(共43张PPT)
阶段复习课
第5章
核心整合·思维导图
必备考点·素养评价
素养一 物理观念
考点
三种射线与半衰期
1.衰变规律及实质:
(1)α衰变和β衰变的比较:
(2)γ射线:γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。
2.三种射线的比较:
3.半衰期:
(1)公式:N余=N原
,m余=m原
。
(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身因素决定的,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。
4.衰变规律中的关键词转化:
【素养评价】
1.(多选)关于天然放射现象,以下叙述正确的是
( )
A.若使放射性物质的温度升高,其半衰期将变大
B.β衰变所释放的电子是原子核内的质子转变为中子时产生的
C.在α、β、γ这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,α射线的电离能力最强
D.铀核
衰变为铅核
的过程中,要经过8次α衰变和6次β衰变
【解析】选C、D。半衰期与元素的物理状态无关,若使某放射性物质的温度升高,
其半衰期不变,选项A错误;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子时
产生的,选项B错误;在α、β、γ这三种射线中,γ射线的穿透能力最强,α射线
的电离能力最强,选项C正确;铀核
衰变为铅核
的过程中,每经过一
次α衰变质子数少2,质量数少4;而每经过一次β衰变质子数增加1,质量数不变;
由质量数和电荷数守恒,可知要经过8次α衰变和6次β衰变,选项D正确。
2.(2018·江苏高考)已知A和B两种放射性元素的半衰期分别为T和2T,则相同质量的A和B经过2T后,剩有的A和B质量之比为
( )
A.1∶4 B.1∶2 C.2∶1 D.4∶1
【解析】选B。经过2T,对A来说是2个半衰期,A的质量还剩
,经过2T,对B来说
是1个半衰期,B的质量还剩
,所以剩有的A和B质量之比为1∶2,选项B正确。
【补偿训练】
1.(2020·成都高三检测)某一放射性物质发生衰变时放出α、β、γ三种射线,让这三种射线进入磁场,运动情况如图所示,下列说法中正确的是
( )
A.该放射性物质的半衰期随温度的升高会增大
B.C粒子是原子核的重要组成部分
C.A粒子一定带正电
D.B粒子的穿透性最弱
【解析】选C。半衰期由原子核本身决定,与外界因素无关,故A错误;由题图可知C粒子为电子,故B错误;由左手定则可知A粒子一定带正电,故C正确;B粒子为γ射线,穿透性最强,故D错误。
2.下列说法正确的是
( )
A.研制核武器的钚
由铀
经过4次β衰变而产生
B.发现中子的核反应方程是
C.20
g的
经过两个半衰期后其质量变为15
g
D
在中子轰击下,生成
和
的核反应前后,原子核的核子总数减少
【解析】选B。经过β衰变电荷数多1,质量数不变,所以钚
由铀
经过2次β衰变而产生,A错误;发现中子的核反应方程是
,B正确;根据公式m=m0
知,20
g的
经过两个半衰
期后其质量变为5
g,C错误;核反应前后,原子核的核子总数守恒,D错误。
素养二 科学思维
考点1
核反应方程与核能的计算
1.核反应的四种类型:
2.核能的计算方法:
(1)根据ΔE=Δmc2计算时,Δm的单位用“kg”,c的单位用“m/s”,ΔE的单位用“J”。
(2)根据ΔE=Δm×931.5
MeV/u计算时,Δm的单位用“u”,ΔE的单位用“MeV”。
(3)根据比结合能来计算核能:
原子核的结合能=比结合能×核子数。
【素养评价】
1.(2018·天津高考)国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功,获得中子束流,可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台,下列核反应中放出的粒子为中子的是
( )
A
俘获一个α粒子,产生
并放出一个粒子
B
俘获一个α粒子,产生
并放出一个粒子
C
俘获一个质子,产生
并放出一个粒子
D
俘获一个质子,产生
并放出一个粒子
【解析】选B。根据质量数和电荷数守恒可知四个核反应方程分别为
故只有B项正确。
2.(2019·全国卷Ⅱ)太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的
结果可表示为
已知
和
的质量分别为mp=1.007
8
u
和mα=4.002
6
u,1
u=931
MeV/c2,c为光速。在4个
转变成1个
的过程中,
释放的能量约为
( )
A.8
MeV B.16
MeV C.26
MeV D.52
MeV
【解析】选C。根据质能方程ΔE=Δm·c2,得ΔE=(4mp-mα-2me)·c2,因核反应前后质量亏损约为Δm=(1.007
8×4-4.002
6)u=0.028
6
u,故释放的能量约为ΔE=931
MeV/c2×Δm=26.6
MeV,C正确,A、B、D错误。
【补偿训练】
1.(多选)(2019·天津高考)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿度,为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是
( )
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的核,总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加
【解析】选A、D。核聚变反应所产生的放射性废料较少,处理起来比较简单,而核裂变反应所产生的放射性废料较多,处理起来比较困难,所以核聚变比核裂变更为安全、清洁,因此A正确;发生核聚变需要在高温高压下进行,自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变,并不是任意的两个原子核都能发生核聚变,质量数很大的核就不能发生核聚变,
B错误;两个轻核结合成质量较大的核,总质量减少,即存在质量亏损,C错误;两个轻核结合成质量较大的核,释放能量,核子的比结合能增加,原子核更稳定,D正确。故选A、D。
2.(2020·三明高二检测)清华大学和香港大学的学生合作研制的太阳能汽车是以太阳能电池将所接受的太阳光能转化为电能提供给电动机来驱动的。已知车上太阳能电池接收太阳光能的板面面积为8
m2正对太阳,能产生120
V的电压,并对车上的电动机提供10
A的电流,电动机的直流电阻为4
Ω,而太阳光照射到地面处时单位面积上的辐射功率为103
W/m2。
(1)太阳光的能量实际上是由质子所参与的一系列反应所产生的,即在太阳内部
持续不断地进行着热核反应,4个质子聚变为1个氦核
,写出核反应方程;
(2)该车的太阳能电池转化太阳光能的效率η1是多少?
(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?
若太阳质量减少万分之三热核反应不能继续进行,计算太阳能存在多少年?(太阳
的质量为2×1030
kg,结果保留一位有效数字)
【解析】(1)核反应方程:
(2)效率是:η1=
=15%
(3)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Δm=
=0.4×1010
kg
太阳的质量为2×1030
kg,太阳还能存在的时间为
t=
=1.5×1017
s=5×109年
答案:(1)
(2)15%
(3)0.4×1010
kg 5×109年
考点2
磁场中原子核衰变与动量守恒
1.静止原子核在匀强磁场中自发衰变,如果产生的新核和放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直,则它们的运动轨迹为两相切圆,α衰变时两圆外切,β衰变时两圆内切。其特点对比如表所示:
2.原子核衰变问题关键词转化:
【素养评价】
1.在匀强磁场中,有一个原来静止的
原子核,它放出的粒子与反冲核的径迹
是两个内切的圆,圆的直径之比为7∶1,那么
的衰变方程为
( )
【解析】选D。由动量守恒定律可知,放出的粒子与反冲核动量大小相等、方向
相反,由在磁场中两圆径迹内切可知,反冲核带正电,放出的粒子带负电,由两圆
直径之比为7∶1和R=
可知,反冲核的电荷量是放出粒子电荷量的7倍,故选
项D正确。
2.在磁感应强度为B的匀强磁场中,一个静止的放射性原子核发生了一次α衰变。
放射出α粒子
在与磁场垂直的平面内做圆周运动,其轨道半径为R。以m、
q分别表示α粒子的质量和电荷量。
(1)放射性原子核用
表示,新核的元素符号用Y表示,写出该α衰变的核反应
方程。
(2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流,求圆周运动的周期和环形电流大小。
(3)设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能,新核的质量为M,求衰变过程的质量亏损Δm。
【解析】(1)α衰变的核反应方程为
(2)α粒子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力
qv1B=
T=
解得:T=
由电流的定义式可得:I=
(3)衰变过程中由动量守恒定律可得:mv1=Mv2
由能量守恒可知,释放的核能为:ΔE=
由质能方程可得:ΔE=Δmc2
联立以上方程可解得:Δm=
答案:(1)
(2)
(3)
【补偿训练】
1.(多选)静止的
原子核在磁场中发生衰变后运动轨迹如图所示,大小圆半
径分别为R1、R2;则下列关于此核衰变方程和两圆轨迹半径比值判断正确的是
( )
A
B
C.R1∶R2=84∶1
D.R1∶R2=207∶4
【解析】选B、C。原子核发生衰变时,根据动量守恒可知两粒子的速度方向相反,
由题图可知粒子的运动的轨迹在同一侧,根据左手定则可以得知,衰变后的两粒
子带异种电荷,所以释放的粒子是电子,原子核发生的是β衰变,衰变方程为
,选项A错误,B正确;根据R=
以及两粒子的动量等大,故
R1∶R2=q2∶q1=84∶1,选项C正确,D错误。
2.(2017·全国卷Ⅱ)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为
下列说法正确的是
( )
A.
衰变后钍核的动能等于α粒子的动能
B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小
C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
【解析】选B。根据动量守恒定律可知衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量
大小,B正确;根据Ek=
可知衰变后钍核的动能小于α粒子的动能,A错误;半
衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间,C项错误,衰变后质量亏
损,因此α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核的质量,D项错误。(共55张PPT)
单元素养评价(五)(第5章)
（90分钟
100分）
一、单项选择题:本题共10小题,每小题3分,共30分。在每小题给出的四个选项
中,只有一项是符合题目要求的。
1.(2020·山东新高考模拟)2019年是世界上首次实现元素人工转变100周年。
1919年,卢瑟福用氦核轰击氮原子核,发现产生了另一种元素,该核反应方程可
写为
以下判断正确的是
( )
A.m=16,n=1
B.m=17,n=1
C.m=16,n=0
D.m=17,n=0
【解析】选B。由电荷数守恒可知2+7=8+n,得n=1;由质量数守恒可知4+14=m+1,
得m=17,故B正确。
2.(2020·全国Ⅲ卷改编)1934年,约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝箔,首次产
生了人工放射性同位素X,反应方程为
X会衰变成原子核Y,衰
变方程为
则
( )
A.X的质量数与Y的质量数相等
B.X的电荷数比Y的电荷数少1
C.X的电荷数比
的电荷数多1
D.X的质量数与
的质量数相等
【解析】选A。根据电荷数和质量数守恒,核反应方程分别为
可知X的质量数与Y的质量数都是30,A正确;X的电荷数15比Y的电
荷数14多1,B错误;X的电荷数15比
的电荷数13多2,C错误;X的质量数30比
的质量数27多3,D错误。
【补偿训练】
在居室装修中经常用到花岗岩、大理石等装饰材料,它们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α射线的穿透能力最强,电离能力最弱
【解析】选B。α衰变是两个质子与两个中子作为一个整体从原子核中抛射出
来,即
发生α衰变时,核内质量数减少4,选项A错误;β衰变是原
子核内一个中子转化成一个质子和一个电子,即
发生β衰变时,核
内中子数减少1,核子数不变,选项B正确、C错误;由三种射线性质可得,选项D错
误。
3.如图所示,x为未知的放射源,L为薄铝片,计数器对α粒子、β粒子、γ光子均能计数。若在放射源和计数器之间加上L后,计数器的计数率大幅度减小,在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,则x可能是( )
A.α、β和γ的混合放射源
B.纯α放射源
C.α和γ的混合放射源
D.纯γ放射源
【解析】选C。在放射源和计数器之间加上薄铝片后,计数器的计数率大幅度减小,说明射线中有穿透力很弱的粒子,即α粒子,在薄铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场,计数器的计数率不变,说明穿过薄铝片的只有γ射线,因此放射源可能是α和γ的混合放射源,故C正确,A、B、D错误。
4.我们所说的太阳中所发生的“氢聚变”的实际过程并不是氢原子核直接聚变
为氦原子核,而是借助碳、氮、氧的原子核进行的,其具体反应过程为如图所示
的六步循环,请根据六步循环图,判断下列说法正确的是
( )
A.X粒子是电子
B.Y粒子是正电子
C.六步循环的总核反应方程为
D.①处所发生的核反应方程为
【解析】选D
反应生成
的方程为
故X为
A错误
反应
生成
的方程为
故Y粒子为
,B错误;
六步循环的总核
反应方程为
故C
错误;①
反应生成
的方程为
D正确。
5.下列说法正确的是
( )
A.
是α衰变方程
B.
是β衰变方程
C.
是核裂变反应方程
D.
是原子核的人工转变方程
【解析】选D。A中方程为原子核的人工转变方程,B为核聚变方程,C为α衰变方
程,D为原子核的人工转变方程,综上所述,选D。
6.2017年8月,位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)首次
打靶成功,获得中子束流,这标志着中国散裂中子源主体工程顺利完工,进入试
运行阶段。对于相关研究,下列说法正确的是
( )
A.查德威克发现中子的方程式
中,x为4
B.一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是核裂变反应
C.卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,发现了质子和中子
D.
属于核聚变反应
【解析】选A。在核反应中,根据质量数守恒和电荷数守恒可知,x+2=6,故x=4,
故A正确;一个氘核和一个氚核经过核反应后生成氦核和中子是核聚变反应,故B
错误;卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,得出了原子的核式结构理论,故C错
误;
属于核裂变反应,故D错误。
7.居室装修中常用的大理石等天然石材,若含有铀、钍等元素就会释放出放射性
气体氡,氡会经呼吸道进入人体并停留在体内发生衰变,放射出α、β、γ射
线。这些射线会导致细胞发生变异,引起疾病。一质量为m的大理石含有某种半
衰期为T的放射性元素X,经T时间后,这块大理石的质量变为m'。以下说法正确的
是
( )
A.
B.在X原子核衰变时发生质量亏损,亏损的质量转化成能量释放出来
C.X原子核衰变成新核时,新原子核处于高能级状态不稳定,会向低能级跃迁,跃
迁时只能放出一些特定频率的γ射线
D.X原子核的比结合能大于其衰变后的新核的比结合能
【解析】选C。大理石内放射性元素含量很少,质量亏损更小;大理石整体质量变化基本可以忽略不计,故A错误;核衰变时能量以光子的形式释放出来,故B错误;放射性的原子核在发生衰变后产生的新核往往处于高能级,这时它要向低能级跃迁,辐射γ光子,即γ射线,故C正确;衰变的过程中释放能量,可知生成的新核的比结合能大于衰变前原子核的比结合能,故D错误。
8.我国第一代核潜艇总设计师黄旭华院士于2019年9月29日获得“共和国勋
章”。核动力潜艇上核反应堆中可能的一个核反应方程为
+ΔE(其中ΔE为释放出的核能)。下列说法正确的是
( )
A.核反应方程式中x=2
B.该核反应属于原子核的衰变
C.
核的比结合能小于
核的比结合能
D.
的比结合能为
【解析】选C。由核反应遵循质量数守恒与电荷数守恒,可知x=3,A项错误;该反
应属于原子核的裂变,B项错误;中等质量原子核的比结合能较大
核的比结
合能小于
核的比结合能,C项正确;ΔE是该核反应释放的能量,不是
核
的结合能,D项错误。
9.下列四幅图分别对应着四种说法,其中正确的是
( )
A.氢原子辐射出一个光子后,电势能增大,动能减小
B.根据α、β、γ射线的特点可知,射线1是α射线,射线2是β射线,射线3是γ
射线
C.天然放射性元素的半衰期由原子核内部自身的因素决定,跟所处的化学状态
和外部条件有关
D.原子弹爆炸属于重核的裂变,其反应方程可以是
【解析】选B。氢原子放出一个光子,原子能量减小,根据
得:
电子的动能增大,电势能减小,故A错误;三种射线的穿透本领不同,
根据α、β、γ射线的特点可知,射线1的穿透本领最弱,是α射线,射线3的穿
透本领最强,是γ射线,射线2是β射线,故B正确;天然放射性元素的半衰期由原
子核内部自身的因素决定,跟所处的化学状态和外部条件无关,故C错误;重核的
裂变是重核俘获一个慢中子后才能发生的,所以核反应方程可以是
故D错误。
10.核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少,我国在完善核电安全基础上
将加大核电站建设。核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,它可破
坏细胞基因,提高患癌的风险。已知钚的一种同位素
的半衰期为24
100年,
其衰变方程为
下列有关说法正确的是
( )
A.衰变发出的γ射线是波长很短的光子,穿透能力很强
B.X原子核中含有92个中子
C.8个
经过24
100年后一定还剩余4个
D.由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量不变
【解析】选A。衰变发出的γ放射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力,选项A正确;根据电荷数守恒、质量数守恒可知,X的电荷数为92,质量数为235,则中子数为143,选项B错误;半衰期具有统计规律,只有对大量的原子核才适用,选项C错误;由于衰变时释放巨大的能量,根据E=mc2,衰变过程总质量减小,选项D错误。
二、多项选择题:本题共5小题,每小题4分,共20分。在每小题给出的四个选项中,有多项符合题目要求。全部选对的得4分,选对但不全的得2分,有选错的得0分。
11.新华社记者2016年11月2日从中科院合肥物质科学研究院获悉,该院等离子体所承担的国家大科学工程“人造太阳”实验装置EAST在第11轮物理实验中再获重大突破,获得超过60秒的稳态高约束模等离子体放电。“人造太阳”的原理类似太阳内部的核聚变,关于人造太阳的相关知识,下列判断正确的是( )
A.氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,释放出一定频率的光子,太
阳的能量来自这个过程
B.要使氢核发生聚变,必须使它们的距离达到10-15m以内,核力才能起作用,这需
要非常高的温度
C.太阳内部大量氢核聚变成氦核,释放出巨大的能量
D.氘核和氚核可发生热核聚变,核反应方程是
【解析】选B、C、D。核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,要释放一定频率
的光子,而太阳辐射的能量主要来自太阳内部的聚变反应,又称热核反应,并不
是核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,释放出来的能量,故A错误;要使氢核
发生聚变,必须使它们的距离达到10-15m以内,核力才能起作用,故B正确;氢核聚
变后比结合能增加,因此反应中会释放能量,故C正确;氘核和氚核可发生热核聚
变,由质量数守恒和核电荷数守恒得,核反应方程是
,故D正确。
【补偿训练】
(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程
分别为:
下列表述正确的有
( )
A.X是中子
B.Y的质子数是3,中子数是6
C.两个核反应都没有质量亏损
D.氘和氚的核反应是核聚变反应
【解析】选A、D。根据质子数守恒和质量数守恒可知X是中子,A正确;Y的质子数为3,中子数为3,B错误;聚变放出能量,由质能方程可知一定有质量亏损,该反应为核聚变反应,C错误,D正确。
12.质子数与中子数互换的核互为“镜像核”,例如
是
的“镜像核”,同
样
也是
的“镜像核”,则下列说法正确的是
( )
A.
互为“镜像核”
B.
互为“镜像核”
C.β衰变的本质是一个中子转变为一个质子,同时放出一个电子
D.核反应
的生成物中有α粒子,该反应是α衰变
【解析】选B、C。根据“镜像核”的定义
互为“镜像核”,选项B正
确,A错误;β衰变的本质是一个中子转变为一个质子,同时放出一个电子,选项C
正确;核反应
的生成物中虽有α粒子,但该反应是聚变反应,选项
D错误。
13.
是一种放射性元素,能够自发地进行一系列放射性衰变,如图所示,判断
下列说法正确的是
( )
A.图中a是84,b是206
B.
的比结合能大
C.②是β衰变,放出电子,电子是由中子转变成质子时产生的
D.②和③是同一种衰变
【解析】选A、B、D。由核反应
中质量数没变,可知①是β衰变,
所以a=84,由核反应
中电荷数减少2,可知②是α衰变,所以b=206,
选项A正确,C错误;由衰变的过程知,
则
的比结合能大,
选项B正确;由
及a=84知,③为α衰变,选项D正确。
14.(2020·烟台高三检测)2017年1月9日,大亚湾反应堆中微子实验工程获得国
家自然科学一等奖。大多数原子核发生核反应的过程中都伴随着中微子的产生,
例如核裂变、核聚变、β衰变等。下列关于核反应的说法正确的是
( )
A.
衰变为
经过3次α衰变,2次β衰变
B.
是α衰变方程,
是β衰变方程
C.
是核裂变方程,也是氢弹的核反应方程
D.高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子,其核反应方程为
【解析】选A、D。
衰变为
经过3次α衰变,2次β衰变,故A项正确;
是核聚变方程,
是β衰变方程,故B项错误;
是核裂变方程,不是氢弹的核反应方程,故C项错误;高速
运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子,其核反应方程为
故D项正确。
15.在匀强磁场中,一个原来静止的原子核,由于衰变放射出某种粒子,结果得到
一张两个相切圆1和2的径迹照片(如图所示),已知两个相切圆半径分别为r1、
r2。下列说法正确的是
( )
A.原子核可能发生的是α衰变,也可能发生的是β衰变
B.径迹2可能是衰变后新核的径迹
C.若衰变方程是
则r1∶r2=1∶45
D.若是α衰变,则1和2的径迹均是顺时针方向
【解析】选C、D。原子核衰变过程系统动量守恒,由动量守恒定律可知,衰变生
成的两粒子动量方向相反,粒子速度方向相反,由左手定则知:若生成的两粒子
电性相反则在磁场中的轨迹为内切圆,若电性相同则在磁场中的轨迹为外切圆,
所以为电性相同的粒子,可能发生的是α衰变,但不是β衰变,故A错误;核反应
过程系统动量守恒,原子核原来静止,初动量为零,由动量守恒定律可知,原子核
衰变后生成的两核动量p大小相等、方向相反,粒子在磁场中做匀速圆周运动,
洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得:
解得:
由于p、B
都相同,则粒子电荷量q越大,其轨道半径r越小,由于新核的电荷量大于粒子的
电荷量,则新核的轨道半径小于粒子的轨道半径,则半径为r1的圆为放出新核的运动轨迹,半径为r2的圆为粒子的运动轨迹,故B错误;由B选项的分析知:r1∶r2=2∶90=1∶45,故C正确;若是α衰变,生成的两粒子电性相同,由左手定则可知,两粒子都沿顺时针方向做圆周运动,故D正确。
【补偿训练】
(多选)因为慢中子更适宜引发裂变,但是重核裂变产生的中子大部分是速度很大的“快中子”,因此需要“慢化剂”使“快中子”减速。“快中子”与“慢化剂”的原子核发生碰撞后,中子能量减小,变为“慢中子”。假设中子与“慢化剂”原子核的每次碰撞都是弹性碰撞,而且认为碰撞前“慢化剂”原子核都是静止的,下列说法正确的是
( )
A.“慢化剂”原子核质量越大,每次碰撞中中子损失的能量越多,更适宜作为
“慢化剂”
B.若“慢化剂”采用普通水,中子与普通水中的氢原子核发生碰撞,中子的减速
效果很好
C.若用石墨作“慢化剂”,碳原子核的质量是中子质量的12倍,一次碰撞前后中
子速度大小之比为13∶11
D.若用石墨作“慢化剂”,碳原子核的质量是中子质量的12倍,一个“快中子”
连续与三个静止的碳原子核碰撞后“快中子”的动能与其初动能之比为
【解析】选B、C。设中子质量为m1,“慢化剂”原子核质量为m2,根据弹性碰撞
规律有m1v0=m1v1+m2v2,
可得
若m2?m1,v1≈-v0,减速效果不好,A项错误;若中子与氢原子核发生碰撞,m2≈m1,
中子几乎把全部能量传递给氢原子核,减速效果好,B项正确;若中子与碳原子核
碰撞,m2=12m1,有
C项正确;经三次碰撞后中子的动能为E3=(
)6E0,D
项错误。
三、计算题:本题共4小题,共50分。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。说明:此处计算题请加步骤分
16.(10分)一瓶无害放射性同位素溶液,其半衰期为2天,测得每分钟衰变6×108次。现将这瓶溶液倒入一水库中,6天后认为溶液已均匀分布在水库中,取1
L水测得每分钟衰变10次,则该水库蓄水量为多少?
【解析】半衰期为2天,6天有3个半衰期,
6天后每分钟衰变次数为:
N=(
)3N0=
×6×108=7.5×107
(5分)
1升水每分钟衰变N1=10次,
则水库蓄水量为:
×1×10-3
m3=7
500
m3(5分)
答案:7
500
m3
17.(10分)某些建筑材料会产生反射性气体氡,如果人长期生活在氡浓度过高的
环境中,氡经过人的呼吸道沉积在肺部,并放出大量的射线,从而危害人体健
康。原来静止的氡核（
）发生一次α衰变生成新核钋(Po),测得α粒子速
度为v。
(1)写出衰变的核反应方程;
(2)求新核钋(Po)的速度v'的大小。
【解析】(1)由质量数和核电荷数守恒定律可知,
核反应方程式为：
(4分)
(2)核反应过程动量守恒,以α粒子的速度方向为正方向,由动量守恒定律
得:mv+Mv'=0,
(4分)
解得:
负号表示方向与α粒子速度方向相反。
(2分)
答案:(1)
(2)
【补偿训练】
静止在匀强磁场中的
核俘获一个运动方向垂直于磁场、速度大小为
7.7×104
m/s的中子,若发生核反应后只产生了两个新粒子,其中一个粒子为氦
核（
）。反应前后各粒子在磁场中的运动轨迹如图所示,
氦核与另一种未
知新粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径之比为40∶3。则:
(1)写出此核反应的方程式;
(2)求产生的未知新粒子的速度。
【解析】
(2)设中子
、氦核
、氚核
的质量分别为m1、m2、m3,速度分别为
v1、v2、v3,由动量守恒定律得:m1v1=m2v2+m3v3
设粒子做匀速圆周运动的半径为r,由
得
因
可得:v2=20v3
由径迹图像可知v2与v1同向,v3与v1反向,即
m1v1=20m2v3-m3v3
得v3=1×103
m/s,方向与中子速度方向相反
答案:
(2)1×103
m/s
方向与中子速度方向相反
18.(14分)核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。受控核聚变的科学可行性已得到验证,目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘(又叫重氢)和氚(又叫超重氢)聚合成氦,并释放出一个中子。若已知氘原子的质量为2.014
1
u,氚原子的质量为3.016
2
u,氦原子的质量为4.002
6
u,中子的质量为1.008
7
u,1
u=1.66×10-27
kg。(结果均保留两位有效数字,一年按3.2×107
s计算,光速c=3×108
m/s)
(1)写出氘和氚聚变的反应方程。
(2)试计算这个核反应释放出来的能量。
(3)若建一座功率为3×105
kW的核聚变电站,假设聚变所产生的能量有一半转化成了电能,求每年要消耗的氘的质量。
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒得,
(4分)
(2)根据爱因斯坦质能方程得,
ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
2-4.002
6-1.008
7)×1.66×10-27×(3×108)2
J=2.8×10-12
J
(5分)
(3)设每年消耗氘的质量为m,根据能量守恒定律得,
Pt=
×6.02×1023×ΔE
(3分)
代入数据解得m=23
kg
(2分)
答案:(1)
(2)2.8×10-12J
(3)23
kg
19.(16分)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三种射线的放射源。从放射源射出的一束射
线垂直于电场方向射入电场,如图所示,在与放射源距离为H高处,水平放置两张
叠放着的、涂药品面朝下的印像纸(比一般纸厚且涂有感光药品的纸),经射线
照射一段时间后两张印像纸显影。(已知mα=4
u,mβ=
u,vα=
vβ=c)
(1)上面的印像纸有几个暗斑?各是什么射线的痕迹?
(2)下面的印像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?
【解析】(1)因α粒子穿透本领弱,穿过下层纸的只有β射线和γ射线,β射线、γ射线在上面的印像纸上留下两个暗斑;
(3分)
(2)下面印像纸上从左向右依次是β射线、γ射线、α射线留下的暗斑。设α
射线、β射线留下的暗斑到中央γ射线留下暗斑的距离分别为xα、xβ。
则对α粒子,有
(1分)
(1分)
对β粒子,有
(1分)
(1分)
联立解得
(2分)
(3)若使α射线不偏转,则qαE=qαvαBα,
(2分)
所以
(2分)
同理,若使β射线不偏转,则
(1分)
故
(2分)
答案:(1)两个暗斑 β和γ射线
(2)5∶184 (3)10∶1(共35张PPT)
十四 核裂变和核聚变 核能的利用与环境保护
【基础巩固】
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.原子核反应有广泛的应用,如用于核电站等。在下列核反应中,属于核裂变
反应的是
( )
A.
B.
C.
D.
【解析】选D。由链式反应特点知:反应过程中由一个中子引发裂变,放出2～3个中子促成链式反应,故D正确。
2.关于重核的裂变,以下说法正确的是
( )
A.核裂变释放的能量等于它俘获中子时得到的能量
B.中子从铀块中通过时,一定发生链式反应
C.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
D.重核裂变释放出大量能量,有质量亏损,所以核子数要减小
【解析】选C。由于裂变的过程中有质量亏损,会释放能量,所以裂变时释放的能量大于俘获中子时得到的能量,故A错误;根据链式反应的条件可知,铀块体积必须达到临界体积,有中子通过时,才能发生链式反应,故B错误;根据对原子核的分析可知,重核的比结合能小于中等质量核的比结合能,所以重核裂变成中等质量核时,要放出核能,有质量亏损,故C正确;重核裂变释放出大量的能量,有质量亏损,但核子数不变,故D错误。
3.利用核聚变能发电是人类开发和利用新能源的不懈追求,目前中、美、俄等
多国通力合作联合研制可控核聚变反应堆来解决人类能源危机。关于核聚变下
列说法正确的是
( )
A.
表示的核反应是核聚变
B.
表示的核反应不是核聚变
C.原子弹是利用核聚变反应制成的
D.太阳能是核聚变产生的
【解析】选D。A项中的核反应为发现质子的人工控制,故A错误;B项中表示核聚变,故B错误;原子弹是利用核裂变反应制成的,故C错误;太阳能是核聚变产生的,也称为热核反应,故D正确。
4.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出
的能量约为4×1026
J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接
近
( )
A.1036
kg
B.109
kg
C.1013
kg
D.1018
kg
【解析】选B。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm=
kg
≈
×109
kg,故太阳每秒钟减少的质量最接近109
kg,故B正确。
【补偿训练】
一个氘核
质量为m1,一个氚核
质量为m2,它们结合成一个质量为m3的氦
核。核反应方程如下
+X。在这一核反应过程中释放的能量为
ΔE。已知真空中光速为c,则以下判断正确的是
( )
A.X是质子
B.X是正电子
C.X的质量为m1+m2-m3
D.X的质量为m1+m2-m3-
【解析】选D。根据核反应方程中质量数和电荷数的守恒可知X粒子的质量数为
1,电荷数为0,即质子数为0,因此X粒子为中子,故A、B错误;根据质量亏损与质
能方程可知,X的质量为:Δm=m1+m2-m3-
,故C错误,D正确。
5.(多选)(2020·全国Ⅰ卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的
有
( )
A.
B.
C.
D.
【解析】选B、D。α粒子为氦原子核
,根据核反应方程遵守电荷数守恒和
质量数守恒可判断:A选项中的X1为
,B选项中的X2为
,C选项中的X3为中
子
,D选项中的X4为
,故选项B、D正确,A、C错误。
6.(多选)我国秦山核电站第三期工程中有两组60万千瓦的发电机组,发电站的
核能来源于
的裂变,下列说法正确的是
( )
A.
原子核中有92个质子,143个中子
B.
的一种可能裂变是变成两个中等质量的原子核,反应方程为
C.
是天然放射性元素,常温下它的半衰期约为45亿年,升高温度半衰期缩短
D.一个
裂变能放出200
MeV的能量,合3.2×10-11
J
【解析】选A、B、D。由
的质量数和电荷数关系易知A正确;由核反应方程
中电荷数守恒和质量数守恒知B正确;半衰期不受外界因素干扰,故C错误;因为
200
MeV=200×106×1.6×10-19
J=3.2×10-11
J,所以D正确。
【补偿训练】
(多选)关于铀核裂变,下述说法正确的是
( )
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原子核
B.铀核裂变的同时将释放2～3个中子
C.为了使裂变的链式反应更容易进行,最好用铀235
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
【解析】选B、C。铀核受到中子的轰击,会引起裂变,裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两种核的情况多,也有的分裂成多种核,并放出几个中子,故A错误,B正确。铀235受中子的轰击时,裂变的几率大,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。所以为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235,故C正确。要引起链式反应,需使铀块体积超过临界体积,故D错误。
二、非选择题(共2小题,24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的
要标明单位)
7.(10分)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方
程为
,方程中Q1、Q2表示释放的能量,相
关的原子核质量如表:
原子核
质量/u
1.007
8
3.016
0
4.002
6
12.000
0
13.005
7
15.000
1
则X是 ,Q2 Q1(选填“大于”“等于”或“小于”)。?
【解析】由质量数和电荷数守恒可知X是
,
由Δm1=mH+mC-m13N=0.0021
u。
Δm2=mH+m15N-mC-m4He=0.0053
u。
可知,Δm2>Δm1,由Q=ΔE=Δmc2,可知Q2>Q1。
答案：
大于
【补偿训练】
在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出。中微子的性质十分特别,
因此在实验中很难探测。1953年,莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器
组成的实验系统,利用中微子与水中
的核反应,间接地证实了中微子的存
在。
(1)中微子与水中的
发生核反应,产生中子
（
）和正电子（
）,
即:中微子
。可以判定,中微子的质量数和电荷数分别
是
。?
A.0和0 B.0和1 C.1和0 D.1和1
(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇,与电子形成几乎静止的整体后,
可以转变为两个光子(γ),即
→2γ已知正电子和电子的质量都为
9.1×10-31kg,反应中产生的每个光子的能量约为 J。正电子与电子
相遇不可能只转变为一个光子,原因是
。?
【解析】(1)根据质量数守恒、电荷数守恒,知中微子的质量数和电荷数分别为
0和0。故选A
(2)根据爱因斯坦质能方程知,ΔE=Δmc2=2E,
解得光子能量为:E=
=9.1×10-31×(3.0×108)2=8.19×10-14J,
正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子,因为要遵循动量守恒。
答案:(1)A (2)8.19×10-14 遵循动量守恒
8.(14分)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,释放出大量的核能。
(1)核反应方程
+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种,
则a的值为多少,X表示哪一种核?
(2)有一座核能发电站,发电能力P=1×106
kW,核能转化为电能的效率η=45%,
设反应堆中发生的裂变反应全是(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=3.9×10-25
kg,求每年需要消耗的铀的
质量。(结果保留2位有效数字)
【解析】(1)根据质量数和核电荷数守恒可得:
X的电荷数为0,质量数为1,X为中子,a=3。
(2)该核能发电站一年发出的电能为:W1=Pt=1×109×365×24×3
600
J=
3.153
6×1016
J
需要核反应产生的能量为:W=
=7.008×1016
J
这么多核能需要燃烧的铀核质量为m=
代入数据,解得:m≈983
kg≈0.98
t
答案:(1)3 中子 (2)0.98
t
【能力提升】
(10分钟·20分)
9.(6分)(多选)根据《中国核电中长期发展规划》,2020年,全国核电规划装机
容量达到5
800万千瓦。关于核反应和核能下列说法正确的是
( )
A.所有的核反应过程都会出现质量亏损,因此都会向外释放能量
B.核反应
属于α衰变
C.钚的半衰期为24
100年,8个钚原子经过24
100年后一定还剩余4个
D.裂变反应堆中,镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度
【解析】选B、D。不是所有的核反应都有质量亏损,例如弹性散射就没有质量亏损,而常见的核反应例如天然放射现象、核裂变、核聚变等只要存在能量的释放,那么就意味着体系发生了质量亏损,A错误;α衰变是指衰变产生α粒子,B正确;经过一个半衰期未发生衰变的质量为原来的一半,遵循统计规律,不是原子数目减为原来的一半,C错误;裂变反应堆中,镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,D正确。
10.(6分)(多选)当一个重核裂变时,它所产生的两个核
( )
A.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
【解析】选B、D。发生裂变的重核是中子数大于质子数,所以发生裂变后的两个新核的中子数也大于质子数,新核容易发生衰变,是不稳定的,故A错误;重核发生裂变后会产生更多的中子,所以一个重核裂变时,它产生的两个核的中子数较裂变前重核的中子数少,故B正确;由于裂变的过程中有质量亏损,会释放能量,所以裂变时释放的能量大于俘获中子时得到的能量,故C错误;根据现在的发现可知,一个重核裂变时,它能产生的两个核可以是多种形式的两个核的组合,故D正确。
11.(6分)(多选)已知氘核的比结合能是1.09
MeV,氚核的比结合能是2.78
MeV,
氦核的比结合能是7.03
MeV。某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦
核,则下列说法中正确的是
( )
A.这是一个裂变反应
B.核反应方程式为
C.核反应过程中释放的核能是17.6
MeV
D.目前核电站都采用上述核反应发电
【解析】选B、C。1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核,这是两个比较轻的核转化成中等质量的核,所以属于聚变反应,A错误;根据质量数和质子数守恒,可以知道当1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核时会有一个中子生成,B正确;原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能。根据题意可知,核反应过程中释放的核能是ΔE=(7.03×4-2.78×3-1.09×2)MeV=17.6
MeV,C正确;目前核电站都是采用核裂变技术,D错误。
【补偿训练】
(多选)在某些恒星内,3个α粒子结合成1个C原子,C原子的质量是12.000
0
u,
He原子的质量是4.002
6
u。已知1
u=1.66×10-27
kg,则
( )
A.反应过程中的质量亏损是0.007
8
u
B.反应过程中的质量亏损约为1.29×10-29
kg
C.反应过程中释放的能量约为7.28
MeV
D.反应过程中释放的能量约为1.16×10-19
J
【解析】选A、B、C。根据题意可知,核反应方程为:
→
+ΔE,反应中的
质量亏损:
Δm=3×4.002
6
u-12.000
0
u=0.007
8
u,即Δm=0.007
8×1.66×10-27
kg
=1.294
8×10-29kg≈1.29×10-29
kg,故A、B正确;根据爱因斯坦质能方程可
知,ΔE=Δmc2=1.294
8×10-29×(3.00×108)2
J≈1.165×10-12
J=
eV
=7.28
MeV,故C正确,D错误。
12.(22分)两个氘核聚变产生一个中子和一个氦核,已知氘核质量mD=2.013
6
u,
氦核质量mHe=3.015
0
u,中子质量mn=1.008
7
u。
(1)写出聚变方程。
(2)计算释放的核能。
(3)若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35
MeV,它们正撞发生聚变,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:
(2)核反应过程中的质量亏损为
Δm=2mD-(mHe+mn)=0.003
5
u
释放的核能为ΔE=0.003
5×931.5
MeV=3.26
MeV
(3)对撞过程动量守恒,由于反应前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反应
前后系统的动量为0,即:
0=mHevHe+mnvn,反应前后总能量守恒,得:
=ΔE+2Ek0
解得:EkHe=0.99
MeV,Ekn=2.97
MeV
答案:(1)
(2)3.26
MeV
(3)0.99
MeV 2.97
MeV(共69张PPT)
第4节 核裂变和核聚变
第5节 核能的利用与环境保护
必备知识·素养奠基
一、核裂变
1.核裂变:重核被_____轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核,并放出_____
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
。
3.链式反应:当一个中子引起一个重核裂变后,裂变释放的中子再引起其他重核
裂变,且能不断继续下去,这种反应叫核裂变的_________。
4.链式反应的条件:发生裂变物质的体积大于_________或裂变物质的质量大于
_________。
中子
核能
链式反应
临界体积
临界质量
二、核反应堆
1.核反应堆:
能_____和_____核裂变的装置。
2.核反应堆的构成:
_____、___________、_________和防护层等部分。
(1)堆芯:由燃料棒、减速剂和冷却剂组成。
(2)中子反射层:反射核裂变中产生的_____,使其进一步参加链式反应。
(3)控制棒:用能_____慢中子的镉或硼钢制成,以控制链式反应的速度。
维持
控制
堆芯
中子反射层
控制系统
中子
吸收
三、核聚变
思考“大海航行靠舵手,万物生长靠太阳。”没有太阳,地球上就不可能有姿态万千的生命现象。当然也不会孕育出作为智能生物的人类。太阳是靠什么为地球生命提供巨大能量的呢?
提示:现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应。
1.轻核聚变:采用轻核_____成较重核引起结合能变化的方式可获得核能。这样
的核反应称为轻核聚变。
2.太阳内部核聚变的反应方程:
。
3.聚变燃料的获取:氘可从海水中提取,天然的氚不存在,但可通过反应
得到。
聚合
四、可控热核聚变
1.核子聚变的条件:要使核子发生聚变,必须使核子接近_____能发生作用的范
围。
2.物质第四态——等离子态:高温等离子体的密度及维持时间达到一定值时才
能实现聚变。
3.约束等离子体的三种方式:引力约束、磁约束、_________。
核力
惯性约束
五、核电站与核武器
1.核电站:将_______释放的核能转化为电能的发电厂。
工作流程:将反应堆释放的核能转化为蒸汽的内能,再利用蒸汽驱动汽轮机发电
转化为电能。
燃料:反应堆以
为燃料。
2.核武器:_______和_____是众所周知的两种核武器。
反应堆
原子弹
氢弹
六、核能的优势与危害
1.核能的优势:
(1)核能发电比燃煤发电的成本___。
(2)核电站对环境污染比燃煤发电_______。
2.核能利用存在的危害:
(1)核废料的_________。
(2)放射性物质泄漏,产生_______。
(3)核武器威力巨大,不仅能摧毁生命,而且会使_________受到严重破坏。
小得多
高辐射性
核污染
生态环境
低
关键能力·素养形成
一 铀核裂变及链式反应
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。重核的裂变是放能核反应,原因是核反应前后质量有亏损,根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。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。
2.重核裂变的条件:
(1)要有足够浓度的铀235。
(2)要有足够数量的慢中子。
(3)铀块的体积要大于临界体积。
3.常见的裂变方程:
4.裂变反应的能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200
MeV估算,1
kg铀235全部裂变放出的能量相当于两千余吨标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
【思考?讨论】
情境:如图所示为
裂变的示意图。
讨论:(1)
裂变的产物都是一样的吗?
提示:不一样。有时裂变为氙和锶,有时裂变为钡和氪,有时裂变为锑和铌。
(2)发生链式反应时,为什么铀块的体积要大于临界体积?
提示:如果铀块体积不够大,生成的中子从铀块中通过时可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面了,所以发生链式反应时铀块的体积必须大于临界体积。
【典例示范】
裂变反应是目前核能利用中常用的反应,以原子核
为燃料的反应堆中
俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种方式可表示为:
反应方程下方的数字是中子及有关原子核静止时的质量(以原子质量单位u为单
位),已知1
u的质量对应的能量为931.5
MeV,求:
(1)该反应中放出的能量是多少兆电子伏特?
(2)1
kg
全部裂变大约产生多少能量?(结果保留两位有效数字)
【解析】(1)裂变前后的质量亏损为:
Δm=mU+mn-mXe-mSr-3mn。
由质能方程ΔE=Δm×931.5
MeV,得:
ΔE=(235.043
9-138.917
8-93.915
4-2×1.008
7)×931.5
MeV
≈1.8×102
MeV。
(2)1
kg
的铀核数为:
n=
×6.02×1023≈2.56×1024(个)。
故1
kg
全部裂变产生的能量约为:
E=n·ΔE=2.56×1024×1.8×102
MeV≈4.6×1026MeV。
答案:(1)1.8×102
MeV (2)4.6×1026MeV
【规律方法】重核裂变核能计算的方法
(1)一般是先根据核反应方程求出一个重核裂变时发生的质量亏损,由质能方程计算出释放的能量。
(2)用阿伏伽德罗常数把核能与重核质量联系起来。
(3)在计算过程中要注意单位的统一。
【素养训练】
1.
吸收一个慢中子后,分裂成
和
,还放出
( )
A.1个α粒子 B.3个中子
C.10个中子
D.10个质子
【解析】选C。设放出的粒子的质量数为x,电荷数为y,核反应过程满足质量数
守恒和电荷数守恒。由题意可知=
则
由此判定该核反应放出的一定是中子,且个数是10,C选项正确。
2.1938年哈恩用中子轰击铀核,发现产物中有原子核钡(Ba)、氪(Kr)、中子和
一些γ射线。下列关于这个实验的说法中正确的是
( )
A.这个实验的核反应方程是
B.这是一个核裂变过程,反应后粒子质量之和大于反应前粒子质量之和
C.这个反应中释放出的能量可以用爱因斯坦的光电效应方程来计算
D.实验中产生的γ射线,其穿透能力极强
【解析】选D。根据质量数守恒、电荷数守恒,铀核裂变的核反应方程应为
,选项A不正确;铀核裂变过程中,产生γ射线,放出能
量,发生质量亏损,释放的能量根据爱因斯坦的质能方程计算,选项B、C不正确;
核反应中产生的γ射线,穿透能力极强,是能量极高的光子,选项D正确。
【补偿训练】
1.(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应是
,下列说法正确的有
( )
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
【解析】选A、C。
由核反应方程式可以看出,该反应生成的有中子,A正确;铀块体积需达到临界体积才能发生链式反应,所以铀块体积对链式反应的发生有影响,B错误;
铀核的链式反应可以通过控制棒进行人工控制,C正确;
放射性物质的半衰期是元素本身的属性,与外界物理环境和化学环境均无关,D错误。
2.2019年4月23日,海军建军70周年阅兵式上,中国海军“长征10号”战略导弹核潜艇公开亮相。核潜艇是以核反应堆作动力源。关于核反应,下列说法正确的是
( )
A.核反应方程
属于β衰变,而β射线来自原子外层的电子
B.核反应方程
属于裂变,是核潜艇的动力原理
C.核反应方程
属于裂变,是原子弹裂变反应原理
D.核反应前后核子数相等,所以生成物的质量等于反应物的质量之和
【解析】选C。β衰变是原子核的衰变,与核外电子无关,故A错误;B项反应方程式不满足裂变的形式,故B错误;质量数较大的核裂变为质量中等的核,属于重核裂变,是原子弹裂变反应原理,故C正确;核反应前后核子数相等,核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,故D错误。
二 核聚变的理解及应用
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:从比结合能的图线看,轻核聚变后比结合能增加,因此聚变反应是一个放能反应。
3.核聚变的特点:
(1)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。
(2)热核反应一旦发生,就不再需要外界给它能量,靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
(3)普遍性:热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着,太阳就是一个巨大的热核反应堆。
4.核聚变的应用:
(1)核武器——氢弹:一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核聚变爆炸。
(2)可控热核反应:目前处于探索阶段。
【典例示范】
太阳的能量来自下面的反应:四个质子(氢核)聚变成一个α粒子,同时放出两
个正电子,若太阳辐射能量的总功率为P,质子
、氦核
、正电子
的质
量分别为mp、mα、me,真空中的光速为c,求:
(1)写出核反应方程;
(2)核反应所释放的能量ΔE;
(3)1
s内参与上述热核反应的质子数目。
【解析】(1)根据质量数守恒和电荷数守恒,可得核反应方程为
。
(2)质量亏损Δm=4mp-mα-2me,根据爱因斯坦质能方程:ΔE=Δmc2,核反应释放的
能量,ΔE=(4mp-mα-2me)c2。
(3)设单位时间内参与热核反应的质子数为N,依据能量关系
P=
,有N=
。
答案:(1)
(2)(4mp-mα-2me)c2
(3)
【素养训练】
1.(多选)关于轻核聚变,下列说法正确的是
( )
A.两个轻核聚变为中等质量的原子核时要吸收能量
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很多
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
【解析】选B、D。根据比结合能图线可知,聚变后比结合能增加,因此聚变反应中会释放能量,故A错误;聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变反应中每个核子放出的能量大3～4倍,故B正确;裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,而聚变反应时,要使轻核之间的距离达到10-15
m以内,这需要原子核有很大的动能才可以实现聚变反应,故C错误,D正确。
2.氘核和氚核可发生热核聚变而释放出巨大的能量,该反应方程为
,式中x是某种粒子。已知
和粒子x的质量分别为
2.014
1
u、3.016
1
u、4.002
6
u和1.008
7
u;1
u=931.5
MeV/c2,c是真空中的光速。由上述反应方程和数据可知,粒子x是 ,该反应释放出的能量为
MeV(结果保留3位有效数字)。?
【解析】根据质量数和电荷数守恒可得x是
(中子)。核反应中的质量亏损为
Δm=2.014
1
u+3.016
1
u-4.002
6
u-1.008
7
u=0.018
9
u
所以该反应释放出的能量为
ΔE=Δm·c2=17.6
MeV
答案:
17.6
MeV
【补偿训练】
1.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.地球上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
【解析】选B。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。
2.某核反应方程为
。已知
的质量为2.013
6
u
的质量为
3.016
u
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】选B。根据电荷数和质量数守恒可求得X的质量数为1,电荷数为0,所以是中子;反应前后的质量变化为(2.013
6+3.016)
u-(4.002
6+1.008
7)
u
=0.018
3
u,所以发生了质量亏损,反应释放能量。
三 重核裂变与轻核聚变的比较
反应方式
比较项目
重核裂变
轻核聚变
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
废料处理
聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
反应方式
比较项目
重核裂变
轻核聚变
原料储量
核裂变燃料铀在地球上储量有限,尤其用于核裂变的235U在铀矿石中只占
0.7%
主要原料是氘,氘在地球上的储量非常丰富。1
L海水中大约有0.03
g
氘,如果用来进行热核反应放出的能量约与燃烧300
L汽油相当
反应控制
速度比较容易进行人工控制,现在的核电站都是用裂变反应释放核能
目前正在突破关键技术,最终将建成商用核聚变电站
【思考?讨论】
为什么轻核的聚变反应能够比重核的裂变反应释放更多的核能?
提示:因为很轻的原子核比较重的原子核的核子平均质量更大,聚变成质量较大的原子核能产生更多的质量亏损,所以平均每个核子释放的能量就更大。
【典例示范】
(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一,下列释放
核能的反应方程,表述正确的是
( )
A.
是核聚变反应
B.
是β衰变
C.
是核裂变反应
D.
是α衰变
【解析】选A、C。
是轻核聚变反应,A正确,B错误
和
均为重核裂变反应,
C正确,D错误。
【误区警示】对核反应的两个认识误区
(1)误认为聚变就是裂变的逆反应。产生这种误区的原因是对聚变和裂变的本质没有理解透,裂变时重核分裂成中等核,而聚变是轻核聚合成为次轻核,无直接关联,并非互为逆反应。
(2)不能正确判断聚变、裂变、衰变及人工转变的方程。核聚变是轻核结合成质量较大的核,也会放出中子;重核裂变时铀核捕获中子裂变为两个或更多个中等质量的核,并放出几个中子;人工转变常用α粒子或中子去轰击原子核,产生新原子核并放出一个或几个粒子;衰变是原子核自发地转变为另一种核,并向外辐射出α粒子或β粒子的反应,衰变根据向外辐射粒子的不同分为α衰变和β衰变两种。
【素养训练】
1.我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有:
关于这两个方程的下列说法,正确的是
( )
A.方程(1)中k=10,方程(2)中d=1
B.方程(1)中k=6,方程(2)中d=1
C.方程(1)属于轻核聚变
D.方程(2)属于α衰变
【解析】选A。根据质量数守恒,方程(1)中箭头左侧的质量数之和为236,箭头右侧应有90+136+k=236,解得k=10,根据质量数守恒,方程(2)中应满足2+3=4+d,解得d=1,A正确,B错误;方程(1)为重核裂变,方程(2)为轻核聚变,C、D均错误。
2.以下说法正确的是
( )
A.聚变是裂变的逆反应
B.如果裂变释放能量,则聚变反应必定吸收能量
C.聚变必须将反应物加热至数百万开尔文以上的高温,显然是吸收能量
D.裂变与聚变均可释放巨大的能量
【解析】选D。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质量核,而聚变则是轻核聚合成为较重核,无直接关联,并非互为逆反应,A项错;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,B项错;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,故C项错,D项对。
【补偿训练】
1.(多选)关于聚变和裂变,以下说法正确的是
( )
A.聚变反应的条件是聚变物质的体积达到临界体积
B.太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的热核反应
C.铀核裂变时一定同时放出3个中子
D.为了使裂变的链式反应容易进行,最好用纯铀235
【解析】选B、D。裂变反应的条件是裂变物质的体积达到临界体积,选项A错误;太阳不断地向外辐射能量,仍保持1千万度以上的高温,其主要原因是太阳内部进行着剧烈的热核反应,选项B正确;重核裂变时用中子轰击重核,产生多个中子,中子又会撞击重核,产生更多的中子,使裂变不断进行下去,这就是链式反应,铀核裂变时能同时释放2～3个中子,故C错误;铀235越纯,越容易发生链式反应,故D正确。
2.有一种聚变反应是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。(已知煤的燃烧值q=3.36×107
J/kg,氢核质量为1.008
142
u,氦核质量为4.001
509
u,电子的质量为0.000
549
u,1
u相当于931.5
MeV)求:
(1)该聚变反应释放多少能量?
(2)若1
g氢完全聚变,能释放多少能量?
(3)1
g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?
【解析】(1)核反应方程为:
,
所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008
142
u-4.001
509
u-2×0.000
549
u
=0.029
961
u
ΔE=Δmc2=0.029
961×931.5
MeV=27.91
MeV=4.47×10-12
J
(2)1
g氢完全聚变释放的能量为:
E=
×6.02×1023×4.47×10-12
J=6.73×1011
J
(3)相当于煤完全燃烧的质量为:
m=
kg=2.00×104
kg
答案:(1)4.47×10-12
J (2)6.73×1011
J
(3)2.00×104
kg
【拓展例题】考查内容:能量守恒在轻核聚变反应中的综合应用
【典例】两个动能均为1
MeV的氘核发生正面碰撞,引起如下反应
。已知:氘核的质量为2.013
6
u,氚核的质量为3.015
6
u,
氢核的质量为1.007
3
u,1原子质量单位(u)相当于931.5
MeV。试求:
(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少MeV?
(2)若放出的能量全部变为新生核的动能,则新生的氢核所具有的动能为多少
MeV?
【解析】(1)由质能方程,核反应中放出的能量为:
ΔE=Δmc2=(2×2.013
6
u-3.015
6
u-1.007
3
u)×931.5
MeV=4.005
MeV
(2)相互作用过程中动量守恒:p1+p2=0
新生的氚核的动能:
新生的氢核的动能:
由能量守恒得:2Ek+ΔE=
代入数据得新生的氢核的动能:
=4.5
MeV。
答案:(1)4.005
MeV (2)4.5
MeV
【课堂回眸】
1.(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
课堂检测·素养达标
【解析】选A、B、D。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;慢中子最容易引发铀核裂变,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。
2.(多选)(2020·全国Ⅱ卷)氘核
H可通过一系列聚变反应释放能量,其总效
果可用反应式
表示。海水中富含氘,已知
1
kg海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与
质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1
kg标准煤燃烧释放的热量约为
2.9×107
J,1
MeV=
1.6×10-13
J,则M约为
( )
A.40
kg B.100
kg C.400
kg D.1
000
kg
【解析】选C。6个氘核聚变可释放43.15
MeV能量,故1
kg海水中的氘核全部发
生聚变释放的能量为Q1=43.15×1.6×10-13×
J,质量为M的标准煤燃烧释
放的热量为Q2=M×2.9×107
J,因Q1=Q2,解得M≈400
kg,C正确,A、B、D错误。
【补偿训练】
1个铀235核吸收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为阿伏伽德罗常数)
( )
A.NA×196
MeV B.235NA×196
MeV
C.235×196
MeV
D.
×196
MeV
【解析】选D。1
g纯铀235有
×NA个铀235核,因此1
g纯铀235吸收中子完全
发生核反应可以释放出
×196
MeV能量。
3.《流浪地球》这部电影获得了极大的好评,也涉及了许多物理知识,如氦闪、地球刹车和逃逸、木星的引力弹弓效应。太阳发生氦闪之前进行的是氢聚变,关于核反应的类型,下列表述正确的是
( )
【解析】选A。A选项是α衰变,B选项是人工转变,C选项是人工转变,D选项是β衰变,故选A。
【补偿训练】
现有三个核反应方程:
下列说法正确的是
( )
A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变
B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变
C.①是β衰变,②是裂变,③是聚变
D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变
【解析】选C。①中的
是β粒子,故发生的是β衰变,②是重核分裂成质量较
小的核是裂变,③是典型的聚变,所以正确选项是C。
4.如下一系列核反应是在恒星内部发生的。
其中p为质子,a为α粒子,e+为正电子,ν为中微子,已知质子的质量为
mp=1.672
648×10-27
kg,α粒子的质量为mα=6.644
929×10-27
kg,
正电子的质量为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,试计算该系列核反应完成后释放的能量。
【解析】为求出系列反应后释放的能量,将题中所给的诸核反应方程左右两侧
分别相加,消去两侧相同的项,系统反应最终等效为4p
a+2e++2ν
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
代入数值可得Q=3.95×10-12
J
答案:3.95×10-12
J
【新思维·新考向】
情境:在可控核反应堆中需要给快中子减速,轻水、重水和石墨等常用作减速
剂。中子在重水中可与
核碰撞减速,在石墨中与
核碰撞减速。上述碰撞
可简化为弹性碰撞模型。
问题:某反应堆中快中子与静止的靶核发生对心正碰,通过计算说明,仅从一次
碰撞考虑,用重水和石墨做减速剂,哪种减速效果更好?
【解析】设中子质量为Mn,靶核质量为M,由动量守恒定律:Mnv0=Mnv1+Mv2
由能量守恒:
解得v1=
在重水中靶核质量MH=2Mn,v1H=
=-
v0
在石墨中,靶核质量MC=12Mn,v1C=
=-
v0,与重水靶核碰撞后中子速
度较小,故重水减速效果更好。
答案:重水减速效果更好(共20张PPT)
十三 核力与核能
【基础巩固】
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.关于原子核中的质子和中子,下列说法中正确的是
( )
A.两个质子之间,不管距离如何,核力总是大于库仑力
B.除万有引力外,任意两个中子之间不存在其他相互作用力
C.质子与中子的质量不等,但质量数相等
D.同一种元素的原子核有相同的核子数,但中子数可以不同
【解析】选C。在两个质子之间,核力是短程力,作用范围在1.5×10-15m之内,越过此范围,则核力可以忽略不计,此时会小于库仑力,故A错误。除万有引力外,两个中子之间存在核力,故B错误。根据现在的测量可知,质子与中子的质量不等,但质量数相等,故C正确。同位素具有相等的质子数和不同的中子数,所以核子数也不同,故D错误。
2.(多选)下列说法正确的是
( )
A.如图1汤姆孙认为阴极射线本质是带负电的粒子流并求出了其比荷
B.如图2卢瑟福根据绝大多数α粒子大角度散射实验结果提出了原子的核式结构模型
C.如图3中等大小原子核的比结合能最大,其中核子结合得牢固,原子核最稳定
D.如图4自然界中较轻的原子核内质子数与中子数大致相等,稳定的重原子核内质子数比中子数多
【解析】选A、C。汤姆孙认为阴极射线本质是带负电的粒子流并求出了其比荷,故A正确;卢瑟福根据少数α粒子大角度散射实验结果提出原子的核式结构模型,故B错误;中等大小原子核的比结合能最大,其中核子结合得牢固,原子核最稳定,故C正确;自然界中较轻的原子核,质子数与中子数大致相等,但对于较重的原子核,中子数大于质子数,故D错误。
3.一个中子与某原子核发生反应,生成一个氘核,该反应放出的能量为Q,则氘核
的比结合能为
( )
A.
B.
Q C.
D.2Q
【解析】选A。比结合能是原子核结合能对其中所有核子的平均值,亦即若把原
子核全部拆成自由核子,平均对每个核子所要添加的能量。氘核的原子核中有
两个核子,比结合能为
,故A正确,B、C、D错误。
4.如图所示,表示原子核的比结合能与质量数A的关系,据此下列说法中正确的是
( )
A.原子核结合的松紧程度可以用“比结合能”来表征,比结合能的定义是每个
核子的平均结合能,比结合能越大的原子核越稳定
B.重的原子核,例如,铀核(
),因为它的核子多,核力大,所以结合得坚固而稳
定
C.锂核(
)的核子的比结合能比铀核的比结合能小,因而比铀核结合得更坚
固更稳定
D.以上三个表述都错误
【解析】选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;组成原子核的核子越多,它的结合能并不是越高;比结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定,故A正确,B、C、D错误。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.三个α粒子结合成一个
,已知碳原子的质量为12.000
0
u,氦原子的质量
为4.002
6
u。(1
u=1.66×10-27
kg)
(1)写出核反应的方程;
(2)这个核反应放出的能量是多少焦?
(3)这个能量合多少兆电子伏特?
【解析】(1)
+ΔE
(2)Δm=3×4.002
6
u-12.000
0
u=0.007
8
u
Δm=0.007
8×1.66×10-27
kg=1.294
8×10-29
kg
ΔE=Δmc2≈1.165×10-12
J
(3)ΔE=
eV≈7.28×106
eV=7.28
MeV
答案:(1)
+ΔE (2)1.165×10-12
J
(3)7.28
MeV
【能力提升】
(10分钟·20分)
6.(6分)(多选)由图可得出的结论是
( )
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大于氘核的质量
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】选B、C。氘核吸收了γ光子后,能量增加分裂成了一个中子和一个质子,故C对,D错;根据能量守恒和爱因斯坦质能方程可知,能量增加对应的质量也增加,故质子和中子的质量之和大于氘核的质量,A错,B对。
7.(14分)一静止的氡核
发生α衰变转变成钋核
,已知放出的α粒子
的质量为m,速度为v0。假设氡核发生衰变时,释放的能量全部转化为α粒子和
钋核的动能。
(1)试写出氡核衰变的核反应方程。
(2)求出氡核发生衰变时的质量亏损。(已知光在真空中的速度为c)
【解析】(1)衰变的核反应方程
(2)由动量守恒定律:0=mv0-Mv,其中
,由Δmc2=
,
得Δm=
。
答案:(1)
(2)
【总结提升】对质能方程理解的三个误区
(1)由质能方程E=mc2,可推得ΔE=Δmc2,进而误认为质量就是能量、质量可以转化为能量。产生这种误区的原因是对质量和能量这两个概念以及对质能方程中的质量和能量间的关系理解不到位造成的。实际上质量和能量是两个完全不同的概念,它们表征的对象不同,相互之间也不可能转化;而质能方程E=mc2则体现了两者的联系,深刻地揭示了物质与运动的关系。
(2)误认为关系式ΔE=Δmc2中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒。这是由于对质量这个概念的理解不够全面造成的。质量有静止质量和运动质量,质量亏损本质是静止质量的一部分转化为运动质量,是质量守恒定律在核反应中的客观体现。
(3)误认为在核反应时常有γ光子释放,根据E=mc2可知γ光子有一定的质量,这与γ光子的质量数为零相矛盾。出现这种错误认识是由于对质量这个概念的理解不够全面造成的。一般我们所说的质量数是指粒子静止时的相对质量,所谓γ光子的质量数为零即指γ光子静止时的相对质量为零(即常说的静止质量)。在核反应时辐射出来的γ光子常具有一定的能量,所以根据质能方程E=mc2可知γ光子由于运动而有一定的运动质量。从上面的分析可以看出,这两者是由于我们认识角度不同而得到了两种不同的结果,它们并不矛盾。(共72张PPT)
第3节 核力与核能
必备知识·素养奠基
一、核力与核的稳定性
思考
质子之间存在库仑力,质子与中子、中子与中子之间没有库仑力,那么是不是质子之间存在核力,质子与中子、中子与中子之间没有核力?
提示:不是。核力是短程力,存在于相邻的核子之间,无论是质子之间、质子与中子之间还是中子之间,都存在核力。
1.核力:
(1)定义:把原子核中的_____维系在一起的力叫作核力。
(2)特点。
①核力是__(A.强相互作用 B.弱相互作用)的一种表现,在原子核的限度内,
核力比库仑力_______。
②核力是__(A.长程力 B.短程力),作用范围在2×10-15
m左右。
核子
A
大得多
B
2.原子核的稳定性:
(1)核素:具有一定_______和_______的原子。
(2)核素图:用横坐标表示质子数,纵坐标表示中子数,每一种_____用一
小方块表示,所得到的图象叫作核素图。
质子数
中子数
核素
(3)原子核的稳定性。
①核素的稳定区:稳定核素几乎全落在一条曲线上,或紧靠曲线的两侧,
这个区域称为_____________。
②稳定核素的中子数和质子数的关系:随着核电荷数的增加,稳定核素的
中子数越来越_____质子数。
核素的稳定区
大于
二、四种基本相互作用
1.长程力:_____________和_____________。
2.短程力:___________和___________。
3.四种相互作用由强到弱的排列:___________、_____________、
___________、_____________。
引力相互作用
电磁相互作用
强相互作用
弱相互作用
强相互作用
电磁相互作用
弱相互作用
引力相互作用
三、结合能与平均结合能
思考
有人认为质量亏损就是核子的个数变少了,这种认识对不对?
提示:不对。在核反应中质量数守恒即核子的个数不变,只是核子组成原子核时,仿佛变“轻”了一些,原子核的质量总是小于其全部核子质量之和,即发生了质量亏损,核子的个数并没有变化。
1.原子核的结合能:核子在结合成原子核时所_____的能量。
2.平均结合能:对某种原子核,平均每个核子的结合能称为平均结合能,它
等于原子核的结合能与核子数之比。
3.质量亏损与质能方程:
(1)质量亏损:任何一个原子核的质量总小于组成它的所有核子质量之和,
这一差值叫作质量亏损。
(2)爱因斯坦质能方程:核子结合成原子核时将有能量放出,结合能的计算
公式是ΔE=_____。
释放
Δmc2
关键能力·素养形成
一 原子核的稳定性分析
1.核力的性质:
(1)核力是四种相互作用中的强相互作用(强力)的一种表现。
(2)核力是短程力。约在10-15
m数量级时起作用,距离大于0.8×10-15
m时为引力,距离小于0.8×10-15
m时为斥力,距离为10×10-15
m时核力几乎消失。
(3)核力具有饱和性。核子只对相邻的少数核子产生较强的引力,而不是与核内所有核子发生作用。
(4)核力具有电荷无关性。核力与核子电荷无关。
2.原子核中质子与中子的比例关系:
(1)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,越重的原子核,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,随原子核的增大,核子间的距离增大,核力和电磁力都会减小,但核力减小得更快。所以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,因为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内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之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。
【思考?讨论】
为什么核电荷数越多的原子核越不稳定?
提示:核电荷数越多的原子核中,有些核子之间的距离越来越大,随着距离增大,核力和质子间的斥力都减小,但核力减小得更快,当原子核大到一定程度时,核力会小于质子间的斥力,原子核就不稳定了。
【典例示范】
关于原子核中质子和中子的说法,正确的是
( )
A.原子核中质子数和中子数一定相等
B.稳定的重原子核里,质子数比中子数多
C.原子核都是非常稳定的
D.由于核力的作用范围是有限的,核力具有饱和性,不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在
【解析】选D。由稳定核的质子数与中子数的关系图像可知,质量越大的原子核内中子数比质子数多得越多,故A、B错误;原子核可以发生衰变,故C错误;由核力作用特点可知,核子数越多的原子核越不稳定,故D正确。
【素养训练】
1.对原子核的组成,下列说法正确的是
( )
A.核力可使一些中子组成原子核
B.核力可使非常多的质子组成原子核
C.不存在只有质子的原子核
D.质量较大的原子核内一定有中子
【解析】选D。由于原子核带正电,不存在只有中子的原子核,但核力也不能把非常多的质子聚集在一起组成原子核,原因是核力是短程力,质子之间还存在长程力——库仑力,A、B错误;自然界中存在只有一个质子的原子核,如
H,C错误;较大质量的原子核内只有存在一些中子,才能削弱库仑力,维系原子核的稳定,故D正确。
2.(多选)核子结合成原子核的下列说法中,正确的是
( )
A.原子核内的核子间均存在核力
B.原子核内的质子间均存在核力和库仑力
C.当n个核子靠近到核力作用的范围而结合为原子核时,其间势能一定减小
D.质子数较多的原子核,其中的中子起到增加核力、维系原子核稳定的作用
【解析】选C、D。由于核力为短程力,只会发生在相邻核子之间,由此知A、B错误;当n个核子靠近到核力作用范围内,而距离大于0.8×10-15m时,核力表现为引力,在此过程中核力必做正功,其间势能必定减小,形成原子核后距离一般不小于0.8×10-15m,故C正确;质子数较多的原子核由于只有相邻的核子间才有核力,但各个质子间均有很强的库仑斥力,随着质子数的增加,其库仑力增加,对于稳定的原子核,必须存在较多的中子才能维系二者的平衡,故D正确。
【补偿训练】
1.激光中子是由重原子核吸收光子后发射中子而产生的,光子的极限能量
大约是10
MeV。假定中子从原子核上向外移开距离10-13
cm所受的力保持
不变,则平均核力的数量级是
( )
A.10-3
N
B.10
N
C.103
N
D.无法计算
【解析】选C。核力是一种很强的力,应存在于相邻的核子之间,
由题意知:F·d=W=E,则F=
=1.6×103
N,故选项C正确。
2.
的核由6个质子与6个中子组成,其中两个质子之间存在着万有引力、库仑力和核力,则三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】选D。核力是强相互作用力,是它将核子束缚在原子核内;库仑力如果大于核力,原子核内质子就不能存在于这么小的范围内;万有引力最弱,研究核子间相互作用时万有引力可以忽略;所以A、B、C错。
二 结合能的含义
1.结合能和平均结合能:由于核力的存在,核子结合成原子核时要放出一定的能量,原子核分解成核子时,要吸收同样多的能量,核反应中放出或吸收的能量称为结合能。平均结合能:原子核的结合能与核子数之比。平均结合能越大,表示原子核结合得越牢固,原子核越稳定。
2.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,不过通常把它叫作氢原子的电离能,而结合能一词只用在原子核中。
3.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所示。
从图中可看出,中等质量原子核的平均结合能最大,轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核要小。
4.平均结合能与原子核稳定的关系:
(1)平均结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,平均结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,平均结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,平均结合能较大,表示原子核较稳定。
(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。
5.核反应伴随能量的变化:由于核子间存在着巨大的核力作用,所以原子核是一
个坚固的集体。要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,需要巨大的
能量。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
的γ光子照射。核反应方程为
。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：
【思考?讨论】情境:如图所示,不同原子核的平均结合能随核子数变化的图线。
讨论:(1)平均结合能的大小与核子数的关系如何?
提示:中等质量原子核的平均结合能最大,轻核和重核的平均结合能都比中等质量的原子核的平均结合能要小。
(2)平均结合能越大的原子核,结合能越大吗?
提示:结合能是原子核拆解成单个核子时吸收的能量,而平均结合能是原子核的结合能与其核子数之比。所以结合能大的原子核,平均结合能不一定大,结合能小的原子核,平均结合能不一定小,相对来说,平均结合能更有意义,它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
【典例示范】(多选)核能具有高效、清洁等优点,利用核能是当今世界解决能源问题的一个重要方向。原子核的比结合能曲线如图所示,根据该曲线判断下列说法正确的是
( )
A.
核的比结合能大于
核的比结合能,因此
核更稳定
B.两个
核结合成
核时释放能量
C.
核的结合能约为7
MeV
D.
的比结合能大于
的比结合能
【解析】选B、D。
核的比结合能大于
核的比结合能,因此
核
更稳定,故A错误
核的比结合能约为7
MeV，
核的比结合能约为
1
MeV,则两个
核结合成
核时释放能量,故B正确,C错误;由题图
可知
的比结合能大于
的比结合能,故D正确。
【素养训练】
1.(多选)某种原子序数大于90的原子核不稳定,分裂成三个质量较小的新核和某种射线,关于该分解过程正确的是
( )
A.一定放出能量
B.新核的比结合能更小
C.放出的射线可能为X射线
D.若放出的射线为β射线,则分解过程中存在弱相互作用
【解析】选A、D。分裂后的原子核的质量数比分裂前小,所以比结合能增大,一定放出能量,A正确,B错误;放出的射线只可能是α、β、γ中的某一种,不可能是X射线,C错误;β射线是中子转化为质子时产生的,而弱相互作用就是在中子转化为质子时起作用,故D正确。
2.(多选)钚的一种同位素
衰变时释放巨大能量,如图所示,其衰变方程
为
,并伴随γ光子辐射,则下列说法中正确的是
( )
A.核燃料总是利用平均结合能小的核
B.核反应中γ光子的能量就是
的结合能
C.
核比
核更稳定,说明
的结合能大
D.由于衰变时释放巨大能量,所以
比
的
平均结合能小
【解析】选A、D。根据平均结合能越大,越稳定,则核燃料总是利用平均结合能
小的核,故A正确。结合能是把核子分开所需要的能量,而并非核反应中γ光子
的能量,故B错误。
核比
核更稳定,说明
的平均结合能大,所以
衰变时,会释放巨大能量,故C错误,D正确。故选A、D。
【补偿训练】
1.下面关于结合能和比结合能的说法中,正确的是
( )
A.核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆散成核子时放出的能量称为结合能
B.比结合能越大的原子核越稳定,因此它的结合能也一定越大
C.重核与中等质量原子核相比较,重核的结合能和比结合能都大
D.中等质量的原子核的结合能和比结合能均比轻核要大
【解析】选D。核子结合成原子核要放出能量,原子核拆散成核子时要吸收能量,故选项A错;比结合能越大的原子核越稳定,但比结合能大的原子核,其结合能不一定大。例如,中等质量的原子核的比结合能比重核大,但由于核子数比重核少,其结合能比重核反而小,故选项B、C错;中等质量的原子核的比结合能比轻核大,它的原子核内的核子数比轻核多,因此它的结合能也比轻核大,故选项D正确。
2.(多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是
( )
A.原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量
B.一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能
C.铯原子核(
)的结合能小于铅原子核(
)的结合能
D.比结合能越大,原子核越不稳定
【解析】选A、B、C。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,A正确;一重原子核衰变成α粒子和另一原子核,要释放能量,衰变产物
的结合能之和一定大于原来重核的结合能,故B正确;铯原子核与铅原子核都是
中等质量的原子核,铯原子核(
)的比结合能比铅原子核(
)的比结合
能略大,而铅原子核中的核子数比铯(
)原子核的核子数多一半,所以铯原
子核(
)的结合能一定小于铅原子核(
)的结合能,故C正确;比结合能
越大,原子核越稳定,D错误。故选A、B、C。
三 质能方程与核能的计算
1.质量亏损:所谓质量亏损,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。反过来,把原子核分裂成核子,总质量要
增加,总能量也要增加,增加的能量要由外部供给。总之,物体的能量和质量
之间存在着密切的联系,它们之间的关系就是E=mc2。
2.质能方程E=mc2:爱因斯坦指出,物体的能量(E)和质量(m)之间存在着密切的关系,即E=mc2,式中c为真空中的光速。爱因斯坦质能方程表明:物体所具有的能量跟它的质量成正比。由于c2这个数值十分巨大,因而物体的能量是十分可观的。
3.核能的计算方法:
(1)根据核反应方程,计算核反应前与核反应后的质量亏损Δm。
(2)根据爱因斯坦质能方程E=mc2或ΔE=Δmc2计算核能。
(3)计算过程中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
4.质能方程的本质:
(1)质量或能量是物质的属性之一,决不能把物质和它们的某一属性(质量和能量)等同起来;
(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,方程建立了这两个属性在数值上的关系,这两个量分别遵守质量守恒和能量守恒,质量和能量在数值上的联系决不等于这两个量可以相互转化;
(3)质量亏损不是否定了质量守恒定律。根据爱因斯坦的相对论,辐射出的γ光子静质量虽然为零,但它有动质量,而且这个动质量刚好等于亏损的质量,所以质量守恒、能量守恒仍成立。
【思考?讨论】
爱因斯坦质能方程中说明质量和能量可以相互转化吗?
提示:不是。爱因斯坦质能方程说明了质量和能量这两个物理量间的对应关系,说明有质量就有能量,并不是说质量转化为能量。
【典例示范】
镭核
发生衰变放出一个粒子变为氡核
。已知镭核质量为
226.025
4
u,氡核质量为222.016
3
u,放出粒子质量为4.002
6
u。
(1)写出核反应方程。
(2)求镭核衰变放出的能量。
【解析】(1)核反应(衰变)方程为:
(2)镭核衰变放出的能量为:
ΔE=Δmc2=Δm×931.5
MeV
=(226.025
4-4.002
6-222.016
3)×931.5
MeV
≈6.05
MeV。
答案:(1)
(2)6.05
MeV
【规律方法】计算核能的三种方法
1.根据质量亏损计算核能:
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。其中若Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。若Δm用原子质量单位(u)表示,则ΔE=Δm×931.5
MeV。
2.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。
3.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。
【素养训练】
1.质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时,释放的能量是(c表示真空中的光速)
( )
A.(m1+m2-m3)c
B.(m1-m2-m3)c
C.(m1+m2-m3)
c2
D.(m1-m2-m3)c2
【解析】选C。由题意可知,质量的变化量Δm=m1+m2-m3;根据质能方程ΔE=Δmc2计算释放的能量为E=(m1+m2-m3)c2。
2.(2020·厦门高二检测)一个锂核(
)受到一个质子(
)轰击变为2个
α粒子(
),在此过程中释放出16.6
MeV的能量。(1
u相当于931.5
MeV)求:
(1)写出该核反应的方程。
(2)平均每个核子减少的质量。(保留两位有效数字)
【解析】(1)
(2)Δm=
代入数据得:Δm=0.017
8
u
代入数据得:
=0.002
2
u
答案:(1)
(2)0.002
2
u
【补偿训练】
(2017·全国卷Ⅰ)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应释放的
能量用来发电,氘核聚变反应方程是
,已知
的质量为
2.013
6
u，
的质量为3.015
0
u，
的质量为1.008
7
u,1
u
=
931
MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为
( )
A.3.7
MeV
B.3.3
MeV
C.2.7
MeV
D.0.93
MeV
【解析】选B。氘核聚变反应的质量亏损Δm=2m氘-m氦-mn=0.003
5
u,
则该反应释放的核能为ΔE=Δm×931
MeV=3.258
5
MeV≈3.3
MeV。
【拓展例题】考查内容:动量守恒、能量守恒在原子物理中的应用
【典例】一个静止的铀核
(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
(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
MeV)
(1)写出核衰变反应方程。
(2)算出该核衰变反应中释放出的核能。
(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能,则钍核获得
的动能有多大?
【解析】(1）
(2)质量亏损:Δm=mU-mTh-mHe=0.005
9
u
ΔE=Δmc2=0.005
9×931
MeV=5.49
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
所以钍核获得的动能为
×ΔE=0.09
MeV
答案:(1)
(2)5.49
MeV (3)0.09
MeV
【课堂回眸】
1.下列说法正确的是
( )
A.质子数与中子数相等的原子核最稳定
B.若两个核子间的距离为1.2×10-15
m,则它们间的核力表现为引力
C.两个核子间的核力一定为引力
D.两个质子间的核力与库仑力一定是一对平衡力
课堂检测·素养达标
【解析】选B。中等质量的原子核最稳定,但这些原子核内的质子数和中子数不一定相等,A错误;两个核子间的距离0.8×10-15
mm时表现为引力,r<0.8×10-15
m时表现为斥力,B正确,C错误;一个质子可以受到多个质子对它的库仑力作用,而核力只发生在相邻的核子间,两个质子间的核力与库仑力不一定形成平衡力,D错误。
2.如图所示是描述原子核核子的平均质量m与原子序数Z的关系曲线,由图可知下列说法正确的是
( )
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
【解析】选C。因B、C核子平均质量小于A核子平均质量,故A分解为B、C时,出现质量亏损,放出核能,故A错,同理可得B、D错,C正确。
3.当两个中子和两个质子结合成一个α粒子时,放出
28.30
MeV的能量,当三个α粒子结合成一个碳(C)核时,放出7.26
MeV能量,则当6个中子和6个质子结合成一个碳(C)核时,释放的能量约为
( )
A.21.04
MeV
B.35.56
MeV
C.77.64
MeV
D.92.16
MeV
【解析】选D。6个中子和6个质子可结合成3个α粒子,放出能量3×
28.30
MeV=84.9
MeV,3个α粒子再结合成一个碳核,放出7.26
MeV能量,
故6个中子和6个质子结合成一个碳核时,释放能量为84.9
MeV+7.26
MeV=
92.16
MeV,D项正确。
4.一个电子(质量为m、电荷量为-e)和一个正电子(质量为m、电荷量为e)以相
等的初动能Ek相向运动,并撞到一起,发生“湮灭”,产生两个频率相同的光子,
设产生光子的频率为ν。若这两个光子的能量都为hν,动量分别为p和p′
,
下面关系中正确的是
( )
A.hν=mc2,p=p′
B.hν=
mc2,p=p′
C.hν=mc2+Ek,p=-p′
D.hν=
(mc2+Ek),p=-p′
【解析】选C。能量守恒和动量守恒为普适定律,故以相等动能相向运动发生碰撞而湮灭的正、负电子总能量为:2Ek+2mc2,化为两个光子后,总动量守恒且为零,故p=-p′
,且2Ek+2mc2=2hν,即hν=Ek+mc2,故C正确。
5.静止的氡核
放出α粒子后变成钋核
,α粒子动能为Eα。
若衰变放出的能量全部变为反冲核和α粒子的动能,真空中的光速为c,
则该反应中的质量亏损为
( )
【解析】选C。由于动量守恒,因此反冲核和α粒子的动量大小相等,
由Ek=
可知,它们的动能之比为4∶218,因此衰变释放的总能量是
·Eα,由质能方程得质量亏损是
。
6.卢瑟福用α粒子轰击氮核发现质子。发现质子的核反应为
已知氮核质量为mN=14.007
53
u,氧核的质量为mO=17.004
54
u,氦核质量
mHe=4.003
87
u,质子(氢核)质量为mp=1.008
15
u。(已知:1uc2=931
MeV,
结果保留2位有效数字)求:
(1)这一核反应是吸收能量还是放出能量的反应?相应的能量变化为多少?
(2)若入射氦核以v0=3×107m/s的速度沿两核中心连线方向轰击静止氮核。反应
生成的氧核和质子同方向运动,且速度大小之比为1∶50。求氧核的速度大小。
【解析】(1)Δm=mN+mHe-mO-mp=-0.001
29
u
ΔE=Δmc2=-1.2
MeV
故这一核反应是吸收能量的反应,吸收的能量为1.2
MeV
(2)由动量守恒mHev0=mHvH+mOvO
又vO∶vH=1∶50,解得vO=1.8×106m/s
答案:(1)吸收能量 1.2
MeV (2)1.8×106m/s
【新思维·新考向】
情境:质子被发现以后,英国物理学家卢瑟福曾预言:可能有一种质量与质子相
近的不带电的中性粒子存在,他把它叫作中子。1930年,科学家们在真空条件下
用α射线轰击（
)时,会产生一种看不见的贯穿能力很强的不知名的射线和
另一种粒子。经过研究发现,这种不知名的射线具有如下的特点:①在任意方向
的磁场中均不发生偏转;②这种射线的速度小于光速的十分之一。(其中α粒子
质量为m1、铍核质量为m2、不知名射线粒子质量为m3、另一种粒子质量为m4)
问题:(1)试写出α射线轰击铍核的核反应方程;
(2)试计算上述核反应过程中所释放的能量。
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,那么核反应方程为:
(2)该核反应质量亏损为:
Δm=(m1+m2)-(m3+m4)
根据爱因斯坦质能方程,那么所释放的能量为:
ΔE=Δmc2=[(m1+m2)-(m3+m4)]c2;
答案:(1）
(2)[(m1+m2)-(m3+m4)]c2(共21张PPT)
十二 原子核衰变及半衰期
【基础巩固】
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.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.原子核内存在的电子
D.原子核内的一个中子变成一个质子时,放射出的一个电子
【解析】选D。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电子,其转
化可用下式表示
,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,选项D正确。
2.下列说法中正确的是
( )
A.把放射性元素放在低温处,可以减缓放射性元素的衰变
B.把放射性元素同其他稳定元素结合成化合物,放射性元素的半衰期不变
C.半衰期是放射性元素的原子核全部衰变所需时间的一半
D.某一含铅的矿石中发现有20个氡原子核,经过3.8天(氡的半衰期),此矿石中只剩下10个氡原子核
【解析】选B。半衰期仅由核内部结构决定,故A错,B对;半衰期是针对大量原子核进行统计的统计规律,对单个或几个原子而言,无实际意义,故C、D错。
3.铀裂变的产物之一氪90
是不稳定的,它经过一系列衰变最终成为稳定
的锆90
,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
【解析】选B。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,α衰变的次数为n=
=0次,β衰变的
次数m=40-36=4次,选项B正确。
【补偿训练】
(2020·宁德高二检测)某放射性元素经过6次α衰变和8次β衰变,生成了新核。则新核和原来的原子核相比
( )
A.质子数减少了12
B.质子数减少了20
C.中子数减少了14
D.核子数减少了24
【解析】选D。某放射性元素经过6次α衰变和8次β衰变共产生:6个
和8个
所以质子数减少:2×6+8×(-1)=4
中子数减少:4×6-4=20
核子数减少:4×6=24
故选D。
4.一个氡核
衰变成钋核
并放出一个粒子,其半衰期为3.8天。1
g氡经
过7.6天衰变掉氡的质量,以及
衰变成
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】选B。经过了两个半衰期,1
g的氡剩下了0.25
g,衰变了0.75
g,根据
核反应方程的规律,在反应前后的质量数和核电荷数不变可知
衰变成
放出的粒子是α粒子,所以B正确。
【补偿训练】
(2018·海南高考)已知
的半衰期为24天。4
g
经过72天还剩下( )
A.0 B.0.5
g C.1
g D.1.5
g
【解析】选B。由衰变公式m′=m
,知m′=4×
g=4×(
)3
g=0.5
g,
故B正确。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.测得某矿石中铀、铅比例为1.15∶1,若开始时此矿石中只含有铀238,发生衰变的铀238都变成了铅206,且铀衰变成铅的半衰期是4.5×109年,求此矿石的年龄。
【解析】设开始时矿石中有m0千克铀238,经过n个半衰期后,剩余的铀238为m,
则由半衰期公式得,m=m0(
)n,而已经衰变掉的铀238质量为Δm=m0-m=m0[1-
(
)n],设这些铀衰变成铅的质量为x,则有
,
即
,得
x=
m0[1-(
)n],根据题意,有
,即
解此方程得n=1,即t=T=4.5×109年,所以矿石的年龄为4.5×109年。
答案:4.5×109年
【能力提升】
(10分钟·20分)
6.(6分)(多选)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.磁场方向一定垂直纸面向里
D.磁场方向向里还是向外不能判定
【解析】选B、D。原来静止的核,放出粒子后,由于放出的粒子和反冲核组成的系统动量守恒,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。由于不知道它们的旋转方向,因而无法判定磁场是向里还是向外,即都有可能。
【总结提升】衰变粒子在磁场中运动轨迹的研究
核衰变前后粒子动量守恒,α粒子或β粒子运动方向与新核运动方向相反,但α粒子带正电,β粒子带负电,故可用左手定则判断得到如下结论:
(1)α衰变时两轨迹圆外切,且α粒子与反冲核绕行方向相同。
(2)β衰变时两轨迹圆内切,且β粒子与反冲核的绕行方向相反。
(3)反冲核的电量大,反冲核做圆周运动的半径比放出粒子做圆周运动的半径要小。
【补偿训练】
在匀强磁场里有一个原来静止的放射性碳14,它所放射的粒子与反冲核的轨迹
是两个相切的圆,圆的半径比为2∶1,如图所示,那么碳的衰变方程是
( )
A.
B.
C.
D.
【解析】选D。由静止的碳核得到的两个粒子运动速度方向相反,并且两个粒子
满足动量守恒定律,即mv=-m′v′,由题意可知,粒子在匀强磁场中做圆周运动
的半径比为2∶1,根据r=
知,电荷量之比为1∶2,轨迹圆外切,知放射的粒子
与反冲核带同种电荷,故D正确,A、B、C错误。
7.(14分)钍核
发生衰变生成镭核
并放出一个粒子,设该粒子的质量
为m,电荷量为q,它将要进入电势差为U的带窄缝的平行平板电极S1和S2之间的
电场时,其速度为v0,经电场加速后,沿Ox方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸
面向外的有界匀强磁场,Ox垂直平板电极S2,当粒子从P点离开磁场时,其速度方
向与Ox方向的夹角θ=60°,如图所示,整个装置处于真空中。
(1)写出钍核衰变方程。
(2)求粒子在磁场中沿圆弧运动的轨道半径R。
(3)求粒子在磁场中运动所用的时间t。
【解析】(1)钍核衰变方程
。
(2)设粒子离开电场时的速度为v,
由动能定理得:qU=
,
粒子在磁场中做匀速圆周运动,由qvB=
得轨道半径R=
,所以
R=
。
(3)粒子做圆周运动的周期T=
,t=
T=
。
答案:(1)
(2)
(3)(共60张PPT)
第2节 原子核衰变及半衰期
必备知识·素养奠基
一、原子核的衰变
？思考 原子核衰变前后,新核与原来的核的电荷数,质量数有什么关系?
提示:原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。α衰变电荷数减2,质量数减4。
β衰变电荷数加1,质量数不变。
1.定义:
原子核由于放出_______或_______,而转变为_____的变化称为原子核的衰变。
2.衰变分类:
(1)α衰变:放出α粒子的衰变。
(2)β衰变:放出β粒子的衰变。
3.衰变方程:
α粒子
β粒子
新核
4.衰变规律:
(1)原子核衰变时_______和_______都守恒。
(2)任何一种放射性元素只有一种放射性,不能同时既有α放射性又有β放射性,
而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。
电荷数
质量数
二、衰变的快慢——半衰期
?思考
放射性元素衰变有一定的速率。镭226衰变为氡222的半衰期为1620年,有人说:10
g镭226经过1620年有一半发生衰变,镭226还有5
g,再经过1620年另一半镭226也发生了衰变,镭226就没有了。这种说法对吗?为什么?
提示:不对。放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫作这种元素的半衰期。经过第二个1620年后镭226还剩2.5
g。
1.定义:放射性元素的原子核有_____发生衰变需要的时间叫作半衰期。
2.公式:
。
m为该元素剩余的质量,M为该元素原来的质量,t为经过的时间,
为半衰期。
3.影响因素:元素半衰期的长短由___________因素决定,一般与原子所处的物
理、化学状态以及周围环境、温度无关。
4.适用条件:半衰期描述的是___________的统计行为,说明在大量原子核群体中,
经过一定时间将有一定比例的原子核发生衰变。
半数
原子核自身
大量原子核
三、放射性的应用与防护
1.应用:
放射性在_____、_____、________和_________等许多领域已得到广泛的应用。
(1)工业部门使用射线测厚度——利用γ射线的穿透特性;
(2)农业应用——γ射线使种子内的遗传基因发生变异,培育出新的优良品种;
(3)医疗上——作为示踪原子,探查内脏器官是否病变;
(4)科研——制作放射性同位素电池,可作为人造卫星、宇宙飞船、海洋工程设
施等的电源。
工业
农业
医疗卫生
科学研究
2.污染和防护:_____的放射线会对环境造成污染,对人类和自然界产生破坏作
用。放射性污染主要来自_______、_______和医疗照射。为了避免放射线的伤
害,人们要尽量减少受辐射的时间,同时采用必要的防护措施。
过量
核爆炸
核泄漏
关键能力·素养形成
一 原子核的衰变规律与衰变方程
1.衰变规律:原子核发生衰变时,衰变前后的电荷数和质量数都守恒。
2.衰变实质:
(1)α衰变:原子核内两个质子和两个中子结合成一个α粒子
;
(2)β衰变:原子核内的一个中子变成质子,同时放出一个电子
。
3.衰变方程通式:
(1)α衰变
;
(2)β衰变
。
4.确定原子核衰变次数的方法与技巧:
(1)方法:设放射性元素
经过n次α衰变和m次β衰变后,变成稳定的新元素
,则衰变方程为:
根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程:
A=A'+4n,Z=Z'+2n-m。
以上两式联立解得:n=
,m=
+Z'-Z。
由此可见,确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。
(2)技巧:为了确定衰变次数,一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因
为β衰变的次数多少对质量数没有影响),然后根据衰变规律确定β衰变的次
数。
【思考?讨论】
衰变方程与化学反应方程有哪些主要区别?
提示:①衰变方程中的符号表示该种元素的原子核,化学反应方程中的符号表示该种元素的原子。
②衰变方程中间用单箭头,化学反应方程用等号。
③衰变方程中质量数守恒,化学反应方程质量守恒。
【典例示范】
核经一系列的衰变后变为
核,问:
(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变?
(2
与
相比,质子数和中子数各少多少?
(3)综合写出这一衰变过程的方程。
【解析】(1)设
衰变为
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-y。
②
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
较
质子数少10,中子数少22。
(3)核反应方程为
+
He+
e。
答案:(1)8次 6次 (2)10 22
(3)
+
He+
e
【规律方法】分析衰变次数的方法步骤:
(1)先根据已知条件,表示出初、末原子核的符号。如
等。
(2)根据衰变规律,写出核反应方程,衰变次数用未知数表示。
如
+
He+
e。
(3)根据核反应方程遵循的规律列方程求解未知数。
根据反应式得:
。
【素养训练】
1.某放射性元素的原子核
连续经过三次α衰变和两次β衰变,若最后变成
另外一种元素的原子核Y,则该新核的正确写法是
( )
【解析】选D。新核的质量数为M'=M-12,故A、B错误。电荷数Z'=Z-6+2=Z-4,故
C错,D对。
2.(多选)(2020·龙岩高二检测)由于放射性元素
的半衰期很短,所以在自
然界一直未被发现,在使用人工的方法制造后才被发现。已知
经过一系列
α衰变和β衰变后变成
,下列论述中正确的是
( )
A.核
比核
少18个中子
B.衰变过程中共发生了7次α衰变和4次β衰变
C.衰变过程中共发生了4次α衰变和7次β衰变
D.发生β衰变时,核内中子数不变
【解析】选A、B
的原子核比
少93-83=10个质子,质子数和中子数总共
少237-209=28,故
的原子核比
少18个中子,故A正确;设
变为
需要经过x次α衰变和y次β衰变,根据质量数和电荷数守恒则有:93=
2x-y+83,4x=237-209,所以解得:x=7,y=4,故B正确,C错误;β衰变时原子核内的
中子转化为质子释放一个电子,所以中子数减少,故D错误。
【补偿训练】
1.某放射性原子核A,经一次α衰变成为B,再经一次β衰变成为C,则
( )
A.原子核C的中子数比A少2
B.原子核C的质子数比A少1
C.原子核C的中子数比B少2
D.原子核C的质子数比B少1
【解析】选B。写出核反应方程如下
。A的中子数
为X-Y,B的中子数为(X-4)-(Y-2)=X-Y-2,C的中子数为(X-4)-(Y-1)=X-Y-3。故C
比A中子数少3,C比B中子数少1,A、C均错。A、B、C的质子数分别为Y、Y-2、
Y-1,故C比A质子数少1,C比B质子数多1,B对D错。
2.(多选)元素X是Y的同位素,分别进行下列衰变过程:X
。
则下列说法正确的是
( )
A.Q与S是同位素
B.X与R原子序数相同
C.R比S的中子数多2
D.R的质子数少于上述任何元素
【解析】选A、C。上述变化过程为
,
,
由此可知,Q与S为同位素,R比S多两个中子,故A、C正确,B、D错误。
二 半衰期的理解与应用
1.常用公式:N=N0
,m=M
。
式中N0、M表示衰变前的放射性元素的原子数和质量,N、m表示衰变后尚未发生
衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,
表示半衰期。
2.意义:表示放射性元素衰变的快慢。
3.规律的特征:放射性元素的半衰期是稳定的,由元素的原子核内部因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强、温度)或化学状态(如单质、化合物)无关。
4.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。
5.规律的用途:
利用天然放射性元素的半衰期可以估测岩石、化石和文物的年代。
【思考?讨论】
当放射性元素的原子所处的化学状态或物理条件发生变化时,其半衰期会改变吗?
提示:不会。一种放射性元素,不管它是以单质的形式存在,还是与其他元素形成化合物,或者对它施加压力、升高温度,都不能改变它的半衰期。这是因为压力、温度或与其他元素的化合等,都不会影响原子核的结构。
【典例示范】
放射性元素
射线被考古学家称为“碳钟”,可用它来测定古生物的年代,此
项研究获得1960年诺贝尔化学奖
不稳定,易发生衰变,放出β射线,其半衰
期为5
730年。
(1)试写出有关的衰变方程。
(2)若测得一古生物遗骸中
的含量只有活体中的12.5%,则此遗骸的年代距
今约有多少年?
【解析】(1)衰变方程为
。
(2)活体中
含量不变,生物死亡后
开始衰变,设活体中
的含量为m0,
遗骸中为m,则由半衰期的定义得m=
,即0.125=
,解得
=3,所以
t=3T=17190年。
答案:(1)
(2)17
190年
【素养训练】
1.关于放射性元素的半衰期,以下说法中正确的是
( )
A.同种放射性原子核在化合物中的半衰期比在单质中长
B.升高温度可使放射性元素的半衰期缩短
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1个了
D.氡的半衰期为3.8天,若有4
g氡,经过7.6天就只剩1
g了
【解析】选D。放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间叫半衰期,
放射性元素衰变的快慢是由原子核内部自身决定的,与外界的物理和化学状态
无关,故A、B错误;半衰期是一个统计规律,对于大量的原子核才适用,对于少量
原子核不适用,故C错误;氡的半衰期是3.8天,经过7.6天即经过两个半衰期,设
原来氡的质量为m0,衰变后剩余质量为m则有:m=m0·(
)2=4×
g=1
g,故D正
确。
2.若元素A的半衰期为4天,元素B的半衰期为5天,则相同质量的A和B,经过20天
后,剩下的质量之比mA∶mB为
( )
A.1∶2 B.2∶1 C.5∶4 D.4∶5
【解析】选A。元素A的半衰期为4天,经过20天后剩余原来的(
)5,元素B的半
衰期为5天,经过20天后剩余原来的(
)4,剩下的质量之比mA∶mB=1∶2,A正
确。
【补偿训练】
一块氡222放在天平的左盘时,需要天平的右盘加444
g砝码,天平才能平衡,氡222发生α衰变,经过一个半衰期以后,欲使天平再次平衡,应从右盘中取出的砝码为
( )
A.222
g B.8
g C.2
g D.4
g
【解析】选D。衰变前氡的质量为444
g,摩尔质量为222
g/mol,故共2
mol氡。经过一个半衰期,有1
mol氡衰变,放出1
mol
α粒子,则左盘质量减少了4
g,故应从右盘中取出4
g砝码。
3.有甲、乙两种放射性元素,它们的半衰期分别是T甲=15天,T乙=30天,它们的质
量分别为M甲、M乙,经过60天后这两种元素的质量相等,则它们原来的质量之比M
甲∶M乙是
( )
A.1∶4 B.4∶1 C.2∶1 D.1∶2
【解析】选B。由M甲
=M乙
可得:M甲
=M乙
,解得M甲∶M乙=4∶1,
B正确。
三 原子核衰变的综合问题
静止于匀强磁场中的原子核在衰变时放出的粒子与形成的新核组成的系统满足动量守恒定律,因衰变放出的粒子的电性、电量和质量的不同,其运动轨道也具有不同的特点。
【思考?讨论】
运动的原子核发生衰变放出新核的过程,系统的动量守恒吗?
提示:运动的原子核发生衰变放出新核的过程,系统的动量仍守恒,只是系统的初动量不为零。
【典例示范】
(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核放出一个α粒子,其速度方向与磁场方向垂直。测得α粒子与反冲核轨道半径之比为30∶1,如图所示,则
( )
A.α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反
B.反冲核的原子序数为62
C.原放射性元素的原子序数是62
D.反冲核与α粒子的速率之比为1∶62
【解题探究】
(1)α粒子和反冲核组成的系统动量守恒吗?
(2)原放射性元素的原子序数与反冲核的原子序数关系?
提示:(1)α粒子和反冲核组成的系统动量守恒。
(2)原放射性元素的原子序数比反冲核的原子序数大2。
【解析】选A、C。因为粒子间相互作用遵守动量守恒定律,有mu=mαv,α粒子和
反冲核的动量大小相等、方向相反,A正确。若设原核电荷数为Q,则反冲核电荷
数为(Q-2)。在匀强磁场中,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律,得qvB=
,
故有反冲核轨迹半径R=
,rα=
,且
=
,联立解得Q=62,原核电荷
数为62,则反冲核电荷数为60,B错误,C正确。
α粒子和反冲核的动量大小相等,
方向相反,它们的速度大小与质量成反比,由于不能确定反冲核的质量数,故无
法确定速率之比,D错误。
【素养训练】
1.将威耳逊云室置于磁场中,一个静止在磁场中的放射性同位素原子核
,放
出一个正电子后变成原子核
,能近似反映正电子和Si核轨迹的是( )
【解析】选B。把放出的正电子和衰变生成物Si核看成一个系统,衰变过程中系
统的动量守恒,放出的正电子的运动方向跟Si核运动方向一定相反。由于它们
都带正电荷,在洛伦兹力作用下一定形成两个外切圆的轨道,C、D可排除。因为
有洛伦兹力作为向心力,即qvB=m
,所以做匀速圆周运动的半径为r=
。衰
变时,放出的正电子与反冲核Si的动量大小相等,因此在同一个磁场中做圆周运
动的半径与它们的电荷量成反比,即
。可见正电子运动的圆半径较
大,故选B。
2.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(如图所示),测得两个相切圆半径之比r1∶r2=44∶1。求:
(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)
【解析】(1)设衰变后α粒子的电荷量为q1=2e,新生核的电荷量为q2,它们的质
量分别为m1和m2,衰变后的速度分别为v1和v2,则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)由于动量大小相等,因此轨道半径与粒子的电荷量成反比。所以圆轨道1是α粒子的径迹,圆轨道2是新生核的径迹,两者电性相同,运动方向相反。
答案:(1)90 (2)圆轨道1 理由见解析
1.关于原子核的衰变和半衰期,下列说法正确的是
( )
A.β粒子带负电,所以β射线有可能是核外电子
B.放射性元素发生一次衰变可同时产生α射线和β射线
C.放射性元素发生衰变的快慢不可人为控制
D.半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间
课堂检测·素养达标
【解析】选C。β衰变的实质是核内一个中子转化成了一个质子和一个电子,是从原子核射出的,A错;一次衰变不可能同时产生α射线和β射线,只可能同时产生α射线和γ射线或β射线和γ射线,B错;放射性元素衰变的快慢是由原子核自身的性质决定的,与外界因素无关,C正确;半衰期是原子核有半数发生衰变时所需要的时间,不是质量减少一半所需要的时间,故D错。
2.原子核
经放射性衰变①变为原子核
,继而经放射性衰变②变为原子核
,再经放射性衰变③变为原子核
。放射性衰变①、②和③依次为
( )
A.α衰变、β衰变和β衰变
B.β衰变、α衰变和β衰变
C.β衰变、β衰变和α衰变
D.α衰变、β衰变和α衰变
【解题指南】解答本题的思路是依据新核和原来的原子核的质量数、质子数之间的对比确定属于哪种衰变。
【解析】选A.
,质量数减少4,电荷数减少2,说明①为α衰变
,质子数加1,质量数不变,说明②为β衰变,中子转化成质子
,
质子数加1,质量数不变,说明③为β衰变,中子转化成质子。
【补偿训练】
(多选)原子核X经β衰变(一次)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3
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.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
【解析】选A、C、D。由题意可知
,由此可判断A、C、D正确,B错误。
3.某校学生在进行社会综合实践活动时，收集列出了一些元素的放射性同位素的半衰期和可供利用的射线(数据如表所示)，并总结出它们的几种用途。
同位素
放射线
半衰期
同位素
放射线
半衰期
同位素
放射线
半衰期
钋
210
α
138
天
锶
90
β
28
年
钴
60
γ
5年
镅
241
β
433
天
锝
99
γ
6
小时
氡
α
3.8
天
根据表格请你分析判断下面结论正确的是(
)
A.塑料公司生产聚乙烯薄膜,方法是让较厚的聚乙烯膜通过轧辊后变薄,利用
α射线来测定通过轧辊后的薄膜厚度是否均匀
B.钴60的半衰期为5年,若取4个钴60原子核,经10年后就一定剩下一个原子核
C.把放射性元素钋210掺杂到其他稳定元素中,放射性元素的半衰期变短
D.锝99可以作示踪原子,用来诊断人体内的器官是否正常。方法是给被检查者
注射或口服附有该元素的放射性同位素的某些物质,当这些物质的一部分到达
检查的器官时,可根据放射性同位素的射线情况分析器官正常与否
【解析】选D。因为α射线不能穿透薄膜,无法测量薄膜的厚度,所以A不正确;钴60的半衰期为5年是指大量钴60原子核因衰变而减少到它原来数目的一半所需要的时间,因此B错误;放射性元素衰变的快慢是由核内部的性质决定的,与其他因素无关,故C错误;检查时,要在人体外探测到体内辐射出来的射线,而又不能让放射性物质长期留在体内,所以应选取锝99作为放射源,D正确。
4.14C测年法是利用14C衰变规律对古生物进行年代测定的方法。若以横坐标t表
示时间,纵坐标m表示任意时刻14C的质量,m0为t=0时14C的质量。下面四幅图中能
正确反映14C衰变规律的是
( )
【解析】选C。设衰变周期为T,那么任意时刻14C的质量m=
。可见,随着t
的增长物体的质量越来越小,且变化越来越慢,很显然C项图线符合衰变规律,故
选C。
5.天然放射性铀(
)发生衰变后产生钍
和另一个原子核。
(1)请写出衰变方程。
(2)若衰变前铀(
)核的速度为v,衰变产生的钍
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。
【解析】(1)
+
(2)设另一种新核的速度为v',铀核质量为238m,由动量守恒定律得:238mv=
234m
+4mv',得:v'=
v
答案:(1)见解析 (2)
v
【新思维·新考向】
情境:一小瓶含有放射性同位素的液体,它每分钟衰变6
000次。若将它注射到一位病人的血管中,15
h
后从该病人身上抽取10
mL血液,测得此血样每分钟衰变2次。已知这种同位素的半衰期为5
h。
问题:求此病人全身血液总量。
【解析】设衰变前原子核的个数为N0,15
h后剩余的原子核个数为N,则
N=
①
设病人血液的总体积为V,衰变的次数跟原子核的个数成正比,即
,
②
由①②得
,所以V=3
750
mL=3.75
L。
答案:3.75
L(共17张PPT)
十一 认识原子核
【基础巩固】
(25分钟·60分)
一、选择题(本题共4小题,每题5分,共20分)
1.下列说法正确的是
( )
A.质子和中子的质量不等,但质量数相等
B.质子和中子构成原子核,原子核的质量数等于质子和中子的质量总和
C.同一种元素的原子核有相同的质量数,但中子数可以不同
D.中子不带电,所以原子核的总电荷量等于质子和电子的总电荷量之和
【解析】选A。质子和中子的质量不等,但质量数相等,A正确;质子和中子构成原子核,原子核的质量数等于质子数和中子数的总和,B错误;同一种元素的原子核有相同的质子数,但中子数可以不同,C错误;中子不带电,所以原子核的总电荷量等于质子总电荷量,D错误。
2.为保证生产安全,大型钢铁部件内部不允许有砂眼、裂纹等伤痕存在。如图所示是利用射线检测钢柱内部是否存在砂眼或裂纹情况的示意图,若钢柱的直径为20
cm,则下列说法正确的是
( )
A.射线源放出的射线应该是β射线
B.射线源放出的射线应该是α射线
C.射线源放出的射线应该是γ射线
D.若钢件内部有伤痕,探测器接收到的射线粒子将减少
【解析】选C。此射线必须穿透部件,接收器才能接收射线粒子,用一张纸就能将α射线挡住,β射线只穿透几毫米厚的铝板,γ射线能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土,显然应该用γ射线检查直径为20
cm的钢铁部件内部是否有伤痕存在,C正确,A、B错误;当遇到钢柱内部有砂眼或裂纹时,穿过钢柱到达探测器的γ射线比没有砂眼或裂纹处的要强一些,D错误。
【补偿训练】
关于天然放射现象中产生的三种射线,以下说法中正确的是
( )
A.α、β、γ三种射线中,α射线的电离作用最强,穿透能力也最强
B.α、β、γ三种射线中,β射线的速度最快,可以达到0.9c
C.β射线是由核外电子电离产生的
D.人们利用γ射线照射种子,可以使种子内的遗传物质发生变异,培育出新的优良品种
【解析】选D。α、β、γ三种射线中,α射线的电离作用最强,但γ射线穿透能力最强,故A错误;α、β、γ三种射线中,α射线射出速度约为0.1c,β射线射出速度接近c,γ射线射出速度为c,所以三种射线中γ射线的速度最快,故B错误;β衰变中产生的电子是原子核中的一个中子转化而来的,故C错误;人们利用γ射线照射种子,可以使种子内的遗传物质发生变异,培育出新的优良品种,故D正确。
3.有些元素的原子核可以从很靠近它的核外电子中“俘获”一个电子形成一个新原子(如从离原子核最近的K层电子中俘获电子,叫“K俘获”),当发生这一过程时
( )
A.新原子是原来原子的同位素
B.新原子核比原来的原子核少一个质子
C.新原子核将带负电
D.新原子核比原来的原子核少一个中子
【解析】选B。原子核“俘获”一个电子后,带负电的电子与原子核内带正电的质子中和,原子核的质子数减少1,中子数增加1,形成一个新原子,新原子与原来的原子相比,质子数不同,中子数也不同,但核子数相同,不是同位素,所以B正确。
4.以下几个原子核反应中,X代表α粒子的反应式是( )
【解析】选C。核反应方程遵循质量数守恒和电荷数守恒,故各核反应方程补充
完整应为:
故选C。
二、计算题(10分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.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?
(4)
是镭的一种同位素,让
和
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与质子数之差,即N=A-Z=226-88=138;
(2)核电荷数等于质子数,所以镭核的核电荷数为88,镭核所带电荷量
Q=Ze=88×1.6×10-19
C=1.41×10-17
C;
(3)镭原子呈中性,则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由洛伦兹力提供,故有
Bqv=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)113∶114
6.(6分)(多选)某实验室工作人员,用初速度为v0=0.09c(c为真空中的光速)的
α粒子轰击静止在匀强磁场中的钠原子核
Na,产生了质子。若某次碰撞可看
作对心正碰,碰后新核的运动方向与α粒子的初速度方向相同,质子的运动方向
与新核运动方向相反,它们在垂直于磁场的平面内分别做匀速圆周运动。通过
分析轨迹半径,可得出新核与质子的速度大小之比为1∶10,已知质子质量为m。
则
( )
A.该核反应方程是
B.该核反应方程是
C.质子的速度约为0.225c
D.质子的速度为0.09c
【解析】选A、C。新原子核的质量数:m=23+4-1=26,核电荷数:z=11+2-1=12,核
反应方程
,故A正确,B错误;质子质量为m,α粒子、新核的
质量分别为4m、26m,设质子的速度为v,对心正碰,选取α粒子运动的方向为正
方向,则由动量守恒得:
4mv0=26m
-mv
解出v=0.225c,故C正确,D错误。
7.(14分)1930年发现,在真空条件下用α粒子(
)轰击铍(
)时,会产生一
种看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子,查德威克认定这种粒子就是中
子。
(1)写出α粒子轰击铍核的核反应方程。
(2)若一个中子与一个静止的碳核发生正碰,已知中子的质量为mn、初速度为v0,
与碳核碰后的速率为v1,运动方向与原来运动方向相反,碳核质量视为12mn,求
碳核与中子碰撞后的速率。
(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场,测得碳核做圆周运动
的半径为R,已知元电荷的电荷量为e,求该磁场的磁感应强度大小。
【解析】(1)
。
(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)
(2)
(3)(共67张PPT)
第5章 原子核与核能
第1节 认识原子核
必备知识·素养奠基
一、天然放射现象
【思考】所有的放射现象都是天然放射现象吗?为什么?
提示:不都是。放射性元素自发地放出射线的现象才是天然放射现象,若放出射线不是自发进行的,就不是天然放射现象。
1.1896年,法国物理学家_________发现某些物质具有放射性。
2.物质放出_____的性质称为放射性,具有放射性的元素称为___________,放射
性元素自发地放出射线的现象叫作_____________。
3.玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素,命名为
_______________。
贝可勒尔
射线
放射性元素
天然放射现象
钋(Po)和镭(Ra)
二、认识三种放射线
要判断三种射线是否带电以及带正电荷还是负电荷,可以用什么方法?
提示:方法一:让射线垂直磁场方向射入强磁场,发生偏转的带电,不偏转的不带电。对于发生偏转的射线,根据偏转方向与磁场方向和速度方向的关系,依据左手定则可以判断带正电荷还是带负电荷。
方法二:让射线垂直电场方向射入电场,发生偏转的带电,不偏转的不带电。对于发生偏转的射线,根据偏转方向与电场方向的关系,依据电荷受力方向与电场强度方向的关系,可以判断带正电荷还是带负电荷。
1.如图所示,让放射线通过强磁场,在磁场的作用下,放射线能分成3束,这表明
有3种射线,且它们电性不同。带_____的射线向左偏转,为α射线;带_____的射
线向右偏转,为β射线;不发生偏转的射线不带电,为γ射线。
正电
负电
2.α射线是高速运动的_______核粒子流,有很强的电离作用,但是穿透能力很
弱。一张铝箔或一张薄纸就能将它挡住。
3.β射线是高速运动的_______,穿透能力较强,但电离作用较弱。能穿透几毫
米厚的铝板。
4.γ射线是波长很短的_______,穿透能力很强,但电离作用很弱。能穿透几厘
米的铅板。
氦原子
电子流
电磁波
三、质子和中子的发现
1.质子的发现:
(1)实验:
为探测原子核的结构,1919年_______用α粒子轰击氮原子核发现了质子。
(2)结论:
质子是_______的组成部分。
卢瑟福
原子核
2.中子的发现:
(1)猜想:
卢瑟福猜想原子核内存在着质量与质子相近的__(A.中性 B.带电)粒子——中
子。
(2)实验:
_________利用云室进行实验证实了中子的存在。
(3)结论:中子是_______的组成部分。
A
查德威克
原子核
四、原子核的组成
【思考】同一种元素的几种同位素,它们的化学性质相同吗?为什么?
提示:相同。因为同位素具有相同的质子数,所以具有相同的核外电子数,元素的化学性质取决于核外电子,所以同位素的化学性质相同。
1.组成:原子核由质子和中子组成,并将质子和中子统称为_____。
2.原子核的符号
,其中X为_________;A表示原子核的_______,Z表示_______
___。
3.两个基本关系:
(1)核电荷数=质子数=_________。
(2)质量数=质子数+中子数=_______。
核子
元素符号
质量数
核电荷
数
原子序数
核子数
4.同位素:具有相同_______、不同中子数的原子互称同位素。
5.核反应与核反应方程:
(1)核反应:在核物理学中,原子核在其他粒子的轰击下产生新_______的过程。
(2)核反应方程:用_______符号描述核反应过程的式子。
(3)核反应中,_______和_________守恒。
质子数
原子核
原子核
质量数
核电荷数
关键能力·素养形成
一 对三种射线的研究
三种射线特征比较:
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=1.67×10-27kg
静止质量为零
速 度
0.1c
0.99c
c
种 类
α射线
β射线
γ射线
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
【思考?讨论】
让放射源放出的射线垂直于电场方向向上进入水平向右的匀强电场,将会分为几部分?
提示:射线会分为三部分,其中向左偏转的一束为β射线,向右偏转的一束为α射线,向上不发生偏转的一束为γ射线。
【典例示范】
如图所示,铅盒R中是一种放射性物质,虚线框内是匀强磁场,LL'是厚纸板,MN是荧光屏,实验时,发现在荧光屏的O、P两点处有亮斑,由此可知磁场的方向、到达O点的射线种类、到达P点的射线种类应属于表中的
( )
选项
磁场方向
到达O点的射线
到达P点的射线
A
竖直向上
β
α
B
竖直向下
α
β
C
垂直纸面向里
γ
β
D
垂直纸面向外
γ
α
【解题探究】
(1)荧光屏为什么只有两处亮斑?
提示:能够穿过厚纸板的只有β和γ射线,α射线无法穿过。
(2)如何判断O、P两点处亮斑分别是哪一种射线?
提示:γ射线不偏转,β射线在磁场中的偏转情况符合左手定则。
【解析】选C。R放射出来的射线共有α、β、γ三种,其中α、β射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用,γ射线不偏转,故打在O点的应为γ射线;由于α射线贯穿本领弱,不能射穿厚纸板,故到达P点的应是β射线;依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里。
【规律方法】三种射线的比较方法:
(1)知道三种射线带电的性质,α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。α、β是实物粒子,而γ射线是光子流,属于电磁波的一种。
(2)在电场或磁场中,通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线,由于γ射线不带电,故运动轨迹仍为直线。
(3)α射线穿透能力较弱,β射线穿透能力较强,γ射线穿透能力最强。
【素养训练】
1.如图,放射性元素镭衰变过程中释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是
( )
A.①表示γ射线,③表示α射线
B.②表示β射线,③表示α射线
C.④表示α射线,⑤表示γ射线
D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
【解析】选C。由放射现象中α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电,结合在电场与磁场中的偏转可知②⑤是γ射线,③④是α射线,①⑥是β射线,故选C。
2.某一放射性元素放出的射线通过电场后分成三束,如图
所示,下列说法正确的是
( )
A.射线1的电离作用在三种射线中最强
B.射线2贯穿本领最弱,用一张白纸就可以将它挡住
C.放出一个射线1的粒子后,形成的新核比原来的电荷数少1个
D.一个原子核放出一个射线3的粒子后,质子数和中子数都比原来少2个
【解析】选D。射线3在电场中向负极板偏转,射线3为α粒子,电离作用在三种射线中最强,故A错误;射线2在电场中不偏转,射线2为γ射线,其贯穿本领最强,故B错误;射线1在电场中向正极板偏转,射线1是β粒子,放出一个射线1的粒子后,形成的新核比原来的电荷数多1个,故C错误;射线3为α粒子,一个原子核放出一个射线3的粒子后,质子数和中子数都比原来少2个,故D正确。
【补偿训练】
(多选)如图所示,铅盒A中装有天然放射性物质,放射线从其右
端小孔中水平向右射出,在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向
里的匀强磁场,则下列说法中正确的有
( )
A.打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线
B.α射线和β射线的轨迹是抛物线
C.α射线和β射线的轨迹是圆弧
D.如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场,则屏上的亮斑可能只剩下b
【解析】选A、C。由左手定则可知粒子向右射出后,在匀强磁场中α射线受的
洛伦兹力向上,β射线受的洛伦兹力向下,轨迹都是圆弧。由于α射线速度约是
光速的
,而β射线速度接近光速,所以在同样的混合场中不可能都做直线运
动(如果一个打在b,则另一个必然打在b点下方)。故A、C正确。
二 质子和中子的发现
1.质子的发现:
(1)实验背景:电子的发现使人们认识到,原子不再是构成物质的基本单位。进一步研究发现,原子的中心有一个原子核,原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量。原子核的结构如何?1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验。
(2)实验装置(如图):
T进气孔、A放射源、F铝箔、S荧光屏、M显微镜、C真空容器。
(3)实验过程:容器C里放有放射性物质A,从A放射出的α粒子射到铝箔F上,适当选取铝箔的厚度,使α粒子恰好被它完全吸收,而不能透过。在F的后面放一荧光屏S,M是显微镜,通过M可以观察到S是否有闪光。
(4)实验现象:开始,S上无闪光(因为α粒子没有穿过铝箔)。打开进气孔T的阀门,通入氮气,可以观察到S上有闪光。
(5)实验分析:容器C中通入氮气后,用显微镜观察到荧光屏上有闪光,闪光一定
是α粒子击中氮核后产生的新粒子透过铝箔引起的。
(6)新粒子性质研究:
①把这种粒子引进电磁场中,根据它在电磁场中的偏转,测出了它的质量和电量,
进而确定它就是氢原子核,又叫质子。用符号表示为
②1925年
,英国物理学家布拉凯特通过云室照片分析表明,α粒子击中氮原子核后形成一个复核,而这个复核不稳定,生成后随即发生变化,放出一个质子。
③人们用同样的办法从其他元素的原子核中也轰击出了质子。
(7)实验结论:质子是原子核的组成部分。
2.中子的发现:
(1)发现背景:有人猜想原子核是由质子组成的,但人们发现除氢元素外,所有元素的原子核的质量大体上是质子质量的整数倍,但原子核的电荷数仅仅是质量数的一半或者更少一些。
(2)猜想:原子核不仅仅是由质子组成的,卢瑟福预想原子核内存在着质量跟质子相近的不带电的中性粒子,他将其称为中子。
(3)研究过程。
①科学家在1930年利用Po放出的α射线轰击铍原子核时,产生了一种看不见的贯穿能力很强、不受电场和磁场影响的射线。
②1932年,约里奥·居里夫妇发现如果用来自铍的射线去轰击石蜡,能从石蜡中打出质子,如图所示。
③1932年,查德威克进一步研究这种射线时发现,这种射线是一种不带电的、质量接近质子的粒子流,即是卢瑟福猜想的中子。
④结论:中子是原子核的组成部分。
【思考?讨论】
质子的发现,说明原子核的结构有什么特点?
提示:质子是原子核的组成部分,证明了原子核可以再分。
【典例示范】
如图所示为查德威克研究原子核内部结构的实验示意图,由天然放射性元素钋(Po)放出α射线轰击铍时会产生粒子流a,用粒子流a轰击石蜡后会打出粒子流b,下列说法正确的是( )
A.a为质子,b为中子
B.a为γ射线,b为中子
C.a为中子,b为γ射线
D.a为中子,b为质子
【解析】选D。不可见的粒子轰击石蜡时打出的应是质子,因为质子就是氢核,而石蜡中含有大量氢原子,轰击石蜡的不可见粒子应该是中子,故D正确。
【素养训练】
1.最早提出原子核是由质子和中子组成的科学家是
( )
A.贝可勒尔
B.居里夫人
C.卢瑟福
D.查德威克
【解析】选C。由于卢瑟福通过α粒子轰击氮原子核发现了质子,并从其他原子核中都打出了质子,卢瑟福认为质子是原子核的组成部分,并依据质子数与质量数不相等的情况预言了中子的存在,提出了原子核是由质子和中子组成的理论,故C正确。
2.由天然放射性元素钋(Po)放出的α射线轰击铍(Be)时会产生A粒子流,用粒子
流A轰击石蜡时,会打出粒子流B。下列叙述正确的是
( )
A.该实验核反应方程是
B.该实验是查德威克发现质子的实验
C.粒子A为质子,粒子B为中子
D.粒子A为中子,粒子B为质子
【解析】选D。该实验核反应方程是
选项A错误;该实验是查德
威克发现中子的实验,选项B错误;图中粒子A为中子,粒子B为质子,选项D正确,C
错误。
【补偿训练】
1.(2018·北京高考)在核反应方程
中,X表示的是
( )
A.质子
B.中子
C.电子
D.α粒子
【解析】选A。设X为
根据核反应的质量数守恒:4+14=17+Z,则Z=1。电荷数
守恒:2+7=8+A,则A=1,即X为
为质子,故选项A正确,B、C、D错误。
2.如图为卢瑟福发现质子的实验装置,M是显微镜,S是荧光
屏,窗口F处装铝箔,氮气从阀门T充入,A是放射源。在观察
由质子引起的闪烁之前需进行的必要调整是
( )
A.充入氮气后,调整铝箔厚度,使S上有α粒子引起的闪烁
B.充入氮气后,调整铝箔厚度,使S上见不到质子引起的闪烁
C.充入氮气前,调整铝箔厚度,使S上能见到质子引起的闪烁
D.充入氮气前,调整铝箔厚度,使S上见不到α粒子引起的闪烁
【解析】选D。实验目的是观察α粒子轰击氮核产生新核并放出质子,所以实验前应调整铝箔的厚度,恰使α粒子不能透过,但质子仍能透过,故选D。
三 原子核的组成与数量关系
1.对核子数、电荷数、质量数的理解:
(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):原子核所带的电荷等于质子电荷的整数倍,通常用这个数表示原子核的电荷量,叫作原子核的电荷数。
(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,这个倍数叫作原子核的质量数。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号
(2)基本关系:
核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数。质量数(A)=核子数=质子
数+中子数。
3.同位素:原子核内的质子数决定了核外电子的数目,进而也决定了元素的化学性质,同种元素的质子数相同,核外电子数也相同,所以有相同的化学性质,但它们的中子数可以不同,所以它们的物理性质不同。把具有相同质子数、不同中子数的原子核互称为同位素。
【思考?讨论】
原子核的质量数与质量是一回事吗?
提示:原子核的质量数与质量是不同的,也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作核的质量数,原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
【典例示范】
具有极强放射性的117号元素Ts,是在实验室人工创造的超重元素。Ts元素有两种同位素,其中一种有176个中子,而另一种有177个中子,则:
(1)该元素两种同位素的原子核的核电荷数各为多少?原子的核外电子数各为多少?
(2)该元素两种同位素的原子核的质量数各为多少?
(3)该元素的两种同位素用原子核符号如何表示?
【解析】(1)元素的原子序数等于该元素原子核的核电荷数,等于核内质子数,故117号元素的核电荷数和核内质子数均为117,原子呈中性,故核外电子数等于核内质子数,也为117。
(2)原子核的质量数等于质子数与中子数之和,故该元素中子数为176的原子核
的质量数为117+176=293,中子数为177的原子核的质量数为117+177=294。
(3)元素符号一般用
表示,其中A表示质量数,Z表示核电荷数,由前两问可得
该元素的两种同位素的原子核符号,中子数为176的原子核的符号为
中子
数为177的原子核的符号为
答案:(1)均为117 均为117 (2)293 294
（3）
【素养训练】
1.(2018·全国卷Ⅲ)
1934年,约里奥—居里夫妇用α粒子轰击铝核
产生了
第一个人工放射性核素X:
X的原子序数和质量数分别为( )
A.15和28
B.15和30
C.16和30
D.17和31
【解析】选B。因为α粒子是
所以根据反应方程式前后质量数、
质子数相等得出
故选B。
2.(多选)下列说法正确的是
( )
A.
互为同位素
B.
互为同位素
C.
中子数相同
D.
核内有92个质子,235个中子
【解析】选B、C。X核与Y核的质子数不同,不能互为同位素,A错误;
核质子数都为m,而质量数不同,则中子数不同,所以互为同位素,B正确；
核内
中子数为n-m,
核内中子数为(n-2)-(m-2)=n-m,所以中子数相同,C正确;
核内有143个中子,而不是235个中子,D错误。
3.完成下列核反应方程,并指出其中 是发现质子的核反应方程,
是发现中子的核反应方程。?
(1)
+ ?
(2)
+ ?
(3)
?
(4)
?
(5)
+ ?
【解析】
其中发现质子的核反应方程是(2);发现中子的核反应方程是(4)。
答案:见解析
【补偿训练】
1.(多选)一个原子核为
关于这个原子核,下列说法中正确的是
( )
A.核外有83个电子,核内有127个质子
B.核外有83个电子,核内有83个质子
C.核内有83个质子,127个中子
D.核内有210个核子
【解析】选C、D。根据原子核的表示方法得质子数为83,质量数为210,故中子数为210-83=127个,而质子和中子统称为核子,故核子数为210个,因此C、D正确;由于不知道原子的电性,就不能判断核外电子数,故A、B不正确。
2.1993年,中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素
制取过程如下:
(1)用质子轰击铍靶
产生快中子。
(2)用快中子轰击汞
反应过程可能有两种:
①生成
放出氦原子核。
②生成
同时放出质子、中子。
(3)生成的
发生两次衰变,变成稳定的原子核汞
写出上述核反应方程。
【解析】根据质量数守恒、电荷数守恒,确定新生核的电荷数和质量数,然后写
出核反应方程。如下:
答案:见解析
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(多选)关于原子核结构,下列说法正确的是
( )
A.原子是构成物质的基本单位
B.原子核集中了原子的全部正电荷
C.所有原子核中都有质子和中子
D.处于电中性的原子,原子核的电荷数就等于原子核外的电子数
【解析】选B、D。原子不是构成物质的基本单位,原子还可以再分为电子和原子核,A项错误;原子核集中了原子的全部正电荷和几乎全部的质量,处于电中性的原子,原子核的电荷数就等于原子核外的电子数,故B、D项正确;氢原子核中只有质子,故C项错误。
2.人类探测月球时发现,在月球的土壤中含有较丰富的质量数为3的氦,它可作
为未来核聚变的重要原料之一,氦的该种同位素应表示为
( )
【解析】选B。氦的同位素质子数一定相同,故质子数应为2,质量数为3,故应表
示为
,因此B正确。
3.下列说法正确的是
( )
A.用α粒子轰击铍核
铍核变为碳核
同时放出β射线
B.β射线是由原子核外电子受到激发而产生的
C.γ射线是波长很短的电磁波,它的贯穿能力很强
D.利用γ射线的电离作用,可检查金属内部有无砂眼和裂纹
【解析】选C。α粒子轰击
核,核反应方程是
放出的是中
子,A错误。β射线是核衰变而产生的,B错误。γ射线是光子流,波长很短,具有
很强的贯穿能力,但电离作用差,C正确,D错误。
4.一质子束入射到靶核
上,产生核反应
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 。?
【解析】根据核反应过程中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。
答案:14 13
【新思维·新考向】
情境:如图所示是利用放射线自动控制铝板厚度的装置。假如放射源能放射出α、β、γ三种射线,而根据设计,该生产线压制的是3
mm厚的铝板。
问题:那么是三种射线中的哪种射线对控制厚度起主要作用?当探测接收器单位时间内接收到的放射性粒子的个数超过标准值时,将如何通过自动装置将M、N两个轧辊间的距离进行调节?
【解析】因β射线能穿过几毫米厚的铝板,故β射线对厚度起主要作用。通过铝板的粒子数超标是指通过铝板的粒子个数太多,铝板的厚度偏薄,应加大铝板的厚度,即将M、N两轧辊间距离调大一些。
答案:见解析
