1 原子核的组成与核力
[目标定位] 1.知道质子、中子的发现.2.知道原子核的组成，知道核子和同位素的概念.3.会写核反应方程.4.了解原子核里的核子间存在着相互作用的核力.
一、质子、中子的发现
1．质子的发现：卢瑟福用α粒子轰击氮原子核获得了质子．这个实验表明，可以用人工的方法改变原子核，把一种元素变成另一种元素．
2．中子的发现：卢瑟福的学生查德威克通过实验证实了中子的存在．在实验中，他发现这种射线在磁场中不发生偏转，可见它是中性粒子流．他又测得这种射线的速度不到光速的十分之一，这样就排除了它是γ射线的可能．他还用这种射线轰击氢原子和氮原子，打出了一些氢核和氮核，通过测量被打出的氢核和氮核的速度，推算出这种射线的粒子的质量跟氢核的质量差不多，并把这种粒子叫做中子．
二、原子核的组成
1．原子核的组成：由质子和中子组成，因此它们统称为核子．
2．原子核的电荷数：等于原子核的质子数即原子的原子序数．
3．原子核的质量数：等于质子数和中子数的总和．
4．原子核的符号：X其中X为元素符号，A为原子核的质量数，Z为原子核的电荷数．
5．同位素：具有相同的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，因而互称为同位素，例如氢的同位素H、H、H.
三、核力
1．核力：原子核里的核子间存在着相互作用的核力．核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核．
2．核力特点：(1)核力是强相互作用的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多．
(2)核力是短程力，作用范围在10－15m之内．
(3)核力与电荷无关，质子与质子、质子与中子以及中子与中子之间的核力是相等的．
四、核反应方程
1．核反应方程的定义：在核反应中，参与反应的原子核内的核子(质子和中子)将重新排列或发生转化．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．
2．核反应遵从的规律：核反应遵从电荷数守恒和质量数守恒，即核反应方程两边的质量数和质子数均是守恒的．如卢瑟福发现质子的人工核反应方程可表示为：He＋N→O＋H.
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、原子核的组成
1．原子核中的三个整数
(1)核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，所以质子数和中子数之和叫核子数．
(2)电荷数(Z)：原子核所带电荷总是质子所带电荷的整数倍，通常用这个整数表示原子核的电荷数，叫做原子核的电荷数．
(3)质量数(A)：原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和，而质子与中子质量几乎相等，所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个整数叫做原子核的质量数．
2．原子核中的两个等式
(1)核电荷数(Z)＝质子数＝元素的原子序数＝中性原子核外电子数．
(2)质量数(A)＝核子数＝质子数＋中子数．
【例1】 已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226.试问：
(1)镭核中质子数和中子数分别是多少？
(2)镭核的核电荷数和所带电荷量是多少？
(3)若镭原子呈中性，它核外有多少电子？
答案 (1)88 138 (2)88 1.41×10－17 C (3)88
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)镭核的核电荷数和所带电荷量分别是
Z＝88，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.
针对训练1 以下说法正确的是( )
A.Th为钍核，由此可知，钍核的质量数为90，钍核的质子数为234
B.Be为铍核，由此可知，铍核的质量数为9，铍核的中子数为4
C．同一元素的两种同位素具有相同的质量数
D．同一元素的两种同位素具有不同的中子数
答案 D
解析 钍核的质量数为234，质子数为90，所以A错；铍核的质量数为9，中子数为5，所以B错；同位素是指质子数相同而中子数不同，即质量数不同，C错，D对．
二、原子核中质子和中子的比例
1．核子比例关系：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．
2．形成原因
(1)若质子与中子成对地人工构建原子核，由于核力是短程力．当原子核增大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力，这个原子核就不稳定了．
(2)若只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，所以有助于维系原子核的稳定，所以稳定的重原子核中子数要比质子数多．
(3)由于核力的作用范围是有限的，以及核力的饱和性，若再增大原子核，一些核子间的距离会大到其间根本没有核力的作用，这时候再增加中子，形成的核也一定是不稳定的．
【例2】 下列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．对于较重的原子核，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，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．因此正确答案选D.
三、对核反应方程的认识
1．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)
2．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．
【例3】 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和中子的．
(1)B＋He→N＋( )
(2)Be＋( )→C＋n
(3)Al＋( )→Mg＋H
(4)N＋He→O＋( )
(5)Na＋( )→Na＋H
答案 见解析
解析 (1)B＋He→N＋n
(2)Be＋He→C＋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)Na＋H→Na＋H
借题发挥 书写核反应方程四条重要原则
(1)质量数守恒和电荷数守恒；
(2)中间用箭头，不能写成等号；
(3)能量守恒(中学阶段不做要求)；
(4)核反应必须是实验中能够发生的．
针对训练2 以下是物理学史上3个著名的核反应方程
x＋Li―→2y y＋N―→x＋O
y＋Be―→z＋C
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 把前两个方程化简，消去x，即N＋Li―→y＋O，可见y是He，结合第三个方程，根据电荷数守恒、质量数守恒可知z是中子n.因此选项C正确.
原子核的组成与同位素
1．若用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
答案 B
解析 质量数＝质子数＋中子数，中性原子中：质子数＝核外电子数，所以选B项．
2．下列说法正确的是( )
A.X与Y互为同位素
B.X与Y互为同位素
C.X与Y中子数相差2
D.U核内有92个质子，235个中子
答案 B
解析 A选项中，X核与Y核的质子数不同，不是同位素；B选项中，X核与Y核质子数都为m，而质量数不同，所以互为同位素；C选项中，X核内中子数为n－m，Y核内中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同；D选项中，U核内有142个中子．
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．若为中性原子，它们的核外电子数相等
C．它们的核子数相等
D．它们的化学性质相同
答案 ABD
解析 氕、氘、氚的核子数分别为1、2、3，质子数和中性原子核外电子数均相同，都是1，中子数等于核子数减去质子数，故中子数各不相同，A、B两项正确；同位素化学性质相同，只是物理性质不同，D正确．
核反应方程
4．(多选)下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是( )
A.Be＋He―→C＋X
B.N＋He―→O＋X
C.Hg＋n―→Pt＋2H＋X
D.U―→Np＋X
答案 AC
解析 根据核反应方程质量数和电荷数守恒可得．
5．一质子束入射到静止靶核Al上，产生如下核反应：
P＋Al―→X＋n式中P代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核．由反应式可知，新核X的质子数为________，中子数为________．
答案 14 13
解析 根据核反应过程电荷数守恒和质量数守恒，新核X的质子数为1＋13－0＝14，质量数为1＋27－1＝27，所以中子数＝27－14＝13.
(时间：60分钟)
题组一 原子核的组成
1．(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．
2．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
答案 C
解析 本题考查原子核结构的发现过程．
3．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
答案 A
解析 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．
4．(多选)关于原子核Bi，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可知，这种原子核的电荷数为83，质量数为210.因为原子核的电荷数等于核内质子数，等于核外电子数，对于离子则质子数与电子数可不相等，故该核内有83个质子，核外不一定有83个电子，故A、B错误．因为原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和，即等于核内核子数，故该核核内有210个核子，其中有127个中子，故C、D正确．
5．(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．原子核中的中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
答案 CD
解析 原子中除了有带负电的电子外，还有带正电的质子，故A错；原子核中的中子数不一定跟核外电子数相等，故B错；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的电荷量跟质子的电荷量之比，才确定原子核内还有别的中性粒子，故D正确．
题组二 同位素
6．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．氦的该种同位素应表示为( )
A.He B.He C.He D.He
答案 B
解析 氦是2号元素，质量数为3的氦同位素为He.
7．(多选)Ra是镭Ra的一种同位素，对于这两种镭的原子而言，下列说法正确的有( )
A．它们具有相同的质子数和不同的质量数
B．它们具有相同的中子数和不同的原子序数
C．它们具有相同的核电荷数和不同的中子数
D．它们具有相同的核外电子数和不同的化学性质
答案 AC
解析 原子核的原子序数与核内质子数、核电荷数、核外电子数都是相等的，且原子核内的质量数(核子数)等于核内质子数与中子数之和．由此可知这是镭的两种同位素，核内的质子数均为88，核子数分别为228和226，中子数分别为140和138；原子的化学性质由核外电子数决定，由于它们的核外电子数相同，因此它们的化学性质也相同．
题组三 核力
8．(多选)关于核力，下列说法中正确的是( )
A．核力是一种特殊的万有引力
B．原子核内任意两个核子间都有核力作用
C．核力是原子核能稳定存在的原因
D．核力是一种短程强作用力
答案 CD
9．下列关于核力的说法正确的是( )
A．核力同万有引力没有区别，都是物体间的作用
B．核力就是电磁力
C．核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内
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．
题组四 核反应方程
10．在下列四个核反应方程中，X1、X2、X3和X4各代表某种粒子
①H＋X1―→He＋n ②N＋He―→O＋X2
③Be＋He―→C＋X3 ④Mg＋He―→Al＋X4
则以下判断中正确的是( )
A．X1是质子 B．X2是中子
C．X3是电子 D．X4是质子
答案 D
解析 根据核反应的质量数和电荷数守恒知，X1为H，A错；X2为H，B错；X3为n，C错；X4为H，D对．
11．用中子轰击氧原子核的核反应方程式为O＋n→N＋X，对式中X、a、b的判断正确的是( )
A．X代表中子，a＝17，b＝1
B．X代表电子，a＝17，b＝－1
C．X代表正电子，a＝17，b＝1
D．X代表质子，a＝17，b＝1
答案 C
解析 根据质量数、电荷数守恒可知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示为 0＋1e，为正电子，故C项正确，A、B、D三项错误．
12．(多选)一个质子以1.0×107 m/s的速度撞一个静止的铝原子核后被俘获，铝原子核变成硅原子核．已知铝原子核的质量是质子的27倍，硅原子核的质量是质子的28倍，则下列判断正确的是( )
A．核反应方程为Al＋H―→Si
B．核反应方程为Al＋n―→Si
C．硅原子核速度的数量级为107 m/s，方向跟质子的初速度方向一致
D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向跟质子的初速度方向一致
答案 AD
解析 由核反应中电荷数和质量数守恒可知A选项正确、B选项错误；由动量守恒定律求得硅原子速度的数量级为105 m/s，即D选项正确．
13．放射性元素Po衰变为Pb，此衰变过程的核反应方程是________；用此衰变过程中发出的射线轰击F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是________．
答案 Po―→Pb＋He
He＋F―→Ne＋H
解析 根据衰变规律，此衰变过程的核反应方程是Po―→Pb＋He.用α射线轰击F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是：He＋F―→Ne＋H
2 放射性 衰变
[目标定位] 1.了解放射性的发现，知道什么是放射性和天然放射性.2.知道三种射线的种类性质.3.知道衰变及两种衰变的规律，能熟练写出衰变方程.4.了解半衰期的概念及有关计算.
一、天然放射现象
1．1896年，法国物理学家享利·贝克勒尔发现铀化合物能放出某种射线使密封完好的照相底片感光．后来，物理学家居里夫妇又相继发现了放射性元素钋和镭．
2．放射性元素自发地发出射线的现象，叫天然放射现象．天然放射现象说明原子核具有复杂结构．
3．自然界中多种元素都能自发地放出射线，原子序数大于或等于83的元素都具有放射性，较轻的元素有些也具有放射性．
二、衰变
1．放射性衰变：放射性元素是不稳定的，它们会自发地蜕变为另一种元素，同时放出射线，这种现象为放射性衰变．
2．衰变形式：常见的衰变有两种，放出α粒子的衰变为α衰变，放出β粒子的衰变为β衰变，而γ射线是伴随α射线或β射线产生的．
3．衰变方程举例：
(1)α衰变：U→Th＋He，(2)β衰变：Th→Pa＋e.
4．原子核衰变前、后电荷数和质量数均守恒．
三、三种射线的性质
1．α射线是带正电的α粒子流，α粒子是氦原子核，速度只有光速的10%，穿透能力弱，一张薄薄的铝箔或一张纸，都能把它挡住．
2．β射线是带负电的电子流，它的速度很快，穿透力强，在空气中可以走几十米远，而碰到几毫米厚的铝片就不能穿过了．
3．γ射线本质上是一种波长极短的电磁波，穿透力极强，能穿过厚的混凝土和铅板．
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，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系．
3．半衰期是大量原子核衰变的统计规律．
4．衰变定律：N＝N0e－λt，λ称为衰变常数，反映放射性元素衰变的快慢．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、三种射线的本质及特点
1．α、β、γ三种射线的性质、特征比较
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
0.99c
c
贯穿本领
最弱用一张纸就能挡住
较强能穿透几毫米的铝板
最强能穿透几厘米的铅板
电离作用
很强
较弱
很弱
2.在电场、磁场中偏转情况的比较
(1)在匀强电场中，α射线偏转较小，β射线偏转较大，γ射线不偏转，如图1甲所示．
图1
(2)在匀强磁场中，α射线偏转半径较大，β射线偏转半径较小，γ射线不偏转，如图乙所示．
【例1】 一置于铅盒中的放射源发射出的α、β和γ射线，由铅盒的小孔射出，在小孔外放一铝箔，铝箔后的空间有一匀强电场．进入电场后，射线变为a、b两束，射线a沿原来方向行进，射线b发生了偏转，如图2所示，则图中的射线a为________射线，射线b为________射线．
图2
答案 γ β
解析 在三种射线中，α射线带正电，穿透能力最弱，γ射线不带电，穿透能力最强；β射线带负电，穿透能力一般，综上所述，结合题意可知，a射线应为γ射线，b射线应为β射线．
借题发挥 三种射线的比较方法：
(1)α射线是α、β、γ三种射线中贯穿本领最弱的一种，它穿不过白纸．
(2)要知道三种射线的成分，贯穿本领和电离本领．
(3)要知道α、β、γ三种射线的本质，α、β是实物粒子，γ射线是电磁波谱中的一员．
针对训练1 (多选)天然放射性物质的放射线包括三种成分，下列说法正确的是
( )
A．一张厚的黑纸能挡住α射线，但不能挡住β射线和γ射线
B．某原子核在放出γ射线后会变成另一种元素的原子核
C．三种射线中对气体电离作用最强的是α射线
D．β粒子是电子，但不是原来绕核旋转的核外电子
答案 ACD
解析 由三种射线的本质和特点可知，α射线贯穿本领最弱，一张黑纸都能挡住，而挡不住β射线和γ射线，故A正确；γ射线是伴随α、β衰变而产生的一种电磁波，不会使原核变成新核．三种射线中α射线电离作用最强，故C正确；β粒子是电子，来源于原子核，故D正确．
二、原子核的衰变
1．原子核放出α粒子或β粒子后，变成另一种原子核，这种现象称为原子核的衰变．
2．α衰变：X―→A－4Z－2Y＋He
原子核进行α衰变时，质量数减少4，电荷数减少2.
α衰变的实质：在放射性元素的原子核中，2个中子和2个质子结合得比较牢固，有时会作为一个整体从较大的原子核中释放出来，这就是放射性元素发生的α衰变现象．
3．β衰变：X―→Y＋e
原子核进行β衰变时，质量数不变，电荷数增加1.
β衰变的实质：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，其转化方程为：n―→H＋e.
4．衰变规律：衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
5．γ射线是在发生α或β衰变过程中伴随而生，且γ粒子是不带电的粒子，因此γ射线并不影响原子核的核电荷数，故γ射线不会改变元素在周期表中的位置．
6．确定衰变次数的方法
设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为
X―→Y＋nHe＋me.
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.
【例2】 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
答案 A
解析 根据衰变反应前后的质量数守恒和电荷数守恒特点，U核与Th核比较可知，衰变①的另一产物为He，所以衰变①为α衰变，选项B、C错误；Pa核与U核比较可知，衰变③的另一产物为e，所以衰变③为β衰变，选项A正确、D错误．
【例3】 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．
答案 (1)8次α衰变，6次β衰变 (2)10个；22个
(3)见解析
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＋4x①
92＝82＋2x－y②
联立①②解得x＝8，y＝6.即一共经过8次α衰变和6次β衰变．
(2)由于每发生一次α衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次β衰变中子数少1，而质子数增加1，故Pb较U质子数少10，中子数少22.
(3)核反应方程为U→Pb＋8He＋6e.
借题发挥 衰变次数的判断方法
(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒．
(2)每发生一次α衰变质子数、中子数均减少2.
(3)每发生一次β衰变中子数减少1，质子数增加1.
针对训练2 U经过m次α衰变和n次β衰变，变成Pb，则( )
A．m＝7，n＝3 B．m＝7，n＝4
C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18
答案 B
解析 根据题意有：235－4m＝207,92－2m＋n＝82，解两式得m＝7，n＝4，选项B正确．
三、对半衰期的理解
1．对半衰期的理解：半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性元素具有的衰变速率一定，不同元素的半衰期不同，有的差别很大．
2．半衰期公式
N余＝N原e－λt或N余＝N原·或m余＝m0
式中N原、m0表示衰变前的原子数和质量，N余、m余表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，t表示衰变时间，T表示半衰期．
3．适用条件：半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，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．
【例4】 碘131核不稳定，会发生β衰变，其半衰期为8天．
(1)碘131核的衰变方程：I―→________(衰变后的元素用X表示)．
(2)经过________天75 %的碘131核发生了衰变．
答案 (1)X＋e (2)16
解析 (1)根据衰变过程电荷数守恒与质量数守恒可得衰变方程：I―→X＋e.(2)每经1个半衰期，有半数原子核发生衰变，经2个半衰期将剩余，即有75 %发生衰变，即经过的时间为16天．
针对训练3 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.
答案 C
解析 由半衰期公式m′＝m()可知，m′＝m()＝m，故选项C正确.
三种射线的特性
1．(多选)天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图3所示，由此可推知( )
图3
A．②来自于原子核外的电子
B．①的电离作用最强，穿透能力最弱
C．②的电离作用较强，穿透能力较弱
D．③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子
答案 BCD
解析 三种射线的特点：α射线是He原子核，电离作用最强，穿透能力最弱；β射线是e，电离作用较强，穿透能力较强；γ射线是光子，不带电，电离作用最弱，穿透能力最强．三种射线都来自于原子核．故B、C、D正确．
2．(多选)图4中P为放在匀强电场中的天然放射源，其放出的射线在电场的作用下分成a、b、c三束，以下判断正确的是( )
图4
A．a为α射线、b为β射线
B．a为β射线、b为γ射线
C．b为γ射线、c为α射线
D．b为α射线、c为γ射线
答案 BC
解析 由题图可知电场线方向向右，α射线带正电所受电场力方向与电场线方向一致，故α射线向右偏转，即c为α射线；β射线带负电所受电场力方向与电场线方向相反，故β射线向左偏转，即a为β射线；γ射线不带电不发生偏转，即b为γ射线．故选项B、C正确．
原子核的衰变
3．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
答案 D
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，其转化可用下式表示：n―→H＋e，H―→n＋ 0＋1e.由上式可看出β粒子(负电子)是由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．
4．重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚239(Pu)，这种钚239可由铀239(U)经过n次β衰变而产生，则n为( )
A．2 B．239 C．145 D．92
答案 A
解析 β衰变规律是质量数不变，质子数增加1.Pu比U质子数增加2，所以发生2次β衰变，A对．
对半衰期的理解及计算
5．下列有关半衰期的说法正确的是( )
A．放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需的时间越短，衰变速度越快
B．放射性元素的样品不断衰变，随着剩下未衰变的原子核的减少，元素半衰期也变长
C．把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的衰变速度
D．降低温度或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可减小衰变速度
答案 A
解析 放射性元素的半衰期是指放射性元素的原子核半数发生衰变所需的时间，它反映了放射性元素衰变速度的快慢，半衰期越短，则衰变越快；某种元素的半衰期长短由其本身因素决定，与它所处的物理、化学状态无关，故A正确，B、C、D错误．
6．(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
答案 AC
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，选项A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，选项B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，选项C正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项D错误．
(时间：60分钟)
题组一 天然放射现象及三种射线的性质
1．下列哪些事实表明原子核具有复杂结构( )
A．α粒子的散射实验 B．天然放射现象
C．阴极射线的发现 D．X射线的发现
答案 B
解析 从原子核里放出射线，说明原子核有复杂结构．
2．(多选)对天然放射现象，下列说法中正确的是( )
A．α粒子带正电，所以α射线一定是从原子核中射出的
B．β粒子带负电，所以β射线有可能是核外电子
C．γ粒子是光子，所以γ射线有可能是由原子发光产生的
D．α射线、β射线、γ射线都是从原子核内部释放出来的
答案 AD
解析 α衰变的实质是原子核中的两个质子和两个中子结合成一个氦核放出的，β衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子，然后释放出电子，γ射线是伴随α衰变和β衰变而产生的．所以这三种射线都是从原子核内部释放出来的．
3．(多选)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．一个原子核在一次衰变中可同时放出α、β和γ三种射线
答案 BC
解析 只有原子序号超过83的元素才能发生衰变，选项A错．半衰期由原子核内部的结构决定，与外界温度无关，选项B对．放射性来自于原子核内部，与其形成的化合物无关，选项C对．一个原子核在一次衰变中要么是α衰变、要么是β衰变，同时伴随γ射线的产生，选项D错．
4．放射性元素放出的射线，在电场中分成A、B、C三束，如图1所示，其中
( )
图1
A．C为氦原子核组成的粒子流
B．B为比X射线波长更长的光子流
C．B为比X射线波长更短的光子流
D．A为高速电子组成的电子流
答案 C
解析 根据射线在电场中的偏转情况，可以判断，A射线向电场线方向偏转，应为带正电的粒子组成的射线，所以是α射线；B射线在电场中不偏转，所以是γ射线；C射线在电场中受到与电场方向相反的作用力，应为带负电的粒子，所以是β射线．
题组二 对原子核的衰变的理解
5．由原子核的衰变可知( )
A．放射性元素一次衰变就同时产生α射线和β射线
B．放射性元素发生β衰变，产生的新核的化学性质不变
C．α衰变说明原子核内部存在氦核
D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线
答案 D
解析 原子核发生衰变时，一次衰变只能是α衰变或β衰变，而不能同时发生α衰变和β衰变，发生衰变后产生的新核往往处于高能级，要向外以γ射线的形式辐射能量，故一次衰变只可能同时产生α射线和γ射线，或β射线和γ射线，A错，D对；原子核发生衰变后，核电荷数发生了变化，变成了新核，故化学性质发生了变化，B错；原子核内的2个中子和2个质子能十分紧密地结合在一起，因此在一定条件下它们会作为一个整体从较大的原子核中被抛射出来，于是放射性元素发生了α衰变，C错．
6．一个放射性原子核发生一次β衰变，则它的( )
A．质子数减少一个，中子数不变
B．质子数增加一个，中子数不变
C．质子数增加一个，中子数减少一个
D．质子数减少一个，中子数增加一个
答案 C
解析 β衰变的实质是一个中子变成一个质子和一个电子，故中子减少一个而质子增加一个．故A、B、D错，C对．
7．原子核X经过一次α衰变成原子核Y，原子核Y再经一次β衰变变成原子核Z，则下列说法中正确的是( )
A．核X的中子数比核Z的中子数多2
B．核X的质子数比核Z的质子数多5
C．核Z的质子数比核X的质子数少1
D．原子核X的中性原子的电子数比原子核Y的中性原子的电子数少1
答案 C
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．中性原子的电子数等于质子数．
8．铀裂变的产物之一氪90(Kr)是不稳定的，它经过一系列衰变最终成为稳定的锆90(Zr)，这些衰变是( )
A．1次α衰变，6次β衰变
B．4次β衰变
C．2次α衰变
D．2次α衰变，2次β衰变
答案 B
解析 原子核每经过一次α衰变，质量数减少4，电荷数减少2；每经过一次β衰变，电荷数增加1，质量数不变．
方法一 α衰变的次数为n＝＝0(次)，
β衰变的次数为m＝＋40－36＝4(次)．
方法二 设氪90(Kr)经过x次α衰变，y次β衰变后变成锆90(Zr)，由衰变前后的质量数、电荷数守恒得4x＋90＝90,2x－y＋40＝36，解得x＝0，y＝4.
题组三 对半衰期的理解和计算
9．(多选)关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的是( )
A．原子核全部衰变所需要的时间的一半
B．原子核有半数发生衰变所需要的时间
C．相对原子质量减少一半所需要的时间
D．元素质量减半所需要的时间
答案 BD
解析 放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间叫做这种元素的半衰期，它与原子核全部衰变所需要的时间的一半不同．放射性元素发生衰变后成了一种新的原子核，原来的放射性元素原子核的个数不断减少；当原子核的个数减半时，该放射性元素的原子核的总质量也减半，故选项B、D正确．
10．元素钍Th的半衰期是24天，那么在经过了下列天数之后的情况是( )
A．1 g钍234经过48天将全部衰变
B．1 g钍234经过48天，有0.25 g发生了衰变
C．1 g钍234经过48天，有0.75 g发生了衰变
D．在化合物中，钍234的半衰期比24天要短些，1 g钍234要完全衰变用不了48天
答案 C
解析 放射性元素衰变时可用下式计算剩下元素的质量m＝m0n，n是半衰期的个数，利用上式计算可知C正确．
11．某放射性元素原为8 g，经6天时间已有6 g发生了衰变，此后它再衰变1 g，还需几天？
答案 3天
解析 8 g放射性元素已衰变了6 g，还有2 g没有衰变，现在要求在2 g的基础上再衰变1 g，即再衰变一半，故找出元素衰变的半衰期就可得出结论．
由半衰期公式m＝m0，得8－6＝8×
＝2.即放射性元素从8 g衰变了6 g余下2 g时需要2个半衰期．由＝2知T＝3天，故再衰变1 g还需3天．
题组三 综合应用
12．天然放射性铀(92U)发生衰变后产生钍(90Th)和另一个原子核．
(1)请写出衰变方程；
(2)若衰变前铀(92U)核的速度为v，衰变产生的钍(Th)核速度为，且与铀核速度方向相同，求产生的另一种新核的速度．
答案 (1)见解析 (2)v
解析 (1)U―→Th＋He
(2)设另一新核的速度为v′，铀核质量为238m，由动量守恒定律得：238mv＝234m＋4mv′得：v′＝v
13．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核，由于放出一个α粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图2所示)，今测得两个相切圆半径之比r1∶r2＝1∶44.求：
图2
(1)这个原子核原来所含的质子数是多少？
(2)图中哪一个圆是α粒子的径迹？(说明理由)
答案 (1)90 (2)见解析
解析 (1)设衰变后新生核的电荷量为q1，α粒子的电荷量为q2＝2e，它们的质量分别为m1和m2，衰变后的速度分别为v1和v2，所以原来原子核的电荷量q＝q1＋q2.
根据轨道半径公式有＝＝，
又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则m1v1＝m2v2，
以上三式联立解得q＝90e.
即这个原子核原来所含的质子数为90.
(2)因为动量相等，所以轨道半径与粒子的电荷量成反比．所以圆轨道2是α粒子的径迹，圆轨道1是新生核的径迹.
3 放射性的应用、危害与防护
[目标定位] 1.知道放射性的应用及放射性应用的形式.2.知道放射性的危害及对放射性的防护方法.
一、放射性的应用
1．利用射线的特性
放射性元素放射的α射线、β射线及γ射线，由于特性不同，各有其不同的应用．
(1)α射线带电，能量大，其电离作用很强，因此，可用来消除静电．
(2)β射线一般作为测量手段使用，其原理是利用其穿过薄物或经过薄物反射时，由透射或反射后的衰减程度来测定薄物的厚度与密度．
(3)γ射线穿透能力极强，比X射线要强很多倍．在工业上用来透视各种产品，以达到无损探伤的目的．γ射线对生物组织会产生物理、化学的效应，能引起生物体内DNA的变异，可用来培育良种，也可用来杀死癌细胞．
2．作为示踪原子
把放射性同位素的原子及其化合物通过物理或化学反应的方式掺到其他物质中，然后用探测仪器进行追踪，以了解放射性同位素在其他物质中的位置、数量、运动和迁移情况，这种使物质带有“放射性标记”的放射性原子称为示踪原子．
示踪原子在工业、农业、医学等各个学科及实际生产生活中的用途十分广泛．
3．利用衰变特性
在考古学中，可以利用测定发掘物中C放射性元素的含量，来确定它的年代．
4．其他应用
在地质学上，利用射线勘探矿藏．
二、放射性的危害与防护
1．放射性污染的主要来源
在自然界中，存在于人体身边的放射性来源众多，包括天然的和人工产生的．前者主要由两部分组成：一是来自地壳表面的天然放射性元素以及空气中氡等产生的放射线；二是来自空间的宇宙射线．人工放射线的来源主要是医疗、核动力以及核武器试验中的放射线．
2．放射线对人体组织造成的伤害，主要是由于射线对原子和分子产生作用，这种作用将导致细胞损伤，甚至破坏人体DNA的分子结构．
3．放射性的防护
其基本方法有：(1)距离防护；(2)时间防护；(3)屏蔽防护；(4)仪器监测．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、放射性同位素及其应用
1．放射性同位素的分类
(1)天然放射性同位素．(2)人工放射性同位素．
2．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．
3．放射性同位素的主要作用
(1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性．
(2)农业应用——γ射线使种子的遗传基因发生变异，杀死腐败细菌、抑制发芽等．
(3)做示踪原子——利用放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质．
【例1】 (多选)下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的( )
A．γ射线探伤仪
B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C．利用钴60治疗肿瘤等疾病
D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
答案 BD
解析 A是利用了γ射线的穿透性；C利用了γ射线的生物作用；B、D是利用示踪原子．
借题发挥 利用放射性同位素作示踪原子一是利用了它的放射性，二是利用放射性同位素放出的射线．
针对训练1 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15O注入人体，参与人体的代谢过程.15O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，经计算机处理后产生清晰的图像．根据PET原理，回答下列问题：
(1)写出15O的衰变和正负电子湮灭的方程式．
(2)将放射性同位素15O注入人体，15O的主要用途是( )
A．利用它的射线
B．作为示踪原子
C．参与人体的代谢过程
D．有氧呼吸
(3)PET中所选的放射性同位素的半衰期应________．(填“长”或“短”或“长短均可”)
答案 (1)O→N＋e，e＋e→2γ (2)B
(3)短
解析 (1)由题意得：
O→N＋e，e＋e→2γ
(2)将放射性同位素15O注入人体后，由于它能放出正电子，从而被探测器探测到，所以它的用途是作为示踪原子，B对．
(3)根据同位素的用途，为了减小对人体的伤害，半衰期应该很短．
二、放射性的污染与保护
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
【例2】 (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
答案 AD
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，故正确答案为A、D.
针对训练2 (多选)放射性同位素钴60能放出较强的γ射线，其强度容易控制，这使得γ射线得到广泛应用．下列选项中，属于γ射线的应用的是( )
A．医学上制成γ刀，无需开颅即可治疗脑肿瘤
B．机器运转时常产生很多静电，用γ射线照射机器可将电荷导入大地
C．铝加工厂将接收到的γ射线信号输入计算机，可对薄铝板的厚度进行自动控制
D．用γ射线照射草莓、荔枝等水果，可延长保存期
答案 AD
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.
放射性同位素的应用
1．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．原子核在α衰变中产生的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
答案 C
解析 γ射线的贯穿本领极强，可以用来进行金属探伤，故正确答案为C.
2．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的有( )
A．放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，从而达到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使其DNA发生变异，其结果一定是更优秀的品种
D．用γ射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
答案 D
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，将静电消除，A错．γ射线对人体细胞伤害太大，不能用来进行人体透视，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良品种，C错．用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用，因此要科学地控制剂量，D对．
3．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多种，而今天人工制造的放射性同位素已达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．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
图1
(2)图1是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图．如果工厂生产的是厚度1毫米的铝板，在α、β、γ三种射线中，你认为对铝板的厚度控制起主要作用的是________射线．
(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14C做____________．
答案 (1)B (2)β (3)示踪原子
解析 (1)因放射线的电离作用，空气中的与验电器所带电荷电性相反的离子相互中和，从而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毫米的铝板，因而探测器不能探测，γ射线穿透物质的本领极强，穿透1毫米厚铝板和几毫米厚铝板打在探测器上很难分辨．β射线也能够穿透1毫米甚至几毫米厚的铝板，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14C的人工合成的牛胰岛素与天然牛胰岛素混合在一起，经过多次重新结晶后，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完全融为一体，它们是同一种物质．这种把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．人们把作这种用途的放射性同位素叫做示踪原子.
(时间：60分钟)
题组一 放射线的应用
1．如图1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1
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
答案 A
解析 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.
2．(多选)关于放射性同位素，以下说法正确的是( )
A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样
B．放射性同位素衰变可生成另一种新元素
C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法制得
D．以上说法均不对
答案 AB
解析 放射性同位素也具有放射性，半衰期也不受物理和化学因素的影响，衰变后形成新的原子核，选项A、B正确，大部分放射性同位素都是人工转变后获得的，C、D错误．
3．(多选)2000年8月21日，俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇在巴伦支海遇难，沉入深度约为100 m的海底，“库尔斯克”号核潜艇的沉没再次引起人们对核废料与环境问题的重视．几十年来人们向巴伦支海海域倾倒了不少核废料，核废料对海洋环境有严重的污染作用．其原因有( )
A．铀、钚等核废料有放射性
B．铀、钚等核废料的半衰期很短
C．铀、钚等重金属有毒性
D．铀、钚等核废料会造成爆炸
答案 AC
解析 放射性对人体组织、生物都是有害的，核废料的主要污染作用是其放射性，且其半衰期长，在很长时间内都具有放射性，另外核废料中有大量重金属，但不会自发爆炸，所以选项A、C正确．
4．(多选)近几年，我国γ刀成为治疗脑肿瘤的最佳仪器，用γ刀治疗时不用麻醉，病人清醒，时间短，半小时内完成手术，无需住院，因而γ刀被誉为“神刀”，进入各大医院为患者服务．γ刀治疗脑肿瘤主要是利用( )
A．γ射线具有很强的贯穿本领
B．γ射线具有很强的电离作用
C．γ射线具有很高的能量
D．γ射线能很容易地绕过阻碍物
答案 AC
解析 γ射线是一种波长很短的电磁波，具有较高的能量，它的贯穿本领很强，甚至可以穿透几厘米厚的铅板，但它的电离作用很小．γ刀治疗肿瘤时，通常是同时用多束γ射线，使它们穿透脑颅和健康区域在病灶处会聚，利用γ射线的高能杀死肿瘤细胞．故选项A、C正确．
5．(多选)用计数器测定放射源的放射强度为每分钟405次，若将一张厚纸板放在计数器与放射源之间，计数器几乎测不到射线.10天后再次测量，测得该放射源的放射强度为每分钟101次，则下列关于射线性质及它的半衰期的说法正确的是
( )
A．放射源射出的是α射线
B．放射源射出的是β射线
C．这种放射性元素的半衰期是5天
D．这种放射性元素的半衰期是2.5天
答案 AC
解析 一张厚纸板几乎都能把射线挡住，说明射线为α射线．因为每分钟的衰变次数与物质中所含原子核的数目成正比，10天后放射性元素的原子核个数只有原来的，说明经过了两个半衰期，故半衰期为5天．
题组二 作为示踪原子
6．医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物，在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，则14C的用途是( )
A．示踪原子 B．电离作用
C．催化作用 D．贯穿作用
答案 A
解析 用14C标记C60来查明元素的行踪，发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖，因此14C的作用是作示踪原子，故选项A正确．
7．(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
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
答案 BD
解析 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，所以选项B正确；半衰期与元素属于化合物或单质没有关系，所以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，可记录磷的踪迹，所以选项D正确．
8．(1)1992年1月初，如图2美国前总统老布什应邀访日，在欢迎宴会上，突然发病昏厥，日本政府将他急送回国，回国后医生用123I进行诊断，通过体外跟踪，迅速查出病因．这是利用123I所放出的( )
图2
A．热量 B．α射线
C．β射线 D．γ射线
(2)美国医生使用123I为布什总统诊断，使其很快恢复健康，可知123I的特性是( )
A．半衰期长，并可迅速从体内消除
B．半衰期长，并可缓慢从体内消除
C．半衰期短，并可迅速从体内消除
D．半衰期短，并可缓慢从体内消除
答案 (1)D (2)C
解析 在α射线、β射线及γ射线中，γ射线穿透本领最大，123I的半衰期较短，可以迅速从体内消除，不至于因为长时间辐射而对身体造成损害．
题组三 综合应用
9．1956年李政道和杨振宁提出在弱相互作用中宇称不守恒，并由吴健雄用Co的衰变来验证，其核反应方程是Co―→Ni＋e＋.其中是反中微子，它的电荷量为零，静止质量可认为是零．
(1)在上述衰变方程中，衰变产物Ni的质量数A是________，核电荷数Z是________．
(2)在衰变前Co核静止，根据云室照片可以看出，衰变产物Ni和e的运动径迹不在一条直线上，如果认为衰变产物只有Ni和e，那么衰变过程将违背________守恒定律．
(3)Co是典型的γ放射源，可用于作物诱变育种．我国应用该方法培育出了许多农作物新品种，如棉花高产品种“鲁棉1号”，年种植面积曾达到3 000多万亩，在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大．γ射线处理作物后主要引起________，从而产生可遗传的变异．
答案 (1)60 28 (2)动量 (3)基因突变
解析 (1)根据质量数和电荷数守恒，核反应方程写成：Co―→Ni＋e＋，由此得出两空分别为60和28.
(2)衰变过程遵循动量守恒定律．原来静止的核动量为零，分裂成两个粒子后，这两个粒子的动量和应还是零，则两粒子径迹必在同一直线上．现在发现Ni和e的运动径迹不在同一直线上，如果认为衰变产物只有Ni和e，就一定会违背动量守恒守律．
(3)用γ射线照射种子，会使种子的遗传基因发生突变，从而培育出优良品种．
10．1934年，约里奥—居里夫妇在用α粒子轰击铝箔时，除了测到预料中的中子外，还探测到了正电子．正电子的质量跟电子的质量相同，带一个单位的正电荷，跟电子的电性正好相反，是电子的反粒子．更意外的是，拿走α放射源以后，铝箔虽不再发射中子，但仍然继续发射正电子，而且这种放射性也有一定的半衰期．原来，铝箔被α粒子击中后发生了如下反应：Al＋He―→P＋n，这里的P就是一种人工放射性同位素，正电子就是它衰变过程中放射出来的．
(1)写出放射性同位素P放出正电子的核反应方程；
(2)放射性同位素P放出正电子的衰变称为正β衰变，我们知道原子核内只有中子和质子，那么正β衰变中的正电子从何而来？
答案 (1)P―→Si＋e
(2)正电子是原子核内的一个质子转换成一个中子放出正电子．
解析 (1)核反应方程为P―→Si＋e
(2)原子核内只有质子和中子，没有电子，也没有正电子，正β衰变是原子核内的一个质子转换成一个中子，同时放出正电子，核反应方程为H―→n＋e
4 原子核的结合能
[目标定位] 1.理解原子核的结合能的概念.2.知道什么是质量亏损，能应用质能方程进行核能的计算.
一、结合能
1．结合能：克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时需要的能量；或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量．
2．平均结合能：原子核的结合能与核子数之比，叫平均结合能，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，中等大小的核的平均结合能最大、最稳定．
二、质量亏损
1．爱因斯坦质能方程：E＝mc2.
2．质量亏损：原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象．
3．亏损的质量与释放的能量间的关系：ΔE＝Δmc2.
想一想 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？
答案 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．
三、平均结合能曲线
由原子核的平均结合能曲线可以看出：第一，平均结合能越大，取出一个核子就越困难，核就越稳定，平均结合能是原子核稳定程度的量度；第二，曲线中间高两头低，说明中等质量的原子核的平均结合能最大，近似于一个常数，表明中等质量的核最稳定；第三，质量较大的重核和质量较小的轻核平均结合能都较小，且轻核的平均结合能还有些起伏．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、结合能与平均结合能的理解
1．平均结合能曲线：不同原子核的平均结合能随质量数变化图线如图1所示．
图1
从图中可看出，中等质量原子核的平均结合能量大，轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小．
2．当平均结合能较小的原子核转化为平均结合能较大的原子核时会释放核能．
3．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，中等核子数的原子核，平均结合能较大，原子核较稳定．
【例1】 下列关于结合能和平均结合能的说法中，正确的有( )
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
答案 D
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选项错误；平均结合能越大的原子核越稳定，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，其结合能比重核反而小，B、C选项错误；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选项正确．
借题发挥 结合能、平均结合能的对比理解
(1)核子结合成原子核时一定释放能量，原子核分开成核子时一定吸收能量．吸收或释放的能量越大，表明原子核的结合能越大．
(2)平均结合能为结合能与核子数的比值，平均结合能越大表明原子核越稳定．一般情况下，中等质量的原子核比轻核和重核的平均结合能大．
针对训练1 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，则氘核的平均结合能为________________．
答案 n＋H―→H
解析 方程式：n＋H―→H
核子结合成原子核要放出能量，这个能量叫原子核的结合能．它的结合能与核子数之比，称作平均结合能，由题意知氘核的核子数为2，所以平均结合能为.
二、质量亏损和核能的计算
1．对质能方程和质量亏损的理解
(1)质能方程
质能方程：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.
(2)质量亏损
质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2.
2．核能的计算方法
(1)根据质量亏损计算
①根据核反应方程，计算核反应前后的质量亏损Δm.
②根据爱因斯坦质能方程ΔE＝Δmc2计算核能．
其中Δm的单位是千克，ΔE的单位是焦耳．
(2)利用原子质量单位u和电子伏特计算
根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，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.
【例2】 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 0 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
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＋H→He＋X，X为中子，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．
借题发挥 在核反应中，是释放能量还是吸收能量，需要确定反应前、后质量的变化．若反应后质量减少即发生了质量亏损，则释放出能量，反之吸收能量．由于不明确质量亏损的含义和与能量的关系，易误选D.注意此反应过程质量发生亏损，释放出能量．
针对训练2 已知氮核质量MN＝14.007 53 u，氧17核的质量MO＝17.004 54 u，氦核质量MHe＝4.003 87 u，氢核质量MH＝1.008 15 u，试判断：N＋He―→O＋H这一核反应是吸收能量还是放出能量？能量变化是多少？
答案 吸收能量 1.2 MeV
解析 反应前总质量：MN＋MHe＝18.011 40 u，
反应后总质量：MO＋MH＝18.012 69 u.
可以看出：反应后总质量增加，故该反应是吸收能量的反应．
吸收的能量利用ΔE＝Δmc2来计算，若反应过程中质量增加1 u，就会吸收931.5 MeV的能量，
故ΔE＝(18.012 69－18.011 40)×931.5 MeV≈1.2 MeV.
对结合能和平均结合能的理解
1．(多选)关于原子核的结合能与平均结合能，下列说法中正确的是( )
A．原子核的结合能等于核子与核子之间结合成原子核时，核力做的功
B．原子核的结合能等于核子从原子核中分离，外力克服核力做的功
C．平均结合能是核子与核子结合成原子核时平均每个核子放出的能量
D．不同原子核的平均结合能不同，重核的平均结合能比轻核的平均结合能大
答案 ABC
解析 原子核中，核子与核子之间存在核力，要将核子从原子核中分离，需要外力克服核力做功．当自由核子结合成原子核时，核力将做功，释放能量．对某种原子核，平均每个核子的结合能称为平均结合能．不同原子核的平均结合能不同．重核的平均结合能比中等质量核的平均结合能要小，轻核的平均结合能比稍重的核的平均结合能要小，综上所述，正确选项为A、B、C.
2．(多选)对结合能、平均结合能的认识，下列正确的是( )
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
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时需要吸收相应的能量，该能量即为结合能，故A正确、B错误；核子较多的原子核的结合能大，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．
质量亏损和核能的计算
3．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
答案 C
解析 由质能方程知，该反应释放核能ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2，故C对，A、B、D均错．
4．一个锂核(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1.673 6×10－27 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)
答案 (1) Li＋H―→2He
(2)2.78×10－12 J
解析 (1) Li＋H―→2He
(2)核反应的质量亏损
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
ΔE＝Δmc2＝3.09×10－29×(3×108)2 J＝2.78×10－12 J
(时间：60分钟)
题组一 对结合能的理解
1．(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C．铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能
D．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能
答案 ABC
解析 结合能是把核子分开所需的最小能量，选项A正确；一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，存在质量亏损，核子平均结合能增大，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；核子数越多，结合能越大，选项C正确；自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项D错误．
题组二 质量亏损和核能的计算
2．如图1所示是描述原子核核子的平均质量与原子序数Z的关系曲线，由图可知下列说法正确的是( )
图1
A．将原子核A分解为原子核B、C可能吸收能量
B．将原子核D、E结合成原子核F可能吸收能量
C．将原子核A分解为原子核B、F一定释放能量
D．将原子核F、C结合成原子核B一定释放能量
答案 C
解析 因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A错，同理可得B、D错，C正确．
3．(多选)对公式ΔE＝Δmc2的正确理解是( )
A．如果物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm
B．如果物体的质量增加了Δm，它的能量也一定相应增加Δmc2
C．Δm是某原子核在衰变过程中增加的质量
D．在把核子结合成原子核时，若放出的能量是ΔE，则这些核子的质量和与组成原子核的质量之差就是Δm
答案 ABD
解析 一定质量对应于一定的能量，物体的能量减少了ΔE，它的质量也一定相应减少Δm，即发生质量亏损，所以选项A、D正确；如果物体的质量增加了Δm，它的能量一定相应增加Δmc2，所以选项B正确；某原子核在衰变时，一定发生质量亏损，所以选项C错误．
4．(多选)一个质子和一个中子结合成氘核，同时放出γ光子，核反应方程是H＋n―→H＋γ，以下说法中正确的是( )
A．反应后氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和
B．反应前后的质量数不变，因而质量不变
C．γ光子的能量为Δmc2，Δm 为反应中的质量亏损，c为光在真空中的速度
D．因存在质量亏损Δm，所以“物质不灭”的说法不正确
答案 AC
解析 核反应中质量数与电荷数及能量均守恒，由于反应中要释放核能，会出现质量亏损，反应中氘核的质量一定小于反应前质子和中子的质量之和，所以质量不守恒，但质量数不变，且能量守恒，释放的能量会以光子的形式向外释放，故正确答案为A、C.
5．原子质量单位为u,1 u相当于931.5 MeV的能量，真空中光速为c，当质量分别为m1和m2的原子核结合为质量为M的原子核时释放出的能量是( )
A．(M－m1－m2)uc2
B．(m1＋m2－M)u×931.5 J
C．(m1＋m2－M)c2
D．(m1＋m2－M)×931.5 eV
答案 C
解析 在核能计算时，如果质量的单位是kg，则用ΔE＝Δmc2进行计算，如果质量的单位是u，则利用1 u相当于931.5 MeV的能量计算，即ΔE＝Δm×931.5 MeV进行计算，故C正确，A、B、D错．
6．(多选)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．用能量小于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
答案 AD
解析 用能量小于结合能的光子照射氘核时，氘核一定不能分解，所以A正确、B错误；用能量大于结合能的光子照射氘核时，氘核可能分解，只要分解，分解出的质子和中子动能之和一定不为零(若动能之和为零就分不开了)，所以C错误、D正确．
7．氘核和氚核聚变时的核反应方程为H＋H→He＋n，已知H的平均结合能是2.78 MeV，H的平均结合能是1.09 MeV，He的平均结合能是7.03 MeV，则核反应时释放的能量为________MeV.
答案 17.6
解析 聚变反应前氘核和氚核的总结合能
E1＝(1.09×2＋2.78×3) MeV＝10.52 MeV.
反应后生成的氦核的结合能
E2＝7.03×4 MeV＝28.12 MeV.
由于单个核子无结合能，所以聚变过程释放出的能量为
ΔE＝E2－E1＝(28.12－10.52) MeV＝17.6 MeV.
题组三 综合应用
8．历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子H轰击静止的X，生成两个动能均为8.9 MeV的He.(1 MeV＝1.6×10－13 J)
(1)上述核反应方程为____________________________________________________________________．
(2)质量亏损为________kg.
答案 (1)H＋X―→He＋He(或H＋Li―→He＋He) (2)3.1×10－29
解析 (1)根据电荷数和质量数守恒可写出核反应方程为H＋X―→He＋He或H＋Li―→He＋He.
(2)设反应前质子的动能为Ek0，反应后He的动能为Ek，由于质量亏损而释放的能量为
ΔE＝2Ek－Ek0＝(2×8.9－0.5) MeV＝17.3 MeV，
根据爱因斯坦质能方程，有
Δm＝＝ kg＝3.1×10－29 kg.
9．两个中子和两个质子结合成一个氦核，同时释放一定的核能，中子的质量为1.008 7 u，质子的质量为1.007 3 u，氦核的质量为4.002 6 u，试计算中子和质子生成1 kg的氦时，要释放出多少核能？
答案 6.59×1014 J
解析 先计算生成一个氦核释放的能量，再根据1 kg氦核的个数即可求出释放的总的核能．核反应方程
2H＋2n―→He
生成一个氦核过程的质量亏损
Δm＝(1.008 7 u＋1.007 3 u)×2－4.002 6 u＝0.029 4 u，
释放的核能ΔE＝0.029 4×931.5 MeV＝27.386 MeV
生成1 kg氦核释放的能量E＝nΔE，
E＝×6.02×1023×27.386×106×1.6×10－19 J＝6.59×1014 J.
10．一个静止的铀核U(原子质量为232.037 2 u)放出一个α粒子(原子质量为4.002 6 u)后衰变成钍核Th(原子质量为228.028 7 u)．(已知原子质量单位1 u＝1.67×10－27 kg，1 u相当于931.5 MeV的能量)
(1)写出铀核的衰变反应方程；
(2)算出该衰变反应中释放出的核能；
(3)若释放的核能全部转化为新核的动能，则α粒子的动能为多少？
答案 (1)U―→Th＋He
(2)5.50 MeV (3)5.41 MeV
解析 (1)U―→Th＋He
(2)质量亏损Δm＝mU－mα－mTh＝0.005 9 u
ΔE＝Δmc2＝0.005 9×931.5 MeV＝5.50 MeV
(3)系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，
即pTh＋(－pα)＝0，pTh＝pα
EkTh＝，Ekα＝，EkTh＋Ekα＝ΔE
所以α粒子获得的动能
Ekα＝·ΔE＝×5.5 MeV＝5.41 MeV
5 核裂变
[目标定位] 1.知道核裂变的概念，知道重核裂变中能释放出巨大能量.2.知道什么是链式反应，知道链式反应发生的条件.3.知道什么是核反应堆，了解常用裂变反应堆的类型，了解核电站及核能发电的优缺点.
一、核裂变
1．核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程．
2．铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是U＋n―→Ba＋Kr＋3n.
3．链式反应：当一个中子引起一个铀核裂变后，裂变释放的中子再引起其他铀核裂变，且能不断继续下去，这种反应叫核裂变的链式反应．
4．链式反应的条件：
发生裂变物质的体积大于等于临界体积．
二、核电站
1．核电站：是利用核能发电，它的核心设施是核反应堆．它主要由以下几部分组成：
(1)燃料：铀棒
(2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，可采用石墨、重水、普通水作减速剂．
(3)控制棒：为控制能量释放的速度，需控制中子的数目，采用镉棒作为控制棒来控制链式反应的速度．
2．工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高．
3．能量输出：利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电．
4．核污染的处理：在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变反应放出的各种射线，核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下或海底．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、对核裂变和链式反应的理解
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，形成链式反应．
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．一般来说，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，裂变时能产生几万度的高温．
4．用中子轰击铀核时，铀核裂变的产物是多种多样的，其中两种典型的反应是：
U＋n―→Ba＋Kr＋3n；
U＋n―→Xe＋Sr＋10n
【例1】 关于重核的裂变，下列说法正确的是( )
A．核裂变时释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B．重核裂变时释放出大量的能量，产生明显的质量亏损，所以核子数减少
C．铀核自发放出α粒子、β粒子时要释放能量，核电站利用的就是这一能量
D．重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，所以重核裂变成中等质量核时，要放出核能，有质量亏损
答案 D
解析 核电站利用的是裂变链式反应所放出的核能．原子核的衰变以及人工核反应也要释放核能，但天然衰变进行得非常缓慢，放出的能量也很小，人工无法控制，实用价值不大，原子核的人工转变也放出能量，但作为“炮弹”的粒子击中原子核的机会太少，这种做法得不偿失．所以核能的获取主要是通过裂变或聚变的途径．平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量，或原子核拆解成核子时每个核子平均吸收的能量．重核的平均结合能小于中等质量核的平均结合能，即将重核分成核子时比中等质量核分成核子时每个核子平均吸收的能量小些，可见由重核裂变成两个中等质量的核要放出能量，选项D正确；铀核裂变放出的能量是原子核的核能，而不是中子具有的动能，选项A错误；裂变过程遵守质量数、电荷数守恒规律，B错误；衰变是自发的现象，铀核衰变后的新核仍是重核，而核电站利用的是裂变核能，选项C错误．
借题发挥 重核裂变的实质
(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程．
(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的平均结合能比中等质量的核的平均结合能要小．所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量．
针对训练1 (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 铀核受到中子的冲击，会引起裂变，裂变的产物是多种多样的，具有极大的偶然性，但裂变成两块的情况比较多，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B、C正确．
二、裂变过程中核能的分析和计算
铀核裂变释放核能的计算
1．首先算出裂变反应中发生的质量亏损Δm.
2．根据ΔE＝Δmc2计算释放的核能
计算时注意Δm与ΔE单位的对应关系，若Δm用kg做单位，ΔE用J做单位；Δm用u做单位，ΔE用MeV做单位，1 u相当于931.5 MeV的能量．
3．若计算一定质量的铀块完全裂变时放出的核能，应先算出铀块中有多少个铀核(设为n)，则铀块裂变释放的核能E＝nΔE.
【例2】 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＋γ
(1)核反应方程中的γ是中微子，它不带电，质量数为零，试确定生成物锆(Zr)的电荷数与质量数．
(2)已知铀(U)核的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，钕(Nd)核质量为142.909 8 u，锆核质量为89.904 7 u；又知1 u＝1.660 6×10－27kg，试计算1 kg铀235大约能产生的能量是多少？
答案 (1)40 90 (2)5.06×1026 MeV
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＝2.56×1024(个)
不考虑核反应中生成的电子质量，
一个铀核反应发生的质量亏损为Δm＝mU＋mn－mNd－mZr－3mn＝0.212 u
因此1 kg铀235完全裂变产生的能量约为
E＝n·Δm×931.5 MeV
＝2.56×1024×0.212×931.5 MeV
＝5.06×1026 MeV.
针对训练2 用中子轰击铀核(U)，其中的一个可能反应是分裂成钡(Ba)和氪(Kr)两部分，放出3个中子．各个核和中子的质量如下：
mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg；
mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg.
试写出核反应方程，求出反应中释放的核能．
答案 n＋U―→Ba＋Kr＋3n 3.220 2×10－11 J
解析 根据反应前后质量数守恒、电荷数守恒和反应中的能量守恒，就可以写出核反应方程．
根据核反应前后的质量亏损，用爱因斯坦质能方程就可求出释放的核能．
铀核裂变方程为n＋U―→Ba＋Kr＋3n，
则核反应前后的质量亏损为
Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg.
由爱因斯坦质能方程可得释放的核能为
ΔE＝Δmc2＝0.357 8×10－27×(3×108)2 J
＝3.220 2×10－11 J.
对核裂变和链式反应的理解
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
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、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，D正确．
2．(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源，其一种裂变反应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
答案 AC
解析 从裂变反应方程式可以看出裂变反应中伴随着中子放出，A对；铀块体积对链式反应的发生有影响，B错；铀核的链式反应可人工控制，C对；铀核的半衰期不会受到环境温度的影响，D错．
核电站及裂变产生核能的计算
3．如图1所示，镉棒在核反应堆中的作用是( )
图1
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
答案 D
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．
4．(多选)下面是铀核裂变反应中的一个：U＋n―→Xe＋Sr＋10n已知铀235的质量为235.043 9 u，中子质量为1.008 7 u，锶90的质量为89.907 7 u，氙136的质量为135.907 2 u，则此核反应中( )
A．质量亏损为Δm＝235.043 9 u＋1.008 7 u－89.907 7 u－135.907 2 u
B．质量亏损为Δm＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)u
C．释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×(3×108)2 J
D．释放的总能量为ΔE＝(235.043 9＋1.008 7－89.907 7－135.907 2－10×1.008 7)×931.5 MeV
答案 BD
解析 计算亏损质量时要用反应前的总质量减去反应后的总质量，二者之差可用“u”或“kg”作单位，故A错、B对；质量单位为“u”时，可直接用“1 u的质量亏损放出能量931.5 MeV”计算总能量，故D对，当质量单位为“kg”时直接乘以(3.0×108)2，总能量单位才是焦耳，故C错．
(时间：60分钟)
题组一 对核裂变的理解
1．(多选)当一个重核裂变时，它能产生的两个核( )
A．一定是稳定的
B．含有的中子数较裂变前重核的中子数少
C．裂变时释放的能量等于俘获中子时得到的能量
D．可以是多种形式的两个核的组合
答案 BD
解析 重核裂变为两个中等质量的核时平均要放出2～3个中子，故中子数会减少，重核裂变的产物是多种多样的，选项B、D正确．
2．下列核反应中，属于核裂变反应的是( )
A.5B＋n→Li＋He
B.U→Th＋He
C.7N＋He→8O＋H
D.U＋n→Ba＋Kr＋3n
答案 D
解析 由核裂变反应的特点知，D正确．
3．利用重核裂变释放核能时选铀235，主要原因是( )
A．它裂变放出核能比其他重核裂变放出的核能多
B．它可能分裂成三部分或四部分
C．它能自动裂变，与体积无关
D．它比较容易形成链式反应
答案 D
解析 铀235发生裂变时会生成2～3个中子，中子再去轰击铀核发生链式反应，但发生链式反应还必须要使铀块体积大于临界体积，所以选项A、B、C错误，选项D正确．
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
答案 C
解析 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．
5．一个U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
答案 A
解析 X原子核中的核子数为(235＋1)－(94＋2)＝140，B错误；中子数为140－(92－38)＝86，故A正确；裂变时释放能量，出现质量亏损，但是其总质量数是不变的，故C、D错误．
题组二 核反应堆、核能的计算
6．(多选)关于核反应堆，下列说法正确的是( )
A．铀棒是核燃料，裂变时释放核能
B．镉棒的作用是控制反应堆的功率
C．石墨的作用是吸收中子
D．冷却剂的作用是控制反应堆的温度和输出热能
答案 ABD
解析 铀棒是核燃料，裂变时可放出能量，故A正确；镉棒吸收中子的能力很强，作用是调节中子数目以控制反应速度，即控制反应堆功率，故B正确；慢中子最容易引发核裂变，所以在快中子碰到铀棒前要进行减速，石墨的作用是使中子减速，故C错误；水或液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却，控制温度，故D正确．
7．1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
答案 D
解析 1 g纯 235U含有×NA个235U.因此1 g 235U吸收中子完全发生核反应可以释放出×196 MeV能量．
8．当前，发电站温室气体排放问题引起了越来越多的关注，相比煤炭等传统能源，核电能够大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等物质的排放，已成为世界快速发展的电力工业．经广大科技工作者的不懈努力，我国的核电技术已进入世界的先进行列，世界各地现在正在兴建的核电反应堆达到57座，我国以20座名列第一．核电站的最核心部分是核反应堆，核反应堆中的燃料U产生裂变，在短时间内释放出大量的核能可供人类利用．核反应堆中的镉棒起________作用，核反应方程应为U＋________―→Kr＋Ba＋3n.若其质量分别为mU＝390.313 9×10－27 kg，mn＝1.674 9×10－27 kg，mBa＝234.001 6×10－27 kg，mKr＝152.604 7×10－27 kg，核反应中释放的能量为ΔE＝________J.
答案 吸收中子控制核反应速度 n 3.22×10－11
解析 控制中子数可以控制反应速度；Δm＝mU＋mn－mBa－mKr－3mn＝0.357 8×10－27 kg，ΔE＝Δmc2＝3.22×10－11 J.
9．一个铀235原子俘获一个中子后，裂变为氙139和锶94，同时放出三个中子，写出核反应方程并计算一个铀核裂变时释放的核能．已知mU＝235.043 94 u，mXe＝138.918 44 u，mSr＝93.915 47 u，mn＝1.008 665 u，1 u相当于931.5 MeV.
答案 U＋n→Xe＋Sr＋3n 179.5 MeV
解析 核反应方程为U＋n→Xe＋Sr＋3n
反应中的质量亏损为
Δm＝(mU＋mn)－(mXe＋mSr＋3mn)
＝(235.043 94＋1.008 665) u－(138.918 44＋93.915 47＋3×1.008 665) u＝0.192 7 u
所以，一个铀核裂变释放的核能为
ΔE＝0.192 7×931.5 MeV≈179.5 MeV
10．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速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE＝________.
(2)有一座发电能力为P＝1.00×106kW的核电站，核能转化为电能的效率η＝40 %.假定反应堆中发生的裂变反应全是本题(1)中的核反应，已知每次核反应过程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11 J，铀核的质量mU＝390×10－27 kg，求每年(1年＝3.15×107 s)消耗的U的质量．
答案 (1)n 3 (mU－mBa－mKr－2mn)c2
(2)1 104 kg
解析 (1)由反应方程可知：X为n，a为3，释放的能量为ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2.
(2)因核电站发电效率为40 %，故核电站消耗U的功率为P′＝＝ kW＝2.5×106 kW.
核电站每年消耗U的能量为
W＝P′t＝2.5×109×3.15×107 J＝7.875×1016 J
产生这些能量消耗的铀核的数目：
n＝＝＝2.83×1027(个)
每年消耗U的质量为
M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27 kg＝1 104 kg.
6 核聚变
7 粒子物理学简介
[目标定位] 1.知道什么是聚变反应，会计算核聚变中释放的核能.2.知道热核反应，了解可控热核反应及其研究和发展.3.了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史.
一、核聚变
1．定义：两个轻核结合成较重原子核的反应，轻核聚变必须在高温下进行，因此又叫热核反应．
2．能量变化：轻核聚变后，平均结合能增加，反应中会释放能量．
3．核反应举例：H＋H→He＋n＋17.6 MeV.
4．核反应条件：必须使它们的距离达到10－15 m以内，使核具有足够的动能，轻核才能够发生聚变．
5．特点：在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量．热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去．
6．氢弹原理：首先由普通炸药引爆原子弹．再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸．
二、可控热核反应与恒星演化中的核反应
1．聚变与裂变相比有很多优点：(1)轻核聚变产能效率高．(2)地球上聚变燃料的储量丰富．(3)轻核聚变更为安全、清洁．
2．太阳等恒星内部进行的核反应是轻核聚变反应．
三、粒子
1．“基本粒子”不基本
“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、电子、质子、中子是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由中子、质子、电子组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称粒子．
2．粒子的分类：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：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由夸克构成的．
(2)分类：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克；它们带的电荷量分别为元电荷的＋或－，每种夸克都有对应的反夸克．
(3)意义：元电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷．
(4)夸克的“禁闭”
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”．
四、3种典型的粒子加速器
1．直线加速器
(1)粒子运动轨迹是一条直线．
(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的谐振关系．
(3)优点：粒子束的强度高．
2．回旋加速器
(1)粒子运动轨迹：在磁场中的匀速圆周运动．
(2)满足条件：高频电源的频率等于粒子回旋的频率．
(3)优点：粒子被加速到的能量可达40_MeV.
3．对撞机
能够实现两束相对运动的粒子对撞的设备叫对撞机．
工作原理：粒子先在同步加速器中加速，然后射入对撞机，反向回旋在轨道交叉处相互碰撞，获得较大能量．
预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中
问题1
问题2
问题3
一、对轻核聚变的理解
1．聚变发生的条件：要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 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．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温．
2．轻核聚变是放能反应：从平均结合能的图线看，轻核聚变后平均结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应．
3．聚变方程：
H＋H―→He＋n＋γ.
4．重核裂变与轻核聚变的区别
反应方式
比较项目
重核裂变
轻核聚变
放能原理
重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能
两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量大约要大3～4倍
核废料
处理难度
聚变反应的核废料处理要比裂变反应容易得多
【例1】 下列说法不正确的是( )
A.H＋H―→He＋n是聚变
B.U＋n―→Xe＋Sr＋2n是裂变
C.Ra―→Rn＋He是α衰变
D.Na―→Mg＋e是裂变
答案 D
解析 A选项中是两个质量较轻的核结合成了一个质量较重的核，是聚变反应，故A选项正确；B选项的核反应中是铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子，是裂变反应，故B选项正确；在C选项的核反应中没有中子的轰击自发地放出了α粒子，是α衰变，C选项是正确的；而D应是β衰变，不正确；故答案为D.
借题发挥 主要核反应类型有：
(1)衰变：衰变是原子核自发转变为另一种核并辐射出α或β粒子．
(2)人工转变：人工转变常用α粒子(也可用中子等)轰击原子核，该核捕获α粒子后产生新原子核，并放出一个或几个粒子．
(3)核裂变：核裂变时铀核捕获中子裂变为两个(或更多)中等质量的核，并放出几个中子．
(4)核聚变：轻核聚变时也会放出中子．
针对训练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．聚变须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温，显然是吸收能量
D．裂变与聚变均可释放巨大的能量
答案 D
解析 A选项从形式上看，裂变与聚变似乎是互为逆反应，但其实不然，因为二者的反应物和生成物完全不同．裂变是重核分裂成中等核，而聚变则是轻核聚合成为次轻核，无直接关联，并非互为逆反应；B选项既然裂变与聚变不是互为逆反应，则在能量流向上也不必相反；C选项要实现聚变反应，必须使参加反应的轻核充分接近，需要数百万开尔文的高温提供能量．但聚变反应一旦实现，所释放的能量远大于所吸收的能量．因此，总的来说，聚变反应还是释放能量．
二、聚变反应中释放核能的计算
【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同时放出两个正电子的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源．
(1)写出这个核反应方程．
(2)这一核反应能释放多少能量？
(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？
(mp＝1.007 3 u，mHe＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u)
答案 (1)4H→He＋2e (2)24.78 MeV
(3)4.2×109 kg
解析 (1)核反应方程4H→He＋X，而X只能是2个正电子．因此核反应方程应为4H→He＋2 0＋1e.
(2)反应前的质量m1＝4mp＝4×1.007 3 u＝4.029 2 u，反应后m2＝mHe＋2me＝4.001 5 u＋2×0.000 55 u＝4.002 6 u，Δm＝m1－m2＝0.026 6 u，由质能方程得，释放能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV＝24.78 MeV.
(3)由质能方程ΔE＝Δmc2得每秒减少的质量
Δm＝＝ kg＝4.2×109 kg.
针对训练2 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mT＝3.018 0 u．求：
(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？
答案 (1)H＋2n―→H
(2)6.24 MeV (3)2.08 MeV
解析 (1)聚变方程H＋2n―→H.
(2)质量亏损
Δm＝mH＋2mn－mT＝(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.
三、粒子的分类和夸克模型
1．粒子的分类
分 类
参与的相互作用
发现的粒子
备 注
强 子
参与强相互作用
质子、中子、介子、超子
强子有内部结构，由“夸克”粒子构成的；强子又可分为介子和重子
轻 子
不参与强相互作用
电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子
未发现内部结构
媒介子
传递各种相互作用
光子、中间玻色子、胶子
光子、玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用
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元电荷的＋或－.每种夸克都有对应的反夸克．
【例3】 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
答案 AD
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和一个反夸克组成，A正确；同理π－介子由夸克d和反夸克组成，D正确．故正确答案为A、D.
针对训练3 目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的．u夸克带电荷量为e，d夸克的带电荷量为－e，e为元电荷，下列论断中可能正确的是( )
A．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
B．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由1个u夸克和2个d夸克组成
C．质子由1个u夸克和2个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
D．质子由2个u夸克和1个d夸克组成，中子由2个u夸克和1个d夸克组成
答案 B
解析 质子H带电荷量为2×e＋＝e，中子n带电荷量为e＋2×＝0.可见B正确.
对核聚变的理解
1．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He聚变反应发电
答案 B
解析 核聚变反应中产生新的原子核，同时由于发生了质量亏损，会有核能的释放，这是人类利用核能的途径之一．目前核电站大多采用重核裂变的方法来释放与利用核能发电．
2．(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开尔文的高温，因此聚变又叫做热核反应
C．原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温，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热核反应，在地球内部也可以自发地进行
答案 ABC
解析 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开尔文下才有这样的能量，这样高的温度通过利用原子弹爆炸获得，故B、C正确；在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应，但在地球上不会自发地进行，D错误．
核聚变释放核能的计算
3．氘和氚发生聚变反应的核反应方程式是H＋H→He＋n＋17.6 MeV，若有2 g氘和3 g 氚全部发生聚变，NA为阿伏加德罗常数，则释放的能量是( )
A．NA×17.6 MeV B．5NA×17.6 MeV
C．2NA×17.6 MeV D．3NA×17.6 MeV
答案 A
解析 由核反应方程可知1个氘核和1个氚核聚变成氦核时放出17.6 MeV能量和1个中子，则1 mol的氘和1 mol氚全部聚变成1 mol氦核时释放的能量为ΔE＝NA×17.6 MeV.
4．氘核(H)和氚核(H)结合成氦核(He)的核反应方程如下：H＋H―→He＋n＋17.6 MeV
(1)这个核反应称为________．
(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文．式中17.6 MeV是核反应中________(填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)．
答案 (1)聚变
(2)放出 减少 3×10－29
解析 在轻核聚变反应中，由于质量亏损，放出核能，由ΔE＝Δmc2，可以求得Δm＝＝3×10－29 kg.
(时间：60分钟)
题组一 核聚变
1．下列关于热核反应是一种理想能源的原因的说法中不正确的是( )
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
答案 D
解析 受控热核反应的实际应用的技术尚不成熟，它的反应速度是不易控制的．
2．关于核能的利用，下列说法正确的是( )
A．现在的核电站既有裂变反应堆也有聚变反应堆
B．在地球上，人类还无法实现聚变反应
C．当人类实现了受控核聚变，稳定输出核能时，世界就会克服“能源危机”
D．世界现有核电站能够进行聚变反应而输出核能
答案 C
解析 现有核电站均为重核裂变反应释放能量，而裂变反应和聚变反应的条件不同，现在的核电站不能进行聚变反应，故A、D错误；虽然人类已经掌握了聚变反应的技术，但还不能实现大规模的受控核聚变，故B错误；由于地球上储备有大量的聚变原料，一旦实现受控核聚变，世界将不再存在“能源危机”，故C正确．
3．(多选)2009年10月31日8时6分，中国科学界“两弹一星”巨星钱学森在北京逝世，享年98岁．人民群众深刻悼念这位有着“中国航天之父”称号的伟大科学家．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
答案 BD
解析 “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.
4．(多选)关于聚变，以下说法中正确的是( )
A．两个轻核聚变为中等质量的原子核时放出能量
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项错误．聚变反应放出的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大得多，这点由聚变反应的特点我们就可以知道，故B项正确．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原子核间的斥力做功，故C错、D正确．
5．关于核聚变，以下说法不正确的是( )
A．与裂变相比轻核聚变辐射极少，更为安全、清洁
B．世界上已经有利用核聚变能来发电的核电站
C．要使轻核发生聚变，必须使它们的距离达到10－15 m以内，核力才能起作用
D．地球聚变燃料的储量十分丰富，从海水中可以提炼出大量核聚变所需的氘核
答案 B
解析 与裂变相比，核聚变有下面的几个优势：(1)安全、清洁、辐射少；(2)核燃料储量多；(3)核废料易处理．但核聚变发电还没有投入实际运行．所以B项是不正确的．
6．原子核聚变可望给人类未来提供丰富的洁净能源．当氘等离子体被加热到适当高温时，氘核参与的几种聚变反应可能发生，并放出能量．这几种反应的总效果可以表示为6H→kHe＋dH＋2n＋43.15 MeV，则由守恒条件可知( )
A．k＝1，d＝4 B．k＝2，d＝2
C．k＝1，d＝6 D．k＝2，d＝3
答案 B
解析 由质量数守恒和电荷数守恒，分别有4k＋d＝10,2k＋d＝6，解得k＝2，d＝2.正确选项为B.
题组二 基本粒子
7．K－介子衰变的方程为K－―→π－＋π0.其中K－介子和π－介子是带负电的基元电荷，π0介子不带电．如图1所示的1个K－介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为圆弧AP，衰变后产生的π－介子的轨迹为圆弧PB，两轨迹在P点相切，它们的半径RK－与Rπ－之比为2∶1.π0介子的轨迹未画出．由此可知π－的动量大小与π0的动量的大小之比为( )
图1
A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．1∶6
答案 C
解析 带电粒子K－与π－在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力Bqv＝得R＝＝，K－介子与π－介子带电量相同，故运动的半径之比等于动量之比
pK－∶pπ－＝RK－∶Rπ－＝2∶1
在衰变后π－介子与π0介子动量方向相反，设K－介子的动量为正，则π－介子动量为负值，由动量守恒
pK－＝－pπ－＋pπ0
则pπ－∶pπ0＝1∶3故A、B、D错，C对．
8．现在，科学家们正在设法寻找“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量，但电荷的符号相反．据此，反α粒子为( )
A.He B.He C.He D.He
答案 D
解析 这类问题在前两年的高考中经常出现．根据题目中的描述，结合α粒子的特点很容易选出正确选项为D.
题组三 粒子加速器
9．(多选)1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图图2所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是
( )
图2
A．离子由加速器的中心附近进入加速器
B．离子由加速器的边缘进入加速器
C．离子从磁场中获得能量
D．离子从电场中获得能量
答案 AD
解析 回旋加速器的工作原理是使离子在两个D形盒的缝隙中受电场力加速，在D形盒的内部受洛伦兹力作匀速圆周运动，在磁场中所受的洛伦兹力不做功因此选项C错、D正确．随着加速次数的增加，离子的能量越来越大，速度越来越大，由r＝可知离子的圆周运动半径越来越大，最后从加速器的边缘飞出加速器，因此选项B错、A正确．
10．1989年初，我国投入运行的高能粒子回旋加速器可以把电子的能量加速到2.8 GeV；若改用直线加速器加速，设每级的加速电压为U ＝2.0×105V，则需要几级加速？
答案 1.4×104(级)
解析 设经n级加速，由neU＝Ek 有n＝＝1.4×104(级)．
题组四 综合应用
11．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.[(mD＋mn－mp)c2＋E]
C.[(mD－mp－mn)c2＋E]
D.[(mD＋mn－mp)c2－E]
答案 C
解析 因为轻核聚变时放出能量，质量亏损，所以氘核分解为核子时，要吸收能量，质量增加，本题核反应过程中γ射线能量E对应质量的增加和中子与质子动能的产生，即E＝Δmc2＋2Ek＝(mp＋mn－mD)c2＋3Ek得Ek＝[E－(mp＋mn－mD)c2]＝[(mD－mp－mn)c2＋E]，故选C.
12．如下一系列核反应是在恒星内部发生的：
p＋C―→N
N―→C＋e＋＋μ
p＋C―→N
p＋N―→O
O―→N＋e＋＋μ
p＋N―→C＋α
其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，μ为一种中微子．已知质子的质量mp＝1.672 648×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.644 929×10－27 kg，正电子的质量me＝9.11×10－31 kg，中微子的质量可忽略不计．真空中的光速c＝3.00×108 m/s.试计算该系列反应完成后释放的能量．
答案 3.95×10－12 J
解析 为求出系列反应后释放的能量，将题中所给的各核反应方程左右两侧分别相加，消去两侧相同的项，系列反应最终等效为4p―→α＋2e＋＋2μ.
设反应后释放的能量为Q，根据质能关系和能量守恒得
4mpc2＝mαc2＋2mec2＋Q，
代入数据可得Q＝3.95×10－12 J．
第三章 原子核
章末整合
一、对核反应方程及类型的理解
1．四类核反应方程的比较
名称
核反应方程
时间
其它
衰变
α衰变
U―→Th＋He
1896年
贝可勒尔
β衰变
Th―→Pa＋e
裂变
U＋n―→Sr＋Xe
＋10n＋141 MeV
1938年
原子弹
原理
聚变
H＋H―→He＋
n＋17.6 MeV
氢弹原理
人工转变
正电子
Al＋He―→P＋n
P―→Si＋e
1934年
约里奥—
居里夫妇
发现质子
N＋He―→O＋H
1919年
卢瑟福
发现中子
Be＋He―→C＋n
1932年
查德威克
2.解题时注意事项
(1)熟记一些粒子的符号
α粒子(He)、质子(H)、中子(n)、电子(e)、氘核(H)、氚核(H)
(2)注意在核反应方程中，质量数和电荷数是守恒的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒．
【例1】 (多选)在下列四个核反应中，X表示中子的是( )
属于原子核的人工转变的是( )
A.N＋He―→O＋X
B.Al＋He―→P＋X
C.H＋H―→He＋X
D.U＋X―→Sr＋Xe＋10X
答案 BCD AB
解析 在核反应中，不管是什么类型的核反应，都遵守电荷数守恒和质量数守恒，据此，可以判断未知粒子属于什么粒子，在A中，未知粒子的质量数为：14＋4＝17＋x，x＝1，其电荷数为：7＋2＝8＋y，y＝1，即未知粒子是质子(H)；对B，未知粒子的质量数：27＋4＝30＋x，x＝1，其电荷数为：13＋2＝15＋y，y＝0，所以是中子(n)；对C，未知粒子的质量数为：2＋3＝4＋x，x＝1，电荷数为：1＋1＝2＋y，y＝0，也是中子(n)；对D，未知粒子质量数为235＋x＝90＋136＋10x，x＝1，电荷数为：92＋y＝38＋54＋10y，y＝0，也是中子(n)，故方程中X是中子的核反应为B、C、D.其中A、B为原子核的人工转变．
针对训练1 完成下列核反应方程．
A.7N＋He―→8O＋________
B.P―→Si＋________
C.92U＋n―→Sr＋54Xe＋________
D.H＋H―→________＋n
其中属于衰变的是________，属于人工转变的是________，属于裂变的是________，属于聚变的是________．
答案 H e 10n He B A C D
解析 根据电荷数守恒和质量数守恒可完成核反应方程，然后由核反应的类型即可判断出反应的类型．
二、半衰期及衰变次数的计算
1．半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间．
计算公式：N＝N0n或m＝m0n，其中n＝，
τ为半衰期．
2．确定衰变次数的方法
(1)X―→Y＋nHe＋me
根据质量数、电荷数守恒得
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m
二式联立求解得α衰变次数n和β衰变次数m.
(2)根据α衰变和β衰变(β衰变质量数不变)直接求解．
【例2】 一个Bi原子核中含有的中子数是多少个？Bi具有放射性，现有Bi元素16 g，经15天，该元素还剩2 g，则该元素的半衰期为多少天？
答案 127 5
解析 一个Bi原子核中含有的中子个数为210－83＝127.根据m余＝m原n知n＝3＝，所以τ＝5天．
针对训练2
放射性元素U衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成Bi，而Bi可以经一次衰变变成X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成Tl，X和Tl最后都变成Pb，衰变路径如图1所示．则( )
图1
A．a＝82，b＝211
B.Bi―→X是β衰变，Bi―→Tl是α衰变
C.Bi―→X是α衰变，Bi―→Tl是β衰变
D.Tl经过一次α衰变变成Pb
答案 B
解析 由Bi―→X，质量数不变，说明发生的是β衰变，同时知a＝84.由Bi―→Tl是核电荷数减2，说明发生的是α衰变，同时知b＝206，由Tl―→Pb发生了一次β衰变．故选B.
三、核能的计算方法
1．利用质能方程来计算核能
(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．方程ΔE＝Δmc2中若Δm的单位用“kg”、c的单位用“m/s”，则ΔE的单位为“J”；若Δm的单位用“u”，可直接用质量与能量的关系式1 u相当于931.5 MeV推算ΔE，此时ΔE的单位为“兆电子伏(MeV)”，即1 u＝1.66×10－27 kg，相当于931.5 MeV，即原子质量单位1 u对应的能量为931.5 MeV，这个结论可在计算中直接应用．
2．利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能．
【例3】 试计算用α粒子轰击铍(Be)核发现中子的核反应中所释放的能量．(已知铍核、碳核、α粒子和中子的质量分别为mBe＝9.012 19 u，mC＝12.000 u，mα＝4.002 6 u，mn＝1.008 665 u．1 u＝1.660 566×10－27 kg)
答案 5.705 MeV(或9.15×10－13 J)
解析 核反应方程为Be＋He―→C＋n＋ΔE，核反应中的质量亏损为Δm＝mBe＋mα－mC－mn＝9.012 19 u＋4.002 6 u－12.000 0 u－1.008 665 u＝0.006 125 u，ΔE＝Δmc2＝0.006 125×931.5 MeV≈5.705 MeV或ΔE＝0.006 125×1.660 566×10－27×(3×108)2 J≈9.15×10－13 J.
针对训练3 已知氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，则两个氘核结合成一个氦核时( )
A．释放出4.9 MeV的能量 B．释放出6.0 MeV的能量
C．释放出24.0 MeV的能量 D．吸收4.9 MeV的能量
答案 C
解析 依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为H＋H―→He，因氘核的平均结合能为1.1 MeV，氦核的平均结合能为7.1 MeV，故核反应过程释放能量．ΔE＝4×7.1 MeV－2×2×1.1 MeV＝24.0 MeV，故选C.
四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题
1．核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒、电荷数守恒、动量守恒、能量守恒．
2．静止核在磁场中自发衰变：轨迹为两相切圆，α衰变时两圆外切，β衰变时两圆内切，根据动量守恒m1v1＝m2v2和r＝知，半径小的为新核，半径大的为α粒子或β粒子，其特点对比如下表：
α衰变
X―→Y＋He
匀强磁场中轨迹
两圆外切，α粒子半径大
β衰变
X―→Y＋e
匀强磁场中轨迹
两圆内切，β粒子半径大
【例4】 一个静止的钚核Pu自发衰变成一个铀核U和另一个原子核X，并释放出一定的能量．其核衰变方程为：Pu―→U＋X.
(1)方程中的“X”核符号为________；
(2)钚核的质量为239.052 2 u，铀核的质量为235.043 9 u，X核的质量为4.002 6 u，已知1 u相当于931 MeV，则该衰变过程放出的能量是________MeV；
(3)假设钚核衰变释放的能量全部转变为铀核和X核的动能，则X核与铀核的动能之比是________．
答案 (1)He (2)5.31 (3)58.7
解析 (1)根据质量数、电荷数守恒，得X核的质量数为239－235＝4，核电核数为94－92＝2，故“X”核为氦核，符号为He.(2)钚核衰变过程中的质量亏损Δm＝239.052 2 u－235.043 9 u－4.002 6 u＝0.005 7 u，根据爱因斯坦质能方程，得出衰变过程中放出的能量E＝0.005 7×931 MeV≈5.31 MeV.(3)钚核衰变成铀核和X核，根据动量守恒定律，两者动量大小相等，根据Ek＝mv2＝，得X核和铀核的动能之比＝≈58.7.
针对训练4 一个静止的放射性同位素的原子核P衰变为Si，另一个静止的天然放射性元素的原子核Th衰变为Pa，在同一磁场中，得到衰变后粒子的运动径迹1、2、3、4，如图2所示，则这四条径迹依次是( )
图2
A．电子、Pa、Si、正电子
B.Pa、电子、正电子、Si
C.Si、正电子、电子、Pa
D．正电子、Si、Pa、电子
答案 B
解析 P―→Si＋e(正电子)，产生的两个粒子，都带正电，应是外切圆，由R＝，电荷量大的半径小，故3是正电子，4是Si.Th―→Pa＋e，产生的两个粒子，一个带正电，一个带负电，应是内切圆，由R＝知，电荷量大的半径小，故1是Pa,2是电子，故B项正确．
