第四章 原子核
考点一
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→O＋H(发现质子的核反应)
Be＋He→C＋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] 正电子发射计算机断层扫描(PET)是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。PET在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素氮13作示踪剂。氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的。反应中同时还产生另一种粒子，试写出该反应方程。
[解析] 由题意可知：氧16(8O)在质子(H)的轰击下产生了氮13(N)和另外一种粒子，由质量数和电荷数守恒可知另一种粒子是He，所以核反应方程为：
O＋H→N＋He。
[答案] O＋H→N＋He
考点二
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，归纳以下四种计算方法。
1．根据质量亏损计算核能
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。
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] (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．(m＋m2－m3)c B．(m1－m2－m3)c
C．(m1＋m2－m3)c2 D．(m1－m2－m3)c2
[解析] 一个质子和一个中子结合成氘核时，质量亏损Δm＝m1＋m2－m3，根据质能方程，释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2，选项C正确，A、B、D错误。
[答案] C
[例3] 用中子轰击锂核(Li)发生核反应，生成氚核(H)和α粒子，并放出4.8 MeV的能量。
(1)写出核反应方程；
(2)求出质量亏损；
(3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和α粒子的动能之比是多少？
(4)转化为α粒子动能的能量是多大？
[解析] (1)核反应方程为Li＋n→H＋He
(2)依据ΔE＝Δmc2得Δm＝ u≈0.005 2 u
(3)根据题意有0＝m1v1＋m2v2。
式中m1、m2、v1、v2分别为氚核和α粒子的质量和速度，由上式及动能Ek＝，可得它们的动能之比为
＝＝＝＝
(4)α粒子的动能
Ek2＝(Ek1＋Ek2)＝×4.8 MeV≈2.06 MeV。
[答案] (1)Li＋n→H＋He
(2)0.005 2 u (2)4∶3 (4)2.06 MeV
(时间60分钟，满分100分)
一、单项选择题(共7小题，每小题5分，共35分．)
1．关于我国已建成的秦山和大亚湾核电站，下列说法中正确的是( )
A．它们都是利用核聚变释放原子能的
B．它们都是利用核裂变释放原子能的
C．两者的核燃料都是纯铀235
D．一座是利用核裂变释放原子能，一座是利用核聚变释放原子能
解析：现在我们和平利用的核能只能通过核裂变产生，还没有实现可控热核反应，核燃料是天然铀或浓缩铀。
答案：B
2．原子核内的核子能稳定地结合在一起，是因为有核力作用。下列说法中正确的是( )
A．核力是斥力
B．每个核子和核内其他核子之间都存在核力作用
C．核力是核子间的库仑力和万有引力的合力
D．核力是一种强相互作用力，是在相邻核子之间存在的超短距离的作用力
解析：核力是短程力，核力只发生在相邻核子之间，而库仑力和万有引力都是长程力，故B、C错；原子核内的质子没有因为库仑斥力而分散，是因为核力的强大吸引力，故A错，D对。
答案：D
3．现在很多心血管专科医院引进了一种被称为“心脏灌注显像”的检测技术，方法是将若干毫升含放射性元素锝(Tc)的注射液注入被检测者的动脉，经过40 min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脏血管有无病变，并判定病变位置，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．10 min B．10 h
C．10 s D．10 y(年)
解析：过量的射线对人体有害，在选择放射性同位素时，应该在满足要求的前提下选用半衰期短的元素，故D错；而要满足显像要求放射性元素的半衰期必须大于40 min，故A、C错。
答案：B
4．一个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―→X＋Sr＋2n，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：由质量数和电荷数守恒可知：X原子核的质量数(即核子数)为140，电荷数(即质子数)为54。由中子数＝核子数－质子数，可知其中子数为86，故A选项正确，B选项错误。核裂变时释放能量有质量亏损，但总质量数不变，C、D均错。
答案：A
5．由图1可得出结论( )
图1
A．质子和中子的质量之和小于氘核的质量
B．质子和中子的质量之和等于氘核的质量
C．氘核分解为质子和中子时要吸收能量
D．质子和中子结合成氘核时要吸收能量
解析：该反应是吸热反应，所以质子和中子的质量之和大于氘核的质量，故选项C对。
答案：C
6．在匀强磁场中有一个静止的氡原子核(Rn)，由于衰变它放出一个粒子，此粒子的径迹与反冲核的径迹是两个相互外切的圆，大圆与小圆的直径之比为42∶1，如图2所示，那么氡核的衰变方程应是下列方程中的哪一个( )
图2
A.Rn―→Fr＋e
B.Rn―→Po＋He
C.Rn―→At＋e
D.Rn―→At＋H
解析：原子核衰变过程中动量守恒，所以粒子与反冲核的动量等大反向，由径迹是两圆外切圆可知，放出的是正粒子，是α衰变，在匀强磁场中，
由R＝可知，＝＝＝ 。
故反冲核的电荷数是84，由电荷数和质量数守恒知，选项B对。
答案：B
7．美国物理学家雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(ve)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贮满615 t四氯乙烯溶液的巨桶，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ve＋Cl→Ar＋e，已知Cl核的质量为36.956 58 u，Ar核的质量为36.956 91 u，e的质量为0.000 55 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为( )
A．1.33 MeV B．0.82 MeV
C．0.51 MeV D．0.31 MeV
解析：根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV能量，则ΔE＝Δm×931.5 MeV＝(36.956 91＋0.000 55－36.956 58)×931.5 MeV＝0.82 MeV。
答案：B
二、双项选择题(共5小题，每小题6分，共30分。全选对得6分，只选一个且正确的得3分)
8．下列说法中正确的是( )
A．质子与中子结合成氘核的过程中会释放大量能量
B．氪90(Kr)经过一系列衰变最终成为稳定的锆90
(Zr)要经过1次α衰变和4次β衰变
C．β射线是原子核外电子挣脱原子核的束缚后而形成的电子流
D．放射性元素的半衰期是指大量该元素的原子核中有半数发生衰变所需要的时间
解析：中子与质子的聚变反应属于热核反应，放出大量的热，可知选项A正确；B中衰变方程为Kr→Zr＋4 0－1e，可知选项B错误；天然放射线中的β粒子是原子核中的一个中子衰变为质子放出的电子：n→H＋ 0－1e，原子核内并没有电子，则选项C错误；由半衰期意义及其由核内部自身的因素所决定，与原子所处的物理状态或化学状态无关，可知选项D正确。
答案：AD
9．太阳每年辐射到地球上的能量相当于燃烧1813亿吨标准煤所放出的能量，是全世界年需能量总和的5000倍，是地球上最大的能源。太阳内部有多种热核反应，其中的一个反应方程是：H＋H→He＋n.若已知H的质量为m1，H的质量为m2，He的质量为m3，n的质量为m4，则下列说法中正确的是( )
A.n是中子
B.H和H是两种不同元素的原子核
C.H和H在常温下就能够发生聚变
D．这个反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2
解析：n是中子，故A对，H和H是同种元素H的同位素，故B错，H和H必须在高温下才能发生聚变，故C错，反应释放的核能为ΔE＝(m1＋m2－m3－m4)c2，故D正确。
答案：AD
10．对结合能、平均结合能的认识，下列正确的是( )
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．平均结合能越大的原子核越稳定
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，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子核的稳定性，故C错误，D正确。
答案：AD
11．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：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。
答案：AD
12．下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是( )
A．铀238只要俘获中子就能进行链式反应
B．铀235裂变后的生成物是多种多样的，但这些裂变都要发生质量亏损
C．核电站中镉棒是起减速剂的作用
D．核电站使用后的核废料必须装入特制容器，深埋地下
解析：铀238只有浮获能量大于1 MeV的中子才能发生裂变，A错误。铀235裂变后的生成物是多种多样的如Ba、Kr等，并发生质量亏损释放能量，B正确；核电站中镉棒起减速剂作用的是石墨、重水，镉棒是控制棒，C错误。核废料处理必须将其装入特制容器，深埋地下，D正确。
答案：BD
三、计算题(共2小题，共35分，计算题要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要注明单位)
13．(15分)氘核与氚核的聚变反应：H＋H→He＋n＋17.6×106 eV，已知电子电荷量e＝1.6×10－19 C，普朗克常量h＝6.6×10－34 J·s，求：
(1)这一过程的质量亏损是多少千克？
(2)1 g氘核完全参与上述反应，共释放多少核能(阿伏加德罗常量NA＝6.0×1023 mol－1)?
解析：(1)Δm＝
＝ kg
≈3.13×10－29 kg。
(2)氘的摩尔质量为2×10－3 kg/mol，
则1 g氘核的数目为
n＝NA＝×6.0×1023＝3×1023，
这些氘完全燃烧共释放的能量为：
E＝nΔE＝3×1023×17.6×106×1.6×10－19 J
≈8.45×1011 J。
答案：(1)3.13×10－29 kg (2)8.45×1011 J
14．(20分)某实验室工作人员，用初速度v0＝0.09c(c为光速)的α粒子，轰击静止的氮原子核N，产生了质子H。如果某次碰撞可以看作对心正碰，碰后新核与质子同方向运动，垂直磁场方向射入磁场，通过分析偏转半径可得出新核与质子的速度大小之比为1∶20。已知质子质量为m。
(1)写出核反应方程．
(2)求出质子的速度v。
(3)若使上述两个质子发生对心弹性碰撞，则每个质子的动量变化量是多少？(结果保留两位有效数字)
解析：(1)由核反应中质量数和电荷数守恒可得
7N＋He→O＋H。
(2)设α粒子、新核的质量分别为4m、17m，质子的速度为v，二者对心正碰过程中，由动量守恒定律可得：
4mv0＝17m＋mv
解得：v≈0.19c。
(3)两个质子发生对心弹性碰撞时，发生速度交换。对某一个质子，选其末动量方向为正方向，则
p2＝mv, p1＝－mv，
故Δp＝p2－p1＝2mv＝0.38 mc
方向与末动量方向一致。
答案：(1)7N＋He→8O＋H (2)0.19c
(3)0.38 mc，方向与末动量方向一致
课件15张PPT。第四章章末盘点知识结构图示高频考点例析阶段质量检测考点一考点二第一节 走进原子核
1．物体放射出射线的性质叫做放射性，具有放射性的元素叫做放射性元素。
2．人们认识到原子核具有复杂的结构是从发现天然放射现象开始的。
3．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核时，发现了一种新粒子，把它命名为质子．
4．卢瑟福预言了原子核内中子的存在，被他的学生查德威克用实验所证实。
5．原子核是由质子和中子组成的，组成原子核的质子和中子统称为核子。
放射性的发现
1.放射性
物体放射出射线的性质叫做放射性。
2．放射性元素
具有放射性的元素叫做放射性元素。
3．天然放射现象
(1)概念：物体自发地放出射线的现象叫天然放射现象，能自发地放出射线的元素叫天然放射性元素。
(2)天然放射现象的意义：射线是从原子核内部发出的，说明原子核不是最小结构，原子核可以再分。实际上人们认识到原子核具有复杂的结构就是从发现天然放射现象开始的。
(1)自然界中原子序数大于或等于83的所有元素，都能自发地放出射线；原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。
(2)虽然具有天然放射性的元素的种类很多，但它们在地球上的含量很少。
1．天然放射现象的发现揭示了( )
A．原子不可再分
B．原子的核式结构
C．原子核还可再分
D．原子核由质子和中子组成
解析：天然放射现象说明原子核是有内部结构的，即原子核不是最小的结构，还可以再分，故选项C对。
答案：C
原 子 核
1.原子核的组成
原子核由质子和中子组成，组成原子核的质子和中子统称为核子。
质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位。
2．原子核的电荷数
由于中子不带电，原子核所带的电荷等于核内质子所带电荷的总和，故原子核所带电荷量总是质子电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷量，叫做原子核的电荷数，用Z表示。
3．原子核的质量数
原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子的质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数，用字母A表示。
4．原子核的符号
X，其中X表示元素符号，A表示质量数，Z表示电荷数。
原子的质量与原子的质量数是两个不同的概念，原子的质量数是指原子的质量是原子质量单位的多少整数倍(近似)。要注意区分两点：其一，原子质量是有单位的量，而原子质量数则是无单位的；其二，严格讲原子质量数所表示的质量并不等于原子质量。
2．关于质子与中子的以下说法不正确的是( )
A．原子核是由质子与中子组成的
B．质子是卢瑟福发现的
C．卢瑟福预言了中子的存在，而由他的学生查德威克用实验所证实
D．中子也可能带电
解析：卢瑟福在用α粒子轰击氮核的实验中发现了质子，并预言了中子的存在，查德威克在用射线轰击铍核的实验中发现了中子。
答案：D
原子核的组成
[例] 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] (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≈1.41×10－17 C。
(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qvB＝m，r＝，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)1.41×10－17 C (3)88 (4)
原子核的几个重要的等量关系：
(1)原子核的电荷数＝质子数(Z)＝原子序数＝中性原子的核外电子数。
(2)原子核的质量数＝核子数＝质子数＋中子数。
用x代表一个中性原子中核外的电子数，y代表此原子的原子核内的质子数，z代表此原子的原子核内的中子数，则对Th的原子核来说( )
A．x＝90，y＝90，z＝234
B．x＝90，y＝90，z＝144
C．x＝144，y＝144，z＝90
D．x＝234，y＝234，z＝324
解析：在Th的原子符号中，左下标为质子数，左上标为质量数，故y＝x＝90，z＝A－x＝234－90＝144, 选项B对。
答案：B
1．最早发现天然放射现象的科学家为( )
A．卢瑟福 B．贝克勒尔
C．爱因斯坦 D．查德威克
解析：卢瑟福发现质子，查德威克发现中子，爱因斯坦发现光电效应，贝克勒尔发现天然放射现象，故B正确，A、C、D不正确。
答案：B
2．(双选)元素X的原子核可用符号X表示，其中a、b为正整数，下列说法中正确的是
( )
A．a等于此原子核内质子数，b等于此原子核内中子数
B．a等于此原子核内中子数，b等于此原子核内质子数
C．a等于此元素中性状态的原子的核外电子数，b等于此原子核内质子数加中子数
D．a等于此原子核内质子数，b等于此原子核内核子数
解析：a表示原子的电荷数或质子数，b表示质量数或核子数，它等于质子数与中子数之和，故选项C、D对。
答案：CD
3．卢瑟福预想到原子核内除质子外，还有中子的事实依据是( )
A．电子数与质子数相等
B．原子核的质量大约是质子质量的整数倍
C．原子核的核电荷数只是质量数的一半或少一些
D．质子和中子的质量几乎相等
解析：卢瑟福发现质子后，设想原子核只由质子组成，但核电荷数只是质量数的一半或少一些，这与假设相矛盾，因此他又设想原子核内除质子外还有不带电的中子存在，所以选项C正确。
答案：C
4．(双选)下列说法正确的是( )
A．玛丽·居里首先提出原子的核式结构
B．卢瑟福在α粒子的散射实验中发现了电子
C．查德威克在原子核人工转变实验中发现了中子
D．爱因斯坦为解释光电效应的实验提出了光子假说
解析：卢瑟福首先提出原子的核式结构，故A错。卢瑟福在α粒子的散射实验中并没有发现电子，而是发现了质子，故B错。
答案：CD
5．(双选)原子核的表示符号为X，下列说法正确的是( )
A．原子核的质子数为A B．原子的质量数为A
C．原子的质量数为Z D．原子核的质子数为Z
解析：由原子核的数学符号可知，原子核的质子数为Z，质量数为A，故选项B、D对。
答案：BD
6．下列说法正确的是( )
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．卢瑟福发现了中子，并预言了质子的存在
D．具有天然放射性的原子核由于不稳定而放出射线
解析：原子中除含带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错，对中性原子来说质子数才跟核外电子数相等，故B错。卢瑟福发现了质子，并预言了中子的存在，故C错。放射性元素的原子核由于不稳定放出某种射线而变成新核，故D对。
答案：D
7．下列现象中，与原子核内部变化有关的是( )
A．α粒子散射现象 B．天然放射现象
C．光电效应现象 D．原子发光现象
解析：天然放射现象说明原子核有复杂的结构，与原子核内部变化有关，故B对。
答案：B
8．(双选)卢瑟福通过实验首次实现了原子核的人工转变，下列说法正确的是( )
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，电荷数可不守恒
解析：卢瑟福通过用α粒子轰击氮核实验第一次打出了质子，A正确，实验中利用了放射源放出的α粒子而不是γ射线，故B错误、C正确。该实验电荷数一定保持守恒，D错误。
答案：AC
9．用符号表示以下原子核：(1)铀238 (2)有6个中子的碳原子核 (3)核质量数为14的碳原子核 (4)核电荷数为8，核质量数为17的原子核 (5)α粒子
解析：X中A表示质量数，Z表示质子数。
答案：(1)U (2)C (3)C (4)O (5)He
10．有J、K、L三种原子核，已知J、K的核子数相同，K、L的质子数相同，试完成下列表格。
原子核
原子序数
质量数
质子数
中子数
J
9
18
K
L
10
19
解析：质子数与原子序数相同，中子数等于质量数减去质子数。
答案：如下表所示。
原子核
原子序数
质量数
质子数
中子数
J
9
18
9
9
K
10
18
10
8
L
10
19
10
9
课件19张PPT。第四章第一节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向第三节 放射性同位素
1．利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核，这个过程叫做核反应。在此过程中所放出或吸收的能量叫做反应能。
2．具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。具有放射性的同位素，叫做放射性同位素。
3．工业上利用γ射线的穿透性来检查金属内部的伤痕，即所谓无损的γ探伤。
4．利用射线的电离本领使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。
5．由于放射性元素能放出某种射线，可用探测仪器对它们进行追踪，因而可利用它们进行踪迹显示。人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。
6．辐射防护的基本方法有时间防护，距离防护，屏蔽防护。要防止放射性物质对水源、空气、用具、工作场所的污染，要防止射线过多地长时间地照射人体。
同位素的概念及核反应
1.同位素
具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，因而互称同位素。
2．放射性同位素
(1)定义：具有放射性的同位素，叫做放射性同位素．
(2)分类：可分为天然放射性同位素和人工放射性同位素。
(3)人工放射性同位素的优点：
①种类多：天然放射性同位素只有40多种，而人工放射性同位素有1000多种。
②放射强度容易控制。
③可制成各种所需的形状。
④半衰期短，废料易处理。
因而放射性同位素的应用，一般都用人工放射性同位素。
(4)放射性同位素与放射性元素的同位素区别
某些非放射性元素比较稳定，但在人工转变的条件下，会使有些原子核发生变化，形成这种非放射性元素的同位素，但这种同位素可能不稳定，会发生衰变，因此称这种同位素为放射性同位素。由此可以看出，放射性同位素并不表示放射性元素的同位素，而是指这种同位素具有放射性。如磷是稳定的，不具有放射性。若用α粒子轰击铝核，会生成P，它是磷的同位素，但它具有放射性，因此称P为磷的放射性同位素。
3．核反应
核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能。
(1)同位素的核外电子数相同，故化学性质相同，由于它们的中子数不同，因而它们的物理性质不同。
(2)人类第一次得到的人工放射性物质是磷30，其原子核的数字符号为P，其核反应方程为：Al＋He→P＋n。
1．(双选)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：它们的质子数均为1，核外电子数与质子数相同，也均为1，故A、B对。它们的核子数分别为1,2,3，中子数分别为0,1,2，故C、D错。
答案：AB
放射性同位素的应用及放射线的危害
1.放射性同位素的应用
(1)射线的应用
①利用放出的γ射线的穿透本领检查金属内部是否存在砂眼裂痕等，即所谓无损的γ探伤。
②利用射线的穿透本领与物质厚度的关系，来检查各种产品的厚度和密封容器中液体的高度等，从而实现自动控制。
③利用射线的电离本领使空气电离而把空气变成导电气体，以消除化纤、纺织品上的静电。
④利用射线的物理化学作用照射植物，引起植物变异而培育良种，也可以利用它杀菌、治病(如放疗)等。
⑤利用射线的化学效应可以促进高分子化合物的聚合反应，以制造各种塑料或改善塑料的性能。此外，还可以利用射线使石油裂解，增加汽油的产品。
(2)示踪原子的应用
由于放射性元素能放出某种射线，可用探测仪器对它们进行跟踪，因而可利用它们进行踪迹显示。人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子。
①农业上探测农作物对肥料的吸收情况。
②工业上检测机件的磨损情况。
③医学上提供生物机体内生理生化过程的动态信息。
(3)半衰期的应用
①地质和考古工作中，推断地层或古代文物的年代。
②利用生物残骸推断生物死亡年代。
2．放射线的危害及防护
危 害
核爆炸
核爆炸的最初几秒钟放射出来的主要是强烈的γ射线和中子流，这些射线具有很强的穿透能力，对人体和其他生物有很强的杀伤作用
核泄漏
核工业生产和核科学研究中使用的放射性原材料，一旦泄漏就会造成严重污染
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，或用特殊方法覆盖，以防止放射线泄漏
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
2．(双选)关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A．作为示踪原子是利用了放射性同位素贯穿能力很强的性质
B．作为示踪原子是利用了放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点
C．γ射线探伤利用了γ射线贯穿能力很强的性质
D．γ射线探伤利用了γ射线电离能力很强的性质
解析：根据放射性同位素的性质分析放射性同位素的应用。作为示踪原子是利用放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点，利用γ射线探伤是利用了射线的贯穿能力强的性质，故选项B、C正确。
答案：BC
核反应与力学知识的综合
[例1] 一个静止的氮核(7N)俘获一个速度为2.3×107 m/s的中子生成一个复核A，复核A又衰变成B、C两个新核，已知B、C的速度方向与中子的速度方向相同，B的速度是vB＝1×106 m/s，B的质量是中子质量的11倍，B、C所带电荷量之比qB∶qC＝5∶2。求：
(1)C核的速度大小；
(2)根据计算判断C核是什么核；
(3)写出核反应方程。
[解析] (1)设中子质量为m，则氮核的质量为14m，B核的质量为11m，由质量数守恒可得，C核的质量为4m，由系统动量守恒定律可得
mv0＝mBvB＋mCvC
即mv0＝11mvB＋4mvC
可解得vC＝＝3×106 m/s
(2)反应过程中电荷数守恒，由于总电荷数为7，B、C所带电荷量之比qB∶qC＝5∶2，故B核的电荷数为5，B核为硼核()；C核的电荷数为2，C核为氦核(He)
(3)由质量数和电荷数守恒可得
N＋n→He＋B。
[答案] (1)3×106 m/s (2)氦核
(3)N＋n→He＋B
(1)人工转变、核反应过程遵守三个守恒：
①质量数守恒。
②电荷数守恒。
③粒子的总动量守恒。
依据①、②可正确书写核反应方程。依据③可解决各粒子在磁场中的圆周运动问题，也可结合牛顿定律解决在电场中的偏转问题。
(2)核反应的过程中，粒子的总动量守恒，可结合力学中的牛顿定律、动量守恒求解综合习题。
1．1930年发现，在真空条件下用α粒子(He)轰击铍核(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的大小。
解析：(1)Be＋He―→n＋6C。
(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＝，
解得B＝ 。
答案：(1)Be＋He―→n＋C (2) (3)
放射性的应用
[例2] 天然放射性同位素只不过有六十多种，而今天人工制造的同位素已达一千多种，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了广泛的应用。
(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)如图4－3－1所示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4－3－1
(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的结晶是同一种物质，为此曾采用放射性同位素C作________。
[解析] (1)放射线使空气电离，空气与验电器所带电荷中和。
(2)α射线穿透物质的本领弱，不能穿透厚度1 mm的铝板，因而探测器不能探测到，γ射线穿透本领最强，穿透1 mm的铝板和几毫米厚铝板后打在探测器上很难分辨，β射线也能穿透几厘米厚的铝板，但厚度不同，穿透后β射线中的电子运动状态不同，探测器容易分辨。
(3)把掺入C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C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。
[答案] (1)B (2)β (3)示踪原子
放射性的应用主要有两个方面，一方面是应用它的射线，另一方面是作示踪原子．
(1)射线的应用主要是应用射线的穿透本领，电离本领及物理化学作用等，其中对穿透本领的应用较多。α射线穿透本领最弱，不能穿透1 mm的铝板， β射线穿透本领较强，能穿透几 mm的铝板， γ射线能穿透几厘米的铅板。
(2)放射性同位素作为示踪原子：一是利用了它的放射性，二是利用了它和同种元素的非放射性同位素具有相同的化学性质。
2．(双选)放射性同位素的应用主要有两方面，下列实际应用中利用其射线的有( )
A．进行金属探伤
B．检查输油管是否漏油
C．消毒灭菌
D．证明人工合成的牛胰岛素和天然牛胰岛素是同一物质
解析：放射性同位素的应用主要有两方面：一方面利用它的射线进行金属探伤、消除有害静电、改良品种、杀菌、消毒、医疗等；另一方面作为示踪原子，在实际应用中利用其射线的有A、C，作为示踪原子的是B、D。
答案：AC
1．治疗肿瘤的放射源必须满足：①放射线具有较强的穿透力，以辐射到体内的肿瘤处；②在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，表中给出的四种放射性同位素，适合用于治疗肿瘤的放射源是( )
同位素
辐射线
半衰期
钋210
α
138天
锝99
γ
6小时
钴60
γ
5年
锶90
β
28年
A.钋210 B．锝99
C．钴60 D．锶90
解析：γ射线具有较强的穿透力，可以辐射到体内的肿瘤处，α、β射线可排除，故A、D错，要满足在较长时间内具有相对稳定的辐射强度，故B错D对。
答案：C
2．人类探测月球发现，在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦，它可以作为未来核聚变的重要原料之一，氦的这种同位素应表示为( )
A.He B.He
C.He D.He
解析：氦的同位素质子数一定相同，质量数为3，故写作He，选项B对。
答案：B
3．关于放射性同位素的应用，下列说法正确的是( )
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危害
解析：利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离作用，使空气分子电离成为导体，将静电导走，故A错；γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，故B错；作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的，还要经过筛选才能培育出优秀品种，故C错；用γ射线治疗肿瘤对人体有副作用，因此要严格控制剂量。故D正确。
答案：D
4．(双选)联合国环境规划署对科索沃地区的调查表明，北约对南联盟的轰炸中，大量使用了贫铀炸弹，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，而且残留物会长期危害环境，下列关于残留物长期危害环境的理由，正确的是( )
A．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235的衰变速度很快
D．铀238的半衰期很长
解析：U能发生衰变，其衰变方程为U→Th＋He，其半衰期为4.5亿年，Th也能发生衰变，衰变产生的射线对人体都有伤害，故A、D 对。
答案：AD
5．放射性同位素可作为示踪原子，例如在医学上可以确定肿瘤的位置，对此，若今有四种不同的放射同位素R，P，Q，S，它们的半衰期分别为半年、38天、15天和2天，则应选用的同位素是( )
A．S B．Q
C．P D．R
解析：应用放射性同位素作为示踪原子时，应选择半衰期较短、衰变较快的同位素，这样可减轻对人体的损害。
答案：A
6．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。自从发现放射线以后，就可以利用放射线对其进行探测了，这是利用了( )
A．α射线的电离本领
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：放射性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射线的贯穿本领最强，可以用来金属探伤。
答案：C
7．(双选)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
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.P能释放正电子，可用其作示踪原子，观察磷肥对植物的影响
解析：同位素有相同质子数，不同质量数，故A错误；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正确。
答案：BD
8．放射性同位素能被用做示踪原子，以下说法错误的是( )
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：放射性同位素用做示踪原子，主要是用放射性同位素替代没有放射性的同位素参与的正常的物理、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的危害，因此，选项A、B、C正确，选项D错误。
答案：D
9．1919年卢瑟福用α粒子撞击N核发现了质子。
(1)写出这个核反应的方程式。
(2)英国物理学家威耳逊在1911年发明了“云室”，带电粒子在云室中运动时，可以显现出运动的径迹。把云室放在匀强电场中，分别将质子和α粒子垂直于电场方向打入同一匀强电场中，观察它们运动的径迹，如果质子和α粒子运动的径迹相同(电场方向和质子、α粒子运动径迹所在平面平行)。求：质子和α粒子进入电场时的动能之比是多少？
解析：(1)N＋He―→O＋H
(2)带电粒子垂直于电场方向射入匀强电场中做类平抛运动，设沿电场方向的位移为y，垂直于电场方向的位移为x，则有y＝·()2＝ 。①
又因为质子和α粒子的径迹相同，即通过相同的x，沿电场方向的位移y相同。
即yH＝yα
由①式得＝得＝＝ 。
答案：(1)N＋He―→O＋H (2)
10．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1所示，在与射线源距离为H高处，水平放置两张叠放着的、涂药面朝下的印相纸(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相纸显影。
(1)上面的印相纸有几个暗斑？各是什么射线的痕迹？
(2)下面的印相纸显出一串三个暗斑，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＝0.9c)。
解析：(1)因α粒子贯穿本领弱，穿过下层纸的只有β、γ射线，β、γ射线在上面的印相纸上留下两个暗斑。
(2)下面印相纸从左向右依次是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＝＝9∶1。
答案：(1)两个暗斑 β、γ射线 (2)3∶136
(3)9∶1
课件32张PPT。第四章第三节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向一考向二第二节 放射性元素的衰变
1．α射线实际上就是高速运动的α粒子流，速度可达到光速的1/10，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米。
2．β射线是高速运动的电子流，它速度很大，可达光速的90%，它的穿透能力较强，电离能力较弱。
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。
4．原子核放出一个α粒子后，核的质量数减少4，电荷数减少2。
5．半衰期越大，说明放射性元素衰变得越慢，放射性元素的半衰期是由核本身的因素决定的，与原子所处的物理状态或化学状态无关。
对三种射线的理解
1.三种射线的比较
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
4mpmp＝1.67×10－27 kg
静止质量为零
速度
0.1c
0.9c
c
在电场或磁场中
偏转
与α射线反向偏转
不偏转
贯穿本领
最弱用纸能挡住
较强穿透几毫米的铝板
最强穿透几厘米的铅板
对空气的电离作用
很强
较弱
很弱
在空气中的径迹
粗、短、直
细、较长、曲折
最长
通过胶片
感光
感光
感光
2．三种射线的分离
(1)用匀强电场分离时，带正电的α射线沿电场方向偏转，带负电的β射线沿电场的反方向偏转，且α射线偏转小，β射线偏转大，而γ射线不偏转。如图4－2－1所示。
(2)用匀强磁场分离时，α射线和β射线沿相反的方向做匀速圆周运动，且在同样的条件下α射线的轨道半径大，β射线的轨道半径小；γ射线不偏转。如图4－2－2所示。
图4－2－2
1．一放射源放射出某种或多种射线，当用一张薄纸放在放射源前面时，射线的强度减为原来的，而当用1 cm厚的铝板放在放射源前面时，射线的强度减小到几乎为零。由此可知，该放射源所放射出的( )
A．仅是α射线 B．仅是β射线
C．是α射线和β射线 D．是α射线和γ射线
解析：三种射线中，γ射线贯穿本领最强，能穿透几厘米厚的铅板。本题中用1 cm厚的铝片即能挡住射线，说明射线中不含γ射线，用薄纸便可挡住部分射线，说明射线中含有贯穿本领较小的α射线，同时有大部分射线穿过薄纸，说明含有β射线。故选项C对。
答案：C
原子核的衰变
1.定义
一种元素经放射过程变成另一种元素的现象，称为原子核的衰变。
2．衰变规律
原子核衰变时，电荷数和质量数都守恒。
3．衰变方程
(1)α衰变：原子核放出一个α粒子，衰变方程为：
X→Y＋He
(2)β衰变：原子核放出一个β粒子，衰变方程为：
X→Y＋ e
(3)γ射线经常是伴随α衰变或β衰变而产生，往往是由于衰变后的新核向低能级跃迁时辐射出来的一份能量，原子核释放出一个γ光子不会改变它的质量数和核电荷数。
4．α衰变和β衰变的实质
(1)α衰变：α粒子实质就是氦核，它是由两个质子和两个中子组成的。在放射性元素的原子核中，两个质子和两个中子结合得比较紧密，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，即
2n＋2H→He
(2)β衰变：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。β衰变是原子核中的一个中子转化成一个电子和一个质子，即
n→H＋ 0－1e
5．衰变方程的书写
(1)衰变过程一般都不是可逆的，所以衰变方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接。
(2)衰变的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒杜撰出生成物来写衰变方程。
(3)当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射。这时可连续放出三种射线。
2．原子核发生β衰变时，此β粒子是( )
A．原子核外的最外层电子
B．原子核外的电子跃迁时放出的光子
C．原子核内存在着的电子
D．原子核内的一个中子变成一个质子时，放射出一个电子
解析：因原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的，原子核内并不含电子，但在一定条件下，一个中子可以转化成一个质子和一个负电子，一个质子可以转化成一个中子和一个正电子，其转化可用该式表示：
n―→H＋e(β)，H―→n＋e。
由上式可看出β粒子(负电子)是原子核内的中子转化而来，正电子是由原子核内的质子转化而来。选项D对。
答案：D
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，叫做半衰期，用符号T表示。
2．物理意义
半衰期是描述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。半衰期越大，表明放射性元素衰变得越慢。
3．公式
N＝N0，m＝m0
式中N0、m0表示衰变前的原子数和质量，N、m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，T表示半衰期。
4．影响因素
放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，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。即一种放射性元素，不管它以单质存在还是以化合物的形式存在，或者对它加压，或者增高它的温度，它的半衰期是固定不变的。
5．适用条件
半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核才有意义，个别原子核经过多长时间发生衰变是偶然的，是无法预测的，故对个别或极少数的原子核，无半衰期而言。
3．一个氡核Rn衰变成钋核Po并放出一个粒子，其半衰期为3.8天。1 g氡经过7.6天衰变掉的氡的质量，以及Rn衰变成钋核Po的过程放出的粒子是( )
A．0.25 g，α粒子
B．0.75 g，α粒子
C．0.25 g，β粒子
D．0.75 g，β粒子
解析：根据核反应时，质量数和电荷数守恒，可得其核反应方程为
Rn→Po＋ He
Rn衰变成钋核Po的过程放出的粒子是α粒子。
根据半衰期公式m＝m0得
m＝m0＝m0＝m0
所以衰变掉的氡的质量
m′＝m0－m0＝m0＝0.75 g。
答案：B
三种射线的性质
[例1] (双选)让α、β、γ三种射线分别沿垂直场的方向射入匀强磁场或匀强电场，图4－2－3表示射线偏转的情况中，正确的是( )
图4－2－3
[解析] 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＝，将其数据代入，则α粒子与β粒子的半径之比为：
＝··
＝××＝ 。
由此可见rα＞rβ，A正确，B错误。
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＝t2，
两式联立可得：y＝ 。
对某一确定的x值，α、β粒子沿电场线偏转距离之比为
＝··＝××≈ 。
由此可见yα＜yβ，故选项C错误，D正确。
[答案] AD
(1)根据α、β、γ三种射线的带电情况可以大致判断出它们在电场或磁场中的偏转情况，但要准确的判断其轨迹还需要知道α、β射线的荷质比和速度。
(2)α、β两种粒子在电场中均做类平抛运动，用运动的合成与分解规律研究；在匀强磁场中均做匀速圆周运动，其所受洛伦磁力提供向心力。
1.(双选)如图4-2-4所示，铅盒内的天然放射性物质能向上放出α、β、γ三种射线粒子，它们都能打到正上方的荧光屏上。若在放射源上方放一张薄铝箔，并在放射源和荧光屏间加水平方向的匀强电场，结果荧光屏上只剩下两个亮点M、N。下列说法中正确的是( )
A．打在M、N的依次是γ射线和α射线
B．打在M、N的依次是β射线和γ射线
C．匀强电场的方向水平向左
D．匀强电场的方向水平向右
解析：α粒子的速度较小，约为光速的十分之一，因而贯穿物质的本领很小，一张薄纸就能把它挡住，故A项错误；β射线是高速运动的电子流，它向右偏，故可判断匀强电场的方向水平向左。
答案：BC
原子核衰变次数的确定
[例2] 放射性同位素钍232经α、β衰变会生成氡，其衰变方程为Th→Rn＋xα＋yβ，则( )
A．x＝1，y＝3 B．x＝2，y＝3
C．x＝3，y＝1 D．x＝3，y＝2
[解析] 法一：由于β衰变不会引起质量数的变化，故可先根据质量数的变化确定α衰变的次数，每一次α衰变质量数减少4，而Th衰变为Rn质量数共减少了12，故α衰变的次数x＝次＝3次。
由于每次α衰变电荷数减少2，故3次α衰变电荷数共减少6，而现在电荷数只减少了90－86＝4个，而每进行一次β衰变，电荷数增加1，故β衰变的次数为6－4＝2，所以x＝3，y＝2，选项D对。
法二：根据衰变前后质量数和电荷数守恒可得
232＝220＋4x 90＝86＋2x－y
两式联立解得：
[答案] D
确定衰变次数的依据是两个守恒定律：质量数和电荷数守恒，具体方法有：
由于β衰变不影响质量数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数，每一次α衰变质量数减少4电荷数减少2，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数，每一次β衰变，电荷数增加1。根据这些规律列出方程求解
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
以上两式联立解得：
n＝，m＝＋Z′－Z
2．(双选)天然放射性元素Th经过一系列α衰变和β衰变之后，变成Pb，下列论断中正确的是( )
A．铅核比钍核少24个中子
B．衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变
C．铅核比钍核少8个质子
D．衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变
解析：铅核中子数208－82＝126，钍核中子数232－90＝142，故铅核比钍核少142－126＝16个中子，铅核比钍核少90－82＝8个质子，选项A错C对．α衰变的次数为n＝＝6次，α衰变后减少的电荷数为12，而现在只减少了90－82＝8个，故β衰变的次数为4次，选项B错D对。
答案：CD
半 衰 期
[例3] 关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( )
A．半衰期是原子核质量减少一半所需的时间
B．半衰期与外界压强和温度有关，与原子的化学状态无关
C．氡的半衰期为3.8天，若有四个氡原子核，经过7.6天就只剩下一个氡原子核
D．氡的半衰期为3.8天，4 g氡原子核，经过7.6天就只剩下1 g氡原子核
[解析] 原子核的衰变有一定的速率，每隔一定的时间即半衰期，原子核就衰变掉总数的一半，而并非原子核质量减少一半，故A错。原子核的衰变快慢是由原子核内部因素决定的，与外界环境或化学状态无关，故B错。半衰期是一个统计规律，是对大量原子核而言的，对一个或几个原子核来说， 半衰期是没有意义的，某一个或某几个具有放射性的原子核，经过多长时间发生衰变是偶然的，故C错。由半衰期公式可知D对。
[答案] D
(1)半衰期是个统计概念，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的。某一个原子核何时发生衰变，是不可知的。
(2)放射性元素衰变的快慢是由原子核内部的因素决定的，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。
(3)原子核质量减少一半跟原子核有半数发生衰变意义是不相同的。
(4)不能认为原子核经过一个半衰期后，余下的一半再经过一个半衰期就衰变结束，再经过一个半衰期余下的一半中有一半发生衰变。
3．(双选)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( )
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时产生的
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：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。
答案：BC
1．(双选)在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料，这些材料都不同程度地含有放射性元素，有些含有铀、钍的花岗岩会释放出α、β、γ射线，根据有关放射性知识可知，下列说法正确的是( )
A．发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内质量数减少2
B．发生β衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内中子数减少1
C．β射线是原子的核外电子电离后形成的电子流
D．在这三种射线中，γ射线的穿透能力最强，电离能力最弱
解析：根据衰变规律，发生α衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内电荷数减少2，质量数减少4，故选项A错误；发生β衰变时，生成核与原来的原子核相比，核内电荷数增加1，中子数减少1，故选项B正确；β衰变的实质在于原子核内的一个中子转化成了一个质子和一个电子，β射线不是原子的核外电子电离后形成的电子流，故选项C错误；选项D说法正确。
答案：BD
2．钫Fr的β衰变半衰期是21 min，则原来16 g钫经衰变后剩下1 g所需要的时间是( )
A．315 min B．336 min
C．84 min D．5.25 min
解析：半衰期T＝21 min，根据衰变公式，经时间t后剩下的质量数为
即m＝m0＝ m0。
所以＝4，t＝4T＝84 min。
答案：C
3．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，衰变速度越大
B．放射性元素样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核减少，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的衰变速率
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半衰期
解析：由半衰期的定义知A对，B错；半衰期由放射性元素的原子核本身因素决定，与原子所处物理状态与化学状态无关，C、D错。
答案：A
4．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：由核反应过程中质量数和电荷数守恒可得：A＋2＝4＋1，Z＋1＝2＋1，两式联立解得A＝3、Z＝2，故选项D对。
答案：D
5．(双选)在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图1中a、b所示，由图可以判定( )
A．该核发生的是α衰变
B．该核发生的是β衰变
C．磁场方向一定是垂直纸面向里
D．磁场方向向里还是向外不能判定
解析：原来静止的核，放出粒子后，总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它们必带异种电荷，故应为β衰变，选项A错B对；由于不知它们的旋转方向，因而无法判断磁场是向里还是向外，即都有可能。故选项C错D对。
答案：BD
6．原子核X经一次β衰变变成原子核Y，原子核Y再经一次α衰变变成原子核Z，则下列说法中正确的是( )
A．核X的中子数减核Z的中子数等于2
B．核X的质子数减核Z的质子数等于5
C．核Z的质子数比核X的质子数少1
D．核X的电子数比核Z的电子数少1
解析：根据衰变规律，发生一次α衰变减少两个质子和两个中子，发生一次β衰变减少一个中子而增加一个质子，所以核Z与核X相比，中子数减少3个，质子数减少1个，因质子数等于核外电子数，核Z的核外电子数也比核X的核外电子数少1个，故A、B、D错误，C对。
答案：C
7．天然放射性元素铀238(U)衰变为氡222(Rn)要经过( )
A．3次α衰变，2次β衰变
B．4次α衰变，2次β衰变
C．4次α衰变，4次β衰变
D．2次α衰变，2次β衰变
解析：根据衰变过程中质量数、电荷数守恒，设U经过x次α衰变，y次β衰变变为Rn，则92＝86＋2x－y,238＝222＋4x，得x＝4，y＝2，即4次α衰变，2次β衰变，选项B正确，A、C、D错误。
答案：B
8.U衰变成Th之后又衰变成Pa，此Pa核处于高能级，它向低能级跃迁时辐射一个粒子。在这个过程中，前两次衰变放出的粒子和最后辐射的粒子，依次是( )
A．γ光子、电子、α粒子 B．α粒子、γ光子、β粒子
C．β粒子、γ光子、中子 D．α粒子、β粒子、γ光子
解析：由题意可得，该过程的核反应方程为U→Th＋He，Th→Pa＋ 0－1e，高能级向低能级跃迁辐射γ光子，故选项D对。
答案：D
9.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？
(2)Pb与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－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)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U→Pb＋8He＋6e。
答案：(1)8 6 (2)10 22 (3)U→Pb＋8He＋6e
10．测得某矿石中铀、铅质量比为1.16∶1，假设开始时矿石只含有铀238，发生衰变的铀238都变成了铅206，已知铀238的半衰期T＝4.5×109年，求矿石的年龄。
解析：设矿石的年龄为t，开始矿石中有m0(千克)的铀238，经n个半衰期后，剩余铀m(千克)，
则m＝m0()n，n＝，
衰变掉的铀m0－m＝m0[1－()n]，
一个铀核衰变成一个铅核，设生成铅x千克，
则＝，x＝m0[1－()n]，
据题意有＝，即＝
解得n≈1，即t＝T＝4.5×109年。
答案：4.5×109年
课件39张PPT。第四章第二节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向一考向二知识点三考向三第五节 裂变和聚变
1．两个轻核聚合成一个较重核的反应叫核聚变，较重的核分裂成两个较轻核的反应叫核裂变。
2．一个核的裂变引发一个或一个以上的核发生裂变，让核裂变过程自己持续下去的核反应叫做链式反应。
3．为了使铀核裂变时放出的中子再引起其他铀核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去，形成链式反应，最好是利用纯铀235；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，链式反应就不会发生。
4．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，由于原子核是带正电的，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，就要给核力加热，使物质达到几百万度以上的高温，使轻核在互相碰撞中接近到可以发生聚变的程度。因此这种反应又叫做热核反应。
5．如果要使巨大的热核反应能量不是以爆炸的形式释放，而是在人工控制下逐渐地释出来并加以利用(例如发电)，这称为受控热核反应。
6．太阳辐射能量主要来自太阳内部的热核反应。
核裂变与链式反应
1.核裂变
(1)概念：较重的一个核分裂成两个较轻的核时，会释放出能量，这种核反应叫做核裂变。
(2)铀核裂变分析：
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2～3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。一般说来，平均每个核子放出的能量约为1 MeV,1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2 800 t优质煤燃烧时释放的能量。
(3)铀235和铀238的比较
在天然铀中，99.3%的是U,0.7%的是U，虽然中子都能引起这两种铀核发生裂变，但它们和中子作用的情况明显不同。
①U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。
②U只有在俘获的中子的能量大于1 MeV时才能发生核反应，且裂变的几率较小。对于低于1 MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞，不能引起核反应。
2．链式反应
(1)定义：发生裂变时，为了让核裂变过程自己持续下去，源源不断地将核能释放出来，这样的核反应叫做链式反应。
(2)示意图：如图4－5－1所示
图4－5－1
3．链式反应发生的条件
(1)铀块的体积大于临界体积。体积超过临界体积时，保证中子能够碰到铀核。
(2)有足够浓度的铀235。
(3)有足够数量的慢中子。
(1)重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，自然界不会自发地产生。如铀核裂变不能自发地进行，要使铀核裂变，首先要利用中子轰击铀核，使铀核分裂。
(2)重核裂变反应速度很快，不加控制的话，能量在很短的瞬间急剧释放。如果采用其他方法对反应速度加以控制就可以和平地利用这种巨大的核能。核电站就是可控的链式反应。
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．原子核的平均结合能变大，释放出能量
解析：发生核反应过程中，核子数保持守恒，中子未消失，故A、C错误。能量来自于原子核内部，因重核在分裂为中等质量的原子核时，平均结合能增加而释放出能量，C错误，D正确。
答案：D
受控热核反应
1.核聚变
(1)概念：两个轻核聚合成一个较重的核时，会释放出能量，这种核反应叫做核聚变。
(2)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10－15 m，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。
2．热核反应
(1)概念：要使轻核聚变，就要求使轻核具有足够大的动能，给轻核加热到很高的温度，当物质达到几百万度以上的高温时，一部分原子核就具有足够的动能而发生聚变，因此核聚变又叫热核反应。
(2)热核反应的优点(与裂变相比)
①产生的能量大；
②反应后生成的放射性物质易处理；
③热核反应的燃料在地球上储量丰富。
(3)热核反应的两种方式
①爆炸式热核反应；
②受控式热核反应(目前正处于探索、实验阶段)。
3．核聚变与核裂变的区别
(1)原理不同
重核的裂变是重核裂变成几个中等质量的原子核，放出能量，而聚变是几个轻核聚变(结合)成一个中等质量的原子核，放出巨大的能量。
(2)放出能量的大小不同
重核裂变时，平均每个核子释放的能量约为1兆电子伏，而轻核的聚变，平均每个核子释放出3兆电子伏以上的能量，即聚变比裂变能放出更多的能量。
(3)废料处理难度不同
裂变产生的废料处理起来比较困难，而热核反应的废料处理要简单得多。
(4)“燃料”的丰富程度不同
热核反应所需要的“燃料”——氘在地球上非常丰富，1升海水中大约有0.03克氘，如果用来进行热核反应，放出的能量约和燃烧300升汽油相当。而裂变燃料——铀在地球上储量有限，尤其是用于核裂变的铀235，在铀矿中仅占0.7 %，相比起来聚变的燃料——氘要丰富得多。我国是一个“贫铀”国家，贮藏量不多。
(5)两种反应的可控制性不同
裂变反应速度可以比较容易地进行人工控制，因此，现在国际上的核电站都是利用裂变放出能量，而聚变反应的可控制性比较困难，世界上许多国家都积极研究可控热核反应的理论和技术。
2．(双选)下列说法正确的是( )
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
解析：由质能方程可知A正确；轻核结合成质量较大的核，必须使轻核间的距离达到发生核力的范围，才能使它们紧密地结合起来，B正确，C错误；热核反应必须在很高的温度下才能发生，不一定要人工控制，D错。
答案：AB
对裂变反应的理解
[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．中子进入铀块中时，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，所以核子数量减小
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，裂变时因铀核俘获中子发生核反应，是核能转化为其他形式能的过程。而并非中子的能量，故A错误。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，中子进入铀块时，裂变中产生的中子散失到外界，没有足够的中子，则链式反应就不会发生，故B错误。在裂变反应中核子数是不会减少的，如U裂变为Sr和Xe的核反应，其核反应方程为U＋n―→Sr＋Xe＋10n，
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，
质量亏损为
Δm＝(mU＋mn)－(mSr＋mXe＋10mn)＝0.151 0 u
可见铀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C错误，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。故D正确。
[答案] D
(1)发生链式反应的条件是：
①要俘获慢中子；
②铀块的体积大于或等于临界体积．
(2)重核裂变会释放能量的理解
①从平均结合能上看，中等质量的原子核平均结合能较大，质量较大的重核分裂为中等质量原子核时，要放出能量。
②从核子的平均质量上看，中等质量的原子核内核子的平均质量较小，如果由核子平均质量较大的重核裂变为中等质量原子核，质量要亏损，所以要放出能量。
轻核聚变的理解与计算
[例2] 两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核(氦的同位素)。已知氘核质量m0＝2.013 6 u，氦核质量mHe＝3.0150 u，中子质量mn＝1.008 7 u。
(1)写出聚变方程并算出释放的核能(已知1 u相当于931.5 MeV)；
(2)若反应前两氘核的动能均为Ek0＝0.35 MeV，它们正面对撞发生核聚变，且反应后释放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？
[解析] (1)聚变的核反应方程为2H→He＋n。
这个核反应中的质量亏损为：
Δm＝2m0－(mHe＋mn)
＝(2×2.013 6－3.015 0－1.008 7)u＝0.003 5 u。
释放的核能为ΔE＝0.003 5×931.5 MeV＝3.26 MeV。
(2)把两个氘核作为一个系统，对撞过程中动量守恒，由于反应前两核动能相同，其动量等值反向，因此反应前后系统的总动量恒为零，即：
0＝mHevHe＋mnvn①
又由于反应前后能量守恒，故反应后氦核和中子的总动能为：
mHev＋mnv＝ΔE＋2Ek0②
因为mHe∶mn＝3∶1，
所以氦核和中子的速率之比为：＝
把这两个关系式代入②式得：
ΔE＋2Ek0＝4×mHev＝4EkHe。
解得氦核的动能和中子的动能分别为：
EkHe＝×(3.26＋2×0.35) MeV＝0.99 MeV，
Ekn＝3EkHe＝2.97 MeV。
[答案] (1)2H→He＋n 3.26 MeV
(2)0.99 MeV 2.97 MeV
(1)计算核聚变中释放的核能，方法与其他核反应相似。首先，应算出聚变前的核子质量和反应后的质量，进而求出质量亏损Δm＝m前－m后，再运用爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2求出释放的总能量。该类问题是原子物理部分在高考中的热点。
(2)此类问题常犯的错误在于运用能量守恒定律解题时没有将该反应过程中由于质量亏损释放的核能考虑进去，而认为作用后的总动能等于作用前的总动能。
聚变反应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。则：
(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：
Li＋________―→________＋H。
(2)在(1)中，每生产1 g的氚同时有多少个Li核实现了核转变？(阿伏加德罗常数N＝6.0×1023个/mol)
(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E0＝5.6×10－13 J。求发生核聚变时的质量亏损。
解析：(1)Li＋n→He＋H
(2)因为1 g氚为 mol，根据该反应方程实现核转变的
Li核也为 mol，所以有×6.0×1023＝2.0×1023个Li核实现了核转变。
(3)根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2，
核聚变中有5个核子参加了反应，所以该核聚变中的质量亏损Δm＝＝ kg≈3.1×10－29 kg。
答案：(1)n He (2)2.0×1023个
(3)3.1×10－29 kg
1．(双选)我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应有：
(1)U＋n→Sr＋Xe＋kn
(2)H＋H→He＋dn
关于这两个方程的下列说法，正确的是( )
A．方程(1)属于α衰变
B．方程(2)属于轻核聚变
C．方程(1)中k＝10，方程(2)中d＝1
D．方程(1)中k＝6，方程(2)中d＝1
解析：方程(1)应属于重核裂变而不是α衰变，选项A错误；方程(2)为轻核聚变，选项B正确；核反应前后质量数守恒、核电荷数守恒，方程(1)中：235＋1＝90＋136＋k×1，解得k＝10，方程(2)中：2＋3＝4＋d×1，解得d＝1，选项C正确、D错误。
答案：BC
2．下列核反应方程，属于裂变反应的有( )
A.U→Th＋He
B.U＋n→Ba＋Kr＋3n
C.P→Si＋e
D.Be＋He→6C＋n
解析：A选项是α衰变，B选项是裂变，C选项是放射性元素的衰变，D选项是查德威克发现中子的人工转变方程，故B正确，A、C、D错。
答案：B
3．2006年3月23日央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗，终于建成了世界上第一个全超导的托卡马克试验装置并调试成功；这种装置被称为“人造太阳”(如图1所示)，
图1
它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续地输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是( )
A.N＋He→O＋H
B.H＋H→He＋n
C.U→Th＋He
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
解析：由题意可知，核反应为聚变反应，故C、D错．由质量数和电荷数守恒可知A错B对。
答案：B
4．重核裂变和轻核聚变是人们获得核能的两个途径，下列说法中正确的是( )
A．裂变过程质量增加，聚变过程质量亏损
B．裂变过程质量亏损，聚变过程质量增加
C．裂变过程和聚变过程都有质量增加
D．裂变过程和聚变过程都有质量亏损
解析：裂变和聚变中都有核能的释放，由爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2可知均有质量亏损，故D对。
答案：D
5．下列关于聚变的说法中，错误的是( )
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裂变反应
解析：轻核聚变时，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，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。
答案：D
6．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：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。
答案：C
7．氢弹和原子弹各是根据什么原理制造的( )
A．都是根据重核裂变原理
B．都是根据轻核聚变原理
C．原子弹是根据轻核聚变原理，氢弹是根据重核裂变原理
D．原子弹是根据重核裂变原理，氢弹是根据轻核聚变原理
解析：氢弹是根据轻核聚变，原子弹是根据重核裂变，故选项D对。
答案：D
8．使两个氘核发生聚变，必须使它们之间的距离接近到r0，也就是接近到核力能够发生作用的范围，温度很高时，由氘原子构成的物质将成为等离子体，已知等离子体热运动的平均动能为Ek＝k1T，式中k1为波尔兹曼常量，T为热力学温度，两个氘核之间的电势能为Ep＝k，k为静电力常量，r为核之间的距离，则使氘核发生聚变的温度至少应为( )
A. B.
C. D.
解析：由能量守恒定律可得Ek＝E p，即k1T＝k，解得T＝，选项B对。
答案：B
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
10．现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是：
U＋n―→Nd＋Zr＋3n＋8e＋
(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Z与质量数A；
(2)已知铀核的质量为235.0439 u，中子质量为1.0087 u，钕(Nd)核的质量为142.9098 u，锆核的质量为
89．9047 u；又知1 u＝931.5 MeV，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少。
解析：(1)锆的电荷数Z＝92－60＋8＝40，
质量数A＝236－146＝90，
核反应方程中应用符号Zr表示。
(2)1 kg铀235的铀核数为
n＝×6.02×1023个。
不考虑核反应中生成的电子质量，1个铀核反应发生的质量亏损为
Δm＝235.0439 u－142.9098 u－89.9047 u－2×1.0087 u≈0.212 u，
1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝nΔmc2＝×6.02×1023×0.212×931.5×106×1.6×10－19 J≈8.09×1013 J。
答案：(1)40 90 (2)8.09×1013 J
课件32张PPT。第四章第五节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向一考向二第六、七节 核能利用 小粒子与大宇宙
1．核反应堆是人工控制链式反应的装置，可以使核能较平缓地释放出来。
2．反应堆里用的铀棒是天然铀或浓缩铀；石墨、重水的作用是使快中子变成慢中子，充当减速剂；镉棒的作用是吸收减速后的中子，控制反应速度，充当控制棒。
3．为了防止铀核裂变物放出的射线对人体的危害，在反应堆外面要修建很厚的水泥防护层来屏蔽射线，对放射性的废料也要装入特制的容器，埋入深地层来处理。
4．我国已于广东大亚湾建成两座核电站，还有浙江的秦山核电站。
5．人类目前能够观测到的最大距离约是140亿光年之远。这一距离可以看成是目前观测到的宇宙半径。
6．对宇宙的时空结构、运动形态和物体演化的理论描述，称为宇宙模型。大爆炸宇宙模型是一种被普遍接受的模型，它认为，宇宙起源于大约150亿年前突然发生的一次大爆炸，其后逐渐诞生出星球、星系、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等等，经历150亿年才演化成今天的样子。
7．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；目前所知的微观粒子中，寿命最短的只有10－25 s，可见，物质世界的时间尺度，约从10－25 s到1018 s，也跨越了将近43个数量级。
核 反 应 堆
1.核反应堆的主要组成部分
如图4－6－1所示为简化的核反应堆示意图
图4－6－1
(1)核燃料：反应堆使用天然铀或浓缩铀(铀235占3%～4%)制成铀棒，作为核燃料，释放核能。
(2)中子减速剂：铀235具有易俘获慢中子，不易俘获快中子的特点。而核反应中释放的中子多数为快中子，应使用减速剂使它们的速度降下来。常用作减速剂的物质有石墨、重水或普通水。
(3)控制棒：为了控制能量释放的速度，就要想办法增减中子的数目，采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子能力很强的特性，就可以容易地控制链式反应的速度。
(4)保护层：核反应堆外层是很厚的水泥壁。可防止射线辐射出去。
(5)热交换器：靠水或液态金属钠在反应堆内外的循环流动，把产生的热量传输出去。
2．核反应堆的用途。
(1)核电站利用反应堆发电。
(2)小型反应堆可以使核能作为动力制造核动力潜艇。
(3)进行各种原子核物理实验。
3．核电站、核能利用
(1)核电站：利用反应堆工作时释放出的热能使水汽化以推动汽轮发电机发电。
(2)特点：消耗燃料少，但经济效益跟火电站大体相同。
反应堆是核电站的核心，是核电站的热源，核电站靠反应堆产生的内能发电。
1．在核反应堆中采用控制棒来控制裂变反应的速度，关于控制棒的作用，下面说法正确的是( )
A．使中子运动的速度减慢
B．使中子运动的速度增加
C．放出中子，使中子的数目增加
D．吸收中子，使中子的数目减少
解析：核反应堆中的控制棒即镉棒对中子的吸收能力很强，可调节镉棒插入的深浅来控制反应速度，选项D正确。
答案：D
对粒子的认识
1.“基本粒子”和新粒子
(1)电子、质子和中子：直到19世纪末，人们都认为原子是组成物质的不可再分的最小微粒，后来发现了电子、质子和中子，于是很多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也是复合粒子，并且还有着自己的复杂结构，所以电子、质子、中子并不是组成物质世界的基本粒子。
(2)新粒子：1912年奥地利物理学家赫斯对宇宙射线观测时，发现了一些新粒子。宇宙射线中粒子的能量很高，但数量很少。人们用高能加速器进行实验，发现了更多的粒子。如1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现了K子和π子。
2．三大类粒子
按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
3．夸克模型
(1)夸克模型的提出：许多实验事实表明，强子是有内部结构的。1964年提出的夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克(cuark)。
(2)夸克的分类：夸克有6种，它们是上夸克、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电荷的＋或－。每种夸克都有对应的反夸克。
(3)夸克模型的意义：夸克模型的提出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元，即存在分数电荷。
(4)夸克的“禁闭”：目前人们对夸克的认识还是很初步的，科学家们直到今天都还未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的状态单个出现，这种性质称为夸克的“禁闭”。能否解放被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的重大课题之一。
2．为了探究宇宙起源，“阿尔法磁谱仪”(AMS)将在太空中寻找“反物质”。所谓“反物质”是由“反粒子”构成的。“反粒子”与其对应的正粒子具有相同的质量和相同的电荷量，但电荷的符号相反，则反氢原子是( )
A．由1个带正电荷的质子和1个带负电荷的电子构成
B．由1个带负电荷的反质子和1个带正电荷的正电子构成
C．由1个带负电荷的反质子和1个带负电荷的电子构成
D．由1个不带电荷的中子和1个带正电荷的正电子构成
解析：根据反粒子定义，“反粒子”与“正粒子”具有相同的质量，但带有等量的异性电荷。因此“反氢原子”应该具有与氢原子相同的质量，相反的电荷符号且等量的电荷量。所以反氢原子是由H核和e构成的。
答案：B
核 反 应 堆
[例1] 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U＋n→Ba＋Kr＋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U、Ba、Kr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光速，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＝1.00×106 kW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＝2.78×10－11 J，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)由铀核裂变的反应方程可知：X为n，
根据质量数和电荷数守恒可得：235＋1＝141＋92＋a，
解得a＝3。
反应过程中质量亏损Δm＝mU－mBa－mKr－2mn
故释放能量ΔE＝Δmc2＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)核电站消耗核能的功率P′为：
P′＝＝ kW＝2.5×106 kW
核电站每年消耗的核能W为：
W＝P′t＝2.5×106×103×3.15×107 J＝7.875×1016 J
产生这些核能消耗的铀核数目n为：
n＝＝个≈2.83×1027个
故每年消耗U的质量m为：
m＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1104 kg。
[答案] (1)n 3 (mU－mBa－mkr－2mn)c2
(2)1104 kg
解决此类题目时要把已知量和所求量联系起来，注意各物理量间的过渡换算，必要时应用阿伏加德罗常数联系微观量与宏观量。
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6.02×1023/摩尔)
解析：核电站每一天的发电量为：
E＝Pt＝50×104×103×24×3 600 J＝4.32×1013 J.
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＝＝
＝1.35×1024个。
故发电站每一天需要的纯铀235的质量为：
m＝·M＝×235×10－3 kg≈0.527 kg。
答案：0.527 kg
夸 克 模 型
[例2] 已经证实，质子、中子都是由称为上夸克和下夸克的两种夸克组成的，上夸克带电为e，下夸克带电为－e，e为电子所带电量的大小，如果质子是由三个夸克组成的，且各个夸克之间的距离都为l，l＝1.5×10－15 m。试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力(库仑力)。
[解析] 质子带电为＋e，所以它是由2个上夸克和1个下夸克组成的。按题意，三个夸克必位于等边三角形的三个顶点处，这时上夸克与上夸克之间的静电力应为
Fuu＝k＝k 。
代入数值，得Fuu≈46 N，为斥力。
上夸克与下夸克之间的静电力为
Fud＝k＝k 。
代入数值，得Fud≈23 N，为引力。
[答案] 上夸克间静电力Fuu＝46 N，为斥力 上、下夸克间静电力Fud＝23 N，为引力。
夸克模型认为强子是由夸克组成的，它指明电子电荷不再是电荷的最小单元，即存在分数电荷。
1．目前核电站利用的核反应是( )
A．裂变，核燃料为铀 B．聚变，核燃料为铀
C．裂变，核燃料为氘 D．聚变，核燃料为氘
解析：目前核电站利用的核反应是重核裂变，主要原料是铀核，故A对。
答案：A
2．镉棒在核反应堆中的作用是( )
A．使快中子变慢中子
B．使慢中子变快中子
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：在核反应堆中石墨起变快中子为慢中子的作用，镉棒起吸收中子，控制反应速度，调节功率大小的作用。故D对。
答案：D
3．某核反应方程为H＋H→He＋X.已知H的质量为2.013 6 u。H的质量为3.018 u，He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( )
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：由质量数守恒有，X核的核子数A＝2＋3－4＝1。由电荷数守恒有，X核的质子数：Z＝1＋1－2＝0。由此可得X是中子。由题目给出的已知条件，可算出反应后的质量亏损：Δm＝(2.013 6＋3.018－4.002 6－1.008 7)u ＝0.020 3 u＞0。由于反应过程存在质量亏损，因此该反应必定释放能量。故B对。
答案：B
4．原子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，减速剂，冷却系统和控制调节系统
B．原子燃料，减速剂，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：核反应堆的主要部分包括①燃料；②减速剂，采用石墨、重水或水；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。
答案：A
5．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，现有四种说法：
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，核反应方程式为：U＋n→Xe＋Sr＋3n
③U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度半衰期变短
④一个U裂变能放出200 MeV的能量，合3.2×1011 J以上说法中完全正确的有( )
A．①②③ B．②③④
C．①③④ D．①②④
解析：由U的质量数和电荷数的关系易知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，故答案为D。
答案：D
6．在核反应堆外修建很厚的水泥层是为了防止( )
A．核爆炸 B．放射线外泄
C．核燃料外泄 D．慢中子外泄
解析：核外反应堆的核燃料一般是铀235，它具有很强的放射性，其衰变时放出的射线能对人体造成极大的伤害，在其外修建很厚的水泥层就是为了防止放射线外泄，则B正确。
答案：B
7．(双选)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，它们的带电量如下表所示，表中e为元电荷。
π＋
π－
u
d
带电量
＋e
－e
＋e
－e
－e
＋e
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：根据电荷量关系可知由于π＋介子带有＋e的电荷量，又由于π＋介子是由一个夸克和一个反夸克组成，根据题意可知π＋介子(＋e)应由一个夸克u(＋e) 和一个反夸克(＋e)组成，故A对B错；同理π－介子由夸克d和夸克组成，故C错D正确。
答案：AD
8．以下说法正确的是( )
A．最早发现的轻子是电子，最早发现的强子是中子
B．质子、中子、介子和超子都属于强子
C．强子、轻子都有内部结构
D．τ子质量比核子质量大，τ子不属于轻子
解析：最早发现的强子是质子，最早发现的轻子是电子，故选项A错误；强子有内部结构，由夸克组成，轻子没有内部结构，所以，C错误；质子、中子、介子、超子都属于强子，τ子质量比核子质量大，但仍属于轻子，D错误，B正确。
答案：B
9．1964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完成核裂变反应方程式：
U＋n―→( )Xe＋Sr＋2n＋200 MeV
②铀原子核裂变自动持续下去的反应过程叫什么？产生这种反应的条件是什么？
(2)为了防止铀核裂变产物放出的各种射线危害人体和污染环境，需采取哪些措施？(举2种)
解析：(1)①由质量数和电荷数守恒可得：
235＋1＝A＋94＋2
92＝Z＋38解得A＝140，Z＝54
②使重核裂变持续下去的反应叫链式反应，产生链式反应的条件是：浓缩铀235的体积大于或等于临界体积，入射中子为慢中子．
(2)核反应堆外面需要修建很厚的水泥保护层，用来屏蔽射线；放射性废料要装入特制的容器，埋入地层深处进行处理。
答案：(1)① ②链式反应，见解析 (2)见解析
10．科学家发现太空中的γ射线一般都是从很远的星体放射出来的。当γ射线爆发时，在数秒钟内所产生的能量相当于太阳在过去100亿年所发生的能量的总和的1 000 倍左右，大致相当于将太阳的全部质量转变为能量的总和。科学家利用超级计算机对γ射线的状态进行了模拟。经模拟发现γ射线爆发是起源于一个垂死的星球的“坍缩”过程，只有星球“坍缩”时，才可以发出这么巨大的能量。已知太阳光照射到地球上大约需要8分20秒时间，由此来估算：在宇宙中，一次γ射线爆发所放出的能量。
(万有引力常量G＝6.67×10－11 N·m2·kg－2,1年时间约为3.15×107 s)
解析：r＝ct＝3.0×108×500 m＝1.5×1011 m，
地球做匀速圆周运动，万有引力为向心力：
＝，
太阳的质量为
M＝＝ kg
≈3.14×1030 kg，
γ射线爆发所发出的能量：
E＝Mc2＝3.14×1030×(3×108)2 J≈1.2×1047 J。
答案：1.2×1047 J
课件27张PPT。第四章第六、七节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向一考向二第四节 核力与结合能
1．组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力。
2．核力是一种短程力。在约0.5×10－15 m～2×10－15 m的距离内主要表现为引力；在小于0.5×10－15 m的距离内，核力又转变为强大的斥力。
3．原子核中的质子数又称为原子序数，排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核，排在周期表比较靠前的元素对应的原子核叫轻核。
4．一般排在周期表最前面的轻核的质子和中子数相等，大多数重核是中子多于质子。
5．要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，需要提供一定的能量。反之，核子结合成原子核时会放出一定的能量，这个能量叫做原子核的结合能。
6．原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能，它反映了原子核结合的紧密程度，平均结合能越大，核越稳定。
核力及其性质
1.核力的定义
组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力。
2．核力的性质
(1)核力是一种很强的力，是强相互作用的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多
(2)核力是一种短程力，在距离较大时核力远小于库仑力，在距离较小时核力远大于库仑力。在距离小于0.5×10－15 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。
(3)核力与核子是否带电无关，在原子核中，质子与质子，中子与中子，中子与质子间的核力大致相等。
(4)核力是一种具有饱和性质的交换力，即一个核子只与邻近的几个核子作用，而不是和原子核内所有核子作用。这种性质称为核力的饱和性。
(1)自然界中最基本的四种相互作用是：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。其中，引力相互作用和电磁相互作用是长程力，强相互作用和弱相互作用是短程力。
(2)弱相互作用，作用范围在10－18 m以内，作用强度比电磁力小，是引起原子核β衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。
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
B．核力就是电磁力
C．核力是短程力，作用范围在2×10－15 m之内
D．核力与电荷有关
解析：核力是短程力，超过2×10－15 m，核力急剧下降几乎消失，故C项对。核力与万有引力、电磁力不同，故A、B两项不对。核力与电荷无关，故D项错。
答案：C
重核与轻核、质量亏损
1.重核与轻核
(1)重核：排在周期表比较靠后的元素对应的原子核叫重核。
(2)轻核：排在周期表比较靠前的元素对应的原子核叫轻核。
(3)排在83号元素铋之后的原子核都不稳定，它们自动分解或衰变成更轻的原子核，排在第92号元素铀之后的原子核十分不稳定，无法在自然状态下存在。
2．质量亏损
(1)定义：原子核的质量小于组成原子核的核子质量之和的现象称为质量亏损。
(2)理解：所谓质量亏损并不是部分质量消失，或质量转变为能量，而是指静止质量发生了变化。物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损时，减少的静止质量转化为和辐射能量相联系的运动质量。
3．质能方程
(1)公式：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是
E＝mc2(或者ΔE＝Δmc2)
这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程。
(2)进一步理解：
①质能方程揭示了质量和能量不可分割，一定质量的物体所具有的能量是确定的，等于光速的平方与其质量的乘积。
②质量和能量是物质的属性之一，质量和能量在数值上的联系绝不等于这两个量，可相互转化，质量不能转化为能量，能量也不会转化为质量。
(1)核反应中遵循质量守恒和能量守恒，质量亏损并不违反质量守恒。
(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。
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，可以用物体的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：E＝mc2说明能量与质量之间存在着正比关系，并不能说明能量和质量之间存在相互转化的关系，故A错B对。质量亏损是由静止的质量变成运动的质量，并不是质量转化成能量，故C错。核反应中质量守恒，能量也守恒，故D错。
答案：B
结 合 能
1.结合能
(1)概念：由于核子间存在着强大的核力，要把原子核拆散成核子，需要克服核力做功，也就是说需要提供一定的能量。反之，根据能量守恒，核子结合成原子核时也会放出一定的能量。我们把这个能量叫做原子核的结合能。
(2)理解：一个氘核被拆成一个中子和一个质子时，需要能量等于或大于2.2 MeV，可用γ光子照射获得。核反应方程为γ＋H―→H＋n。
相反的过程，当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2 MeV的能量。这个能量以γ光子的形式辐射出去。核反应方程为H＋n―→H＋γ。
2．平均结合能
(1)概念：原子核的结合能与核子数之比称为该原子核的平均结合能。
(2)意义：平均结合能的大小能够反映核的紧密程度。平均结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核越稳定。
(3)规律：核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能都比较小；中等核子数的原子核，平均结合能较大，表示这些原子核较稳定。
3．结合能的计算
(1)根据国际单位制计算
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)根据实用单位计算
①明确原子单位u和电子伏特间的关系
1 u＝1.6606×10－27 kg,1eV＝1.602178×10－19 J
由E＝mc2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。
(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。
(1)注意区别结合能与电离能
要使基态氢原子电离，也就是要从氢原子中把电子剥离，需要通过碰撞、施加电场、赋予光子等途径让它得到13.6 eV的能量。这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能，不过通常把它叫做氢原子的电离能，而结合能一词只用在原子核中。
(2)单个核子无结合能，如n。
3．(双选)对结合能、平均结合能的认识，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．平均结合能越大的原子核越稳定
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需要赋予它相应的能量，该能量即为结合能，但它的平均结合能不一定大，平均结合能的大小反映了原子的稳定性。故B、C错，A、D正确。
答案：AD
对原子核结合能和平均结合能的理解
[例1] 下列关于结合能和平均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．平均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，重核的结合能和平均结合能都大
D．中等质量原子核的结合能和平均结合能均比轻核的要大
[解析] 核子结合成原子核是放出能量，原子核拆解成核子是吸收能量，A错；平均结合能越大的原子核是越稳定，但平均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平均结合能比重核大，但由于核子数比重核少，其结合能比重核小，B，C错；中等质量原子核的平均结合能比轻核的大，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。
[答案] D
(1)核子结合成原子核时，核力做正功，放出能量；原子核拆解成核子时，克服核力做功，吸收能量。
(2)平均结合能大的原子核稳定，但平均结合能大的原子核，其结合能不一定大，因为其核子数不一定多。
1．(双选)如图4－4－1所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像。下列说法中正确的是( )
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A能分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量
D．若A能分裂成B、C，分裂过程一定要吸收能量
解析：由图可知Fe原子核的核子的平均质量最小，则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时，因F的核子的平均质量小于D、E核子的平均质量，故出现质量亏损，由质能方程知，该过程一定放出核能，所以选项A正确，B错误。因为C、B的核子的平均质量小于A核子的平均质量，故A分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量，所以选项C正确，D错误。
答案：AC
核能的计算
[例2] H的质量是3.016 050 u，质子的质量是1.007277 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H＋2n→H，反应前各核子总质量为
mp＋2mn＝1.007 277 u＋2×1.00 8665 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＝3.024 607 u－3.016 050 u＝0.008 557 u
由于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＝1.92×1021 Hz。
[答案] (1)放出能量 7.97 MeV
(2)7.97 MeV 2.66 MeV (3)1.92×1021 Hz
根据ΔE＝Δmc2进行的计算一般有以下两种方法：
(1)Δm的单位用千克，c＝3.0×108 m/s，此时能量ΔE的单位为焦耳。
(2)Δm的单位为1原子质量单位(u)，此时ΔE＝Δm×931.5 MeV。
2．一个锂核(Li)受到一个质子的轰击，变成两个α粒子。已知一个氢原子核的质量是1.672 6×10－27 kg，一个锂核的质量是11.650 5×10－27 kg，一个氦核的质量是6.646 6×10－27 kg。
(1)试写出这一过程的核反应方程；
(2)计算这一过程中的质量亏损；
(3)计算这一过程中所释放的核能。
解析：(1)这一过程的核反应方程为：
Li＋H―→2He
(2)质量亏损Δm＝mLi＋mH－2mα
＝11.650 5×10－27 kg＋1.672 6×10－27 kg－2×6.646 6×10－27 kg＝2.99×10－29 kg
(3)释放核能
ΔE＝Δmc2＝2.99×10－29×(3.0×108)2 J
＝2.691×10－12 J。
答案：(1)Li＋H―→2He
(2)2.99×10－29 kg
(3)2.691×10－12 J
1．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：根据核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒可得方程中的X表示正电子(e)，故A、B错；此核反应中质量亏损Δm＝4m1－m2－2m3，故C错；核反应中释放的核能ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，故D对。
答案：D
2．关于核力下列说法正确的是( )
A．核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核
B．因为质子带正电，所以质子之间存在相互排斥的核力
C．核力是一种弱相互作用
D．任何核子之间都有核力
解析：核力是一种强相互作用，故C错，核力是一种具有饱和性质的变换力，即一个核子只与邻近的几个核子作用，故D错，核力与核子是否带电无关，有时表现为引力，有时表现为斥力。B错。
答案：A
3．(双选)跟核反应有关的下列认识中，正确的是( )
A．在核反应方程中质量数与电荷数都守恒
B．所有的核反应发生过程中质量都会减少
C．所有的核反应都一定是放能反应
D．有质量亏损的核反应一定是放能反应
解析：所有核反应方程中质量数与电荷数都守恒，则A正确；核反应中有的质量亏损，放出能量，有的质量增加，吸收能量，则B、C错，D对。
答案：AD
4．为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”。对于爱因斯坦提出的质能方程，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：E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，故A正确D错；对于ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或减小ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，故B正确，只有当出现质量亏损时，才能释放核能，故C正确，所以选D。
答案：D
5．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3种力从大到小的排列顺序是( )
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：在四种相互作用中，核力的作用力最强，其次是库仑力，再次是万有引力，故
选D。
答案：D
6．一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核，同时辐射一个γ光子。已知质子、中子、氘核的质量分别为m1、m2、m3，普朗克常量为h，真空中的光速为c。下列说法正确的是( )
A．核反应方程是H＋n→H＋γ
B．聚变反应中的质量亏损Δm＝m1＋m2－m3
C．辐射出的γ光子的能量E＝(m3－m1－m2)c
D．γ光子的波长λ＝
解析：由H＋n→H＋γ知A错；质量亏损Δm＝m1＋m2－m3；B正确；由ΔE＝Δmc2结合质量亏损知C错误；Δmc2＝hν＝h，所以γ光子的波长λ＝，D错．
答案：B
7．中子n、质子p、氘核D的质量分别为mn、mp、mD。现用光子能量为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：核反应中的质量亏损Δm＝mD－mp－mn
则核反应中释放的能量
ΔE＝Δmc2＝(mD－mp－mn)c2
设中子的动能为Ek，据能量守恒定律可得：
ΔE＋E＝2Ek
∴Ek＝(ΔE＋E)＝[(mD－mp－mn)c2＋E]。
答案：C
8．(双选)中子和质子结合成氘核时，质量亏损为Δm，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：中子和质子结合成氘核所释放的能量或氘核分解成中子和质子所吸收的能量都相等，即为此反应的结合核，但氘核分解为中子和质子时，中子和质子不可能没有速度，则用光照射的能量一定要大于2.2 MeV，故A、D正确，B、C错。
答案：AD
9．一静止的氡核(Rn)发生α衰变，放出一个速度为v0，质量为m的α粒子和一个质量为M的反冲核钋(Po)，若氡核发生衰变时，释放的能量全部转化为α粒子和钋核的动能。
(1)写出衰变方程；
(2)求出反冲核的速度；(用字母表示)
(3)求出这一衰变过程中亏损的质量。(用字母表示)
解析：(1)设生成物的原子核X，根据质量数守恒A＝222－4＝218，据电荷数守恒Z＝86－2＝84
即原子序数为84是钋(Po)，核反应方程为
Rn→Po＋He
(2)设钋核的反冲速度大小为v，
由动量守恒定律，得0＝mv0－Mv
v＝
(3)在衰变过程中产生的核能
ΔE＝mv＋Mv2＝
由质能方程ΔE＝Δmc2可知质量亏损为
Δm＝＝。
答案：(1)Rn→Po＋He (2) (3)
10．已知Po原子核的质量为209.982 87 u，Pb原子核的质量为205.974 46 u，He原子核的质量为4.002 60 u，静止的核在α衰变中放出α粒子后变成Pb，求：
(1)在衰变过程中释放的能量；
(2)α粒子从Po核中射出时的动能；
(3)反冲核的动能(已知1 u相当于931.5 MeV，且核反应释放的能量只转化为动能)。
解析：(1)衰变方程Po―→Pb＋He。
衰变过程中质量亏损为：
Δm＝209.982 87 u－205.974 46 u－4.002 60 u
＝0.005 81 u。
释放的能量为：
ΔE＝0.005 81×931.5 MeV≈5.412 MeV。
(2)因衰变前后动量守恒，
则衰变后α粒子和铅核的动量大小相等，方向相反，则
＝＝＝≈
故4Ekα＝206EkPb①
又因核反应释放的能量只转化为两者的动能，故：
Ekα＋EkPb＝ΔE＝5.412 MeV②
由①②得α粒子从钋核中射出时的动能
Ekα≈5.309 MeV
(3)反冲核的动能Ekpb＝0.103 MeV。
答案：(1)5.412 MeV (2)5.309 MeV
(3)0.103 MeV
课件35张PPT。第四章第四节学之窗师之说考之向知识点一知识点二梦之旅考向一考向二知识点三
