原子核與放射性

1、第3章原子核與放射性第1節(jié)原子核結(jié)構(gòu)目標(biāo)要求1、知道原子核的組成，知道核子和同位素的概念。2、會(huì)根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒寫出核反應(yīng)方程。3、了解發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的過程。1、質(zhì)子、中子的發(fā)現(xiàn)科學(xué)家用高速粒子流轟擊原子核，迫使原子核發(fā)生 ,通過對生成的新核及產(chǎn)生的粒子進(jìn)行研究， 了解原子核的內(nèi)部構(gòu)成。 質(zhì)子和中子就是通過這種原子核的人工轉(zhuǎn)變 被發(fā)現(xiàn)的。1919年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，其核反應(yīng)方程為：（質(zhì)子）。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子，核反應(yīng)方程為：:He C+（中子）。2、原子核的組成，同位素原子核由 和 組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為 。質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的元素互稱為 。3、核反應(yīng)及核反應(yīng)方程在核物

2、理學(xué)中，原子核在具有一定能量的其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為通常用f叉作為原子核符號(hào)，其中X為元素符號(hào)；A表示原子核的質(zhì)量數(shù)， 寫在元素符 號(hào)左上角；Z表示核電荷數(shù)，即質(zhì)子數(shù)，寫在元素符號(hào)左下角，用此種原子核符號(hào)描述核反 應(yīng)過程的式子稱為核反應(yīng)方程。注意：核反應(yīng)方程必須遵守電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒。另外，核反應(yīng)過程通常是不可逆的，方程中只能用箭頭“一”連接并指示反應(yīng)方向，而 不用等號(hào)連接。例.用在粒子轟擊氮14,結(jié)果發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。圖中示意了云室實(shí)驗(yàn)的照片，其中的a、b、c三條不同的徑跡分別代表誰的徑跡？并寫出此核反應(yīng)方程。解答1用在粒子轟擊氮14,產(chǎn)生質(zhì)子和氧17,因?yàn)檠?7的電荷數(shù)明顯

3、多于質(zhì)子的 電荷數(shù)，氧17有更強(qiáng)的電離能力，所以它在云室中飛過時(shí)的徑跡粗，而質(zhì)子的徑跡細(xì)；又 因?yàn)檠?7的質(zhì)量數(shù)明顯大于質(zhì)子的質(zhì)量數(shù)，根據(jù)動(dòng)量守恒，氧17的速度明顯小于質(zhì)子的飛行速度，所以氧17的飛行距離較短，質(zhì)子的飛行距離較長。故：b為反應(yīng)前a粒子飛行的徑跡；a為反應(yīng)后產(chǎn)生的氧 17的飛行徑跡;c為反應(yīng)后生成的質(zhì)子的飛行徑跡。核反應(yīng)方程為：一:一 , 二一小結(jié)在云室中，根據(jù)粒子飛行徑跡的長短、粗細(xì)及加入磁場后粒子軌跡的彎曲方向 和曲率半徑、磁場的強(qiáng)度及方向等，人們可以推得粒子的許多特性。在歷史上人們研究粒子的性質(zhì)和發(fā)現(xiàn)新的微觀粒子中，云室曾作出過重要的貢獻(xiàn)。第2節(jié)原子核衰變及半衰期目標(biāo)要求1

4、、了解天然放射現(xiàn)象，知道放射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是原子核的衰變。2、知道三種天然放射線的基本性質(zhì)。3、掌握原子核衰變規(guī)律，理解半衰期概念。4、能夠熟練運(yùn)用核衰變的規(guī)律寫出核衰變的核反應(yīng)方程。5、能夠利用電場或磁場分離和鑒別三種天然放射線。1、天然放射現(xiàn)象物質(zhì)能自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象叫做 ,正是天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)， 使人們 認(rèn)識(shí)到原子核有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過研究，人們發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于 83的天然存在的元素有些也具有放射性。2、放射線的性質(zhì)a射線：速度約為光速十分之一的 原子核粒子流（；Hu）,貫穿能 力 （可穿透空氣幾厘米或一張薄紙），電離作用 。B射線：速

5、度接近光束的 凈）,貫穿作用 （可穿 透幾毫米厚鉛板），電離作用 。y射線：波長極短的電磁波，y粒子就是光子，貫穿本領(lǐng) （可穿透幾 厘米厚的鉛板），電離作用 。3、原子核的衰變定義：原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌脑雍说淖兓凶鲈雍说乃プ兊姆N類（L衰變:放出a粒子（即氨核的衰變。每發(fā)生一次 優(yōu)衰變,新、舊原子核比較，核電荷數(shù)將減少 ,質(zhì)量數(shù)減少 ,即之Xt。： Y+J He.R衰變：放出B粒子（即電子-ie）的衰變每發(fā)生一次B衰變，新、舊核比較，新核電荷數(shù)增加,質(zhì)量數(shù),即:Xe O7射線是放射性原子核在發(fā)生 a衰變或B衰變時(shí)，產(chǎn)生的某些新核由于具有過多的能量（核處于激發(fā)態(tài)）而輻射出的光

6、子流。4、半衰期放射性元素的原子核有 發(fā)生衰變需要的時(shí)間叫做半衰期，是表示放射性元素衰變 的物理量，不同的元素，其半衰期不同，有的差別很大。半衰期的大小由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的 （如壓強(qiáng)、溫度等）或 （如單質(zhì)或化合物）無關(guān)。種類組成粒子衰笠方程出射速度員身本領(lǐng)電禺能力H射線氨核工丫只He約而弱，不能穿透薄 紙或薄鋁箔很強(qiáng)F射線電子dy 1人 Y-i-0 口接近c(diǎn)較強(qiáng)，能穿透幾 毫米的鋁板較弱T射線所伴隨a和B射線產(chǎn)生c最強(qiáng)，能穿透幾 厘米的鉛板很小例.在如圖所示的勻強(qiáng)磁場中的A點(diǎn)，有一個(gè)靜止的原子核，當(dāng)它發(fā)生 衰變時(shí)，射出的粒子以及生成的新核才做如圖的圓周運(yùn)動(dòng)，可以

7、確定，發(fā)生衰變時(shí)新核的運(yùn)動(dòng)方向是 。若兩圓的半徑之比是44: 1,則這個(gè)放射性元素的原子序數(shù)是解答1靜止核衰變后兩生成物的速度反向，根據(jù)左手定則判斷它們在磁場中的受力方向，若衰變時(shí)放出正電粒子，則正粒子和新生核的軌跡應(yīng)是外切圓，若衰變放出負(fù)粒子，則 兩軌跡是內(nèi)切圓。可知，發(fā)生了 B衰變，新核（帶正電）的運(yùn)動(dòng)方向向右。mv p 1y = 由qB qB 8 q可知q _ 447=T,即：q=4北可見，放射性元素的原子核電荷數(shù)為43。小結(jié)本題的解析過程應(yīng)考慮衰變性質(zhì)、動(dòng)量守恒、洛倫茲力及左手定則等知識(shí)，具 有綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)全面把握。第4章核能目標(biāo)要求1、知道核力的性質(zhì)，能簡單解釋輕核與重核內(nèi)中子

8、數(shù)、質(zhì)子數(shù)具有不同比例的原因。2、知道核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損。3、知道愛因斯坦的質(zhì)能方程，理解質(zhì)量與能量的關(guān)系。4、理解原子核的結(jié)合能及平均結(jié)合能概念，了解釋放能量的途徑。5、知道重核的裂變是釋放核能的途徑之一。6、知道鈾核裂變及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理。7、了解核反應(yīng)堆和核電站的基本原理。8、掌握鈾核裂變的核反應(yīng)方程，會(huì)根據(jù)其質(zhì)量虧損計(jì)算釋放的核能。9、了解聚變反應(yīng)的特點(diǎn)及其條件。10、了解可控?zé)岷朔磻?yīng)及其研究和發(fā)展。1、核能核反應(yīng)過程中釋放或吸收的能量叫 。如：H + y ,中子和 質(zhì)子結(jié)合成一個(gè)笊核時(shí)會(huì)釋放出.,二；能量，這個(gè)能量以光子的形式輻射出去。H-> H+jjn , 一個(gè)笊核分拆成中子和

9、質(zhì)子時(shí)需要吸收的能量等于或大于21MeV的光子。2、質(zhì)量虧損組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的 。出現(xiàn)質(zhì)量虧損 的核反應(yīng)才能釋放能量。3、愛因斯坦質(zhì)能方程E = mc2，E表示物體的能量，m表示物體的質(zhì)量，c表示光速。根據(jù)質(zhì)量虧損可以計(jì) 算核反應(yīng)中釋放的核能為：巫=加1。'。4、重核的裂變一個(gè)重核分裂成兩個(gè)或兩個(gè)以上的中等質(zhì)量的核的反應(yīng)，叫做 。鈾235在裂變過程中，會(huì)產(chǎn)生23個(gè)中子，這些中子再引起其他鈾核的裂變，這可以使反應(yīng)持續(xù)不斷地進(jìn)行下去，這種反應(yīng)叫鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。5、輕核的聚變輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核叫做 。輕核的核子平均質(zhì)量比中等質(zhì)量的核的 核子的平均質(zhì)量要大得多，所以

10、輕核聚合為中等核時(shí)要釋放大量的核能。6、正確區(qū)分原子核能和原子能級(jí)原子核能是原子核內(nèi)核力做正功時(shí)釋放出來的能量。而原子能級(jí)是指原子處于各種定態(tài)時(shí)的能量（電勢能和電子的動(dòng)能之和），原子躍遷時(shí)，庫侖力做正功，釋放出能量，兩種釋 放出來的能量計(jì)算為：核能：二 一一 J原子躍遷：AE二hu.E站Eg。7、怎樣理解質(zhì)能方程E = mc2（i）質(zhì)能方程說明，一定的質(zhì)量總是跟一定的能量相聯(lián)系的。具體地說，一定質(zhì)量的 物體所具有的總能量是一定的，等于光速的平方與其質(zhì)量之積，這里所說的是總能量，不是單指物體的動(dòng)能、核能或其他哪一種能量，而是物體所具有的各種能量的總和。（2）根據(jù)質(zhì)能方程，物體的總能量與其質(zhì)量成正

11、比，物體的質(zhì)量增加，則總能量隨之增加；質(zhì)量減少，總能量也隨之減少，這時(shí)質(zhì)能方程也可寫作AE = Amc2。（3）運(yùn)用質(zhì)能方程時(shí)應(yīng)注意單位。一般情況下，公式中各量都應(yīng)取國際制單位。但在 微觀領(lǐng)域，用國際制單位往往比較麻煩，習(xí)慣上常用“原子質(zhì)量單位”和“電子伏特”作為 質(zhì)量和能量的單位。一原子質(zhì)量單位的質(zhì)量為iu, 1口= 1.6606x1。"kg ,由質(zhì)能方程知，iu的質(zhì)量所聯(lián)系的能量為：E=md = 1.6606x1。" x（3對嗎與=1.494x1。-% = P31.5MeV【典型例題】例1.如圖所示，a為未知天然放射源，b為薄鋁片，c為兩平行板之間存在著較大電場強(qiáng)度的勻

12、強(qiáng)電場，d為熒光屏，e為固定不動(dòng)的顯微鏡筒。實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果將強(qiáng)電場 c撤去，從 顯微鏡內(nèi)觀察到熒光屏上每分鐘閃爍亮點(diǎn)數(shù)沒有變化；如果再將薄鋁片b移開，則從顯微鏡筒內(nèi)觀察到的每分鐘閃爍亮點(diǎn)數(shù)大為增加。由此可判定放射源所發(fā)出的射線可能為（）A. R射線和x射線b. a射線和B射線c. P射線和7射線d. a射線和y射線解析：a粒子的貫穿本領(lǐng)很小，一張薄鋁片就可把它擋住，日射線能穿透幾毫米厚的鋁 板，y射線能貫穿幾厘米厚的鋁板。撤去電場后，熒光屏上閃爍亮點(diǎn)數(shù)沒有變化，說明原先 能到達(dá)熒光屏的射線不帶電，放射源放出的射線中有y射線，撤去薄鋁片，閃爍亮點(diǎn)數(shù)大為增加，說明放射源發(fā)出的射線中有a射線，故選項(xiàng)d

13、正確。例2.本題中用大寫字母代表原子核。E經(jīng)以衰變成為F,再經(jīng)B衰變，變成為G,再經(jīng)也衰變，變成為Ho上述系列衰變可記為：e,另一系列衰變記為：已知P是F的同位素，則()A. Q是G的同位素，R是H的同位素B. R是E的同位素，S是F的同位素C. R是G的同位素，S是H的同位素D. Q是E的同位素，R是F的同位素解析：由題意P是F的同位素，設(shè)它們的核電荷數(shù)為Z,質(zhì)量數(shù)分別為A,、A,又原子核每發(fā)生一次a衰變，核的質(zhì)量數(shù)減少4,電荷數(shù)少2；每發(fā)生一次B衰變，質(zhì)量數(shù)不變， 電荷數(shù)增加1,則題中衰變關(guān)系可寫為：E>z F z+i Gz-iPz+iR>z S故由上述衰變關(guān)系可知 R是E的同

14、位素、S是F的同位素，答案是 Bo例3.目前的核電站都是用鈾 235作核燃料，通過裂變獲得核能。假如我們用笊和瓶作核 燃料，通過聚變獲得核能，問兩種方法所需核燃料質(zhì)量之比為多少？提供的數(shù)據(jù)有：一個(gè)鈾235核在裂變時(shí)放出 AEu = 200MeV的核能，笊原子質(zhì)量為2.01473U,瓶原子質(zhì)量為 3.01701U,氨原子的質(zhì)量為 4.00388u,中子質(zhì)量為1.00867u,電子 質(zhì)量為0.00055U。解析：笊核與瓶核聚變的核反應(yīng)方程式為:由于提供的數(shù)據(jù)為原子的質(zhì)量，反應(yīng)前核的總質(zhì)量應(yīng)為原子的總質(zhì)量減去2個(gè)電子質(zhì)量；反應(yīng)后的核總質(zhì)量應(yīng)為原子總質(zhì)量減去4個(gè)電子質(zhì)量，所以反應(yīng)前后原子核的質(zhì)量差為

15、= 2.01473 + 3.01701 - 2x0.00055 -(4.00373 + 1.00867 - 2x 0,()0055)u = 0.01929uo一個(gè)笊核與一個(gè)瓶核聚變釋放的核能為.,】一.一 <。核材料釋放的總能量可看作它所含的核子數(shù)乘以每個(gè)核子平均釋放的能量，而核子的質(zhì)量可看成都是一樣的(三位有效數(shù))。這樣，核反應(yīng)釋放的總能量相同，所需的核材料的質(zhì) 量與核子平均釋放的能量成反比，因此，裂變和聚變所需的核材料質(zhì)量之比為例4. 一個(gè)鈾核衰變?yōu)樯绾藭r(shí)釋放出一個(gè)&粒子。已知鈾核的質(zhì)量為 3.853131 xlOkg,社核的質(zhì)量為3.786567 xl0-i5kg , a粒

16、子的質(zhì)量為6.M672 xlO-37kg。（1）在這個(gè)衰變過程中釋放出的能量等于多少焦？（保留兩位有效數(shù)字）（2）設(shè)上述衰變是在一邊界為圓形的半徑 R = 0l.2m的勻強(qiáng)磁場中發(fā)生的， 且衰變前鈾 核靜止于圓心，衰變過程中釋放出的能量都轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。欲使衰變產(chǎn)物社核和a粒子均不飛出磁場，則該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B至少多大？解析：衰變過程是弱相互作用，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不適用，但仍滿足動(dòng)量守恒和能量守恒。 假設(shè)衰變產(chǎn)物只有社核和 a粒子，則它們的動(dòng)量大小相等、方向相反，衰變過程由于質(zhì)量 虧損釋放的核能等于它們的動(dòng)能之和。如果放出的丁粒子的速度方向與磁場方向垂直，則&粒子和社核都做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其

17、軌跡外切。（1）衰變過程釋放出的能量為AE = W =（3.853131 xlO-n86567xlO-6.54 572 x10-37）x（3x108）3J«8.7 xlr町（2）設(shè)社核質(zhì)量為 M,社核速度為 V,也粒子的質(zhì)量為 m, &粒子速度為v,由動(dòng)量 守恒和能量守恒得mv = MVAE=-mvs + lMViI 221 2 M、，八，-mv =AE 由上述兩式可解得 工粒子動(dòng)能為2 M+m，則v= I££ = 160 xlO7m/sd粒子與社核在磁場中的運(yùn)動(dòng)徑跡如圖所示。M mvqvB = m = r =由.Q 90R mv=4j f =可知，%2

18、，所以3 2 qk【模擬試題11、天然放射性元素 鏟甘1經(jīng)過一系列a衰變和B衰變之后，變成 瞿Pb。下列論斷中正確 的是（）A. 62尸口比如1口少24個(gè)中子B.怒卜比鏟日少8個(gè)質(zhì)子C.衰變過程中共有4次&衰變和8次B衰變D.衰變過程中共有 6次&衰變和4次B衰變2、如圖所示是原子核的核子平均質(zhì)量與原子序數(shù)Z的關(guān)系圖象，下列說法中，正確的是（）核平均質(zhì)fit第2抬留A.若D、E能結(jié)合成F,結(jié)合過程一定要釋放能量B.若D、E能結(jié)合成F,結(jié)合過程一定要吸收能量C.若A能分裂成B、C,分裂過程一定要釋放能量D.若A能分裂成B、C,分裂過程一定要吸收能量3、一對正電子與負(fù)電子相遇可以轉(zhuǎn)

19、化為一對 y光子,寫出反應(yīng)方程為 ,根 據(jù)質(zhì)能方程7光子的頻率為 Hz（要求二位有效數(shù)字，電子質(zhì)量= 9.lxlO'slkg , 電子電量,光速c= 3.0x膻山"，普朗克常數(shù)h = fi.fi3xl（"34J s ,不考慮 電子的動(dòng)能）4、用中子轟擊鋰核（發(fā)生核反應(yīng)，生成笊（1H）核和q粒子，并且放出4.8MeV 的能量，核反應(yīng)方程式為 ,反應(yīng)過程中質(zhì)量虧損是 u,假設(shè) 中子與鋰核是以等值反向的動(dòng)量相碰的，則核反應(yīng)后，瓶核和在粒子的動(dòng)能之比是 5、能源危機(jī)是一個(gè)全球性的共同問題，科學(xué)家們正在積極探索核能的開發(fā)與和平利用， 其中可控?zé)岷朔磻?yīng)向人類展示了誘人的前景，熱

20、核反應(yīng)比相同數(shù)量的核子發(fā)生裂變反應(yīng)釋放的能量大好幾倍，同時(shí)所造成的污染也要輕得多，而且可用熱核反應(yīng)的笊（）在海水中的總量非常豐富，所以一旦可控?zé)岷朔磻?yīng)能夠達(dá)到實(shí)用，便可解決人類的能源危機(jī)問題。（1）熱核反應(yīng)中的一種是一個(gè)笊核和一個(gè)瓶核（）聚變?yōu)橐粋€(gè)氨核（:HC）,請完成這個(gè)核反應(yīng)方程式：:H + ：HT：He+能量。（2）若笊核的質(zhì)量為 2.041u,瓶核的質(zhì)量為3.0161U,中子的質(zhì)量為1.0087U,氨核的 質(zhì)量為4.0026U,其中u是原子的質(zhì)量單位，已知 1u相當(dāng)于931.5MeV的能量，則上述核反 應(yīng)過程中釋放的能量為 MeV （保留三位有效數(shù)字）。6、在勻強(qiáng)磁場中，一靜止的放射性原子核A發(fā)生衰變時(shí)，恰拍得一張如圖所示的圓形軌跡的照片。(1)分析原子核 A衰變的類型，說明衰變中放出的粒子C與產(chǎn)生白新核 D分別沿哪條軌道運(yùn)動(dòng)(2)若測得圖示中兩個(gè)圓形軌跡的半徑之比為44: 1,試求出原子核 A中的質(zhì)子數(shù)。(3)若原子核A的質(zhì)量數(shù)為232,試求出衰變中放出的粒子 C與產(chǎn)生的新核D的動(dòng)能 之比?！驹囶}答案】