(共21张PPT)
阶段复习课
第五章
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
原子核
1.天然放射性的发现:
(1)说明了原子核是可分的、是有结构的。
(2)原子核的组成:
①质子;②中子。
2.原子核:
3.原子核的关键词的转化:
【素养评价】
1.(多选)用中子轰击
原子核,发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为
则以下说法中正确的是( )
A.X原子核中含有84个中子
B.反应生成物的总结合能比
原子核的结合能小
C.X原子核中核子的平均质量比
原子核中核子的平均质量小
D.X原子核中核子的比结合能比
原子核中核子的比结合能大
【解析】选C、D。由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知:X原子核中
含有92-38=54个质子,235+1-94-2-54=86个中子,故A错误;裂变反应中,质量亏
损,释放核能,说明生成的原子核更加稳定,即往比结合能大的方向反应,所以
反应生成物的总结合能比
原子核的结合能大,故B错误;裂变反应中,质量
亏损,释放核能,说明生成的原子核更加稳定,即X原子核中核子的平均质量比
原子核中核子的平均质量小,故C正确;
裂变的过程中释放能量,则
的比结合能小于X原子核的比结合能,即X原子核中核子的比结合能比
原
子核中核子的比结合能大,故D正确。
2.2019年1月3日,“玉兔二号”月球车与“嫦娥四号”着陆器分离,实现月球
背面着陆。“玉兔二号”搭载了一块核电池,利用
衰变为
释放能量,
可在月夜期间提供一定的电能。已知
的质量为mPu,
的质量为mU,真空
中的光速为c,下列说法正确的是
( )
A.
发生β衰变后产生的新核为
B.
衰变为
,中子数减少2
C.温度升高时
的衰变会加快
D.
衰变为
释放的能量为(mPu-mU)c2
【解析】选B。根据质量数守恒与电荷数守恒可知衰变方程为
此为α衰变,其质量数减少4,核电荷数减少2,故中子数减少2,故A错误,B正确;
半衰期是由放射性元素本身决定的,与环境温度无关,故C错误;此核反应过程
中的质量亏损为Δm=mPu-mU-mα,核反应的过程中释放的能量:ΔE=(mPu-mU-
mα)c2,故D错误。
素养二 科学思维
考点
核能的计算方法
1.三个角度的比较:
2.计算核能的常用方法:
(1)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。
(2)根据1
u相当于931.5
MeV能量来计算。
(3)在无光子辐射的情况下,核反应中释放的核能全部转化为生成的新核和新粒子的动能。
3.核能中的关键词转化:
【素养评价】
1.一静止的
核衰变为
核时,放出一个α粒子,已知衰变过程中质量
亏损为Δm,α粒子的质量为m1,
的质量为m2,光在真空中的速度为c。若
释放的核能全部转化为系统的动能。
(1)写出衰变方程。
(2)求
核的动能。
【解析】(1)根据质量数守恒与电荷数守恒可得衰变方程为:
(2)衰变的过程中动量守恒,以α粒子运动的方向为正方向,根据动量守恒定律
得:0=m1vα-m2vTh,
由能量守恒:
E=Δmc2=
可得新核的动能:
ETh=
答案:(1)
(2)
2.现有的核电站比较广泛采用的核反应之一是
(1)核反应方程中的
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Z与质量数A。
(2)已知铀核的质量为235.043
9
u,中子质量为1.008
7
u,钕(Nd)核的质量为
142.909
8
u,锆核的质量为89.904
7
u;又知1
u相当于931.5
MeV,试计算
1
kg铀235大约能产生的能量是多少。
【解析】(1)锆的电荷数Z=92-60+8=40,
质量数A=236-143-3=90,
核反应方程中应用符号
表示。
(2)1
kg铀235的铀核数为n=
×6.02×1023个。
不考虑核反应中生成的电子质量,1个铀核反应发生的质量亏损为Δm=
235.043
9
u-142.909
8
u-89.904
7
u-2×1.008
7
u=0.212
u,
1
kg铀235完全裂变产生的能量约为E=nΔmc2=
×6.02×1023×0.212
×931.5×106×1.6×10-19
J≈8.09×1013
J。
答案:(1)40 90 (2)8.09×1013
J
【补偿训练】
为确定爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2的正确性,设计了如下实验:用动能为
E1=0.60
MeV的质子轰击静止的锂核
,生成两个α粒子,测得两个α粒子的
动能之和为E2=17.9
MeV,已知质子、α粒子、锂核的质量分别取mp=
1.007
3
u、mα=4.002
6
u、mLi=7.016
0
u。
(1)写出核反应方程。
(2)通过计算说明ΔE=Δmc2正确。(1
u=1.660
6×10-27
kg)
【解析】(1)核反应方程为
(2)核反应的质量亏损:
Δm=mLi+mp-2mα
=7.016
0
u+1.007
3
u-2×4.002
6
u=0.018
1
u
由质能方程可得与质量亏损相当的能量:
ΔE=Δmc2=0.018
1×1.660
6×10-27×(3×108)2
J
=16.9
MeV
而系统增加的能量:ΔE′=E2-E1=17.3
MeV
这些能量来自核反应中,在误差允许的范围内可认为相等,所以ΔE=Δmc2正
确。
答案:(1)
(2)见解析(共45张PPT)
单元素养评价(五)(第五章)
(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.天然放射性元素放出的三种射线垂直进入磁场,实验结果如图所示,由此可推知( )
A.②来自于原子核外的电子
B.①的电离作用最弱,属于原子核内释放的光子
C.①②③都是电磁波
D.三种射线中,③穿透能力最强
【解析】选D。α射线是高速He核流,一个α粒子带两个正电荷,根据左手定则,α射线受到的洛伦兹力向左,故①是α射线。β射线是高速电子流,带负电荷,根据左手定则,β射线受到的洛伦兹力向右,故②是β射线。γ射线是γ光子,是中性的,故在磁场中不受磁场的作用力,轨迹不会发生偏转,故③是γ射线;β射线是原子核发生β衰变产生的,故A错误;①是α射线高速He核流,电离作用最强,故B错误;①是α射线,②是β射线,③是γ射线,①②都不是电磁波,③是电磁波。故C错误;③是γ射线,穿透能力最强,故D正确。
2.一个
核衰变为一个
核的过程中,发生了m次α衰变和n次β衰变,则
m、n的值分别为
( )
A.8、6
B.6、8
C.4、8
D.8、4
【解析】选A。衰变方程为:
则:238=206+4m,解得:
m=8,又:92=82+8×2+n×(-1),得:n=6,故A正确,B、C、D错误。
3.放射性元素
经α衰变成为钋
,半衰期约为3.8天;但勘测表明,
经过漫长的地质年代后,目前地壳中仍存在天然的含有放射性元素
的矿石,
其原因是
( )
A.目前地壳中的
主要来自于其他放射性元素的衰变
B.在地球形成的初期,地壳中元素
的含量足够高
C.当衰变产物
积累到一定量以后,
的增加会减慢
的衰变进程
D.
主要存在于地球深处的矿石中,温度和压力改变了它的半衰期
【解题指南】解答本题时应从以下两点进行分析:
(1)知道半衰期大小的决定因素。
(2)理解半衰期的意义。
【解析】选A。元素半衰期的长短由原子核自身因素决定,一般与原子所处的物理、化学状态以及周围环境、温度无关,C、D错;即使元素氡的含量足够高,经过漫长的地质年代,地壳中也几乎没有氡了,一定是来自于其他放射性元素的衰变,故A对,B错。
4.2006年美国和俄罗斯的科学家利用回旋加速器,通过
(钙48)轰击
(锎249)发生核反应,成功合成了第118号元素,这是迄今为止门捷列夫元素周期
表中原子序数最大的元素。实验表明,该元素的原子核先放出3个相同的粒子x,
再连续经过3次α衰变后,变成质量数为282的第112号元素的原子核,则上述过程
中的粒子x是
( )
A.中子
B.质子
C.电子
D.α粒子
【解析】选A。设第118号元素为X,112号元素为Y,可得118号元素原子核的核反
应方程为
由于反应中质量数守恒,电荷数守恒,可知
A=1,Z=0。所以x为中子,故选A。
5.下列有关原子、原子核的说法中正确的是
( )
A.天然放射现象说明原子核内部有电子
B.卢瑟福用α粒子散射实验证明了原子核内存在中子
C.结合能越大,原子核中的核子结合得越牢固,原子核越稳定
D.在所有核反应中,都遵从“质量数守恒,电荷数守恒”的规律
【解析】选D。天然放射现象说明原子核内部有复杂结构,原子核内部有质子和中子,无电子,故A错误;卢瑟福用α粒子散射实验得出了原子核式结构模型,查德威克发现了中子,故B错误;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C错误;核反应中,都遵循电荷数守恒和质量数守恒,故D正确。
6.2018年中国散裂中子源(CSNS)已通过验收,已建设的3台谱仪也启动实验。有关中子的研究,下列说法正确的是
( )
A.Th核发生一次α衰变,新核与原来的原子核相比,中子数减少了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.中子和其他微观粒子,都具有波粒二象性
【解析】选D。α衰变的本质是发生衰变的核中减少2个质子和2个中子形成氦核,所以一次α衰变,新核与原来的核相比,中子数减少了2,A错误;裂变是较重的原子核分裂成较轻的原子核的反应,而该反应是较轻的原子核的聚变反应,B错误;卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,提出了原子的核式结构模型,查德威克通过α粒子轰击铍核获得碳核的实验发现了中子,C错误;所有粒子都具有粒子性和波动性,D正确。
7.以下关于放射性元素及其放射性的说法正确的是
( )
A.氡的半衰期为3.8天,若有四个氡原子核,经过7.6天就只剩下一个
B.
经一系列α和β衰变后变为
总共少了16个中子
C.放射性元素产生的射线对人体存在危害,因此放射性元素为有害元素
D.放射性元素发出的射线全部来自于原子核内部,所以放射后的新核核子数一定
减少
【解析】选B。放射性元素的半衰期是大量原子核衰变的统计规律,对于个别的
原子核没有意义,故A错误;
的中子个数为232-90=142,
的中子个数为
126个,故中子数少了142-126=16个,故B正确;有些放射性元素可用在工业上测量
厚度,有些用在医疗技术上,帮助治疗癌症,故C错误;β衰变中,一个中子分裂成
一个质子和一个负电子,负电子喷射出来形成β射线,衰变后新核核子数不变,故
D错误。
8.2018年8月23日,我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首——
“中国散裂中子源”项目,正式投入运行。这标志着我国成为继英美日三国之后,
第四个拥有散裂中子源的国家。散裂中子源除了在科学研究方面有极为重要的
作用外,其产生的中子还能用来治疗癌症。下列关于中子的说法正确的是
( )
A.卢瑟福用α粒子轰击
,产生
,发现了中子
B.放射性β射线其实质是高速中子流,可用于医学的放射治疗
C.氘核聚变反应会释放出能量,其核反应方程为
D.核电站不能控制核反应剧烈程度
【解析】选C。查德威克用α粒子轰击铍核,发现了中子;卢瑟福发现了质子,故A
错误;β
射线其实质是高速电子流,故B错误;氘核聚变反应会释放出能量,其核
反应方程为
,故C正确;核电站可通过控制中子数目来控制核
反应剧烈程度,故D错误。
9.下列说法正确的是
( )
A.核电站利用的核能主要来源于轻核的聚变
B.一个氢原子从n=3的能级跃迁到n=2的能级,放出光子,其电子动能减小
C.铀
经过多次α、β衰变形成稳定的铅
的过程中,有6个中子转变
成质子
D.升高温度,可以让放射性原子核衰变速度变快
【解析】选C。核电站利用的核能主要来源于重核的裂变,A错误;氢原子的核外电子由较高能级跃迁到较低能级时,轨道半径减小,能量减小,释放一定频率的光子,电子动能增大,电势能减小,B错误;根据质量数和电荷数守恒知:238-206=
4×8,发生8次α衰变;92=82+2×8-6,发生6次β衰变,β衰变的实质为中子转变为质子的同时释放电子,C正确;半衰期由原子核本身决定,与温度无关,D错误。
10.目前科学家正在研究“快中子堆”技术发电,“快中子堆”技术发电的原理
是快中子反应堆不用
,而用
作燃料,在堆心燃料
的外围放置
发生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的
吸收,
吸收快中子后变成
很不稳定,很快发生β衰变成
在裂
变产生能量的同时,不断地将
变成可用燃料
,核燃料越烧越多。设
、β粒子的质量分别为M、m,则
( )
A.
与
的中子数相同
B.
吸收中子后变成
是属于核聚变
C.
经过1次β衰变后变成
D.静止的
发生β衰变释放出动能为E0的β粒子,该衰变中质量亏损为
【解析】选D。
与
的质量数相同,质子数不同,则中子数不同,故A错误;
核聚变发生在轻核之间,
吸收中子后变成
不属于核聚变,故B错误;β
衰变过程中,质量数不变,质子数增加1,故
经过2次β衰变后变成
,故C
错误;衰变方程为:
在衰变过程中动量守恒,所以新核与β粒
子的速度方向相反,由动量守恒定律得:Mv1-mv2=0,β粒子和生成核的动量p相等,
所以动能之比为M∶m,β粒子的动能为E0,则新核的动能为
E0,总动能为ΔE=
E0,由质能关系ΔE=Δmc2,解得Δm=
故D正确。
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.(2020·浙江7月选考)太阳辐射的总功率约为4×1026
W,其辐射的能量来自于
聚变反应。在聚变反应中,一个质量为1
876.1
MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核
和一个质量为2
809.5
MeV/c2的氚核
结合为一个质量为
3
728.4
MeV/c2的氦核
,并放出一个X粒子,同时释放大约17.6
MeV的能
量。下列说法正确的是
( )
A.X粒子是质子
B.X粒子的质量为939.6
MeV/c2
C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为4.4×109
kg
D.太阳每秒因为辐射损失的质量约为17.6
MeV/c2
【解析】选B、C。由质量数和电荷数守恒可知,X的质量数为1,电荷数为0,则X
为中子,选项A错误;根据能量关系可知mn=(1
876.1+2
809.5-3
728.4-
17.6)
MeV/c2=939.6
MeV/c2,选项B正确;太阳每秒放出的能量E=Pt=4×1026
J,损
失的质量Δm=
kg≈4.4×109
kg,选项C正确;因为E=4×1026
J=
eV=2.5×1045
eV=2.5×1039MeV,则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm
=
=2.5×1039
MeV/c2,选项D错误。
12.下列关于铀裂变和核电站的说法中正确的是
( )
A.铀235只要俘获中子就能进行链式反应
B.铀235裂变后的生成物是多种多样的,但这些裂变都要发生质量亏损
C.核电站中镉棒是起加速剂的作用
D.核电站使用后的核废料必须装入特制容器,深埋地下
【解析】选B、D。裂变反应中,必须达到临界体积时,链式反应才能继续,故A错误;裂变反应中,存在质量亏损,释放核能,故B正确;裂变核反应堆中,通常用慢化剂,比如重水等让快中子减速,故C错误;核电站使用后的核废料具有放射性,必须装入特制容器,深埋地下,故D正确。
13.太阳内部发生的核反应主要是轻核的聚变,太阳中存在的主要元素是氢,氢核
的聚变反应可以看作是4个氢核
结合成1个氦核
。表中列出了部分粒
子的质量(1
u相当于931.5
MeV的能量),以下说法中正确的是
( )
粒子名称
质子p
α粒子
电子e
中子n
质量/u
1.007
3
4.001
5
0.000
55
1.008
7
A.核反应方程式为
B.核反应方程式为
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为
0.026
6
u
D.聚变反应过程中释放的能量约为24.8
MeV
【解析】选A、C、D。根据核反应过程中质量数守恒和电荷数守恒关系可判断A
正确,B错误;质量亏损为Δm=(4×1.007
3-4.001
5-2×0.000
55)
u=0.026
6
u,
根据质能方程可知ΔE=Δmc2≈24.8
MeV,C、D正确。
14.(2020·全国Ⅰ卷)下列核反应方程中,X1、X2、X3、X4代表α粒子的有
( )
【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。
15.“中国月球着陆探测器”在中国航天馆揭开神秘面纱。它将带着中国制造的
月球车,在38万千米之外的月球表面闲庭信步。月球的表面长期受到宇宙射线的
照射,使得“月壤”中的
含量十分丰富。科学家认为
是发生核聚变的
极好原料,将来
也许是人类重要的能源,所以探测月球意义十分重大。关于
,下列说法正确的是
( )
A.
的原子核内有三个中子、两个质子
B.
的原子核内有一个中子、两个质子
C.
发生核聚变,放出能量,一定会发生质量亏损
D.
原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起
【解析】选B、C。
是氦元素的一种同位素,质量数是3,电荷数是2,原子核内
有两个质子、一个中子,所以A错误、B正确;发生核聚变放出能量就会有质量亏
损,C正确;原子核内的核子是靠核力紧密结合在一起的,而不是靠万有引力紧密
结合在一起的,D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。
16.(10分)一静止的氡核
发生α衰变,放出一个速度为v0、质量为m的α粒
子和一个质量为M的反冲核钋(Po),若氡核发生衰变时,释放的能量全部转化为α
粒子和钋核的动能。
(1)写出衰变方程。
(2)求出反冲核的速度。
(3)求出这一衰变过程中亏损的质量。
【解析】(1)
(2分)
(2)设钋核的反冲速度大小为v,由动量守恒定律有
mv0-Mv=0,v=
(2分)
(3)衰变过程中产生的机械能
ΔE=
(3分)
ΔE=Δmc2
产生这些机械能亏损的质量
Δm=
(3分)
答案:(1)
(2)
(3)
17.(10分)如图所示,有界的匀强磁场磁感应强度为B=0.05
T,磁场方向垂直于纸
面向里,MN是磁场的左边界。在磁场中A处放一个放射源,内装
放出
某种射线后衰变成
。
(1)写出上述衰变方程;
(2)若A处距磁场边界MN的距离OA=1.0
m时,放在MN左侧边缘的粒子接收器收到垂
直于边界MN方向射出的质量较小的粒子,此时接收器距过OA的直线1.0
m。求一
个静止
核衰变过程中释放的核能有多少。(取1
u=1.6×10-27
kg,e=
1.6×10-19
C,结果保留三位有效数字)
【解析】(1)根据质量数与质子数守恒,可得衰变的方程:
(2分)
(2)衰变过程中释放的α粒子在磁场中做匀速圆周运动,
半径R=1.0
m,由2evB=
(1分)
得α粒子的速度v=
(1分)
衰变过程中系统动量守恒,
质量分别为222
u、4
u,
则222
u×v′=4
u×v
(1分)
得
的速度v′=
v
(2分)
释放的核能E=
×222
u×v′2+
×4
u×v2=
(2分)
代入数据解得E=2.04×10-14
J(1分)
答案:(1)
(2)2.04×10-14
J
18.(14分)卢瑟福用α粒子轰击氮核时发现质子。发现质子的核反应方程为
已知氮核质量为mN=14.007
53
u,氧核质量为mO=
17.004
54
u,氦核质量为mHe=4.003
87
u,质子(氢核)质量为mp=1.008
15
u。
(已知:1
uc2=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=3×107
m/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)由Δm=mN+mHe-mO-mp得:
Δm=-0.001
29
u(3分)
所以这一核反应是吸收能量的反应
(2分)
吸收能量为
ΔE=|Δm|c2=0.001
29
uc2=1.2
MeV(2分)
(2)由动量守恒定律可得:mHev0=mOv氧+mpvp
(3分)
又v氧∶vp=1∶50
(2分)
可解得:v氧=1.8×106
m/s(2分)
答案:(1)吸收能量 1.2
MeV (2)1.8×106
m/s
【总结提升】核能求解的思路方法
(1)应用质能方程解题的流程图:
(2)在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。
(3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律,因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能。
19.(16分)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4.0026
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931.5
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?
【解题指南】解答本题可按以下思路进行:
(1)根据电荷数守恒、质量数守恒写出核衰变方程。
(2)根据质量亏损,结合爱因斯坦光电效应方程求出释放的核能。
(3)根据动量守恒定律得出两粒子的动量大小关系,结合动能和动量的关系求出动能。
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,可得衰变反应方程
(2分)
(2)质量亏损Δm=mU-mα-mTh=0.005
9
u(3分)
释放的核能
ΔE=Δmc2=0.005
9×931.5
MeV≈5.50
MeV(2分)
(3)系统动量守恒,钍核和α粒子的动量大小相等,即根据动量守恒定律得,
pTh=pα(2分)
根据动能与动量的关系:Ek=
(2分)
EkTh+Ekα=ΔE
(2分)
所以钍核获得的动能
EkTh=
=0.09
MeV(2分)
解得:Ekα=5.50
MeV-0.09
MeV=5.41
MeV(1分)
答案:(1)
(2)5.50
MeV
(3)5.41
MeV(共115张PPT)
4.核裂变与核聚变
5.“基本”粒子
必备知识·素养奠基
一、核裂变及链式反应
1.核裂变:重核被_____轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
2.铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,其产物是多样的,其中一种典型
的裂变是
_____。
3.链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应___________继续下去的过程叫
核裂变的链式反应。
4.临界体积和临界质量:把裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临
界体积,相应的质量叫作临界质量。
中子
一代接一代
5.核裂变的能量:1
kg铀235全部裂变放出的能量相当于__________标准煤完全
燃烧时释放的化学能。?
2
800
t
二、核电站
1.核电站:利用核能发电,它的核心设施是_______,它主要由以下几部分组成:
(1)燃料:_____。
(2)慢化剂:铀235容易捕获慢中子发生反应,采用___________________作慢化
剂。
(3)控制棒:为了调节中子数目以控制反应速度,还需要在铀棒之间插进一些镉
棒。镉_________的能力很强,当反应过于激烈时,将镉棒插入深一些,让它多吸
收一些中子,链式反应的速度会慢一些,这种镉棒叫作控制棒。
2.工作原理:___________释放的能量,使反应区温度升高。
反应堆
铀棒
石墨、重水或普通水
吸收中子
核燃料裂变
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_____传输出去,用于发电。同时也使反应堆冷却。
4.核污染的处理:为避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作
场所造成的放射性污染,在反应堆的外面需要修建很厚的_______,用来屏蔽___
_______放出的各种射线,核反应堆中的核废料具有很强的_______,需要装入特
制的容器,深埋地下。
热量
水泥层
裂
变反应
放射性
三、核聚变
【思考】
提示:需要足够大的能量使轻核间的距离达到10-15
m以内。
1.定义:两个轻核结合成_________的核,并释放出_____的反应。
2.举例:
+17.6
MeV
3.条件:要使轻核发生聚变,必须使它们的距离达到_____
m以内,核力才能起作
用。由于原子核都带正电,要使它们接近到这种程度,必须克服巨大的_______
___,这就要求原子核具有足够的动能,有一种方法就是把它们加热到很高的温
度,温度高达_______开尔文,因此聚变又叫_________。
4.应用:目前,人工产生的热核反应主要用在核武器上,那就是_____,需要用___
_____爆炸产生的高温高压引发核爆炸。
质量较大
能量
10-15
库仑斥
力
几百万
热核反应
氢弹
原
子弹
5.太阳能:太阳的主要成分是___,太阳中心温度可达1.6×107
K,在此高温下,
氢核聚变成氦核的反应不停地进行着,太阳能就来自于太阳内部_____释放的核
能。
四、受控热核反应
1.聚变的优点:第一:轻核聚变产能效率高。第二:地球上聚变燃料的储量丰
富。第三:轻核聚变更为安全、清洁,控制温度,可控制反应,而且生成的废物
数量少、易处理。
2.聚变的难点:地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
氢
聚变
3.控制方法:
(1)磁约束:利用磁场约束参加反应的物质,目前最好的一种磁约束装置是_____
器。
(2)惯性约束:聚变物质因自身的惯性,在极短时间内来不及扩散就完成了核反
应,在惯性约束下,用_____从各个方向照射反应物,使它们“挤”在一起发生反
应。
环流
激光
五、“基本”粒子
1.基本粒子不基本:
(1)19世纪末,人们都认为_____、电子、_____和中子是组成物质的不可再分的
最基本的粒子。
(2)随着科学的发展,科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电
子组成的,又发现___________等本身也有自己的复杂结构。
光子
质子
质子、中子
2.发现新粒子:
(1)新粒子:1932年发现了_______,1937年发现了_____,1947年发现了______和
_______及以后的质量比质子的质量大的_____。
(2)粒子的分类:按照___________________的不同关系,可将粒子分为三大类:
_____、_____和_______。
(3)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
强子是由更基本的成分组成,这种成分叫作_____。夸克模型指出电子电荷不再
是电荷的最小单位,即存在_________。
正电子
μ子
K介子
π介子
超子
粒子与各种相互作用
强子
轻子
媒介子
夸克
分数电荷
关键能力·素养形成
一 对重核裂变和链式反应的分析
1.铀核的裂变和裂变方程:
(1)核子受激发:当中子进入铀235后,便形成了处于激发状态的复核,复核中由于核子的激烈运动,使核变成不规则的形状。
(2)核子分裂:核子间的距离增大,因而核力迅速减弱,使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块,同时放出2或3个中子,这些中子又引起其他铀核裂变,这样,裂变就会不断地进行下去,释放出越来越多的核能。
(3)常见的裂变方程:
2.链式反应的条件:
(1)由慢中子轰击。
(2)铀块的体积大于临界体积,或铀块的质量大于临界质量。
以上两个条件满足一个,则另一个条件自动满足。
3.裂变反应的能量:铀核裂变为中等质量的原子核,发生质量亏损,所以放出能量。一个铀235核裂变时释放的能量如果按200
MeV估算,1
kg铀235全部裂变放出的能量相当于2
800
t标准煤完全燃烧时释放的能量,裂变时能产生几百万度的高温。
4.铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应:
在天然铀中,主要有两种同位素,99.3%的是铀238,0.7%的是铀235,中子能引起这两种铀核发生裂变,但它们和中子发生作用的情况不同。
(1)铀235:俘获各种能量的中子都会发生裂变,且俘获低能量的中子发生裂变的概率大。
(2)铀238:只有俘获能量大于1
MeV的中子才能发生裂变,且裂变的几率小。能量低于1
MeV的中子只与铀核发生弹性碰撞,不引起裂变。因此,为了使链式反应容易发生,最好利用纯铀235。
【特别提醒】
(1)裂变的中子方面:铀核裂变的产物是多样的,放出的中子数目有多有少,中子的速度也有快有慢。
(2)发生链式反应的条件方面:裂变物的体积必须大于临界体积才能发生链式反应。
【思考·讨论】
如图为核裂变示意图。
(1)试写出一种铀核裂变的核反应方程。
提示:
(2)只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗?
提示:有中子轰击铀块,铀块的体积大于临界体积,这样就可以产生链式反应。
【典例示范】
据伊朗新闻电视台2019年9月7日消息,伊朗原子能组织发言人卡迈勒万迪当天宣布,作为第三阶段中止履行伊核协议的措施,伊朗已启动了“先进离心机”,以增加浓缩铀储量。关于铀核的裂变,下列叙述正确的是
( )
A.核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,并吸收大量能量
B.核反应堆中铀核自发分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能
C.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击
D.要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有快中子的轰击
【解析】选C。核反应堆中铀核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量的原子核,同时释放大量的核能,故A、B错误;要使核反应堆中铀核发生链式反应,必须要有慢中子的轰击,快中子不易捕获,故C正确,D错误。
【素养训练】
1.日本东北地区发生的强烈地震引发福岛核电站反应堆泄漏大量放射性物
质。其中
(钍)具有天然放射性,能放出一个β粒子而变为
(镤)。则
下列说法中正确的是
( )
A.
比
质量数少1
B.发生β衰变时所释放出的电子是原子的核外电子发生电离而发射出来的
C.该核反应方程为
D.精确地讲,一个
核的质量比一个
核与一个β粒子的质量和要大
【解析】选D。
和
质量数都是234,故A错误;β衰变的实质:β衰变
时释放的电子是由核内一个中子转变成一个质子的同时释放出来的,故B错误;
该核反应方程为
故C错误;衰变过程中有质量亏损,所以精
确地讲,一个
核的质量比一个
核与一个β粒子的质量和要大,故D
正确。
2.(多选)核电站利用原子核裂变的链式反应获得能量进行发电。已知
是
核电站常用的核燃料,其常见的反应方程式为
则下列说法正确的是
( )
A.X是β粒子
B.两个核反应一定都有质量亏损
C.
的结合能小于
的结合能
D.要使链式反应发生,裂变物质的体积要小于它的临界体积
【解析】选B、C。核反应过程中,质量数和电荷数守恒,故X的质量数为1,电荷
数为零,故为中子,故A错误;裂变反应,一定释放能量,根据爱因斯坦质能方程
可知,一定存在质量亏损,故B正确;核子数越多的原子核,结合能越大,故
的结合能小于
的结合能,故C正确;要使链式反应发生,条件是裂变物质的
体积要大于它的临界体积,故D错误。
【补偿训练】
1.(多选)关于重核的裂变,以下说法正确的是
( )
A.核裂变释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量
B.铀核裂变在自然界中会自发地产生
C.重核裂变释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减少
D.由于重核的核子平均质量大于中等质量核的核子平均质量,所以重核裂变为中等质量的核时,要发生质量亏损,放出核能
【解析】选A、D。根据重核发生裂变的条件和裂变释放能量的原理分析可知,裂变时因铀核俘获中子发生核反应,是核能转化为其他形式能的过程,因而释放的能量远大于其俘获中子时吸收的能量;重核裂变只能发生在人为核反应中;在裂变反应中核子数是不会减少的,因此A正确,B、C错误。重核裂变为中等质量的原子核时,由于平均质量减小,必然发生质量亏损,从而释放出核能,所以D正确。
2.核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电,
是核电站常用
的核燃料
受一个中子轰击后裂变成
和
两部分,并产生_______
个中子。要使链式反应发生,裂变物质的体积要________(选填“大于”或
“小于”)它的临界体积。?
【解析】由质量数和电荷数守恒可知
可见产生了
3个中子,链式反应的一个条件是铀燃料的体积必须大于或等于临界体积。
答案:3 大于
二 核电站的结构及工作原理
1.核电站的主要组成:核电站的核心设施是核反应堆,反应堆用的核燃料是铀235,它的主要部件列表如下:
部件
名称
项目
慢化剂
控制棒
热循环介质
保护层
采用的材料
石墨、重水或普
通水(也叫轻水)
镉
水或液态钠
很厚的水泥外
壳
作用
降低中子速度,
便于铀235吸收
吸收中子,
控制反应
速度
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线,防
止放射性污染
2.反应堆工作原理:
(1)热源:在核电站中,核反应堆是热源,如图为简化的核反应堆示意图:铀棒是燃料,由天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2%～4%)制成,石墨(重水)为慢化剂,使反应生成的快中子变为慢中子,便于铀235的吸收,发生裂变,慢化剂附在铀棒周围。
(2)控制棒:镉棒的作用是吸收中子,控制反应速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反应速度变慢,插入浅一些,吸收中子少,反应速度加快,采用电子仪器自动调节控制棒插入深度,就能控制核反应的剧烈程度。
(3)冷却剂:核反应释放的能量大部分转化为内能,这时通过水、液态钠等作冷却剂,在反应堆内外循环流动,把内能传输出去,用于推动蒸汽机,使发电机发电。
发生裂变反应时,会产生一些有危险的放射性物质,很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
3.核电站发电的优点:
(1)消耗的核燃料少。
(2)作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大,所能提供的能量大。
(3)对环境的污染要比火力发电小。
【思考·讨论】
如图所示为核电站工作流程示意图:
(1)核电站的核心设施是什么?
提示:核反应堆是核电站的核心设施,原子核的链式反应在此进行。
(2)核电站发电有什么优点?
提示:消耗原料少;作为核燃料的铀、钍等在地球上可采储量大;对环境的污染要比火力发电小。
【典例示范】
关于核电站的核反应堆,下列说法正确的是
( )
A.利用热中子是因为热中子的速度快,增加反应速度
B.在铀棒的周围放重水或普通水的目的是冷却反应堆
C.控制棒通过使中子减速达到控制反应速度的目的
D.若核反应剧烈,可将控制棒插入深一些,减慢反应速度
【解析】选D。因为核裂变产生的是速度很大的快中子,中子速度不能太快,否则会和铀核擦肩而过,铀核不能“捉”住它,不能发生核裂变,所以必须控制好中子的速度,为了使快中子减速,在铀棒的周围放重水或者普通水,目的就是使中子冷却而减速,故A、B、C错误;根据核反应堆控制棒的作用可知,控制棒插入深一些,让它多吸收中子,中子数减少,反应速率会慢一些,故D正确。
【素养训练】
1.日本大地震曾引发了福岛核电站核泄漏事故,下列关于核电站的说法正确的是
( )
A.核电站利用核聚变反应时释放的能量进行发电
B.核电站利用海洋的潮汐能发电
C.核能是可再生能源
D.核泄漏释放的放射性物质发出的射线对人体是有危害的
【解析】选D。目前核电站均采用重核裂变进行发电的,故A、B错误;核能是利用重核裂变进行的,是不可再生能源,故C错误;长时间接受核辐射会使正常细胞发生癌变,故D正确。
2.近段时间,朝鲜的“核危机”引起了全世界的瞩目,其焦点问题就是朝鲜核
电站采用的是轻水堆还是重水堆。因为重水堆核电站在发电的同时还可以产
出供研制核武器的钚239
这种钚
,可由铀239
经过衰变
而产生,则下列判断正确的是
( )
A.
与
的核内具有相同的中子数
B.
与
的核内具有相同的质子数
C.
经过2次β衰变产生
D.
经过1次α衰变产生
【解析】选C。
的核内中子数为:239-94=145,
的核内中子数为:239-
92=147,故它们中子数不相等,故A错误;
的核内质子数为94,
的核内质
子数为:92,故它们质子数不相等,故B错误;根据质量数与电荷数守恒可知:
故C正确,D错误。
【补偿训练】
1.现已建成的核电站发电的能量来自
( )
A.天然放射性元素衰变放出的能量
B.人工放射性同位素放出的能量
C.重核裂变放出的能量
D.化学反应放出的能量
【解析】选C。现在核电站所用原料主要是铀,利用铀裂变放出的核能发电,故C项正确。
2.(多选)秦山核电站第三期工程的两个6×105
kW发电机组已实现并网发电。
发电站的核能来源于
的裂变,下列说法正确的是
( )
A.反应堆中核反应速度通常是采用调节
的体积来控制的
B.
的一种可能的裂变是
C.
是天然放射性元素,升高温度后它的半衰期会缩短
D.一个
裂变能放出200
MeV的能量,合3.2×10-11
J
【解析】选B、D。反应堆中核反应速度由控制棒(镉棒)吸收中子的多少来控
制,A错误;
裂变有多种可能性,这是其中常见的一种,B对;放射性元素的半
衰期由原子核本身决定,与温度、压强等外界条件无关,C错误;200
MeV=200×
106×1.6×10-19
J=3.2×10-11
J,D正确。
三 核聚变的特点及应用
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,有一种办法就是把它们加热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。
5.重核裂变与轻核聚变的区别:
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
重核裂变
轻核聚变
放能
多少
聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要大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简单得多
原料的
蕴藏量
核裂变燃料铀在地球上储量有限
主要原料是氘,氘在地球
上的储量非常丰富
可控性
速度比较容易进行人工控制,现
在的核电站都是用核裂变反应释
放核能
目前,除氢弹以外,人们还
不能控制它
【思考·讨论】
如图为氢弹原理示意图。
(1)若要发生核聚变,对原子核间的距离有什么要求?
提示:原子核间的距离达到10-15
m以内。
(2)核聚变为何又叫热核反应?
提示:核聚变需要在几百万开尔文的高温下才能进行,因此核聚变又叫热核反应。
【典例示范】
(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
+2ν,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。
【素养训练】
1.“人造太阳”实验中的可控热核反应的聚变方程是
反应原料氘
富存于海水中,氚
可以用中子轰击锂核
得到,则关
于中子轰击锂核产生一个氚核和一个新核,下列说法正确的是
( )
A.该核反应方程为
B.核反应生成物中的α粒子具有很强的电离本领,但穿透能力较弱
C.在中子轰击锂核
的核反应生成物中有α粒子,故该核反应属于α衰变
D.核聚变的条件是要达到高温高压的热核反应状态,故核聚变过程不能释放出
核能
【解析】选B。根据质量数和电荷数守恒得该核反应为：
故A错误;α射线的电离本领较强,穿透能力较弱,故B正确;该核反应为人工核反
应,故C错误;在聚变方程式：
中会释放大量的热量,故D错误。
2.关于轻核聚变释放核能,下列说法正确的是
( )
A.一次聚变反应一定比一次裂变反应释放的能量多
B.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
C.聚变反应中粒子的结合能变大
D.聚变反应中由于形成质量较大的核,故反应后质量增加
【解析】选B。在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故A错误,B正确;由于聚变反应中释放出巨大能量,则比结合能一定增加,质量发生亏损,并非结合能增加,故C、D错误。
【补偿训练】
1.(多选)下列关于聚变的说法,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,因此聚变又叫作热核反应
C.原子弹爆炸能产生几百万开尔文的高温,所以氢弹可以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
【解析】选A、B、C。轻核聚变时,要使轻核之间距离达到10-15
m,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的高温下才有这样的能量,这样高的温度可以通过原子弹爆炸获得,故B、C正确;在太阳和其他恒星内部都存在着热核反应,但在地球内部不会自发地进行,D错误。
2.(多选)如图所示,托卡马克(Tokamak)是研究受控核聚变的一种装置,这个词是toroidal(环形的)、kamera(真空室)、magnet(磁)的头两个字母以及kotushka(线圈)的第一个字母组成的缩写词。根据以上信息,下述判断中可能正确的是
( )
A.这种装置的核反应原理是轻核的聚变,同时释放出大量的能量,和太阳发光的原理类似
B.线圈的作用是通电产生磁场使带电粒子在磁场中旋转而不溢出
C.这种装置同我国秦山、大亚湾核电站所使用核装置的核反应原理相同
D.这种装置可以控制热核反应速度,使聚变能缓慢而稳定地进行
【解析】选A、B、D。聚变反应原料在装置中发生聚变,放出能量,故A正确;线圈通电时产生磁场,带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用不飞出,故B正确;核电站的原理是裂变,托卡马克的原理是聚变,故C错误;该装置使人们可以在实验中控制反应速度,平稳释放核能,故D正确。
四 新粒子的发现和夸克模型
1.新粒子的发现及特点:
发现
时间
1932年
1937年
1947年
20世纪
60年代后
新粒子
正电子
μ子
K介子
与π介子
超子
基本
特点
质量与相对应的粒子
相同而电荷及其他一
些物理性质相反
比质子
的质量小
质量介于电
子与核子之
间
其质量比质
子大
2.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
有内部结构,由“夸克”
构成,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
分类
参与的
相互作用
发现的
粒子
备注
规范玻色子
传递各种相互作
用
光子、中间玻
色子、胶子
光子传递电磁相互作用,中
间玻色子传递弱相互作用,
胶子传递强相互作用
希格斯玻色子
是希格斯场的量
子激发
3.夸克模型:
(1)夸克的提出: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)夸克的种类:上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)
和顶夸克(t)。
(3)夸克所带电荷:夸克所带的电荷量是分数电荷量,即其电荷量为元电荷的-
或+
。例如,上夸克带的电荷量为+
下夸克带的电荷量为-
(4)意义:电子电荷不再是电荷的最小单位,即存在分数电荷。
【思考·讨论】
图为欧洲粒子加速器,能使粒子获得13万亿电子伏特的能量。
(1)高速粒子碰撞能产生一些新的粒子,试说出部分20世纪30年代以来发现的新粒子。
提示:介子、超子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子等。
(2)随着新粒子的发现,质子与中子为什么不再被称为“基本粒子”?
提示:因为质子与中子也有着复杂的内部结构,它们也是由更基本的粒子组成,质子与中子不再被称为“基本粒子”。
【典例示范】
关于粒子,下列说法正确的是
( )
A.电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子
B.强子中都是带电的粒子
C.夸克模型是探究三大类粒子结构的理论
D.夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位
【解析】选D。由于质子、中子是由不同夸克组成的,它们不是最基本的粒子,
不同夸克构成强子,有的强子带电,有的强子不带电,故A、B错误;夸克模型是研
究强子结构的理论,不同夸克带电不同,分别为+
e和-
,说明电子电荷不再
是电荷的最小单位,C错误,D正确。
【素养训练】
1.(多选)下列关于夸克模型的说法正确的是
( )
A.强子是由更基本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+
或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
【解析】选A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
2.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
【解析】选B。质子
带电荷量为2×
e+(-
e)=e,中子
带电荷量为
e
+2×(-
e)=0。可见B正确。
【补偿训练】
1.(多选)关于人们发现的新粒子,下列说法正确的是
( )
A.许多粒子都有自己的反粒子
B.粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类
C.质子属于强子
D.光子属于轻子
【解析】选A、B、C。“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,故A正确;粒子分为强子、轻子、规范玻色子、希格斯玻色子四类,B正确;质子属于强子,光子属于规范玻色子,故C正确,D错误。
2.(多选)下列说法中正确的是
( )
A.目前还未发现媒介子、轻子和夸克这三类粒子的内部结构
B.自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子不适用
C.反粒子与其对应的粒子相遇时,会发生湮灭现象
D.强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子
【解析】选A、C、D。媒介子、轻子和夸克在现代实验中还没有发现其内部结构,故A正确;自然界存在着能量守恒定律、动量守恒定律及电荷守恒定律,对基本粒子同样适用,故B错误;粒子与其反粒子带等量异种电荷,反粒子与其对应的粒子相遇时会发生湮灭现象,故C正确;强子是参与强相互作用的粒子,质子是最早发现的强子,中子、介子和超子也是强子,故D正确。
【拓展例题】考查内容:裂变过程的核能计算
【典例】用中子轰击铀核
其中的一个可能反应是分裂成钡
和氪
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,算出反应中释放的核能。
【解析】根据反应前后核的质量数守恒、核电荷数守恒和反应中的能量守恒,
可以写出核反应方程为
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。
答案:
3.220
2×10-11
J
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.下面列出的是一些核反应方程,针对核反应方程下列说法正确的是
( )
A.核反应方程①是重核裂变,X是α粒子
B.核反应方程②是轻核聚变,Y是中子
C.核反应方程③是太阳内部发生的核聚变,K是正电子
D.核反应方程④是衰变方程,M是中子
【解析】选B。根据质量数守恒和电荷数守恒知,X为
即α粒子,该反应为
α衰变,故A错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,Y为
即中子,该反应为轻
核聚变,故B正确;根据质量数守恒和电荷数守恒知,K为
即中子,该反应为人
工核反应,故C错误;根据质量数守恒和电荷数守恒知,M为
即中子,该反应为
铀核裂变反应,故D错误。
2.据新华网2019年6月24日报道,中国科学院空天信息研究院和中国科学技术大学等单位联合研制出高速高精度激光汤姆孙散射仪,为我国未来磁约束聚变能装置的高精度测量奠定了坚实的基础。下列说法正确的是
( )
A.激光被散射后频率不变
B.激光被散射后频率增大
C.核聚变反应在常温下就可以发生
D.核聚变反应能够释放能量
【解析】选D。根据康普顿效应可知,激光与其他粒子碰撞时,把一部分动量转
移给对方,根据λ=
可知,激光散射后波长λ变长,根据c=λν可知,频率减小,
故A、B错误;核聚变反应又称为热核反应,需要高温条件,在常温下不能发生,故
C错误;核聚变反应发生质量亏损,释放能量,故D正确。
3.(多选)下列说法正确的是
( )
A.目前我国核电事业蓬勃发展,新建核电站的能量来源可以是轻核聚变
B.无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化
C.半衰期是大量原子核内的核子有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化
D.重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能
【解析】选B、D。轻核聚变现在还无法进行控制,新建核电站的能量来源于重核裂变,故A错误;比结合能小的原子核向比结合能大的原子核发生变化时要放出能量,裂变和聚变都是放热反应,所以无论裂变还是聚变都要从比结合能小的原子核向比结合能大的原子核变化,故B正确;半衰期是大量原子核有统计意义上的半数发生变化的时间,它不随温度或压强变化而变化,不是原子核内的核子有半数发生变化所需要的时间,故C错误;重核发生α衰变后,伴随着γ射线产生,即要释放能量,所以重核发生α衰变后的产物的总结合能小于原重核的结合能,故D正确。
【补偿训练】
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238
D.铀块的体积对产生链式反应无影响
【解析】选B。铀核裂变的产物是多种多样的,具有极大的偶然性,但裂变成两个核的情况较多,也会分裂成多个核,并放出几个中子。铀235被中子轰击时,裂变的概率大,且可以俘获各种能量的中子引起裂变,而铀238只有俘获能量在1
MeV以上的中子才能发生裂变,且裂变的几率小,而要引起链式反应,必须使铀块的体积大于临界体积。故选项B正确,A、C、D错误。
4.
受中子轰击时会发生裂变,产生
和
同时放出200
MeV
的能
量,现要建设发电能力是50万千瓦的核电站,用铀235作为原子锅炉的燃料,假设
核裂变释放的能量全部被用来发电,那么一天需要纯铀235的质量为多少?(阿伏
加德罗常数取6.02×1023mol-1)
【解析】每天发电的总量
E=24×3.6×103×5×108
J=4.32×1013
J。
要得到这么多能量需要裂变的铀原子数目
n=
=1.35×1024(个)。
则对应的质量
m=
·μ=
×235×10-3
kg=0.527
kg。
答案:0.527
kg
【新思维·新考向】
情境:能源危机是一个全球性的共同问题,科学家们正在积极探索核能的开发与
和平利用,其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景。热核反应比相同数量
的核子发生裂变反应释放的能量要大好几倍,同时所造成的污染也要轻得多,而
且可用于热核反应的氘
在海水中的总含量非常丰富,所以一旦可控热核
反应能够达到实用,便可解决人类所面临的能源危机问题。
问题:(1)热核反应中的一种反应是1个氘核和1个氚核
聚变为一个氦核
请完成这个核反应方程式
+__________+能量。?
(2)若氘核的质量为2.014
1
u,氚核的质量为3.016
1
u,中子的质量为
1.008
7
u,氦核的质量为4.002
6
u。其中u是原子质量单位,已知1
u相当于931
MeV的能量,则上述核反应过程中释放的能量为________MeV。(保留3位有效数字)?
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒,知未知粒子的电荷数为0,质量数为
1,知该粒子为中子,即
(2)根据爱因斯坦质能方程得,
ΔE=Δmc2=(2.014
1+3.016
1-4.002
6-1.008
7)×931
MeV≈17.6
MeV。
答案:(1)
(2)17.6
课时素养评价
十八 核裂变与核聚变 “基本”粒子
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.核潜艇是以核反应堆为动力来源的潜艇,有一种核裂变方程为
。关于裂变反应及上述裂变反应产物,下列说法正确的是( )
A.裂变反应中亏损的质量变成了能量
B.裂变反应出现质量亏损导致质量数不守恒
C.X原子核中有54个中子
D.X原子核比铀核的比结合能大
【解析】选D。在裂变反应中亏损的质量以能量的形式释放出来,不是亏损的质量变成了能量,故A错误;裂变反应中,电荷数守恒、质量数守恒,故B错误;根据电荷数守恒知X的电荷数为92-38=54,即质子数为54,根据质量数守恒X的质量数为235+1-94-10×1=132,故其中子数为132-54=78,故C错误;中等核的比结合能较大,知X原子核比铀核的平均结合能大,故D正确。
2.在众多的裂变反应中,有一种反应方程为
,其中X为
某种粒子,a为X的个数,则
( )
A.X为中子,a=2
B.X为中子,a=3
C.X为质子,a=2
D.X为质子,a=3
【解析】选B。由质量数、核电荷数守恒得
所以X为中子,a=3,故B正确。
3.(2020·全国Ⅱ卷)氘核
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。
4.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α粒子放出
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C。由铀核反应方程知,没有α粒子产生,故A错误;铀块的体积必须
达到临界体积才能发生链式反应,故B错误;核反应堆的铀核链式反应的速度可
人工控制,故C正确;放射性元素的半衰期由核本身的因素决定,与环境温度无
关,故D错误。
5.根据宇宙大爆炸的理论,在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显风采的时期,那么在大爆炸之后最早产生的粒子是
( )
A.夸克、轻子、胶子等粒子
B.质子和中子等强子
C.光子、中微子和电子等轻子
D.氢核、氘核、氦核等轻核
【解析】选A。宇宙形成之初产生了夸克、轻子和胶子等粒子,之后又经历了质子和中子等强子时代,再之后是自由光子、中微子、电子大量存在的轻子时代,再之后是中子和质子组合成氘核,并形成氦核的核合成时代,之后电子和质子复合成氢原子,最后形成恒星和星系,因此A正确,B、C、D错误。
6.中国科学家吴宜灿获得2018年欧洲聚变核能创新奖,获奖理由:开发了一种新的基于CAD的粒子传输软件,用于核设计和辐射安全计算。下列关于聚变的说法中,正确的是
( )
A.同样质量的物质裂变时释放的能量比同样质量的物质聚变时释放的能量大很多
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.核反应堆产生的能量来自轻核聚变
D.聚变反应每个核子释放的平均能量一定比裂变反应大
【解析】选D。根据聚变与裂变的特点可知,同样质量的物质聚变时释放的能量比同样质量的物质裂变时释放的能量大很多,故A错误;裂变过程有质量亏损,聚变过程质量也亏损,故B错误;核反应堆产生的能量来自重核裂变,故C错误;在一次聚变反应中释放的能量不一定比裂变反应多,但平均每个核子释放的能量一定大,故D正确。
二、非选择题(本题共2小题,共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.(12分)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,当
俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式,其中一种可
表示为
235.043
9 1.008
7
138.917
8 93.915
4
反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位u为单位),
已知1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV,此裂变反应释放出的能量是多少
MeV?
【解析】此裂变反应的质量亏损为:
(235.043
9+1.008
7)u-(138.917
8+93.915
4+3×1.008
7)u=0.193
3
u
由1
u的质量对应的能量为9.3×102
MeV
ΔE=9.3×102×0.193
3
MeV≈1.80×102
MeV。
答案:1.80×102
MeV
【总结提升】裂变问题的分析方法
(1)对于裂变问题,要知道是什么原子核发生了裂变,写出原子核的裂变方程,应该注意裂变方程的质量数和电荷数守恒;更应该注意的是,原子核的裂变方程必须是能够实际发生的,不能随意编造,并不是所有满足质量数和电荷数守恒的方程都能发生。
(2)根据质能方程ΔE=Δmc2,由反应前后原子核的质量亏损,可以计算出一个原子核裂变时释放的能量。
(3)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏(MeV)能量计算,用核子结合
成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以931.5
MeV,即ΔE=Δm×931.5
MeV。
(4)由每个铀核反应释放的核能乘以铀核个数求得E=ΔE每个×NA×
。
8.(12分)科学家初步估计月球土壤中至少有100万吨“氦3”(即
),它是热
核聚变的重要原料。如果月球开发成功,将为地球带来取之不尽的能源。已知
氦3核与氘核发生聚变反应有质子流产生。
(1)写出核反应方程。
(2)若该反应中质量亏损为9.0×10-30
kg,且释放的能量全部转化为生成物的
总动能。试计算生成物的总动能(聚变前粒子的动能可忽略不计)。
【解析】(1)核反应方程式为:
(2)核反应过程中质量亏损为Δm,
根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
可得释放的能量ΔE=9.0×10-30×(3×108)2
J=8.1×10-13
J。
答案:(1)
(2)8.1×10-13
J
【能力提升】(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)日本福岛第一核电站在地震后,数秒内就将控制棒插入核反应堆芯,终止了铀的裂变链式反应。但海啸摧毁了机组的冷却系统,因裂变遗留的产物铯、钡等继续衰变不断释放能量,核燃料棒温度不断上升,对周边环境产生了巨大的危害。则下列说法正确的是
( )
A.控制棒通过吸收中子来实现对核反应的控制
B.日本后来向反应堆灌注海水,可以降温,但大量被污染的海水外泄,对周边环境产生了巨大的危害
C.核裂变遗留物铯、钡等原子的质量可能比铀原子质量大
D.核泄漏中放射性物质对人类是有害的
【解析】选A、B、D。控制棒通过吸收中子来实现对核反应速度的控制,选项A正确;日本后来向反应堆灌注海水,大量被污染的海水外泄,泄漏的放射性物质对周边环境产生了巨大的危害,选项B、D正确;因为核反应有能量释放,可知铯、钡等原子的质量比铀原子质量小,故C错误。
【补偿训练】
关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是( )
A.镉棒能释放中子,依靠释放中子的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
【解析】选C。镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用其对中子吸收能力强的特点,通过控制中子数量的多少而控制核反应速度,故C正确。
10.(7分)(多选)在某核反应堆中,在铀棒
周围放置重水作为“慢化剂”,
已知重水的原子核质量是中子的20倍,中子与重水原子核每次碰撞都可看成是
弹性碰撞,且每次碰撞前重水原子核都可以认为是静止的。则下列说法正确的
是
( )
A.铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速
B.
裂变产生2～3个中子,这些中子再与其他
发生核反应,会形成链式
反应
C.中子与重水的原子核碰撞一次后速率为原来的
D.中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的(
)10
【解析】选A、B、D。铀235发生裂变的条件是有慢中子轰击,而核反应结束后
的中子的速度都比较快,所以铀棒周围放置“慢化剂”的目的是使中子减速,
故A正确;根据产生链式反应的条件,结合
裂变的特点可知，
裂变产生
2～3个中子,这些中子再与其他
发生核反应,会形成链式反应,故B正确;中
子与重水原子核每次碰撞都可看成是弹性碰撞,选取中子运动的初速度v0的方
向为正方向,设中子的质量为m,则由动量守恒定律得:mv0=mv1+msvs
由动能守恒得:
由于ms=20m
联立可得:v1=
v0,故C错误;结合C选项的分析可知,每一次碰撞后,中子的速
度都变成碰撞前的
,所以中子与重水的原子核碰撞10次后速率为原来的
(
)10,故D正确。
11.(7分)(多选)下列叙述正确的是
( )
A.强子是参与强相互作用的粒子
B.轻子是不参与强相互作用的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.夸克有6种,它们带的电荷量分别为元电荷的
【解析】选A、B、D。由三类粒子的特性可知A、B正确;而目前发现的轻子只
有6种,C错误;夸克模型经过几十年的发展,已知夸克有6种,它们带的电荷分别
为元电荷的
,D正确。
12.(19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。
(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3.0×105
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。(一年按3.2×107
s计算,光速c=3.0×108
m/s,结果保留两位有效数字)
【解析】
(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×(3.0×108)2
J≈2.8×10-12
J
(3)每个氘原子质量
mD=2.0141×1.66×10-27
kg=3.34×10-27
kg
核聚变电站产生的电能Pt=η
·ΔE
则m=
·mD
代入数据得m≈23
kg。
答案:
(2)2.8×10-12
J (3)23
kg(共86张PPT)
3.核力与结合能
必备知识·素养奠基
一、核力与四种基本相互作用
1.核力:原子核里的_____间存在着相互作用的核力,_____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)核力是核子间的___________的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力
_______。
(2)核力是_______,作用范围在________之内。?
核子
核力
强相互作用
大得多
短程力
10-15
m
3.四种基本相互作用:
二、结合能与质量亏损
1.结合能和比结合能:
(1)结合能:原子核是核子凭借核力结合在一起构成的,要把它们分开也需要___
___,这就是原子核的结合能。
(2)比结合能(平均结合能):原子核的结合能与_______之比称为比结合能。比结
合能_____,原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定,_________的核的比结合
能最大、最稳定。
能
量
核子数
越大
中等大小
2.质量亏损:
(1)爱因斯坦质能方程_____。
(2)质量亏损:原子核的质量_____组成它的核子的质量之和的现象。
(3)核子在结合成原子核时出现的质量亏损Δm,与它们在互相结合过程中放出
的能量ΔE的关系是___________。
E=mc2
小于
ΔE=Δm·c2
关键能力·素养形成
一 核力与四种基本相互作用
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时起作用。
(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。
【思考·讨论】
如图为3H和3He的原子核结构示意图。
(1)质子都带正电,质子与质子之间存在着库仑斥力,为什么3He还能稳定地存在?
提示:因为质子之间除了存在库仑斥力还存在核力。
(2)自然界中存在的元素是有限的,为什么质子与中子不能随意地组合从而形成无数不同的原子核?
提示:因为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。
【典例示范】
关于相互作用,下列说法正确的是
( )
A.地球对较近的月球有引力的作用,对遥远的火星则没有引力作用
B.原子核中质子和中子能紧密地保持在一起,是因为它们之间存在弱相互作用
C.电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上是同一种相互作用的不同表现
D.强相互作用的作用范围比电磁相互作用的作用范围大
【解析】选C。根据万有引力定律F=G
虽然地球和火星之间的距离较大,
但是它们的质量也比较大,故它们之间的引力也是较大的,故A错误;原子核中
质子和中子能紧密地保持在一起,是因为它们之间存在强相互作用,故B错误;
电荷间的相互作用和磁体间的相互作用,本质上是同一种相互作用的不同表现,
本质上都是电磁相互作用,故C正确;强相互作用是短程力,它的作用范围比电
磁相互作用的作用范围小得多,故D错误。
【素养训练】
1.(多选)对核力的认识,下列说法正确的是
( )
A.任何核子之间均存在核力
B.每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
C.核力只存在于质子之间
D.核力只发生在相距1.5×10-15
m的核子之间,大于0.8×10-15
m为吸引力,而小于0.8×10-15
m为斥力
【解析】选B、D。由核力的特点知道,只有相距1.5×10-15
m内的核子之间存在核力,核力发生在相邻核子之间。
2.物体之间存在着四种相互作用,下列说法中正确的是
( )
A.宏观物体之间的相互作用都是强相互作用
B.两个物体之间距离非常近时才存在的相互作用称为弱相互作用
C.万有引力是四种基本作用之一
D.电荷与电荷之间的相互作用不属于电磁相互作用
【解析】选C。在原子核内,核子之间有强大的核力是强相互作用的体现,而宏观物体之间的相互作用通常是引力相互作用,故A错误;在放射现象中起作用的一种相互作用力,被称为弱相互作用;涉及中微子的反应都是弱相互作用过程,弱相互作用仅在微观尺度上起作用,力程最短,弱相互作用力是短程力。由此可知,弱相互作用与宏观的物体之间距离的大小无关,故B错误;万有引力是四种基本作用之一,故C正确;电荷与电荷之间的相互作用属于电磁相互作用,故D错误。
【补偿训练】
1.(多选)关于原子内的相互作用力说法正确的是
( )
A.原子核与电子之间的作用力主要是电磁力
B.中子和质子间的作用力主要是核力
C.质子与质子间的核力,在2.0×10-15m的距离内远大于它们相互间的库仑力
D.原子核与电子之间的万有引力大于它们之间的电磁力
【解析】选A、C。电子在原子核与电子之间库仑力的作用下绕原子核做圆周运动,选项A正确,D错误;中子和质子、质子与质子间的核力,主要是表现在相邻的核子之间,在2.0×10-15m的距离内远大于它们相互间的库仑力,大于10×10-15m的距离核力几乎为零,故选项C正确,B错误。
2.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
【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。
二 结合能与原子核的稳定性
1.结合能:要把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量。
2.比结合能:等于原子核的结合能与原子核中核子个数的比值,它反映了原子核的稳定程度。
3.比结合能曲线:不同原子核的比结合能随质量数变化图线如图所示。
从图中可看出,中等质量原子核的比结合能最大,轻核和重核的比结合能都比中等质量的原子核要小。
4.比结合能与原子核稳定的关系:
(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。
【思考·讨论】
如图所示为原子核的比结合能示意图。
(1)随着质量数的增加,比结合能曲线整体上有什么变化规律?
提示:随着质量数的增加,比结合能曲线整体上先增大再减小,中等大小核的比结合能最大最稳定。
(2)比结合能的大小与原子核的稳定性有什么关系?
提示:比结合能越大原子核越稳定。
【典例示范】
如图为原子核的比结合能曲线。根据该曲线,下列说法正确的是( )
A.
核比
核更稳定
B.
核的结合能约为7
MeV
C.两个
核结合成
核时释放能量
D.质量数越大的原子核越稳定
【解析】选C。
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,其结合能为4×7
MeV=28
MeV,故B错
误;
核的比结合能约为7
MeV,
核的比结合能约为1
MeV,说明
比
要稳定,则两个
核结合成
核时释放能量,故C正确;中等质量数的原子
核比较稳定,故D错误。
【素养训练】
1.(多选)铁的比结合能比铀核的比结合能大,下列关于它们的说法正确的是( )
A.铁的结合能大于铀核的结合能
B.铁核比铀核稳定
C.若铀核能发生核变化变成铁核则要放出能量
D.若铀核能发生核变化变成铁核则质量要亏损
【解析】选B、C、D。铁核的比结合能大,则它稳定些,铀核比结合能小,变成铁核会放出核能,出现质量亏损,B、C、D正确。
2.一个中子与质子发生核反应,生成一个氘核,其核反应方程为
若该核反应放出的核能为ΔE,则氘核的比结合能为
( )
【解析】选C。根据结合能的定义可知,质子与中子发生核反应,生成氘核的过
程中放出的能量等于氘核的结合能,所以氘核的结合能等于ΔE;氘核有两个核
子,所以氘核的比结合能为
。故C正确,A、B、D错误。
【补偿训练】
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.下列说法正确的是
( )
A.两个结合能小的原子核结合成一个结合能大的原子核一定要吸收能量
B.比结合能就是原子核的能量与核子数的比
C.比结合能就是两种原子核的结合能之比
D.铁元素的比结合能大于氢元素的比结合能
【解析】选D。吸收或放出能量取决于比结合能大小,与结合能大小无关,两个轻核结合成一个较大质量的核要放出能量,A错误;比结合能是结合能与核子数之比,B、C均错误;中等质量的铁核的比结合能远大于氢核的比结合能,D正确。
三 质量亏损与质能方程
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:
(1)质能方程说明,一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说,一定质量的物体所具有的总能量是一定的,等于光速的平方与其质量之积,这里所说的总能量,不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量,而是物体所具有的各种能量的总和。
(2)根据质能方程,物体的总能量与其质量成正比。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。
(3)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。
3.核能的计算方法:
(1)根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2计算核能。
其中Δm的单位是千克,ΔE的单位是焦耳。
(2)根据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。
4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法:
(1)根据反应前后质量的变化情况进行判断,若质量减少即发生了质量亏损,则释放能量;若质量增加,则吸收能量。
(2)根据动能变化判断,若不吸收光子而动能增加则放出能量。
【思考·讨论】
如图所示是原子核转变示意图。
(1)在核反应过程中质量数、核电荷数是否守恒?
提示:在核反应过程中质量数与核电荷数守恒。
(2)在该核反应过程中会释放出能量,反应前后原子核的质量是否会发生变化?
提示:核反应过程中会发生质量亏损。
【典例示范】
两个动能均为1
MeV的氘核发生正面碰撞,引起反应
(1)此核反应中放出的能量ΔE为多少?(氘核质量为2.013
6
u,氚核质量为
3.015
6
u,质子质量为1.007
3
u,1
u的质量对应931.5
MeV的能量,结果保留
三位小数)
(2)若放出的能量全部变为新生核的动能,求新生的质子与氚核的动能之比;
(3)若放出的能量全部变为新生核的动能,则质子具有的动能是多少?(保留三
位有效数字)
【解析】(1)根据核反应方程
,
质量亏损:Δm=2m氘-m氚-m氢=2×2.013
6
u-3.015
6
u-1.007
3
u=0.004
3
u;
放出的核能:ΔE=Δmc2=0.004
3×931.5
MeV≈4.005
MeV
(2)两个动能均为1
MeV的氘核发生正面碰撞,两个粒子组成的系统的总动量为
零,设
核和
核的动量分别为p1和p2,由动量守恒定律得:0=p1+p2
由此得p1和p2大小相等,由动能和动量关系Ek=
及
核和
核质量关系
可知,新生的氢核动能E1是
核动能E2的3倍即E1∶E2=3∶1
(3)由能量守恒定律得:E1+E2=ΔE+2E初
由以上可以算出:E1=4.50
MeV
答案:(1)4.005
MeV
(2)3∶1 (3)4.50
MeV
【素养训练】
1.(多选)光子的能量为hν,动量的大小为
如果一个静止的放射性元素的
原子核在发生γ衰变时只发出一个γ光子,则下列说法正确的是
( )
A.衰变后的原子核仍然静止
B.衰变后的原子核沿着与光子运动方向相反的方向运动
C.该过程中质量亏损为
D.该过程中质量亏损大于
【解析】选B、D。由动量守恒知,衰变后的原子核沿着与光子运动方向相反的
方向运动,故A错误,B正确;
仅仅是光子对应的质量亏损,而原子核具有动
能,还对应部分质量亏损,故C错,D正确。
2.钴60是金属元素钴的放射性同位素之一,其半衰期为5.27年。它会通过β衰变放出能量高达315
keV的高速电子并衰变为镍60,同时会放出两束γ射线,其能量分别为1.17
MeV及1.33
MeV。钴60的应用非常广泛,几乎遍及各行各业。在农业上,常用于辐射育种、食品辐射保藏与保鲜等;在工业上,常用于无损探伤、辐射消毒、辐射加工、辐射处理废物以及自动控制等;在医学上,常用于癌和肿瘤的放射治疗。关于钴60下列说法正确的是
( )
A.衰变方程为
B.利用钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的电子流
C.钴60可以作为示踪原子研究人体对药物的吸收
D.钴60衰变过程中不会有质量亏损
【解析】选A。根据电荷数守恒、质量数守恒,知钴60发生β衰变的方程为
,故A正确;钴60对人体肿瘤进行放射治疗是利用其衰变放出的
γ射线,故B错误;钴60半衰期太长,且衰变放出的高能粒子对人体伤害太大,不
能作为药品的示踪原子,故C错误;所有衰变都会有质量亏损,故D错误。
【补偿训练】
1.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出
的能量约为4×1026
J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近
( )
A.1036
kg
B.1018
kg
C.1013
kg
D.109
kg
【解析】选D。根据爱因斯坦的质能方程得:
Δm=
kg≈4.4×109
kg,D正确。
2.氘核与氚核的聚变反应
+17.6×106
eV,已知普朗克常量
h=6.6×10-34J·s,求:
(1)核反应式中的X是什么粒子?
(2)这一过程的质量亏损是多少?
(3)1
g氘核完全参与上述反应,共释放核能多少?阿伏伽德罗常量NA=6.0×
1023mol-1。
【解析】
(1)由质量数和电荷数守恒可知,氘核与氚核的聚变反应
+17.6×106
eV,X的质量数是1,电荷数是0,故X是中子。
(2)根据爱因斯坦的质能方程ΔE=Δmc2,得
Δm=
=3.1×10-29kg
(3)1
g氘核完全与氚核发生聚变反应释放的核能为:
ΔE=
NA×17.6×106
eV=5.28×1030
eV=8.448×1011
J
答案:(1)中子 (2)3.1×10-29
kg (3)8.448×1011
J
【拓展例题】考查内容:对质能方程的理解
【典例】(多选)关于质能方程,下列说法中正确的是
( )
A.质量减少,能量就会增加,在一定条件下质量转化为能量
B.物体获得一定的能量,它的质量也相应地增加一定值
C.物体一定有质量,但不一定有能量,所以质能方程仅是某种特殊条件下的数量关系
D.某一定量的质量总是与一定量的能量相联系的
【解析】选B、D。质能方程E=mc2表明某一定量的质量与一定量的能量是相联系的,能量增加某一定值时,它的质量也相应地增加一定值,并可根据ΔE=Δmc2进行计算,所以B、D正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.太阳释放的巨大能量来源于核聚变。一个氘核与一个氚核聚变成一个氦核的同时释放出一个中子,若氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为m1、m2、m3和m4,真空中的光速为c,那么一个氘核和一个氚核发生核聚变时,释放的能量是
( )
A.(m1+m2-m3
)c2
B.(m1+m2-m3-m4
)c2
C.(m1+m2-m3
)c
D.(m1+m2-m3-m4
)c
【解析】选B。质量亏损为:Δm=m1+m2-m3-m4,则释放的能量为:ΔE=Δmc2=
(m1+m2-m3-m4
)c2,故B正确,A、C、D错误。
2.关于原子核的结合能与平均结合能,下列说法中不正确的是
( )
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
【解析】选D。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,核力将做正功,释放能量,故A、B正确;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,C正确,D错误。
3.(多选)放射性元素氡
的半衰期为T,氡核放出一个X粒子后变成钋核
设氡核、钋核和X粒子的质量分别为m1、m2和m3,下列说法正确的是
( )
A.该过程的核反应方程是
B.发生一次核反应释放的核能为(m1-m2-m3)c2
C.1
g氡经2T时间后,剩余氡的质量为0.5
g
D.钋核的比结合能比氡核的比结合能小
【解析】选A、B。根据质量数守恒可知,X的质量数是222-218=4,电荷数是:86-
84=2,所以该过程的核反应方程是
,故A正确;该核反应的过
程中释放能量,有质量亏损,所以发生一次核反应释放的核能为E=(m1-m2-m3)c2,
故B正确;1
g氡经2T时间后,剩余氡原子的质量为:m=m0(
)2=
=0.25
g,故C
错误;该核反应的过程中释放能量,有质量亏损,所以钋核的比结合能比氡核的
比结合能大,故D错误。
4.一个α粒子轰击硼
核变成碳14和一个未知粒子,并放出7.5×105
eV的
能量,写出核反应方程并求出反应过程中的质量亏损。(mp=1.672
623
1×
10-27
kg)
【解析】根据质量数守恒和核电荷数守恒可得
由ΔE=Δmc2可知,
1
u原子质量单位相当于931.5
MeV的能量,所以可得
Δm=0.000
805
u=1.3×10-30
kg。
答案:
1.3×10-30
kg
【新宿为·新考向】
情境:假设钚的同位素离子
静止在某一匀强磁场中,该离子沿着与磁场垂
直的方向放出一个α粒子后,变成了铀的一个同位素离子,同时放出能量为E=
0.09
MeV的光子。若已知钚核的质量为m1=238.999
655
u,铀核的质量为m2=
234.993
470
u,α粒子的质量为m3=4.001
509
u。(普朗克常量是h=6.63×
10-34
J·s,光在真空中的速度为c=3×108
m/s,1
u的质量对应于931.5
MeV的
能量)。
问题:(1)写出这一过程的核反应方程式?
(2)放出的光子的波长是多少?
(3)求α粒子和新核获得的总动能是多少?
【解析】铀核相对α粒子做反向运动(反冲),在磁场中形成相切的圆轨迹,衰变
中系统的动量及总能量均是守恒的,释放出的结合能,一部分转变成两个生成核
的动能,另一部分以光子的形式辐射出去。
(1)
(2)因E=hν=h
所以λ=
m≈1.38×10-11
m
(3)由质能方程可得衰变中释放的能量:
ΔE=Δmc2=(m1-m2-m3)×931.5
MeV
根据能量守恒定律得,铀核和α粒子的总动能为:
Ek=EkU+Ekα=ΔE-E=(m1-m2-m3)×931.5
MeV-0.09
MeV≈4.266
MeV。
答案:(1)
(2)1.38×10-11
m (3)4.266
MeV
课时素养评价
十七 核力与结合能
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.关于四种相互作用,下列说法中不正确的是
( )
A.使原子核内质子、中子保持在一起的作用是强相互作用
B.在天然放射现象中起作用的基本相互作用是弱相互作用
C.地球绕太阳旋转而不离去是由于万有引力作用
D.电磁力、强相互作用力、弱相互作用力统称万有引力
【解析】选D。强相互作用和弱相互作用都存在于微观物质内部,比如原子核内部使原子核内质子、中子保持在一起的作用是强相互作用,故A正确;在天然放射现象中起作用的是基本相互作用中的弱相互作用,故B正确;宇宙万物任何两个物体之间都存在着相互作用的吸引力,这种引力叫作万有引力,地球绕太阳旋转而不离去是由于万有引力作用,故C正确;强相互作用、弱相互作用、万有引力及电磁力为基本的四种相互作用,故D不正确,本题选不正确的,故选D。
2.恒星向外辐射的能量来自其内部发生的各种热核反应,已知氘核
的比结
合能为E1,氦核
的比结合能为E2,则热核反应
释放的能量可表
示为
( )
A.E2-E1
B.E2-2E1
C.4E2-2E1
D.4E2-4E1
【解析】选D。氘核的比结合能为E1,氦核的比结合能为E2,根据比结合能等于
结合能与核子数的比值,则有:该核反应中释放的核能ΔE=4E2-2E1-2E1=4E2-4E1,
故D正确,A、B、C错误。
3.某核反应方程为
。已知
的质量为2.013
6
u，
的质量
为3.018
0
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。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
,则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,故选项B正确。
【互动探究】这个核反应释放或吸收的能量是多少?
【解析】发生的质量亏损是
Δm=5.031
6
u-5.011
3
u=0.020
3
u,
再有ΔE=Δmc2=0.020
3×931.5
MeV
=18.91
MeV
答案:18.91
MeV
4.科幻电影《流浪地球》开阔了中小学生的视野,很大程度影响了孩子们的思
想深度,有许多物理知识咱们中学生都能理解。比如影片中的行星发动机为
“重核聚变发动机”,通过燃烧石头获得能量,所谓“重核聚变”指的是两个
比较重(相对氘、氚)的核,产生聚变形成一个更重的核并放出能量的过程。影
片中发动机燃烧石头指的是石头里的硅
核聚变生成铁核
,结合题
图,下列说法正确的是
( )
A.平均结合能越大,原子核越不稳定
B.已知中子质量、质子质量便可算出硅核的结合能
C.硅核的平均结合能比铁核的小
D.结合能是指把原子核拆成自由核子所放出的能量
【解析】选C。平均结合能越大,原子核越稳定,A错误;已知中子质量和质子质量,还要知道铁核质量才能计算硅核的结合能,B错误;根据图像可知硅核的平均结合能比铁核的小,C正确;原子核是核子结合在一起构成的,要把它们分开,需要能量,这就是原子核的结合能,D错误。
5.秦山核电站是我国自行设计、建造和运营管理的第一座30万千瓦压水堆核
电站。在一次核反应中一个中子轰击
变成
和若干个中子,已知
的比结合能分别为7.6
MeV、8.4
MeV、8.7
MeV,则( )
A.该核反应方程为
B.要发生该核反应需要吸收能量
C.
比
更稳定
D.该核反应中质量增加
【解析】选C。该核反应方程的质量数左边=236≠235=右边,不满足质量数守
恒,故A错误;比结合能越大越稳定,反应前
的比结合能为7.6
MeV,反应后
的比结合能分别为8.4
MeV、8.7
MeV,原子核子反应后比反应前稳定,
反应过程中会释放大量的能量,故B错误;
的比结合能比
的比结合能
大,比结合能越大越稳定,故C正确;反应过程释放大量的能量,故该核反应出现
质量亏损,故D错误。
6.原子核的比结合能与质量数的关系如图所示,核子组合成原子核时( )
A.小质量数的原子核质量亏损最大
B.中等质量数的原子核质量亏损最大
C.大质量数的原子核质量亏损最大
D.不同质量数的原子核质量亏损相同
【解析】选B。比结合能越大,原子核越稳定,从图中可以看出,中等质量的原子核比结合能最大,两个较轻的核子结合成一个新核时,就会释放出巨大的能量,因此中等质量数的原子核质量亏损最大,选项B正确。
二、非选择题(本题共2小题,共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.(12分)质子的质量mp=1.672
6×10-27
kg,中子的质量mn=1.674
9×10-27
kg,
α粒子的质量mα=6.646
7×10-27
kg,光速c=3.0×108
m/s。请计算α粒子的
结合能。(计算结果保留两位有效数字)
【解析】α粒子由两个质子和两个中子组成,根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,
可求:
ΔE=(2mp+2mn-mα)c2=4.3×10-12
J。
答案:4.3×10-12
J
8.(12分)已知质子的质量是1.008
665
u、中子的质量也是1.008
665
u,氢原
子的质量是1.007
825
u,碳原子的质量是12.000
000
u,12个核子结合成碳原
子核时,质量亏损是多少,碳原子核的比结合能是多少?
【解析】碳原子可以看成是6个氢原子与6个中子结合而成,质量亏损:
Δm=6×1.007
825
u+6×1.008
665
u-12.000
000
u=0.098
940
u
比结合能为:
=7.68
MeV。
答案:0.098
940
u 7.68
MeV
9.(7分)(多选)下列关于原子结构和原子核的说法中正确的是
( )
A.卢瑟福在α粒子散射实验的基础上提出了原子的核式结构模型
B.天然放射性元素在衰变过程中核电荷数和质量数守恒,其放射线在磁场中不偏转的是γ射线
C.由图可知,原子核D和E聚变成原子核F要吸收能量
D.由图可知,原子核A裂变成原子核B和C要放出核能
【能力提升】（15分钟·40分）
【解析】选A、B、D。α粒子散射实验中,绝大多数α粒子能够穿过原子,只有极少数发生大角度偏转,故卢瑟福在此基础上提出了原子的核式结构模型,A正确;天然放射性元素在衰变过程中电荷数和质量数守恒,其放射线有α、β、γ三种射线,其中不带电的是γ射线,放射线在磁场中不偏转的是γ射线,B正确;据题图可知,原子核D和E聚变成原子核F过程中有质量亏损,故会放出核能,C不正确;据题图可知,原子核A裂变成原子核B和C过程中有质量亏损,故会放出核能,D正确。
10.(7分)(多选)在月球上含有丰富的
(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
关于
和聚变下列表述正确的是
( )
A.
的原子核内有一个中子两个质子
B.聚变反应不会释放能量
C.聚变反应一定有质量亏损
D.目前核电站都采用
聚变反应发电
【解析】选A、C。
带2个单位正电荷,质量数为3,因此原子核内有一个中
子两个质子,故A正确;轻核聚变反应放出大量核能,根据释放核能表达式ΔE
=Δmc2,因此定会出现质量亏损,故B错误,C正确;目前核电站都采用重核的裂变
反应而不是轻核的聚变,故D错误。
11.(7分)(多选)下列说法中正确的是
( )
A.质子和中子的质量相等
B.维系原子核稳定的力是核力
C.原子核由质子和中子组成,稳定的原子核内,中子数一定大于质子数
D.β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的
【解析】选B、D。中子通过β衰变生成一个电子和一个质子,说明中子质量等于电子与质子的质量和,所以中子质量要比质子稍微大一些,故A错误;根据核力的性质可知,维系原子核稳定的力是核力,故B正确;原子核内质子数与中子数,不一定相等,有的原子内相等,有的不相等,也不能确定中子数一定大于质子数,故C错误;β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时所产生的,故D正确。
12.(19分)(2017·北京高考)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:(共91张PPT)
2.放射性元素的衰变
必备知识·素养奠基
一、原子核的衰变
【思考】
提示:遵循电荷数守恒和质量数守恒。
1.定义:原子核自发地放出_______或_______,变成另一种原子核的过程。
2.衰变类型:
(1)α衰变:放射性元素放出α粒子的衰变过程。放出一个α粒子后,核的质量
数______,电荷数______,成为新核。
(2)β衰变:放射性元素放出β粒子的衰变过程。放出一个β粒子后,核的质量
数_____,电荷数______。
3.衰变规律:原子核衰变时_______和_______都守恒。
α粒子
β粒子
减少4
减少2
不变
增加1
电荷数
质量数
4.衰变的实质:
(1)α衰变的实质:2个_____和
2个_____结合在一起形成α粒子。
(2)β衰变的实质:核内的_____转化为了一个_____和一个_____。
(3)γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
中子
质子
中子
质子
电子
二、半衰期
1.定义:放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间。
2.特点:
(1)不同的放射性元素,半衰期_____,甚至差别非常大。
(2)放射性元素衰变的快慢是由_________________决定的,跟原子所处的化学
状态和外部条件_________。
3.适用条件:半衰期描述的是_________,不适用于单个原子核的衰变。
4.半衰期的应用:利用半衰期非常稳定这一特点,可以通过测量其衰变程度来
推断_____。
半数
不同
核内部自身的因素
没有关系
统计规律
时间
三、核反应
1.定义:原子核在其他粒子的轰击下产生_________的过程。
2.原子核的人工转变:卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,核反应方程
→________。
3.遵循规律:_______守恒,电荷数守恒。
四、放射性同位素的应用与防护
1.放射性同位素:具有_______的同位素。
新原子核
质量数
放射性
2.放射性同位素的应用与防护:
(1)应用射线:利用γ射线的_________可以测厚度等,还可以用于放射治疗、
照射种子培育优良品种等。
(2)示踪原子:一种元素的各种同位素具有_______化学性质,用放射性同位素
替换非放射性的同位素后可以探测出原子到达的位置。
(3)辐射与安全:人类一直生活在放射性的环境中,过量的射线对人体组织
___________。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
穿透本领
相同的
有破坏作用
关键能力·素养形成
一 原子核的衰变规律与衰变方程
1.衰变种类:
(1)α衰变:放出α粒子的衰变,如
(2)β衰变:放出β粒子的衰变,如
2.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。
3.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,并在一定条件下
作为一个整体从较大的原子核中抛射出来,产生α衰变。
(2)β衰变:原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内,同时放出一个电
子,即β粒子放射出来。
4.衰变方程通式:
(1)α衰变：
(2)β衰变：
5.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】
放射性元素发生α衰变、β衰变时放出α粒子与β粒子,如图为α衰变、β衰变示意图。
(1)当原子核发生α衰变时,
新核的核电荷数与质量数相对原来的原子核变化了多少?
提示:当原子核发生α衰变时,原子核的质子数减小2,中子数减小2,因为α衰变的实质是2个质子和2个中子结合在一起从原子核中被抛射出来,所以新核的核电荷数比原来的原子核减少2,质量数减少4。
(2)当发生β衰变时,原子核的质量数是否发生变化?新核在元素周期表中的位置怎样变化?
提示:β粒子为电子,发生β衰变时原子核的质量数不发生变化,但新核的核电荷数相对原来的原子核核电荷数增加1,所以原子序数增加1,元素在周期表上向原子序数增加的方向移动1位。
【典例示范】
钍232
经过________次α衰变和________次β衰变,最后成为铅208
。?
【解题探究】
(1)两种衰变的质量数变化有什么规律?怎样判断α衰变的次数?
提示:β衰变质量数不变,每发生一次α衰变,质量数减少4;用两种原子核的质
量数之差除以4就是α衰变的次数。
(2)两种衰变的电荷数怎样变化?
提示:每发生一次α衰变电荷数减少2,每发生一次β衰变电荷数增加1。
【解析】因为α衰变改变原子核的质量数而β衰变不能,所以应先从判断α衰
变次数入手:
α衰变次数=
=6。
每经过1次α衰变,原子核电荷数减少2,那么,钍核经过6次α衰变后剩余的电
荷数与铅核实际的电荷数之差,决定了β衰变次数:
β衰变次数=
=4。
答案:6 4
【规律方法】衰变次数的判断技巧
(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。
【素养训练】
1.居里夫人发现了元素钋(Po),其α衰变的核反应方程式为
下列按序对a、b、c、d、e、f赋值正确的是
( )
A.84、211、2、4、1、0
B.84、210、2、4、0、0
C.84、207、1、1、0、1
D.83、207、1、1、0、0
【解析】选B。由于该核反应方程式为α衰变的方程式,所以a为α粒子,则
c=2,d=4,该核反应释放的能量以γ射线的形式出现,所以f=0,e=0,根据质量数
守恒和电荷数守恒可得:b=d+206=4+206=210,a=c+82=2+82=84,故B正确,A、
C、D错误。
2.匀强电场里有一个原来速度几乎为零的放射性碳14原子核,它所放射的粒子与反冲核经过相等的时间所形成的径迹如图所示(a、b均表示长度),那么碳14的衰变方程可能是
( )
【解析】选A。由轨迹弯曲方向可以看出,反冲核与放出的射线的受力方向均
与电场强度方向相同,均带正电,所以放出的粒子为α粒子,即发生α衰变,则
核反应方程是
,故A正确。
【补偿训练】
1.科研人员正在研制一种新型镍铜长效电池,它是采用半衰期长达100年的放
射性同位素镍63
和铜两种金属作为长寿命电池的材料,利用镍63发生β
衰变时释放电子给铜片,把镍63和铜片作电池两极,外接负载,负载提供电能。
下面有关该电池的说法正确的是
( )
A.镍63的衰变方程是
B.镍63的衰变方程是
C.外接负载时镍63的电势比铜片高
D.该电池内电流方向是从镍到铜片
【解析】选C。
的衰变方程为
选项A、B错误;电流方向
为正电荷定向移动方向,在电池内部电流从铜片到镍片,镍片电势高,选项C正
确,D错误。
2.在横线上填上粒子符号和衰变类型。
(1)
+________,属于________衰变。?
(2)
+________,属于________衰变。?
(3)
+________,属于________衰变。?
(4)
+________,属于________衰变。?
【解析】根据质量数和电荷数守恒可以判断:
(1)中生成的粒子为
,属于α衰变。
(2)中生成的粒子为
,属于β衰变。
(3)中生成的粒子为
,属于β衰变。
(4)中生成的粒子为
,属于α衰变。
答案:(1)
α (2)
β (3)
β (4)
α
二 半衰期
1.意义:表示放射性元素衰变的快慢。
2.半衰期公式:N余=N原
,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,τ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,半衰期只适用于大量的原子
核。
4.应用:利用半衰期非常稳定的特点,可以测算其衰变过程,推算时间等。
【思考·讨论】
如图为始祖鸟的化石,美国科学家维拉·黎比运用了半衰期的原理发明“碳-14计年法”,并因此荣获了1960年的诺贝尔奖。利用“碳-14计年法”可以估算出始祖鸟的年龄。
(1)为什么能够运用半衰期来计算始祖鸟的年龄?
提示:半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。能够运用它来计算始祖鸟的年龄是因为半衰期与原子所处的化学状态和外部条件无关。
(2)若有10个具有放射性的原子核,经过一个半衰期,则一定有5个原子核发生了衰变,这种说法是否正确,为什么?
提示:这种说法是错误的,因为半衰期描述的是大量放射性元素衰变的统计规律,不适用于少量原子核的衰变。
【典例示范】
(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。
【素养训练】
1.碘131
治疗是临床上常用的一种治疗甲亢的方法,它是通过含有β射线
的碘被甲状腺吸收,来破坏甲状腺组织,使甲状腺合成和分泌甲状腺激素水平
减少来达到治愈甲亢的目的。已知碘131发生β衰变的半衰期为8天,则以下说
法正确的是
( )
A.碘131的衰变方程为
B.
核比
核多一个中子
C.32
g碘131样品,经16天后大约有8
g样品发生了β衰变
D.升高温度可能会缩短碘131的半衰期
【解析】选A。原子核β衰变过程中放出电子,根据质量数守恒和电荷数守恒
可知,碘131的衰变方程为
,故A正确
核比
核少一个中
子,故B错误;32
g碘131样品,经16天,即经过2个半衰期,大约有8
g样品未发生
衰变,衰变的质量为24
g,故C错误;改变温度或改变外界压强都不会影响原子
核的半衰期,故D错误。
2.在某种有生命的动物体内,每克动物活体大约有500亿个碳14原子,其中每小
时有600个碳14发生β衰变。在某次考古中发现了该种动物的遗骸,取该遗骸
样本2
g,利用粒子计数器测量出该遗骸样本中每小时碳14的衰变个数为300个,
已知碳14的半衰期为5
730年,则下列说法正确的是
( )
A.碳14衰变方程为
B.碳14发生β
衰变产生的电子与光电效应逸出的光电子本质一样,都来源于
核外电子
C.该遗骸距今大约5
730年
D.伴随碳14衰变释放的γ光子是处于高能级的碳14核向低能级跃迁时产生的
【解析】选A。碳14发生β衰变产生电子,根据电荷数守恒和质量数守恒,衰变
方程为
,故A正确;碳14发生β衰变产生电子是由原子核内的一
个中子转化成一个质子和一个电子,电子来源于原子核;光电效应逸出的光电
子是核外电子,故B错误;由题意可知,每克活体内每小时有600个碳14发生β衰
变,而每克遗骸中每小时有150个碳14发生β衰变,衰变的原子数为原来的
,
可估测经历了两个半衰期,距今约t=2T=11
460年,故C错误;衰变过程释放的γ
光子是由于衰变产生的新核
由高能级向低能级跃迁时产生的,故D错误。
【补偿训练】
(多选)关于原子核的衰变和半衰期,下列说法正确的是
( )
A.半衰期是指原子核的质量减少一半所需要的时间
B.半衰期是指原子核有半数发生衰变所需要的时间
C.发生α衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向后移动2位
D.发生β衰变时产生的新原子核在周期表中的位置向后移动1位
【解析】选B、D。由半衰期的定义可知,A错误,B正确;由α衰变和β衰变的实质可知,C错误,D正确。
三 放射性同位素的应用
放射性同位素的主要应用:
(1)利用它的射线。
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,杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期等;
③医疗上——利用γ射线的高能量治疗癌症。
(2)作为示踪原子:放射性同位素与非放射性同位素有相同的化学性质,通过探测放射性同位素的射线确定其位置。
【思考·讨论】
如图是LUNATM260型伽玛射线放疗机。
(1)伽玛射线放疗机的工作原理是什么?
提示:利用放射性元素释放出的γ射线杀死癌细胞。
(2)试举出其他利用伽玛射线的实例。
提示:利用γ射线的穿透特性测金属板的厚度;利用γ射线杀死使食物腐败的细菌,抑制蔬菜发芽,延长保存期等。
【典例示范】
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
(2)如图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作______。
【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与验电器所带电荷相互中和,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。人们把这种放射性同位素叫作示踪原子。
答案:(1)B (2)β (3)示踪原子
【素养训练】
1.(多选)下列关于放射性同位素的一些应用的说法中正确的是
( )
A.利用放射性消除静电是利用射线的穿透作用
B.利用射线探测机器部件内部的砂眼或裂纹是利用射线的穿透作用
C.利用射线改良品种是因为射线可使DNA发生变异
D.在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的
【解析】选B、C、D。利用放射性消除静电是利用射线的电离作用,故A不正确;人们利用γ射线穿透能力强的特点,可以探查较厚的金属部件内部是否有裂痕,故B正确;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,经过筛选,培育出新的优良品种,故C正确;在研究农作物合理施肥中是以放射性同位素作为示踪原子的,故D正确。
2.下列说法中正确的是
( )
A.γ射线是原子受激发后向低能级跃迁时放出的
B.在稳定的重原子核中,质子数比中子数多
C.核反应过程中如果核子的平均质量减小,则要吸收核能
D.诊断甲状腺疾病时,注入的放射性同位素碘131作为示踪原子
【解析】选D。γ射线一般是伴随着α或β射线产生的电磁波,具有一定的能量,原子核受激发后向低能级跃迁时放出的,故A错误;在稳定的重原子核中,质子数比中子数少,故B错误;核反应过程中如果核子的平均质量减小,说明核反应的过程中有质量亏损,属于要释放核能,故C错误;给疑似患有甲状腺的病人注射碘131,诊断甲状腺的器质性和功能性疾病,是将碘131作为示踪原子,故D正确。
【补偿训练】
1.(多选)人工放射性同位素被用作示踪原子,主要是因为
( )
A.放射性同位素不改变其化学性质
B.人工放射性同位素的半衰期比天然放射性元素的半衰期短得多
C.半衰期与元素所处的物理、化学状态无关
D.放射性同位素容易制造
【解析】选A、B、C。放射性同位素用作示踪原子,主要是用放射性同位素代替没有放射性的同位素参与正常的物理、化学、生物过程,既要利用化学性质相同,也要利用衰变规律不受物理、化学变化的影响,同时还要考虑放射性废料容易处理,因此选项A、B、C正确,选项D不正确。
2.(多选)关于放射性同位素的应用,下列符合事实的是
( )
A.利用射线照射种子,可以使种子DNA发生突变,培养新的品种
B.用放射性元素制成肥料,被庄稼吸收后,利用探测器可探知肥料在庄稼内的存留情况
C.利用放射线可以杀死人体内的癌细胞,正常细胞不受影响
D.使大分子生物吸收放射性物质后,可了解生物的分子结构,研究其功能
【解析】选A、B、D。利用放射线杀死人体内的癌细胞时,正常细胞也受影响,只不过癌细胞在射线照射下破坏得比健康细胞快,C错误,其他均正确。
【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例】现在很多心血管专科医院引进了一种被称为“心肌灌注显像”的检测技术,方法是将若干毫升含放射性元素锝的注射液注入被检测者的动脉,经过40分钟后,这些含放射性物质的注射液通过血液循环均匀地分布在血液中,这时对被检测者的心脏进行造影。心脏血管正常的位置由于有放射性物质随血液到达而显示出有射线射出;心脏血管被堵塞的部分由于无放射性物质到达,将无射线射出。医生根据显像情况就可以判定被检测者心血管有无病变,并判断病变位置。你认为检测用放射性元素锝的半衰期应该最接近下列数据中的
( )
A.6秒 B.6小时 C.6个月 D.6年
【解析】选B。如果半衰期太短,一是在明显的放射期内放射性物质的注射液尚未均匀地分布在血液中而无法完成检测工作,二是因放射强度较大而对人体造成伤害。如果半衰期太长,放射性物质长期残留在人体内也会对人体造成伤害。对比四个选项中的时间,应以6小时为宜,故正确选项应为B。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.2020年3月20日,电影《放射性物质》在伦敦首映,该片的主角——居里夫人
是放射性元素钋
的发现者。已知钋
发生衰变时,会产生α粒子
和原子核X,并放出γ射线。下列分析正确的是
( )
A.原子核X的质子数为82,中子数为206
B.γ射线具有很强的穿透能力,可用来消除有害静电
C.由α粒子所组成的射线具有很强的电离能力
D.地磁场能使γ射线发生偏转
【解析】选C。根据发生核反应时,质量数与电荷数守恒,可得原子核X的质子数为:84-2=82,质量数为:210-4=206,依据质量数等于质子数与中子数之和,得原子核X的质子数为206-82=124,故A错误;γ射线具有很强的穿透能力,但是电离本领弱,不能用来消除有害静电,故B错误;因为α射线实质是氦核流,具有很强的电离本领,故C正确;γ射线的实质是频率很高的电磁波,本身不带电,所以γ射线在地磁场中不会受力,不能发生偏转,故D错误。
2.
(钍)经过一系列α和β衰变,变成
(铅),则有
( )
A.铅核比钍核少24个质子
B.铅核比钍核少8个中子
C.共经过4次α衰变和6次β衰变
D.共经过6次α衰变和4次β衰变
【解析】选D。
(钍)经过一系列α和β衰变,变成
(铅),根据质量数和
核电荷数守恒得:铅核比钍核少质子数为:x=90-82=8个,少中子数为:y=232-208
-8=16个,故A、B错误;设发生x次α衰变和y次β衰变
则:90-2x+y=82①,232-4x=208②,由①②解得:x=6,y=4;故共经过6次α衰变和4
次β衰变,故C错误,D正确。
3.已知
的半衰期为24天,4
g
经过96天还剩下
( )
A.0.25
g B.0.5
g C.1
g D.1.5
g
【解析】选A。根据公式m=m0
代入数据得:m=4×
g=4×(
)4
g=
0.25
g,故A正确,B、C、D错误。
4.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
核的速度为
,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)根据质量数和电荷数守恒得
(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。
答案:(1)
(2)
v
【新思维·新考向】
情境:放射性同位素
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。
问题:(1)宇宙射线中高能量的中子碰到空气中的氮原子后,会形成
不
稳定,易发生衰变,放出β射线,其半衰期为5
730年。试写出有关的核反应方
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)根据电荷数守恒、质量数守恒知,核反应方程为:
(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=m0·
即0.125=
解得
=3,所以
t=3T=17
190年。
答案:(1)
(2)17
190年
课时素养评价
十六 放射性元素的衰变
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.(多选)
2020年3月15日中国散裂中子源(CSNS)利用中子成像技术帮助中国
科技大学进行了考古方面的研究。散裂中子源是研究中子特性、探测物质微
观结构和运动的科研装置。下列关于中子研究的说法正确的是
( )
A.β衰变过程中释放的电子来自原子核
B.
经过4次α衰变,2次β衰变,新核与原来的原子核相比,中子数少了10个
C.γ射线实质是高速中子流,可用于医学的放射治疗
D.原子核发生一次β衰变,该原子外层就一定失去一个电子
【解析】选A、B。β衰变所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时产生的,故A正确;每次α衰变,质量数少4,电荷数少2,所以中子数少2,每次β衰变,一个中子转化成一个质子和一个电子,所以中子数少1,所以经过4次α衰变,2次β衰变,新核与原来的原子核相比,中子数少4×2+2×1=10,故B正确;γ射线实质是电磁波,不是中子流,故C错误;β衰变的实质是原子核中的一个中子转变为一个质子和一个电子,电子释放出来,与原子外层的电子无关,故D错误。
2.以下是物理学史上3个著名的核反应方程
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
【解析】选C。根据质量数守恒和电荷数守恒可以确定x为质子
,y为
即α粒子,z为中子
。
【补偿训练】
以下几个核反应方程,粒子X代表中子的方程是
( )
【解析】选B。由核反应过程中质量数和电荷数守恒可以判断出选项B正确。
3.日本福岛核事故是世界上最大的核事故之一,2019年2月13日日本宣布该核
电站内部的核残渣首次被“触及”,其中部分残留的放射性物质的半衰期可长
达1
570
万年。下列有关说法正确的是
( )
A.
衰变成
要经过4次β衰变和7次α衰变
B.天然放射现象中产生的α射线的速度与光速相当,穿透能力很强
C.将由放射性元素组成的化合物进行高温分解,会改变放射性元素的半衰期
D.放射性元素发生β衰变时所释放的电子是原子核内的中子转变为质子时产
生的
【解析】选D。设
衰变成
需要x次α衰变和y次β衰变,根据质量数和
电荷数守恒则有:92-2x+y=82,4x=238-206,所以解得:x=8,y=6,故A错误;天然
放射性现象中产生的α射线速度为光速的十分之一,电离能力较强,穿透能力
较弱,故B错误;半衰期具有统计规律,只对大量的原子核适用,且半衰期的大小
由原子核内部因素决定,与所处的物理环境和化学状态无关,故C错误;β衰变
的实质是原子核中的一个中子转变成一个质子,同时产生一个电子,这个电子
以β射线的形式释放出去,同时辐射出γ光子,故D正确。
4.本题中用大写字母代表原子核,E经α衰变成为F,再经β衰变成为G,再经α
衰变成为H。上述系列衰变可记为下式:
,另一系列衰变如
下:P
,已知P和F是同位素,则
( )
A.Q和G是同位素,R和H是同位素
B.R和E是同位素,S和F是同位素
C.R和G是同位素,S和H是同位素
D.Q和E是同位素,R和F是同位素
【解析】选B。由于P和F是同位素,设它们的质子数为n,则其他各原子核的质子数可分别表示如下:
由此可以看出R和E是同位素,S、P和F是同位素,Q和G是同位素。
5.现有一块质量为2M、含
的矿石,其中
的质量为2m。已知
的半
衰期为T,则下列说法正确的是
( )
A.经过时间2T后,这块矿石基本不再含有
了
B.经过时间2T后,矿石中的
有
未发生衰变
C.经过时间2T后,该矿石的质量剩下
D.经过时间3T后,矿石中
的质量还剩
【解析】选B。总质量2m、衰变后剩余质量m1、衰变时间、半衰期T之间关系
为:m1=
,所以在本题中有:经过2T剩余
为:m1=
,发生衰变
的为
,故A错误,B正确;虽然U238发生衰变,但衰变的产物大部分仍然存在于
矿石中,如铅208;所以经过2T后,矿石的质量仍然接近2M,故C错误;经过时间3T
后该矿石中
的质量还剩m2=
,故D错误。
6.A、B两种放射性元素,原来都静止在同一匀强磁场中,磁场方向如图所示,其中一个放出α粒子,另一个放出β粒子,α与β粒子的运动方向跟磁场方向垂直,图中a、b、c、d分别表示α粒子、β粒子以及两个剩余核的运动轨迹,则( )
A.a为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹
B.b为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹
C.b为α粒子轨迹,c为β粒子轨迹
D.a为α粒子轨迹,d为β粒子轨迹
【解题指南】解答本题应把握以下三点:
(1)原子核在释放α或β粒子的过程中系统的动量守恒。
(2)由左手定则和轨迹的内切和外切判断释放粒子的电性。
(3)根据洛伦兹力和牛顿第二定律以及动量守恒定律可知半径和粒子电量的关系。
【解析】选C。两个相切的圆表示在相切点处是静止的原子核发生了衰变,由
于无外力作用,动量守恒,所以原子核发生衰变后,新核与放出的粒子速度方向
相反,若它们带相同性质的电荷,则它们所受的洛伦兹力方向相反,则轨道应是
外切圆,故左图应该是原子核发生了α衰变,又因为r=
,半径大的应该是电
荷量小的α粒子的运动轨迹,A、D错误;若它们所带电荷的性质不同,则它们的
轨道应是内切圆。右图所示的轨迹说明是放出了与原子核电性相反的电荷,故
应该是发生了β衰变,半径大的应该是电荷量小的电子的运动轨迹,故B错误,C
正确。
二、非选择题(本题共2小题,共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.(12分)氡
是一种天然放射性气体,被吸入后,会对人的呼吸系统造成
辐射损伤,它是世界卫生组织公布的主要环境致癌物质之一,它发生衰变之后
生成
,已知氡的半衰期约为3.8天,则完成下列问题:
(1)写出氡的衰变方程;
(2)16
g氡经过多少天变成1
g?
【解题指南】解答本题可按以下思路进行:
(1)根据电荷数守恒、质量数守恒得出衰变方程中的未知粒子,然后写出衰
变方程。
(2)根据m=m0(
)n得出半衰期的次数,从而得出经历的天数。
【解析】(1)根据电荷数守恒、质量数守恒知,未知粒子的电荷数为2,质量数
为4,为α粒子
。其衰变方程是：
(2)根据m=m0(
)n得,
,解得n=4,
则t=4T=4×3.8天=15.2天。
答案:(1)
(2)15.2天
8.(12分)
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了多少?
(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
数减少1,而质子数增加1,故
质子数少10,中子数少22。
(3)衰变方程为
答案:(1)8次α衰变和6次β衰变 (2)10 22
(3)
【能力提升】（15分钟·40分）
9.(7分)(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.12C、13C、14C具有相同的质子数
D.14C衰变为14N的过程中放出β射线
【解析】选A、C、D。古木样品中14C的比例是现代植物所制样品的二分之一,
根据半衰期的定义知该古木的年代距今约5
700年,选项A正确。同位素具有相
同的质子数,不同的中子数,选项B错误,C正确。14C的衰变方程为
所以此衰变过程中放出β射线,选项D正确。
【总结提升】半衰期公式的灵活应用
(1)分析有关放射性元素的衰变数量和时间问题时,正确理解半衰期的概念,灵活运用有关公式进行分析和计算是关键。
(2)某种核经过一个半衰期后,剩余的核的数量从微观上讲是“个数变为原来的一半”。当然,这个规律是个统计规律,如果具体到有限的几个、几十个,
甚至几百几千个,这个规律就不成立了,因为一摩尔物质所含的微粒数就是阿伏加德罗常数。几百几千个算不上大量。
(3)在分析计算时,应注意:经过一个半衰期,剩余的核的质量应该变为反应前的一半,即未衰变的核的质量变为原来的一半,不是反应后质量变为反应前的一半,因为笼统说反应后的质量还包括反应中生成的新核的质量。
10.(7分)(多选)科学家通过实验研究发现,放射性元素铀
有多种可能的
衰变途径：
先变成
可以经一次衰变变成
,也可以经一次衰变
变成
(X代表某种元素)，
和
最后都变成
,衰变路径如图所
示。则以下判断正确的是
( )
A.a=211,b=82
B.①是α衰变,②是β衰变
C.①是β衰变,②是α衰变
D.
经过7次α衰变5次β衰变后变成
【解析】选B、D。由题意可知,
经过①变化为
,核电荷数少2,为α衰
变,即：
,故a=210-4=206,
经过②变化为
,质量数没有
发生变化,为β衰变,即：
,故b=83+1=84,故A、C错误,B正确;
经过7次α衰变,则质量数少28,电荷数少14,在经过5次β衰变后,质量数不变,
电荷数增加5,此时质量数为238-28=210,电荷数为92-14+5=83,变成了
,
故D正确。
11.(7分)(多选)(2020·全国Ⅲ卷)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X→Y+
,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2
D.X的质量数与
的质量数相等
【解析】选A、C。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正确;X的质量数
30比
的质量数27多3,D错误。
12.(19分)一静止的
核经α衰变成为
核,释放出的总动能为
4.27
MeV。问此衰变后
核的动能为多少MeV?(保留1位有效数字)
【解析】据题意知,此α衰变的衰变方程为:
根据动量守恒定律得mαvα=mThvTh①
式中,mα和mTh分别为α粒子和Th核的质量,vα和vTh分别为α粒子和Th核的速度,由题设条件知:
=Ek
②
③
式中Ek=4.27
MeV是α粒子与Th核的总动能。
由①②③式得
④
代入数据得,衰变后
核的动能
=0.07
MeV
答案:0.07
MeV(共88张PPT)
第五章 原 子 核
1.原子核的组成
必备知识·素养奠基
一、天然放射现象
1.1896年,法国物理学家_________发现,铀和含铀的矿物能够发出看不见的射
线,这种射线可以穿透黑纸使照相底版感光。
2.物质发射射线的性质称为_______,具有放射性的元素称为___________,放射
性元素能_______发出射线的现象叫作天然放射现象。
3.原子序数大于83的元素,都能_____地发出射线,原子序数小于或等于83的元
素,有的也能放出射线。
贝克勒尔
放射性
放射性元素
自发地
自发
二、射线到底是什么
【思考】
提示:甲为β射线,乙为γ射线,丙为α射线。
1.α射线:实际上就是_________,速度可达到光速的
,其_____能力强,
_____能力较弱,在空气中只能前进几厘米,用_______就能把它挡住。
2.β射线:是___________,它速度很大,可达光速的99%,它的_____能力较弱,
穿透能力较强,很容易穿透黑纸,也能穿透几毫米厚的_____。
3.γ射线:呈电中性,是能量很高的_______,波长很短,在10-10
m以下,它的
_____作用更弱,_________更强,甚至能穿透几厘米厚的_____和几十厘米
厚的混凝土。
4.放射线来自原子核,说明___________是有结构的。
氦原子核
电离
穿透
一张纸
高速电子流
电离
铝板
电磁波
电离
穿透能力
铅板
原子核内部
三、原子核的组成
1.质子的发现:1919年,卢瑟福用_______轰击氮原子核发现了质子,质子是
_______的组成部分。
2.中子的发现:卢瑟福猜想原子核内存在着一种质量与质子_____,但_______
的粒子,称为中子。_________通过实验证实了这个猜想。
3.原子核的组成:原子核由___________组成,质子和中子统称为_____。
4.原子核的符号:
α粒子
原子核
相同
不带电
查德威克
质子和中子
核子
5.同位素:具有相同的_______而_______不同的原子核,在元素周期表中处于
_________,因而互称同位素。例如,氢有三种同位素氕、氘、氚,符号是
质子数
中子数
同一位置
关键能力·素养形成
一 天然放射现象的三种射线
1.三种射线的比较:
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)
带电量
2e
-e
0
质量
4mp
mp=1.67×10-27kg
静止质量为零
符号
γ
速度
0.1c
0.99c
c
α射线
β射线
γ射线
在电磁
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
2.三种射线在电场和磁场中的偏转:
(1)在匀强电场中,γ射线不发生偏转,做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相
反方向做类平抛运动,在同样的条件下,β粒子的偏移大,如图所示。
位移x可表示为
x=
at2=
所以,在同样条件下β粒子与α粒子偏移之比为
(2)在匀强磁场中:γ射线不发生偏转,仍做匀速直线运动,α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动,且在同样条件下,β粒子的轨道半径小,如图所示。
根据qvB=
得R=
所以,在同样条件下β粒子与α粒子的轨道半径之比为
【特别提醒】
元素的放射性
如果一种元素具有放射性,那么不论它是以单质的形式存在,还是以某种化合物的形式存在,放射性都不受影响。也就是说,放射性与元素存在的状态无关,放射性仅与原子核有关。因此,原子核不是组成物质的最小微粒,原子核也存在着一定结构。
【思考·讨论】
如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。
(1)α射线向左偏转,β射线向右偏转,γ射线不偏转说明了什么?
提示:说明α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。
(2)α粒子的速度约为β粒子速度的十分之一,但α射线的偏转半径大于β射
线的偏转半径说明什么问题?
提示:说明α射线比荷小于β射线的比荷。
【典例示范】
如图为天然放射性元素放出的α、β、γ三种射线贯穿物体情况的示意图,其中
( )
A.①是α射线
B.②是γ射线
C.③是β射线
D.③是α射线
【解析】选A。α射线的穿透能力最弱,一张纸即可把它挡住,但是其电离能力最强,γ射线的穿透能力最强,但是其电离能力最弱。故①是α射线,②是β射线,③是γ射线。A正确,B、C、D错误。
【规律方法】判断三种射线性质的方法
(1)射线的电性: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,它是波长很短的电磁波。
(2)射线的偏转: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射线偏转方向,由于γ射线不带电,故运动轨迹仍为直线。
(3)射线的穿透能力:α粒子穿透能力较弱,β粒子穿透能力较强,γ射线穿透能力最强,而电离作用相反。
【素养训练】
1.α、β和γ射线穿透物质的能力是不同的,为把辐射强度减到一半,所需铝板
的厚度分别为0.000
5
cm、0.05
cm和8
cm。工业部门可以使用射线来测厚
度。如图所示,轧钢厂的热轧机上可以安装射线测厚仪,仪器探测到的射线强度
与钢板的厚度有关,轧出的钢板越厚,透过的射线越弱。因此,将射线测厚仪接
收到的信号输入计算机,就可以对钢板的厚度进行自动控制。如果钢板的厚度
需要控制为5
cm,请推测测厚仪使用的射线是
( )
A.α射线
B.β射线
C.γ射线
D.可见光
【解析】选C。根据α、β、γ三种射线特点可知,γ射线穿透能力最强,电离能力最弱,α射线电离能力最强,穿透能力最弱,为了能够准确测量钢板的厚度,探测射线应该用γ射线;随着轧出的钢板越厚,透过的射线越弱,而轧出的钢板越薄,透过的射线越强,故A、B、D错误,C正确。
2.如图所示,放射性元素镭释放出α、β、γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,其中________是α射线,________是β射线,________是γ射线。?
【解析】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。
答案:③④ ①⑥ ②⑤
【补偿训练】
1.如图所示,R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下表中的
( )
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。
2.一置于铅盒中的放射源发射的α、β和γ射线,由铅盒的小孔射出,在小孔外放一铝箔后,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,如图所示,则图中的射线a为__________射线,射线b为________射线。?
【解析】三种射线α、β、γ中,穿透力最弱的是α射线,所以α射线被铝箔挡住,穿过铝箔的是β射线和γ射线,γ射线在电场中不偏转,故a是γ射线;β射线在电场中受力偏转,故b为β射线。
答案:γ β
二 原子核的组成
1.原子核的组成:原子核是由质子、中子构成的,质子带正电,中子不带电。不
同的原子核内质子和中子的个数并不相同。原子核的直径为10-15～10-14
m。
2.原子核的符号和数量关系:
(1)符号
。
(2)数量关系: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.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。
4.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。
【思考·讨论】
1919年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子,如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图。
(1)人们用α粒子轰击多种原子核,都打出了质子,说明了什么问题?
提示:质子是原子核的组成部分。
(2)绝大多数原子核的质量数都大于其质子数,说明了什么问题?
提示:原子核由质子和中子组成,原子核的质量数是其质子数加中子数。
【典例示范】
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
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
【解析】选B。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。
【素养训练】
1.下列说法中正确的是
( )
A.氦4核中有4个质子,2个中子
B.氦4核与氦3核不是互为同位素
C.
中的质子数比中子数少6
D.
中的质子数比中子数少2
【解析】选D。氦4核中有2个质子,2个中子,故A错误;氦4核与氦3核是互为同
位素,故B错误;
中的质子数比中子数少2,故C错误;
的质子数比中子数
少2,故D正确。
2.氢有三种同位素,分别是氕
、氘
、氚
,则下列说法正确的
( )
A.它们的质子数相等
B.它们的核外电子数不相等
C.它们的核子数相等
D.它们的中子数相等
【解析】选A。氕
、氘
、氚
,具有相同的质子数,质量数不同,
质量数等于质子数加中子数,则中子数不同,故A正确,D错误;同位素的质子数
相同,则核外电子数相同,故B错误;核子数等于质子数加中子数,可知核子数不
同,故C错误。
【补偿训练】
1.1.放射性元素钴
可以有效治疗癌症,该元素原子核内中子数与核外电子
数之差是
( )
A.6 B.27 C.33 D.60
【解析】选A。中子数为60-27=33个,核外电子数等于质子数等于原子序数27,所以中子数33与核外电子数27之差等于6,A正确。
2.某种元素的原子核用
表示,下列说法中正确的是
( )
A.原子核的质子数为Z,中子数为A
B.原子核的质子数为Z,中子数为A-Z
C.原子核的质子数为A,中子数为Z
D.原子核的质子数为A-Z,中子数为Z
【解析】选B。根据原子核的符号的含义:A表示质量数,Z表示质子数,则中子数为A-Z,所以B正确。
【拓展例题】考查内容:同位素间的同与不同
【典例】(多选)下列关于氕
、氘
、氚
的说法中正确的是( )
A.氕
、氘
、氚
是同位素
B.它们具有相同的核外电子数
C.它们具有相同的核子数
D.它们具有相同的中子数
【解析】选A、B。氕、氘、氚是氢的三种同位素,质子数和核外电子数相同,都为1,中子数等于核子数减去质子数,故中子数各不相同,所以A、B选项正确。
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
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
【解析】选A、C、D。由三种射线的本质和特点可知,α射线穿透本领最弱,一张黑纸都能挡住,而挡不住β射线和γ射线,故A正确;γ射线是一种波长很短的光子,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。
2.英国物理学家卢瑟福在1899年发现,放射性物质放出的射线不是单一的,而是可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线,后来又分出γ射线。对于这三种射线,下列说法正确的是
( )
A.β射线来源于核外电子
B.γ射线是波长很短、能量很高的电磁波
C.α射线的穿透能力最强
D.γ射线的电离能力最强
【解析】选B。β射线来源于原子核内部的反应,是中子转变为质子和电子时产生的,故A错误;γ射线是波长很短、能量很高的电磁波,电离能力最弱,穿透能力最强,故B正确,D错误;α射线电离能力最强,穿透能力最弱,故C错误。
3.(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
【解析】选A、B、C。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。
4.一个
原子核内的质子数、中子数、核子数分别为
( )
A.91个、91个、234个
B.143个、91个、234个
C.91个、143个、234个
D.234个、91个、143个
【解析】选C。原子核是由质子和中子组成的,质子和中子统称为核子。
的
原子序数为91,即质子数为91,核子数为234,中子数等于核子数减去质子数,即
为234-91=143,故C正确,A、B、D错误。
【新思维·新考向】
情境:如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图。
问题:(1)请你简述自动控制的原理。
(2)如果工厂生产的为铝板,在三种射线中,你认为哪一种射线在厚度控制中起主要作用,为什么?
【解析】(1)放射线具有穿透本领,如果向前运动的铝板的厚度有变化,则探测
器接收到的放射线的强度就会随之变化,这种变化被转化为电信号输入到相应
装置,进而自动地控制图中右侧的两个轮间的距离,使铝板的厚度恢复正常。
(2)β射线起主要作用。因为α射线的穿透本领很小,一张薄纸就能把它挡住;
γ射线的穿透本领非常强,能穿透几厘米的铝板,1
mm左右的铝板厚度发生变化
时,透过铝板的射线强度变化不大;
β射线的穿透本领较强,能穿透几毫米的铝
板,当铝板的厚度发生变化时,透过铝板的射线强度变化较大,探测器可明显地
反映出这种变化,使自动化系统作出相应的反应。
答案:见解析
课时素养评价
十五 原子核的组成
【基础达标】(25分钟·60分)
一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)
1.截止到2020年7月5日,全球新冠肺炎确诊病例已超1
110万,抗击病毒的道路更加艰巨。已知某肺炎病人拍摄的CT胸片如图所示,病毒感染处的密度与其他部分不同,片中显示为白斑。拍摄CT片,利用穿透能力与密度有关的是( )
A.无线电波
B.红外线
C.X射线
D.紫外线
【解析】选C。CT及透视是利用X射线的穿透能力;而无线电波波长较长,常用于通信;红外线具有热效应,而紫外线用于杀菌消毒,故C正确,A、B、D错误。
2.关于天然放射现象,下列说法正确的是
( )
A.玛丽·居里发现了天然放射现象
B.天然放射现象说明原子是可以分割的
C.原子序数大于83的元素都具有放射性
D.温度越高,放射性元素的放射性就越强
【解析】选C。贝克勒尔发现天然放射现象,并不是玛丽·居里,故A错误;天然放射现象说明原子核内部是有结构的,并不是原子可以再分,故B错误;原子序数大于83的元素都具有放射性,故C正确;放射性元素的放射性强弱与原子的化学状态和物理状态无关,故D错误。
3.据最新报道,放射性同位素钬
在医疗领域有重要应用,该同位素原子核内中子数与核外电子数之差是
( )
A.32
B.67
C.99
D.166
【解析】选A。根据原子核内各量的关系可知核外电子数=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。
【补偿训练】
同位素是指
( )
A.质子数相同而核子数不同的原子
B.核子数相同而中子数不同的原子
C.核子数相同而质子数不同的原子
D.中子数相同而核子数不同的原子
【解析】选A。原子序数相同(即核电荷数、质子数相同)而质量数不同(即核子数不同)的元素互为同位素。
4.原子核
表示
( )
A.核外有90个电子
B.核内有234个质子
C.核内有144个中子
D.核内有90个核子
【解析】选C。原子核
表示核内有90个质子,质量数是234,核内的核子数
为234个,中子数为234-90=144个,故A、B、D错误,C正确。
5.某种元素的不同同位素的原子核内的中子数N与原子核质量数A的关系是( )
【解析】选C。同位素的质子数相同,中子数不同,而质量数等于质子数加中子数,设质子数为M,则有:A=N+M,所以C正确。故选C。
6.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为α粒子,电离作用在三种射线中最强,故A错误;射线2为γ射线,其贯穿本领最强,故B错误;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。
二、非选择题(本题共2小题,共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.(12分)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?
【解析】(1)原子序数对应了原子内部的质子数,故镭核中质子数等于原子序数为88;中子数为226-88=138。
(2)镭核的核电荷数为88,镭核所带的电荷量为:
Q=88e=88×1.6×10-19C≈1.41×10-17
C。
(3)若镭原子呈中性,它的核外电子数与质子数相同,故核外有88个电子。
答案:(1)88 138 (2)88 1.41×10-17
C (3)88
8.(12分)茫茫宇宙空间存在大量的宇宙射线,对宇航员构成了很大的威胁。现有一束射线(含有α、β、γ三种射线),
(1)在不影响β和γ射线的情况下,如何用最简单的方法除去α射线?
(2)余下的这束β和γ射线经过如图所示的一个使它们分开的磁场区域,请画出β和γ射线进入磁场区域后轨迹的示意图。(画在图上)
(3)用磁场可以区分β和γ射线,但不能把α射线从γ射线束中分离出来,为什么?(已知α粒子的质量约是β粒子质量的8
000倍,α射线速度约为光速的十分之一,β射线速度约为光速)
【解题指南】解答本题时注意以下两点:
(1)除去α射线时可考虑应用三种射线穿透本领的不同。
(2)从β粒子在磁场中的轨道半径上考虑是否能把α射线从γ射线束中分离出来。
【解析】(1)由于α射线贯穿能力很弱,用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)如图所示。
(3)α粒子和电子在磁场中偏转,据
对α射线有
对β射线有
故
α射线穿过此磁场时,半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
答案:(1)用一张纸放在射线前即可除去α射线。
(2)见解析图
(3)α射线的圆周运动的半径很大,几乎不偏转,故与γ射线无法分离。
【补偿训练】
若让氢的三种同位素先以相同的速度进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,再以相同的动量进入相同的匀强磁场做匀速圆周运动,其受到的向心力和轨道半径大小顺序如何?
【解析】当同位素以相同速度进入相同的匀强磁场,由洛伦兹力提供向心力得
则
B、q一定,当v相同时,R∝m,则R氕由于动量p=mv,当动量相同时,则R氕=R氘=R氚。
由Fn=qvB知速度相同时向心力大小相同,即F氕=F氘=F氚,
又因为
q、p、B一定,F∝
,故F氕>F氘>F氚。
答案:以相同速度进入磁场时,F氕=F氘=F氚,R氕以相同动量进入磁场时,F氕>F氘>F氚,R氕=R氘=R氚
【能力提升】(15分钟·40分)
9.(7分)(多选)如图,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
( )
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
【解析】选B、C。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。
【总结提升】三种射线的偏转特点
(1)α射线和β射线在电场和磁场中都会发生偏转,γ射线在电场和磁场中均不发生偏转,沿直线传播。
(2)α射线和β射线带电性质相反,所以在同一电场或磁场中,α射线和β射线偏转方向相反。
(3)α射线和β射线在电场中的偏转轨迹是抛物线,在磁场中的偏转轨迹是圆弧。
10.(7分)(多选)将α、β、γ三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场,如图表示射线偏转情况中正确的是
( )
【解析】选A、D。因α射线是高速He流,一个α粒子带两个正电荷。根据左手
定则,α射线受到的洛伦兹力向左,因为α粒子质量特别大,动量较大,结合半
径公式
可知α射线在磁场中做圆周运动的半径大;β射线是高速电子流,
带负电荷,根据左手定则,β射线受到的洛伦兹力向右,γ射线是γ光子,是中
性的,故在磁场中不受磁场的作用力,轨迹不会发生偏转,故A正确,B错误;因α
射线实质为氦核,带正电,且α粒子的质量大,由类平抛规律知,侧向偏移量
小,β射线为电子流,带负电,γ射线为高频电磁波,根据电荷所受电场力特点
可知:向左偏的为β射线,不偏的为γ射线,向右偏的为α射线,故C错误,D正
确。
11.(7分)(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核,当它放出一个α粒子后,其速度方向与磁场方向垂直,测得α粒子和反冲核的轨道半径之比为44∶1,如图所示,则
( )
A.α粒子与反冲核的动量大小相等、方向相反
B.原来放射性元素的核电荷数为90
C.反冲核的核电荷数为88
D.α粒子和反冲核的速度之比为1∶88
【解析】选A、B、C。由于微粒之间相互作用的过程中动量守恒,初始总动量
为零,则最终总动量也为零,即α粒子和反冲核的动量大小相等、方向相反,A
正确;由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用
下做圆周运动,由
得
若原来放射性元素的核电荷数为Q,则对
α粒子:
对反冲核:
由p1=p2,R1∶R2=44∶1,得Q=90,B、C
正确;它们的速度大小与质量成反比,故D错误。
12.(19分)质谱仪是一种测定带电粒子的质量及分析同位素的重要工具,它的构造原理如图所示,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成为零),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x。
(1)设离子质量为m、电荷量为q、加速电压为U、磁感应强度大小为B,求x的大
小。
(2)氢的三种同位素
从离子源S出发,到达照相底片的位置距入口处S1
的距离之比xH∶xD∶xT为多少?
【解析】(1)离子在电场中被加速时,由动能定理
进入磁场时洛伦兹力提供向心力,
又x=2r,由以上三式得
(2)氢的三种同位素的质量数分别为1、2、3,由(1)结果知,
答案:(1)
(2)
【补偿训练】
1930年发现,在真空条件下用α粒子(
)轰击铍核(
)时,会产生一种
看不见的、贯穿能力极强且不带电的粒子。后来查德威克证实了这种粒子就
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,碳核质量为12mn,求碳
核与中子碰撞后的速率。
(3)若与中子碰撞后的碳核垂直于磁场方向射入匀强磁场,测得碳核做圆周运动的半径为R,已知元电荷的电荷量为e,求该磁场的磁感应强度的大小。
【解析】(1）
(2)中子与碳核的碰撞满足动量守恒
得mnv0=-mnv1+12mnv2
得
①
(3)碳核垂直进入磁场后,洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动,则有
②
将①代入②式解得
答案:(1）
(2)
(3)
