鲁科版（2019）高中物理 选择性必修第三册 第5章 章末综合提升word版含答案

[巩固层·知识整合]
[提升层·能力强化]
常见核反应类型
类型 可控性 核反应方程典例
衰变 α衰变 自发 U→Th＋He
β衰变 自发 Th→Pa＋e
人工转变 人工控制 N＋He→O＋H(卢瑟福发现质子)

He＋Be→C＋n(查德威克发现中子)

Al＋He→P＋n (约里奥—居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)

P→Si＋e
重核裂变 比较容易进行人工控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n

U＋n→Xe＋Sr＋10n
轻核聚变 除氢弹外无法控制 H＋H→He＋n
【例1】　核反应有以下几种情况：一是衰变，二是人工核转变，三是裂变，四是聚变．核反应可用方程来表示，叫核反应方程．完成下列核反应方程，并指明它属于何种核反应．
(1)U→Th＋(　　)属________；
(2)Be＋(　　)→C＋n，属________；
(3)H＋H→He＋(　　)，属________；
(4)U＋n→Sr＋Xe＋(　　)，属________．
[解析]　根据质量数和电荷数守恒可判定：
(1)中的未知核为He，该反应属衰变．
(2)中的未知核为He，该反应属人工转变．
(3)中的未知核为n，该反应属于聚变．
(4)中的未知核为10n，该反应属于裂变．
[答案]　见解析
核反应方程及核能计算
1．核反应方程的书写方法
(1)熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础．
如质子(H)、中子(n)、α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等．
(2)掌握核反应方程遵守的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律．
2．核能的计算
(1)质能方程ΔE＝Δmc2是计算释放核能多少的主要方法，质量亏损Δm的确定是计算核能的关键．
(2)如果在核反应中无光子辐射，核反应释放的核能全部转化为新核的动能和新粒子的动能．在这种情况下计算核能的主要依据是：
①核反应过程中只有内力作用，故动量守恒．
②反应前后总能量守恒．
常见的反应类型的能量计算：反应前总动能＋反应过程中释放的核能＝反应后总动能．
【例2】　已知氘核质量为2.013 6 u，中子质量为1.008 7 u，He核的质量为3.015 0 u．
(1)写出两个氘核聚变成He的核反应方程；
(2)计算上述核反应中释放的核能；
(3)若两氘核以相等的动能0.35 MeV做对心碰撞，即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的He核和中子的动能各是多少？
[解析]　(1)应用质量数守恒和核电荷数守恒，不难写出核反应方程为H＋H→He＋n．
(2)由题给条件可求出质量亏损为：
Δm＝[2.013 6×2－(3.015 0＋1.008 7)]u＝0.003 5 u
所以释放的核能
ΔE＝Δmc2＝931.5×0.003 5 MeV＝3.26 MeV．
(3)因为该反应中释放的核能全部转化为机械能，即转化为He核和中子的动能，若设He核和中子的质量分别为m1、m2，动量分别为p1、p2，动能分别为Ek1、Ek2，氘核的动能为Ek0，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得
p1－p2＝0，　　 ①
Ek1＋Ek2＝2Ek0＋ΔE，　　 ②
由Ek＝得＝＝，　　 ③
由①②③得Ek1＝(2Ek0＋ΔE)＝0.99 MeV，
Ek2＝(2Ek0＋ΔE)＝2.97 MeV．
[答案]　(1)H＋H→He＋n　(2)3.26 MeV　(3)0.99 MeV　2.97 MeV
[一语通关]　
(1)若核反应前后各核的质量单位为kg，则用ΔE＝Δmc2求核能时，核能单位为J.
(2)若核反应前后各核的质量单位为u，则用ΔE＝Δmc2.
求核能时，结合1 u的质量对应的能量为931.5 MeV，求得核能单位为MeV.
[培养层·素养升华]
死神之吻：广岛原子弹事件
1945年7月，距离纳粹德国投降已过去两个月，日本仍然依靠强硬的陆军实力负隅顽抗．在世界人民都期盼战争结束的时候，一朵蘑菇云悄然在美国新墨西哥州上空升起．原子弹爆炸瞬间的闪光，令距离8公里远的士兵产生暂时性失明，当时所有在场的人都意识到这是新时代的开端．
那是8月最普通的一天，早晨，阳光洒落．
自从美军登陆硫磺岛后，广岛就被列入空袭城市，上空不时有战机盘旋．6号这天一大早就响过一次空袭警报，因为没有受到袭击，大家都按部就班工作，陆军还在出早操．
他们不知道，死神的镰刀已经悄然伸向他们的头颅，
早晨8时整，3架B－29美机又从高空进入广岛上空．
9点14分，原子弹对准广岛市中心的一座桥投落下去．45秒钟后，原子弹在离地600米的空中爆炸．
随即发出令人眼花目眩的强烈白色闪光，伴随着震耳欲聋的大爆炸．顷刻之间，城市卷起了巨大的蘑菇状烟云，广岛市马上沦为焦热的火海．
所有当时身处室外的人，都在瞬间被蒸发或炭化．
闪光下方的温度，可以瞬间达到4 000摄氏度．热辐射在各处留下痕迹，楼梯、轨道、甚至人体，都会在石头或金属上留下轮廓．
与此同时，闪光还伴随强大的红外线和伽马射线辐射，它们能穿透墙壁，杀伤人体细胞．
爆炸发生不久，原子弹带来的后续伤害才浮现出来，那就是辐射．
美军知道辐射的存在，但并不清楚具体影响，而广岛就像实验场，有上万市民做小白鼠．
这些感染者的体内没有白细胞，伤口不能愈合便开始腐烂，头发脱落，身上出现紫色斑点，并呕吐棕色的液体．
救治不了的都死了．
因为广岛电路全部瘫痪，裕仁天皇直到第二天才知道这件事情．
随后，日本高层展开了激烈的讨论，讨论当天又传来了长崎被原子弹轰炸的消息，尽管如此，军方阿南惟几仍然坚持作战到底．
讨论许久一直得不到统一的结果，铃木首相不得不直接请示裕仁天皇，让他拿主意．
最终天皇表示，接受无条件投降，宣告了第二次世界大战的结束．阿南也在投降当天切腹自尽．
如今，广岛事件已经过去70多年，广岛市也成为了一个重新发展起来的繁荣城市．
但它也不断地提醒着我们，战争有多可怕，和平就有多重要．
[设问探究]
1．重核裂变为什么能放出能量？
2．原子弹为什么能放出巨大的能量？
3．核电站为什么可以是不像原子弹那样发生核爆炸的，能量是怎么转化的？
提示：
1．原因是它们发生核反应时有质量亏损．核反应发生前后，质量守恒，所以反应前核子的总质量应该等于反应后生成的核的质量加上与释放的能量相联系的质量．对于不同的原子核来说，核子的平均结合能一般是不同的．原子核的平均结合能越大，表示该原子核在形成过程中每个核子释放的平均能量越多，各个核子平均亏损的质量也就越多，原子核的核子平均质量也越小，原子核也越稳定．
2．原子弹是利用快中子导致链式反应而发生原子爆炸的武器， 当一堆元素中的铀235的含量非常高，如达90%以上，而且堆放得又很紧凑，则一个铀的裂变放出的2～3个中子马上又会引起2～3个原子核裂变，如此迅速蔓延，使裂变不断成倍增长．如果这堆铀有一定数量，例如，几千克，就会发生核爆炸，这就是原子弹．
3．在铀核的裂变过程中，如果每个铀核裂变放出的中子恰好有一个击中别的铀核使其发生裂变，而其余的中子散失到空间或者被其他物质吸收而不引起裂变，那么，连锁反应就会以稳定的水平维持不断地进行下去，能量平稳释放．这种堆放核的装置就是我们通常所说的核反应堆．核反应堆用的核燃料浓度一般很低，例如最常见的压水反应堆的铀235浓度为3%～4%，比起原子弹90%的浓度要低得多．因此，核反应堆是不可能像原子弹那样发生核爆炸的．
核电站的能量转换过程是：通过核反应堆将核能转化为热能，再通过汽轮机将热能转化为机械能，最后通过发电机将机械能转化为电能．
[深度思考]
1．如何区别核反应中的“质量守恒”与“质量亏损”？
2．原子弹使用的化学元素是铀和其他的元素，这个会有核辐射，但是氢弹用的是氢元素的同位素，氢弹爆炸会有核辐射吗？
答案：
1．在相对论中，物体运动时质量不等于静止时质量，但一般情况下速度较小，往往从静质量角度来处理问题，通常所说的质量也指静质量．因核反应过程中存在能的转化，核反应前后粒子所蕴含的静止能量mc2可能会发生变化，从而静质量在反应前后会增减．若核反应是吸收能量，核反应前后静质量会增加；若核反应放出能量，则静质量会减少，减少的质量就是核反应中亏损的质量Δm，那么核反应放出的核能就为ΔE＝Δmc2．重核裂变与轻核聚变都属于放能核反应，反应前后粒子的静质量要减少，也即是说质量要亏损．若从能量守恒角度看，亏损的质量Δm对应的能量Δmc2转化为粒子动能或者γ光子的能量．
2．首先氢弹由原子弹引爆，原子弹的产物是有放射性的．另外氢弹爆了以后也会产生大量的中子和伽马射线等，这些射线会直接轰击爆心附近的原子，从而产生新的放射性物质，比如铝被中子轰击后产生钠的同位素，而该同位素就有放射性，当然很快就衰变了，这里说的“很快”是相对其他的有几千万年半衰期的元素，而且只要接触这种放射性物质几分钟，人的健康就会受到损害．
6/6