法正确的是( )
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
解析：选CD 由于核力为短程力，只会发生在相邻核子之间，由此知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，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。
9．原子核X与氘核H反应生成一个α粒子和一个质子，由此可知( )
A．A＝2，Z＝1 B．A＝2，Z＝2
C．A＝3，Z＝3 D．A＝3，Z＝2
解析：选D 本题考查核反应方程的书写，主要考查电荷数守恒和质量数守恒。根据这两点有方程A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，解得A＝3，Z＝2，D项对。
10．写出下列两个核反应的反应方程。
(1)Al(铝核)俘获一个α粒子后放出一个中子：
________________________________________________________________________。
(2)α粒子轰击N(氮核)放出一个质子：
________________________________________________________________________。
解析：由质量数守恒和电荷数守恒可知：
(1)Al＋He→P＋n (2)N＋He→O＋H
答案：见解析
11．1930年发现，在真空条件下用α粒子(He)轰击铍(Be)时，会产生一种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子，查德威克认定这种粒子就是中子。
(1)写出α粒子轰击铍核的核反应方程。
(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰，已知中子的质量为mn、初速度为v0，与碳核碰后的速率为v1，运动方向与原来运动方向相反，碳核质量视为12mn，求碳核与中子碰撞后的速率；
(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场，测得碳核做圆周运动的半径为R，已知元电荷的电荷量为e，求该磁场的磁感应强度大小。
解析：(1)Be＋He―→n＋C
(2)根据动量守恒定律有
mnv0＝－mnv1＋12mnv2，
解得：v2＝。
(3)根据牛顿第二定律和洛伦兹力公式有
6eBv2＝12mn，解得：B＝。
答案：(1)Be＋He―→n＋C
(2) (3)
第2节 放射性__衰变
(对应学生用书页码P34)
一、天然放射现象的发现
1．1896年，法国物理学家贝可勒尔发现，铀和含铀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片感光。物质放出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素。
2．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，命名为钋(Po)、镭(Ra)。
二、三种射线的本质
1．α射线实际上就是氦原子核，速度可达到光速的，其电离能力强，穿透能力较差。在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。
2．β射线是高速电子流，它的速度更大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。
3．γ射线呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10 m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
三、原子核的衰变
1．放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新原子核的变化叫衰变。
2．能放出α粒子的衰变叫α衰变，产生的新核，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移动两位，其衰变规律是X―→Y＋He。
3．能放出β粒子的衰变叫β衰变，产生的新核，质量数不变，电荷数加1，新核在元素周期表中的位置向后移动一位，其衰变规律X―→ AZ＋1Y＋__0－1e。
4．γ射线是伴随α衰变、β衰变同时产生的。
β衰变是原子核中的中子转化成一个电子，同时还生成一个质子留在核内，使核电荷数增加1。
四、半衰期
1．放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间，叫做这种元素的半衰期。
2．放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的。
3．跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
4．半衰期是大量原子核衰变的统计规律。
衰变公式：N＝N0()，τ为半衰期，反映放射性元素衰变的快慢。
1．判断：
(1)放射性元素发生α衰变时，新核的化学性质不变。( )
(2)半衰期可以表示放射性元素衰变的快慢。( )
(3)半衰期是放射性元素的大量原子核衰变的统计规律。( )
(4)半衰期可以通过人工进行控制。( )
(5)对放射性元素加热时，其半衰期缩短。( )
答案：(1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)×
2．思考：发生β衰变时，新核的核电荷数变化多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？
提示：根据β衰变方程Th―→Pa＋e知道，新核核电荷数增加了1，原子序数增加1，故在元素周期表上向后移了1位。
(对应学生用书页码P35)
原子核的衰变
1.衰变规律
原子核衰变时，电荷数和质量数都守恒。
2．衰变方程示例
α衰变：X→Y＋He，
β衰变：X→Y＋e。
3．对α衰变和β衰变的理解
(1)α衰变：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，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。
(2)β衰变：原子核中的中子转化成一个质子且放出一个电子即β粒子，使核电荷数增加1.但β衰变不改变原子核的质量数。
(3)原子核放出一个α粒子就说明它发生了一次α衰变，同理放出一个β粒子就说明它发生了一次β衰变。
(1)原子核衰变时质量数守恒，但并非质量守恒，核反应过程前、后质量发生变化(质量亏损)而释放出能量，质量与能量相联系。
(2)在β衰变中，释放出具有很大的能量的电子，该电子来自于原子核，它是由中子和质子的转化产生的，这表明质子(或中子)也是变化的。
(3)天然放射现象说明原子核具有复杂的结构。原子核放出α粒子或β粒子，并不表明原子核内有α粒子或β粒子；原子核发生衰变后“就变成新的原子核”。
1．一个原子核发生衰变时，下列说法中正确的是( )
A．总质量数保持不变 B．总核子数保持不变
C．总能量保持不变 D．总动量改变
解析：选ABC 衰变过程中质量数守恒，又因为质量数等于核子数，故衰变过程中核子数不变。
三种射线的比较
1.α、β、γ三种射线性质、特征的比较
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
光子流(高
频电磁波)
带电荷量
2e
－e
0
质量
4mp(mp＝1.67×10－27 kg)
静止质量为零
速率
0.1c
0.9c
c
在电场或
磁场中
偏转
偏转
不偏转
贯穿本领
最弱用一张纸就能挡住
较强穿透几毫米的铝板
最强穿透几厘米的铅板
电离作用
很强
较弱
很弱
2．研究放射性的意义
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，原子核也存在一定的结构。
β射线中的电子是从原子核内放出的(本质是一个质子转化为一个中子，放出一个电子)，并不是原子核外的电子。
2．关于α、β、γ三种射线，下列说法中正确的是( )
A．α射线是原子核自发发射出的氦核，它的穿透能力最强
B．β射线是原子核外电子电离形成的电子流，它具有中等的穿透力
C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，它的穿透力最强
D．γ射线是电磁波，它的穿透力最弱
解析：选C α射线是不稳定原子核放出的由两个中子和两个质子组成的粒子流，它的电离本领最大，穿透力最弱。β射线是原子核内一个中子转化为一个质子时放出的高速电子流，其穿透力和电离能力都居中，γ射线是跃迁时放出的光子，它的穿透力最强，故正确答案为C.
对半衰期的理解
1.计算公式
根据半衰期的概念，可总结出公式如下：
N余＝N原()t/τ，m余＝M()t/τ
式中N原、M表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。
2．影响因素
放射性元素的半衰期是由原子核内部自身的因素决定的，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。
3．适用条件
半衰期是一个统计概念，是大量原子核衰变时的统计规律。对于某一个特定的原子核，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。
4．衰变次数的计算
(1)对象：一个放射性元素的原子核发生α衰变(或β衰变)变成新的原子核，而新原子核仍有放射性，可能又会发生某种衰变。经过若干次变化，最终变为某一稳定的原子核。在此过程中共发生了多少次α衰变和β衰变，是经常面临的问题。
(2)依据：电荷数和质量数守恒。
(3)方法：根据β衰变不改变质量数的特点，可依据反应原子核与最终原子核的质量数改变确定α衰变的次数，然后计算出电荷数的改变，由其差值可确定β衰变的次数。其中每发生一次α衰变，质量数减少4，电荷数减少2，每发生一次β衰变，电荷数增加1，质量数不变。
3．(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( )
A. B.
C. D.
解析：选C 经过32天即4个半衰期，碘131的含量变为m′＝＝，C项正确。
(对应学生用书页码P36)
对三种射线的理解
[例1] (福建高考)如图3-2-1，放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线，分别进入匀强电场和匀强磁场中，下列说法正确的是________。(填选项前的字母)
图3-2-1
A．①表示γ射线，③表示α射线
B．②表示β射线，③表示α射线
C．④表示α射线，⑤表示γ射线
D．⑤表示β射线，⑥表示α射线
[解析] 由于在放射现象中放出组成α射线的α粒子带正电，β射线的β粒子带负电，γ射线不带电，根据电场力的方向与左手定则，可判断三种射线在电磁场中受力的方向，即③④表示α射线，①⑥表示β射线，②⑤表示γ射线，所以C正确，A、B、D错误。
[答案] C
(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会在电场或磁场中偏转，γ射线不偏转。
(2)α、β粒子在电场中做类平抛，用平抛的规律研究，在磁场中做圆周运动，利用洛伦兹力提供向心力进行研究。
衰变次数的分析与计算
[例2] Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变，变成Pb(铅)。以下说法正确的是( )
A．铅核比钍核少8个质子
B．铅核比钍核少16个中子
C．共经过4次α衰变和6次β衰变
D．共经过6次α衰变和4次β衰变
[解析] 设α衰变次数为x，β衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得232＝208＋4x,90＝82＋2x－y，解得x＝6，y＝4，C错，D对。
铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对。
铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对。
[答案] ABD
确定α和β衰变次数的具体方法如下：
(1)首先确定开始的原子核和最终的原子核；
(2)确定质量数的变化，并由此得出α衰变的次数；
(3)由α衰变得出核电荷数的改变，根据实际电荷数再确定β衰变的次数。
半衰期的理解
[例3] (江苏高考)氡222是一种天然放射性气体，被吸入后，会对人的呼吸系统造成辐射损伤。它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一。其衰变方程是 Rn―→ Po＋________。已知 Rn的半衰期约为3.8天，则约经过________天，16 g的 Rn衰变后还剩1 g。
[解析] 根据衰变过程中，质量数与电荷数守恒可知，该衰变过程中，所释放的粒子的质量数为A＝222－218＝4，电荷数为Z＝86－84＝2，所以该粒子为He。根据半衰期公式有：m＝()m0，代入数据解得：t＝4τ＝15.2天。
[答案] He 15.2
(1)半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间而不是样本质量减少一半的时间。
(2)注意区分两个质量：
已发生衰变的质量：m[1－()]，
未发生衰变的质量：m()。
(对应学生用书页码P37)
1．以下实验能说明原子核内有复杂结构的是( )
A．X射线的发现
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 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。故正确答案为D。
2．关于天然放射现象，下列说法正确的是( )
A．α射线是由氦原子核衰变产生
B．β射线是由原子核外电子电离产生
C．γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D．通过化学反应不能改变物质的放射性
解析：选D α射线是原子核同时放出两个质子和两个中子产生的，选项A错；β射线是原子核内中子转化为质子而放出的电子，选项B错；γ射线是衰变后的原子核从高能级向低能级跃迁产生的，选项C错；放射性是原子核的固有属性，选项D正确。
3．原子核U 经放射性衰变①变为原子核Th，继而经放射性衰变②变为原子核Pa，再经放射性衰变③变为原子核U。放射性衰变①、②和③依次为( )
A．α衰变、β衰变和β衰变
B．β衰变、α衰变和β衰变
C．β衰变、β衰变和α衰变
D．α衰变、β衰变和α衰变
解析：选A 根据核反应过程中的质量数守恒和电荷数守恒特点，U核与Th核比较可知，核反应的另一产物为He，所以衰变①为α衰变，B、C项排除；Pa核与Th核比较可知，核反应的另一产物为e，所以衰变③为β衰变，A项正确。
4．2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器，通过Ca(钙48)轰击Cf(锎249)发生核反应，成功合成第118号元素，这是迄今为止门捷列夫元素周期表中原子序数最大的元素。实验表明，该元素的原子核先放出3个相同的粒子x，再连续经过3次α衰变后，变成质量数为282的第112号元素的原子核，则上述过程中粒子x是( )
A．中子 B．质子
C．电子 D．α粒子
解析：选A 由于最终经3次α衰变变成原子核X，由此可知原来的核应为X，而该核是由某原子核放出了3个粒子x形成的。而Ca和98Cf的总质子数为118，质量数为297，由此可知Ca＋Cf―→X，X―→X＋3n，故A正确。
5.如图3-2-2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( )
图3-2-2
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 γ射线不带电，故乙是γ射线；α射线带正电，由左手定则可判断丙是α射线；同理判断甲是β射线。
6.如图3-2-3所示，目前，在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些岩石都不同程度地含有放射性元素，比如，有些含有铀、钍的花岗岩等岩石会释放出放射性惰性气体氡，而氡会发生放射性衰变，放射出α、β、γ射线，这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道等方面的疾病，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是( )
图3-2-3
A．氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经过7.6天后就一定剩下一个原子核了
B．β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的
C．γ射线一般伴随着α或β射线产生，在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱
D．发生α衰变时，生成核与原来的核相比，中子数减少了4个
解析：选BC 半衰期是对于大量原子核的统计规律，对个别原子核不适用，所以4个氡原子核经过7.6天(2个半衰期)发生衰变的个数是随机的，具有不确定性，所以选项A错误。β衰变所释放的电子实质上是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，所以选项B正确。在α衰变和β衰变过程中要伴随着γ射线的产生，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱，所以选项C正确。发生α衰变时，生成核与原来的核相比，质子数和中子数都减少了2个，所以选项D错误。
7．表示放射性元素碘131(I)β衰变的方程是( )
A.I→Sb＋He
B.I→Xe＋e
C.I→I＋n
D.I→Te＋H
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。
8.如图3-2-4所示，R是一种放射性物质，虚线方框内是匀强磁场，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( )
图3-2-4
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
解析：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。
9．(新课标全国卷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：选BCD 并不是所有的元素都可能发生衰变，原子序数越大，越易发生，A错误；放射性元素的半衰期与元素本身内部结构有关，与外界的温度无关，B正确；放射性元素无论单质还是化合物都具有放射性，C正确；在α、β、γ射线中，γ射线的穿透能力最强，D正确；一个原子核在一次衰变过程中，可以是α衰变或β衰变，同时伴随γ射线放出，E错误。
10．放射性同位素C被考古学家称为“碳钟”，它可用来断定古生物的年代，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C，C不稳定，易发生衰变，放出射线，其半衰期为5730年。试写出有关的核反应方程。
(2)若测得一古生物遗骸中C的含量只有活体中的12.5%，则此遗骸的年代约有多少年？
解析：(1)N＋n―→C＋H，C―→N＋e。
(2)活体中C含量不变，生物死亡后，C开始衰变，设活体中C的含量为ρ0，遗骸中C的含量为ρ，则由半衰期的定义得ρ＝ρ0·()，即：0.125＝()，＝3，所以t＝3τ＝17 190年。
答案：(1) 见解析 (2)17 190年
11．地球的年龄到底有多大，科学家们是利用天然放射性元素的衰变规律来推测的。通过对目前发现的最古老的岩石中铀和铅含量的测定，测定出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时(岩石形成初期不含铅)的一半。铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间的变化规律如图3-2-5所示。图中N为铀238的原子数，N0为铀和铅的总原子数，则由此可以断定：
图3-2-5
(1)地球年龄大约为多少年？
(2)被测定的古老岩石样品在90亿年后的铀、铅原子数之比是多少？
解析：(1)由于目前研究的岩石中铀的含量是岩石形成初期的一半，由图可知对应的时间是45亿年，即地球年龄大约为45亿年。
(2)由图知，90亿年对应的＝，设铅原子的数目为N′，则有：
＝，
所以：＝，即90亿年时的铀、铅原子数之比是1∶3。
答案：(1)45亿年 (2)1∶3
第3节 放射性的应用、危害与防护
(对应学生用书页码P38)
一、放射性的应用
放射性的应用主要表现在以下三个方面：一是利用射线的电离作用、穿透能力等特征，二是作为示踪原子，三是利用衰变特性考古。
1．射线特性的应用
(1)α射线：利用α射线带电、能量大，电离作用强的特性可制成静电消除器等。
(2)β射线：由于β射线可穿过薄物或经薄物反射的特性来测量薄物的厚度或密度。
(3)γ射线：由于γ射线穿透能力极强，可以利用γ射线探伤，也可以用于生物变异，在医学上可以用于肿瘤的治疗等。
另外还可以利用射线勘探矿藏等。
2．作为示踪原子
在某种元素里掺进一些该元素的放射性同位素，同位素和该元素经历过程相同。用仪器探测出放射性同位素放出的射线，就可查明这种元素的行踪。
3．衰变特性应用
应用C的放射性判断遗物的年代。
二、放射性的危害和防护
1．危害来源
(1)地壳表面的天然放射元素。
(2)宇宙射线。
(3)人工放射。
2．防护措施
(1)距离防护；
(2)时间防护；
(3)屏蔽防护；
(4)仪器监测。
1．判断：
(1)放射性元素发出的射线的强度可以人工控制。( )
(2)α射线的穿透本领最弱，电离作用很强。( )
(3)放射性同位素只能是天然衰变产生的，不能用人工方法合成。( )
答案：(1)× (2)√ (3)×
2．思考：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。
(对应学生用书页码P38)
放射性应用分析
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．放射出的射线的利用
(1)利用γ射线的贯穿本领，利用钴60放出的很强的γ射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹，这叫γ射线探伤，利用γ射线可以检查30 cm厚的钢铁部件，利用放射线的贯穿本领，可用来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度等，从而自动控制生产过程。
(2)利用射线的电离作用，放射线能使空气电离，从而可以消除静电积累，防止静电产生的危害。
(3)利用γ射线对生物组织的物理、化学效应使种子发生变异，培育优良品种。
(4)利用放射性产生的能量轰击原子核，实现原子核的人工转变。
(5)在医疗上，常用以控制病变组织的扩大。
3．作为示踪原子
(1)在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况。
(2)在农业生产中，可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间。
(3)在医学上，可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围。
(4)在生物科学研究方面，放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密、阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用，使生物化学从静态进入动态，从细胞水平进入分子水平，为人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。
1．当今医学影像诊断设备PET/CT堪称“现代医学高科技之冠”，它在医疗诊断中，常利用能放射正电子的同位素碳11作示踪原子。碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得，同时还产生另一粒子，试写出核反应方程。若碳11的半衰期τ为20 min，经2.0 h剩余碳11的质量占原来的百分之几？(结果取2位有效数字)
解析：核反应方程为N＋H→C＋He
设碳11原有质量为m0，经过t1＝2.0 h剩余的质量为mτ，根据半衰期定义有＝()＝()≈1.6%。
答案：N＋H→C＋He 1.6%
放射性的危害与防护
污染与防护
举例与措施
说 明
污染
核爆炸
核爆炸的最初几秒钟辐射出来的主要是强烈的γ射线和中子流，长期存在放射性污染
核泄漏
核工业生产和核科学研究中使用放射性原材料，一旦泄露就会造成严重污染
医疗照射
医疗中如果放射线的剂量过大，也会导致病人受到损害，甚至造成病人的死亡
防护
密封防护
把放射源密封在特殊的包壳里，或者用特殊的方法覆盖，以防止射线泄漏
距离防护
距放射源越远，人体吸收的剂量就越少，受到的危害就越轻
时间防护
尽量减少受辐射的时间
屏蔽防护
在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用，铅的屏蔽作用最好
2．防止放射性污染的防护措施有( )
A．将废弃的放射性物质进行深埋
B．将废弃的放射性物质倒在下水道里
C．接触放射性物质的人员穿上铅防护服
D．严格和准确控制放射性物质的放射剂量
解析：选ACD 因为放射性物质残存的时间太长，具有辐射性，故应将其深埋，A对，B错。铅具有一定的防止放射性的能力，接触放射性物质的人员穿上铅防护服，并要控制一定的放射剂量，故C、D对。
(对应学生用书页码P39)
放射性的应用
[例1] 用人工方法得到放射性同位素，这是一个很重要的发现，天然的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。放射性同位素在工业、农业、医疗卫生和科学研究的许多方面都得到广泛应用。
(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．放射线的贯穿作用
B．放射线的电离作用
C．放射线的物理、化学作用
D．以上三个选项都不是
(2)图3-3-1是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图，如工厂生产的是厚度1 mm的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度起主要作用的是________射线。
图3-3-1
(3)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________。
[解析] (1)因放射线的电离作用，空气中与验电器所带电性相反的离子与之中和，所以使验电器所带电荷消失。
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 mm的铝板，因而探测器不能探到，γ射线穿透本领最强，穿透1 mm的铝板和几厘米厚的铅板，打在探测器上后其运动状态变化不大，探测器很难分辨，β射线也能穿透几毫米厚的铝板，铝板厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态变化较大，探测器容易分辨。
(3)把搀入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，运动到哪里了，是怎样分布的，从而可以了解某些不容易查明的情况或规律，人们把这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。
[答案] (1)B (2)β (3)示踪原子
人工放射性同位素和天然放射性元素都具有放射性，且人工放射性同位素的放射强度容易控制，半衰期比天然放射性物质短得多，所以实际应用更广泛。掌握三种射线的特性是解题的关键。
放射性的危害和防护
[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(见图3-3-2甲)。结合图乙可知，安全壳应当选用的材料是________。
图3-3-2
(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
(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，结合图丙分析可知工作人员受到了________射线的辐射；当所有照相底片被感光时，工作人员受到了________射线的辐射。
[解析] (1)反应堆最外层是厚厚的水泥防护层，防止射线外泄，所以安全壳应选用的材料是混凝土。
(2)D
(3)β射线可穿透几毫米厚的铝片，而γ射线可透穿几厘米厚的铅板，所以两个空分别是：β射线和γ射线。
[答案] (1)混凝土 (2)D (3)β γ
(对应学生用书页码P40)
1．传统电脑的各个配件都能产生电磁辐射，并对人体造成伤害。废弃的电脑设备变成“电脑垃圾”时，将对环境造成新的污染，因此生产厂商推出绿色电脑。这里的“绿色电脑”是指( )
A．绿颜色的电脑
B．价格低的电脑
C．木壳的电脑
D．低辐射、低噪声、健康环保的电脑
解析：选D 辐射、噪声对人体都能产生伤害，所以“绿色电脑”是指低辐射、低噪声、健康环保的电脑，D项正确。
2．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
B.P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BD 同位素有相同的质子数，所以选项A错误。同位素有相同的化学性质，所以B正确。半衰期与元素属于化合物和单质没有关系，所以用P制成化合物后它的半衰期不变，即选项C错误。含有P的磷肥由于衰变，可用作示踪原子，故正确答案为B、D。
3．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AD 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。
4．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．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ABC 放射性同位素用作示踪原子，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、生物的过程，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。
5．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．利用γ射线使空气电离，把静电荷泄去
B．利用α射线照射植物的种子，使产量显著增加
C．利用β射线来治肺癌、食道癌
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
解析：选D β或α射线的电离本领较大，可以消除工业上有害的静电积累，A错误。γ射线的穿透性强，可以辐射育种、辐射保鲜、消毒杀菌和医治肿瘤等，B、C错误。放射性同位素跟它的非放射性同位素的化学性质相同，作示踪原子，D正确。
6．如图3-3-3所示，x为未知放射源，它向右方发出射线，放射线首先通过一张黑纸P，并经过一个强电场区域后到达计数器，计数器上单位时间内记录到的射线粒子数是一定的，现将黑纸移开，计数器单位时间内记录的射线粒子数明显增加，然后再将强电场移开，计数器单位时间内记录的射线粒子数没有变化，则可以判定x可能为( )
图3-3-3
A．α及γ放射源 B．α及β放射源
C．β及γ放射源 D．γ放射源
解析：选A 此题要考查α射线、β射线、γ射线的穿透本领、电离本领大小。黑纸P可以把α射线挡住，如果有β射线，那么在撤去电场后，显微镜内观察到荧光屏上每分钟闪烁的亮点数应该明显增加，而电场对γ射线没有影响，因此含有α射线和γ射线。故正确答案为A。
7．在工业生产中，某些金属材料内部出现的裂痕是无法直接观察到的，如果不能够发现它们，可能会给生产带来极大的危害，自从发现放射线之后，则可以利用放射线进行探测，这是利用了( )
A．α射线产生的He
B．β射线的带电性质
C．γ射线的贯穿本领
D．放射性元素的示踪本领
解析：选C 放射性同位素的应用是沿着利用它的射线和作为示踪原子两个方向开展的，γ射线的贯穿本领较强，可以用来进行金属探伤。C正确。
8．正电子发射计算机断层显像(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，被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的图像。如图3-3-4所示。根据PET的原理，下列选项正确的是( )
图3-3-4
A.8O在人体内衰变的方程式是：O―→N＋e
B．正负电子湮灭的方程式是：e＋ e―→2γ
C．在PET中，O的主要用途是作为示踪原子
D．在PET中，O的主要用途是参与人体的代谢过程
解析：选ABC 根据题意O在人体内衰变放出正电子，其衰变方程应为8O―→7N＋e，可知选项A正确；正电子与人体内的负电子相遇而湮灭转化为一对γ光子的方程式是： e＋e―→2γ，可知选项B正确；在PET中，O的主要用途是作为示踪原子而不是参与人体的代谢过程，可知选项C正确、选项D不正确。
9．某校学生在进行社会综合实践活动时，收集列出了一些放射性同位素的半衰期和可供利用的射线(见下表)，并总结出它们的几种用途。
同位素
放射线
半衰期
同位素
放射线
半衰期
钋210
α
138天
锶90
β
28年
镅241
β
433天
锝99
γ
6小时
钴60
γ
5年
氡
α
3.8天
根据上表请你分析判断下面结论正确的是( )
A．塑料公司生产聚乙烯薄膜，方法是让较厚的聚乙烯膜通过轧辊后变薄，利用α射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀
B．钴60的半衰期为5年，若取4个钴60原子核，经10年后就一定剩下一个原子核
C．把放射性元素钋210掺杂到其他稳定元素中，放射性元素的半衰期变短
D．用锝99可以作示踪原子，用来诊断人体内的器官是否正常。方法是给被检查者注射或口服附有放射性同位素的元素的某些物质，当这些物质的一部分到达要检查的器官时，可根据放射性同位素的射线情况分析器官正常与否
解析：选D 因为α射线不能穿透薄膜，无法测量薄膜的厚度，所以A不正确；钴60的半衰期为5年是指大量钴60原子核因衰变而减少到它原来数目的一半所需要的时间，因此B错误；放射性元素的半衰期由其自身因素决定，与其所处物理状态、化学状态无关。故C错误；检查时，要在人体外探测到体内辐射出来的射线，而又不能让放射性物质长期留在体内，所以应选取锝99作为放射源，D正确。
10．1934年约里奥·居里夫妇用α粒子轰击静止的Al，发现了放射性磷P和另一种粒子，并因这一伟大发现而获得诺贝尔物理学奖。
(1)写出这个过程的核反应方程式；
(2)若该种粒子以初速度v0与一个静止的12C核发生碰撞，但没有发生核反应，该粒子碰后的速度大小为v1，运动方向与原运动方向相反，求碰撞后12C核的速度。
解析：(1)核反应方程式为：H＋Al―→P＋n。
(2)设该种粒子的质量为m，则12C核的质量为12m，碰撞后12C核的速度为v2。由动量守恒定律可得：mv0＝m(－v1)＋12mv2，
解得：v2＝，
且碰撞后12C核的运动方向与该粒子原运动方向相同。
答案：见解析
11．为了临床测定病人血液的体积，可根据磷酸盐在血液中将被红血球所吸收这一事实，向病人体内输入适量含有P作示踪原子的血液，先将含有P的血液4 cm3分为两等份，其中一份留作标准样品，20 min测量出其放射性强度为10 800 s－1；另一份则通过静脉注射进入病人体内，经20 min后，放射性血液分布于全身，再从病人体内抽出血液样品2 cm3，测出其放射性强度为5 s－1，则病人的血液体积为多少？
解析：由于标准样品与输入体内的P的总量是相等的，因此两者的放射性强度与P原子核的总数均是相等的。
设病人血液总体积为V cm3，应有×5＝10 800，
解得：V＝4 320 cm3。
答案：4 320 cm3
第4节 原子核的结合能
(对应学生用书页码P42)
一、原子核的结合能及计算
1．结合能
核子结合成原子核所释放的能量，或者是原子核被拆分为各核子时克服核力所需做的功。
2．结合能的计算
(1)质量亏损：核反应中，质量的减少量(Δm)。
(2)结合能计算公式：ΔE＝Δmc2。
二、比结合能曲线
1．比结合能
对某种原子核，平均每个核子的结合能，表达式为，其中ΔE为原子核的结合能，A为总核子数。
2．比结合能意义
比结合能越大，取出一个核子就越困难，核就越稳定，比结合能是原子核稳定程度的量度。
3．比结合能曲线
(1)曲线：(如图3-4-1)所示。
图3-4-1
(2)曲线意义：
①曲线中间高两头低，说明中等质量的原子核的比结合能最大，核最稳定。
②重核和轻核比结合能小，即重核裂变时或轻核聚变时，要释放核能。
1．判断：
(1)自然界中的原子核内，质子数与中子数都大约相等。( )
(2)比结合能越大的原子核越稳定。( )
(3)质量和能量之间可以相互转变。( )
答案：(1)× (2)√ (3)×
2．思考：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。
(对应学生用书页码P42)
对结合能与比结合能的理解
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3-4-2所示。
图3-4-2
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。
1．中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，相应的能量ΔE＝Δmc2＝2.2 MeV是氘核的结合能。下列说法正确的是( )
A．用能量小于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核不能分解为一个质子和一个中子
B．用能量等于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
C．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和为零
D．用能量大于2.2 MeV的光子照射静止氘核时，氘核可能分解为一个质子和一个中子，它们的动能之和不为零
解析：选AD 氘核分解为一个质子和一个中子时，所需吸收的能量不能小于其结合能2.2 MeV，故A对；光子照射氘核时，光子和氘核组成的系统总动量不为零，由动量守恒定律得，光子被氘核吸收后，分解成的质子和中子的总动量不为零，故总动能也不为零，所以把氘核分解为质子和中子所需的能量应大于2.2 MeV，故D对，B、C错。
质量亏损与核能的计算
1.对质量亏损的理解
(1)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转变为能量。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。如一个质子和一个中子结合成氘核的这一过程中，2.22 MeV的能量是以辐射光子形式放出的，光子的静止质量为零，但这个光子的运动质量为，由此可知这部分亏损恰好与光子的运动质量是相同的。
(2)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。质量亏损并非这部分质量消失，当然也就不存在质量转变成能量的问题。
2．核能的计算方法
核能的计算是原子物理的重要方面和高考的热点问题，其基本方法是：
(1)根据核反应方程，计算核反应前与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．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4×1026 J，根据爱因斯坦质能方程，太阳每秒钟减少的质量最接近( )
A．1036 kg B．1018 kg
C．1013 kg D．109 kg
解析：选D 据E＝Δmc2得：Δm＝＝ kg≈4.4×109 kg，选项A、B、C错，选项D正确。
(对应学生用书页码P43)
结合能的计算
[例1] 如果要把O分成8个质子和8个中子，要给它多少能量？要把它分成4个He，要给它多少能量？已知的核子平均结合能是7.98 MeV，He的核子平均结合能是7.07 MeV。
[解析] 把O分成质子和中子需提供的能量为：
ΔE1＝16×7.98 MeV＝127.68 MeV。
将质子和中子结合成一个He所放出的能量为：
ΔE2＝4×7.07 MeV＝28.28 MeV。
则将O分成 4个He需提供的能量为：
ΔE′＝ΔE1－4ΔE2＝127.68 MeV－4×28.28 MeV
＝14.56 MeV
[答案] 127.68 MeV 14.56 MeV
解决此题时要把握以下三点：
(1)由平均结合能计算出O分裂成核子的结合能。
(2)由平均结合能计算出He的结合能。
(3)由两个结合能计算O分裂成He放出能量。
核能的计算
[例2] 用速度几乎是零的慢中子轰击静止的硼核(B)，产生锂核(Li)和α粒子。已知中子质量mn＝1.008 665 u，硼核质量mB＝10.01 677 u，锂核质量mLi＝7.01 822 u，α粒子质量mα＝4.00 260 u。
(1)写出该反应的核反应方程；
(2)求出该反应放出的能量ΔE。
[解析] 根据质量数和电荷数守恒写出核反应方程，由质量亏损及爱因斯坦质能方程求出核能。
(1)核反应方程为B＋n→Li＋He。
(2)核反应过程中的质量亏损为
Δm＝(10.01 677 u＋1.008 665 u)－(7.01 822 u＋4.00 260 u)
＝0.004 615 u。
释放出的能量为
ΔE＝0.004 615×931.5 MeV＝4.30 MeV。
[答案] (1)B＋n→Li＋He
(2) 4.30 MeV
(对应学生用书页码P43)
1．下列关于结合能和比结合能的说法中正确的是( )
A．核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能
B．比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
C．重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大
D．中等质量原子核的结合能和比结合能均比轻核的要大
解析：选D 核子结合成原子核时放出能量，原子核拆解成核子时吸收能量，A错；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，B、C错；中等质量原子核的比结合能比轻核的大，它的原子核内核子数又比轻核多，因此它的结合能也比轻核大，D正确。
2．下列关于原子和原子核的说法正确的是( )
A．β衰变现象说明电子是原子核的组成部分
B．玻尔理论的假设之一是原子能量的量子化
C．放射性元素的半衰期随温度的升高而变短
D．平均结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固
解析：选B β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的，A错误；玻尔的基本假设是轨道、速度、能量都是量子化的，B正确；半衰期由原子核的内部因素决定，跟元素的化学状态、温度、压强等因素无关，C错误；平均结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，D错误。
3．下列说法中正确的是( )
A．爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化
B．由E＝mc2可知，能量与质量之间存在着正比关系
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 E＝mc2说明能量和质量之间存在着联系，即能量与质量之间存在着正比关系，并不是说明了能量和质量之间存在相互转化的关系，A错误，B正确。核反应中的“质量亏损”并不是质量消失，实际上是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转变成能量，C错误。在核反应中，质量守恒，能量也守恒，在核反应前后只是能量的存在方式不同，总能量不变，在核反应前后只是物质由静质量变成动质量，D错误。
4．关于质能方程，下列哪些说法是正确的( )
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
解析：选BD 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B、D正确。
5．当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时，放出28.30 MeV的能量，当三个α粒子结合成一个碳(C)核时，放出7.26 MeV能量，则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时，释放的能量为( )
A．21.04 MeV B．35.56 MeV
C．77.64 MeV D．92.16 MeV
解析：选D 6个中子和6个质子可结合成3个α粒子，放出能量3×28.30 MeV＝84.9 MeV,3个α粒子再结合成一个碳核，放出7.26 MeV能量，故6个中子和6个质子结合成一个碳核时，释放能量为84.9 MeV＋7.26 MeV＝92.16 MeV。
6．中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用光子能量E的γ射线照射静止氘核使之分解，反应方程为γ＋D→p＋n。若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是( )
A.[(mD－mp－mn)c2－E]
B.[(mp＋mn－mD)c2＋E]
C.[(mD－mp－mn)c2＋E]
D.[(mp＋mn－mD)c2－E]
解析：选C 氘核分解成中子、质子时，质量增加Δm＝mp＋mn－mD，所以2Ek＝E－(mp＋mn－mD)c2，得中子动能为Ek＝[(mD－mp－mn)c2＋E]，故正确答案为C。
7．下面是一核反应方程，H＋H―→He＋X，用c表示光速，则( )
A．X是质子，核反应放出的能量等于质子质量乘以c2
B．X是中子，核反应放出的能量等于中子质量乘以c2
C．X是质子，核反应放出的能量等于氘核与氚核质量和减去氦核与质子的质量和再乘以c2
D．X是中子，核反应放出的能量等于氘核与氚核质量和减去氦核与中子的质量和再乘以c2
解析：选D 由质量数守恒和核电荷数守恒可得X为中子，根据质能方程可得核反应放出的能量为反应前后质量亏损和c2的乘积，故D正确。
8．用质子轰击锂核(Li)生成两个α粒子，以此进行有名的验证爱因斯坦质能方程的实验。已知质子的初动能是0.6 MeV，质子、α粒子和锂核的质量分别是1.007 3 u、4.001 5 u和7.016 0 u。已知1 u相当于931.5 MeV，则下列叙述中正确的是( )
A．此反应过程质量减少0.010 3 u
B．生成的两个α粒子的动能之和是18.3 MeV，与实验相符
C．核反应中释放的能量是18.9 MeV，与实验相符
D．若生成的两个α粒子的动能之和是19.5 MeV，与实验相符
解析：选CD 核反应前的质量为：1.007 3 u＋7.016 0 u＝8.023 3 u，核反应后的质量为2×4.001 5 u＝8.003 0 u，此反应过程中质量减少了0.020 3 u，故A错；根据质能方程ΔE＝Δm×931.5 Mev＝18.9 MeV，故核反应释放的核能为18.9 MeV，C正确；由反应过程中能量守恒知反应后两个α粒子的总动能E总＝18.9 MeV＋0.6 MeV＝19.5 MeV，故B错、D对。
9．一个电子(质量为m，电荷量为－e)和一个正电子(质量为m，电荷量为e)，以相等的初动能Ek相向运动，并撞到一起，发生“湮灭”，产生两个频率相同的光子，设产生光子的频率为ν，若这两个光子的能量都为hν，动量分别为p和p′，下面关系式中正确的是( )
A．hν＝mc2，p＝p′
B．hν＝mc2，p＝p′
C．hν＝mc2＋Ek，p＝－p′
D．hν＝(mc2＋Ek)，p＝－p′
解析：选C 能量守恒和动量守恒为普遍适用的定律，故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正负电子总能量为：2Ek＋2mc2，产生两个光子后，总动量守恒为零，故p＝－p′，且2Ek＋2mc2＝2hν，即hν＝Ek＋mc2。
10．已知氮核质量mN＝14.007 53 u，氧核质量mO＝17.00 454 u，氦核质量mHe＝4.00 387 u，质子质量mH＝1.00 815 u，试判断核反应：是吸能反应还是放能反应，能量变化多少？
解析：反应前的总质量mN＋mHe＝18.011 40 u，反应后的总质量mO＋mH＝18.012 69 u。因为反应中质量增加，所以此反应为吸能反应，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
11．一个锂核(Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子。已知质子的质量是1.6 736×10－27 kg，锂核的质量是11.650 5×10－27 kg，氦核的质量是6.646 6×10－27 kg。
(1)写出上述核反应的方程；
(2)计算上述核反应释放出的能量。(保留3位有效数字)
解析：(1)Li＋H―→2He
(2)核反应的质量亏损为
Δm＝mLi＋mp－2mα＝(11.650 5×10－27＋1.673 6×10－27－2×6.646 6×10－27) kg＝3.09×10－29 kg
释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2 J
＝2.78×10－12 J
答案：(1)见解析 (2)2.78×10－12 J
第5节 核_裂_变
(对应学生用书页码P44)
一、核裂变
1．定义
重核分裂为几个中等质量原子核的过程。
2．裂变常见的方程
U＋n―→Ba＋Kr＋3n
[特别提醒] 同一重核发生裂变时，产生的中等核可能不同。
二、链式反应
1．链式反应
一个反应过程的产物能够再次引起这种反应，从而使反应一旦开始就能自动延续下去，这种反应过程就称为链式反应。
2．临界体积
能够发生链式反应的裂变物质的最小体积。
三、核电站
1．核电站
利用核能发电，它的核心设施是核反应堆，它主要由以下几部分组成：燃料、慢化剂、控制棒。
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循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。
4．注重核污染的防护
1．判断：
(1)铀核的裂变是一种天然放射现象。( )
(2)铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去。( )
(3)铀核裂变时会吸收大量的能量。( )
(4)中子的速度越快，越容易发生铀核裂变。( )
(5)核能发电对环境的污染比火力发电要小。( )
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√
2．思考：核反应堆中的控制棒是由什么制成的？控制棒起什么作用？
提示：控制棒由镉棒制成，镉吸收中子的能力很强，在铀棒之间插进一些镉棒，可以控制链式反应的速度。
(对应学生用书页码P45)
对重核裂变和链式反应的分析
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：
①U＋n―→Xe＋Sr＋2n
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
2．链式反应的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。
(2)铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个即可。
3．裂变反应的能量
铀核裂变为中等质量的原子核，发生质量亏损，所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200 MeV估算，1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量，裂变时能产生几百万度的高温。
4．铀的同位素中铀235最易发生链式反应
在天然铀中，主要有两种同位素，99.3%的是铀238，0.7%的是铀235，中子能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235：俘获各种能量的中子都会发生裂变，且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238：只有俘获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，且裂变的几率小。能量低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不引起裂变。因此，为了使链式反应容易发生，最好利用纯铀235。
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，但核子数不会减少
D．所有重核元素用中子轰击均能发生裂变反应
解析：选C 根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知，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，因此其释放的能量是远大于其俘获中子时吸收的能量的。发生链式反应是有条件的，即铀块的体积必须大于临界体积。如果体积过小，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，因此选项A、B错误，C正确。用中子轰击U和Pu(钚)等少数几种重元素才能发生裂变反应，D错误。
裂变反应堆
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。裂变反应堆的结构和工作原理如下表所示：
组成部分
材料
作用
裂变材料
(核燃料)
浓缩铀(U)
提供核燃料
慢化剂
(减速剂)
石墨、重水或普通水
使裂变产生的快中子减速
控制棒
镉
吸收减速后的中子，控制反应速度
反射层
石墨
阻止中子逃逸
热交换器
水
产生高温蒸气，推动汽轮发电机发电
防护层
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．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．铀块的质量是重要因素，与体积无关
B．为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子
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．裂变能否发生链式反应与铀块的质量无关
解析：选C 要发生链式反应必须使铀块体积(或质量)大于临界体积(或临界质量)，故A、D错，C对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，故B错。
(对应学生用书页码P45)
重核的裂变
[例1] 我国秦山核电站第三期工程中有两个60万千瓦的发电机组，发电站的核能来源于U的裂变，现有4种说法：
①U原子核中有92个质子，有143个中子
②U的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋2n
③U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200 MeV的能量，合3.2×10－11 J
以上说法中正确的是( )
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
[解析] 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；通过计算知④正确，故正确选项为D。
[答案] D
裂变核能的计算
[例2] 铀核(U)裂变成钡(Ba)和氪(Kr)。已知U、Ba、Kr以及中子的质量分别是235.043 9 u、140.913 9 u、91.897 3 u和1.008 7 u。
(1)试写出铀核裂变反应方程，并计算1个235U核裂变时放出的核能；
(2)我国秦山核电站的装机容量为3.0×105 kW，假如全部235U都能够发生这样的裂变，释放核能的1.2%可转化为电能，试由此估算电站1年要消耗多少U?
[解析] (1)根据裂变的生成物及核反应前后质量数守恒，由核电荷数守恒可确定产生中子的数目。
U＋n―→Ba＋Kr＋3n，
核反应中的质量亏损为
Δm＝235.043 9 u－140.913 9 u－91.897 3 u－2×1.008 7 u＝0.2153 u
根据质能方程可知每一个235U核裂变所释放的能量为
ΔE＝Δmc2＝0.215 3×1.66×10－27×(3×108)2 J
＝3.22×10－11 J。
(2)电站1年所产生的电能为E＝Pt，t＝365×24×360 0 s。
每摩尔235U全部裂变所释放的能量为NA·ΔE，NA为阿伏加德罗常数，而235U的摩尔质量为
MU＝0.235 kg/mol，所以
m＝ MU
＝ kg
＝9.6×103 kg。
[答案] 见解析
(对应学生用书页码P46)
1．下列说法正确的是( )
A．α粒子大角度散射表明α粒子很难进入原子内部
B．氢原子跃迁发出的光从空气射入水时可能发生全反射
C．裂变反应有质量亏损，质量数不守恒
D．γ射线是一种波长很短的电磁波
解析：选D α粒子大角度散射现象说明原子中原子核很小，原子内部十分“空旷”，A错误；发生全反射的条件之一是光由光密介质向光疏介质中传播，故光从空气射入水中，不可能发生全反射，B错误；所有的核反应都遵循电荷数与质量数守恒，反应过程中，质量有亏损，C错误；γ射线是一种电磁波，且频率很高，波长很短，D正确。
2．关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理，下列说法正确的是( )
A．镉棒能释放中子，依靠释放的多少控制反应速度
B．用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C．利用镉棒对中子吸收能力强的特点，依靠插入的多少控制中子数量
D．镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用，利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
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，控制中子数量的多少而控制核反应速度，故C正确。
3．下列核反应中，表示核裂变的是( )
A.U→Th＋He
B.C→N＋e
C.U＋n→Ba＋Kr＋3n
D.Be＋He→C＋n
解析：选C 核反应中有四种不同类型的核反应，它们分别是衰变、人工转变、重核裂变、轻核聚变，其中衰变有α衰变、β衰变等。U→Th＋He是α衰变，C→N＋e是β衰变，Be＋He→C＋n是人工转变，只有C选项是重核裂变。
4. U吸收一个慢中子后，分裂成Xe和Sr，同时还放出( )
A．一个α粒子 B．一个氘核
C．三个中子 D．两个中子
解析：选C 该裂变反应的方程为U＋n→Xe＋Sr＋3n，放出的粒子只能是3个中子，故C正确。
5．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。
6．关于铀核裂变，下述说法中正确的是( )
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
解析：选BC 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，而铀238只有俘获能量在1 MeV以上的中子才能引起裂变，且裂变的几率小。而要引起链式反应，需使铀块体积超过临界体积。故上述选项B、C正确。
7．(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U＋n→Ba＋Kr＋3n。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
解析：选AC 本题考查裂变反应的特点及条件、原子核半衰期的特点，意在考查考生对原子核不同变化形式的区别的掌握。从铀核裂变方程可以看出，反应中伴随着中子放出，A项正确；铀块的体积必须大于临界体积才能发生链式反应，B项错误；通过控制中子数可以控制链式反应，C项正确；铀核的半衰期与物理、化学状态无关，因此不受环境影响，D项错误。
8．1个铀235吸收1个中子发生核反应时，大约放出196 MeV的能量，则1 g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．235×196 MeV D.×196 MeV
解析：选D 由于1 mol的铀核质量为235 g,1 g铀235的物质的量为 mol，因此1 g铀235释放的能量
E＝×196 MeV，故D正确。
9．贫铀炸弹是一种杀伤力很强的武器，贫铀是提炼铀235以后的副产品，其主要成分为铀238，贫油炸弹不仅有很强的穿甲能力，而且铀238具有放射性，残留物可长期对环境起破坏作用而造成污染。人长期生活在该环境中会受到核辐射而患上皮肤癌和白血病。下列叙述错误的是( )
A．铀238的衰变方程式为：U―→Th＋He
B.U和U互为同位素
C．人患皮肤癌和白血病是因为核辐射导致了基因突变
D．贫铀弹的穿甲能力很强，也是因为它的放射性
解析：选D 铀238具有放射性，放出一个α粒子，变成钍234，A正确。
铀238和铀235质子数相同，互为同位素，B正确。
核辐射能导致基因突变，是皮肤癌和白血病的诱因之一，C正确。
贫铀弹的穿甲能力很强，是因为它的弹芯是由高密度、高强度、高韧性的铀合金组成，袭击目标时产生高温化学反应，所以其爆炸力、穿透力远远超过一般炸弹，D错。
10．曾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8.4×1013 J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含铀U的质量最小限度为多少千克？(一个铀U原子核分裂时所产生的能量约为200 MeV)
解析：一个U原子核分裂时所产生的能量约为
200 MeV＝200×106 eV＝2.0×108×1.6×10－19 J
＝3.2×10－11 J。
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≈1.015 kg。
答案：2.6×1024个 1.015 kg
11．若U俘获一个中子裂变成Sr及Xe两种新核，且三种原子核的质量分别为235.043 9 u、89.907 7 u和135.907 2 u，中子质量为1.008 7 u(1 u＝1.660 6×10－27 kg,1u·c2相当于931.50 MeV)
(1)写出铀核裂变的核反应方程；
(2)求9.2 kg纯铀235完全裂变所释放的能量是多少？(取两位有效数字)
解析：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n。
(2)因为一个铀核裂变的质量亏损
Δm＝(235.043 9 u＋1.008 7 u)－(89.907 7 u＋135.907 2 u＋10×1.008 7 u)＝0.150 7 u，
故9.2 kg的铀裂变后总的质量亏损为
ΔM＝6.02×1023×0.150 7×9.2×103/235 u
＝3.55×1024 u，
所以ΔE＝ΔMc2＝3.55×1024×931.50 MeV
＝3.3×1027 MeV。
答案：(1)U＋n―→Sr＋Xe＋10n
(2)3.3×1027 MeV
第6节 核_聚_变
(对应学生用书页码P47)
一、热核反应
1．核聚变
轻原子核聚合成较重原子核的反应。
2．核聚变较裂变的优越性
(1)相同质量的燃料下，放出的能量更多。
(2)不产生放射性废料。
(3)燃料储量非常丰富。
3．热核反应
因为核聚变要在高达108_K的温度下才能发生，故核聚变反应也称热核反应。
4．热核反应的应用
目前主要用在核武器上，如氢弹。
二、可控核聚变反应
1．托卡马克
是一种环形磁约束受控热核反应装置，也叫环流器。
2．超导托卡马克
把超导技术应用在产生托卡马克强磁场的线圈上。
三、恒星演化中的核反应
1．恒星的形成
恒星主要是由遍布宇宙中的极其弥散的气态尘埃聚集形成的，且内部发生聚变反应。
2．恒星的演变
恒星内部随聚变反应的发生，核燃料减少经慢长时间最终将成为残骸。
(对应学生用书页码P47)
对核聚变的理解
1.聚变
轻原子核聚合成较重原子核的反应叫聚变。
例如：H＋H→He＋n＋17.60 MeV。
2．热核反应
轻核必须在很高的温度下相遇才能发生聚合放出更大的能量，这种在很高温度下产生的聚变又叫热核反应。
3．聚变比裂变反应放出更多能量的原因
(1)平均每个核子释放能量较多，是裂变反应的2～3倍。如一个氚核和一个氘核结合成一个氦核时放出能量17.6 MeV，平均每个核子放出能量约3.5 MeV；而铀235裂变时，平均每个核子放出能量为1 MeV。
(2)同样质量的情况下，轻核的核子个数多，如氘和氚聚变为1 kg氦时放出的能量为ΔE1，则
ΔE1＝×6.02×1023×17.6 MeV
＝2.65×1033 eV。
假设一个铀核裂变时平均放出的能量为200 MeV，则1 kg铀核全部裂变时放出能量为ΔE2，即
ΔE2＝×6.02×1023×200 MeV≈5.12×1032 eV，
得：≈5.2。
1．下列说法中正确的是( )
A．聚变反应从外界吸收能量
B．聚变反应向外界放出能量
C．聚变反应可以无条件地进行
D．聚变反应必须使核之间的距离接近10－15 m
解析：选BD 聚变反应时有质量亏损，所以会向外界放出能量。聚变必须使核之间的距离接近10－15 m，才能发生聚变反应生成新核，所以是有条件的。
重核裂变与轻核聚变的对比
比较项目
重 核 裂 变
轻 核 聚 变
放能原理
把重核分裂成两个或多个中等质量的核，并释放出核能
两个轻核结合成质量较大的核，并释放出核能
放能多少
聚变反应平均每个核子释放的核能比裂变反应要大得多
核废料的
处理难度
比较困难
比较容易
原料的蕴藏量
储量较少，特别是U
主要原料氘储量非常丰富
可控性
比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用重核裂变释放核能
目前除氢弹以外，还不能进行人工控制
2．热核反应是一种理想能源的原因是( )
A．就每一个核子平均来说，比重核裂变时释放的能量多
B．对环境的放射性污染较裂变轻，且较容易处理
C．热核反应的原料在地球上储量丰富
D．热核反应的速度容易控制
解析：选ABC 聚变反应平均每个核子比裂变反应中平均每个核子放出的能量要大3～4倍，且其原料均为氢的同位素，在地球上储量极为丰富，其放射性污染也较裂变轻。但是，目前只是能够让轻核聚变发生，还不能控制聚变反应、和平利用聚变时释放的核能。故正确选项为A、B、C。
(对应学生用书页码P48)
对轻核聚变的理解
[例1] 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．聚变必须将反应物加热至数百万摄氏度以上高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
[解析] A选项，从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，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质量的核，而聚变则是轻核聚合成为较重的核，无直接关联，并非互为逆反应。B选项，既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量的流向上也不相反。C选项，要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万摄氏度高温，但聚变一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量，因此，总的说来，聚变反应还是释放能量，故正确答案为D。
[答案] D
轻核聚变释放的能量
[例2] 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，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源。(mp＝1.007 3 u，mα＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u)
(1)写出这个核反应方程。
(2)这一核反应释放出多少能量？
[解析] (1)核反应方程是4H―→He＋2e。
(2)这一核反应的质量亏损是
Δm＝4mp－mα－2me＝0.026 6 u，
ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV。
[答案] (1)见解析 (2)24.78 MeV
写核聚变反应方程与其他核反应方程一样，仍需要遵守质量数守恒和电荷数守恒的原则，放出核能的计算仍要根据爱因斯坦质能方程求解。
(对应学生用书页码P48)
1．发生热核反应的办法有( )
A．用中子轰击
B．保持室温环境、增大压强
C．把物体加热到几百万摄氏度以上
D．用γ光子照射
解析：选C 要发生热核反应，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15m，这就要求原子核应具有足够的动能，方法是给原子核加热，使其达到几百万摄氏度的高温。
2．关于轻核聚变释放核能，下列说法正确的是( )
A．一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B．聚变反应比裂变反应每个核子释放的平均能量大
C．聚变反应中粒子的比结合能变小
D．聚变反应中由于形成质量较大的核，故反应后质量增加
解析：选B 在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多，但平均每个核子释放的能量一定大，故A错误，B正确；由于聚变反应中释放出巨大能量，则比结合能一定增加，质量发生亏损，故C、D错误。
3．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He＋He―→2H＋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．目前核电站都采用聚变反应发电
解析：选B 聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核，聚变过程会有质量亏损，要放出大量的能量，但目前核电站都采用铀核的裂变反应。
4．现有三个核反应：
①Na―→Mg＋e
②U＋n―→Ba＋Kr＋3n
③H＋H―→He＋n
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 ①中的e是β粒子，故发生的是β衰变，②是重核分裂成质量较小的核，是裂变，③是典型的聚变，所以C正确。
5．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．轻核聚变需几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫做热核反应
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核裂变反应
解析：选ABC 轻核聚变时，要使轻核之间距离达到10－15 m，所以必须克服库仑斥力做功，A正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳内部或其他恒星内部都存在着热核反应，D错误。
6．钱学森被评为“2007感动中国十大人物”，他参与了我国第一颗原子弹和第一颗氢弹的研制工作。下列核反应方程中属研究两弹的基本核反应方程式的是( )
A.N＋He→O＋H
B.U＋n→Sr＋Xe＋10n
C.U→Th＋He
D.H＋H→He＋n
解析：选BD “两弹”指原子弹和氢弹，它们的核反应属于重核的裂变与轻核的聚变，故应选B、D。
7．EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的，它成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。已知两个氘核聚变生成一个氦－3和一个中子的核反应方程是
2H―→He＋n＋3.26 MeV
若有2 g氘全部发生聚变，则释放的能量是(NA为阿伏加德罗常数)( )
A．0.5×3.26 MeV B．3.26 MeV
C．0.5NA×3.26 MeV D．NA×3.26 MeV
解析：选C 根据核反应方程可知，两个氘核聚变释放的能量为3.26 MeV，那么2 g氘核(即1 mol氘核)聚变释放的能量为0.5NA×3.26 MeV，所以C正确。
8．已知一个氢原子的质量为1.6736×10－27 kg，一个锂原子的质量为11.6505×10－27 kg，一个氦原子的质量为6.6467×10－27 kg。一个锂核受到一个质子轰击变为2个α粒子，核反应方程为H＋Li―→2He。根据以上信息，以下判断正确的是( )
A．题中所给的核反应属于α衰变
B．题中所给的核反应属于轻核聚变
C．根据题中信息，可以计算核反应释放的核能
D．因为题中给出的是三种原子的质量，没有给出核的质量，故无法计算核反应释放的核能
解析：选C 核反应类型是人工核转变，A、B两项均错误，反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子，反应后两个氦原子也是共有8个核外电子，因此只要将一氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量，得到的恰好是反应前后核的质量亏损，电子质量自然消掉。由质能方程ΔE＝Δmc2可以计算释放的核能，C选项正确。
9．(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 根据质量方程ΔE＝Δmc2知，核反应过程中释放的能量等于质量的减少量与光速c平方的乘积，C正确，A、B、D错误。
10．关于粒子，下列说法正确的是( )
A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B．强子都是带电的粒子
C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
解析：选D 由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成不同的强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A、B错误；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋e和－等，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，故C错误，D正确。
11．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，如图3-6-1所示。该反应所进行的聚变过程是H＋H→He＋n，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。
图3-6-1
(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1 g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6.0×1023 mol－1)
(3)一个氚核和一个氘核发生核聚变时，平均每个核子释放的能量为5.6×10－13 J，求该核聚变过程中的质量亏损。
解析：(1)核反应方程为：Li＋n→He＋H。
(2)因为1 g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，所以质量亏损为Δm＝3.1×10－29 kg。
答案：(1)Li He (2)2.0×1023个
(3)3.1×10－29 kg
