第2講　原子核和核能 講義

1、.第2講原子核和核能見學生用書P185微知識1 天然放射現(xiàn)象1天然放射現(xiàn)象：某些元素自發(fā)地放射某些射線的現(xiàn)象稱為天然放射現(xiàn)象，這些元素稱為放射性元素。2三種射線的本質(zhì)：射線是氦核流，射線是電子流，射線是電磁波。微知識2 原子核的衰變1定義原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓性雍说乃プ儭?分類1衰變：XYHe，同時放出射線。2衰變：XYe，同時放出射線。3半衰期1定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間。2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，跟原子所處的物理狀態(tài)如壓強、溫度等或化學狀態(tài)如單質(zhì)或化合物無關。微知識3 放射性同位素及應用1同位素有些原子的原子核電荷數(shù)

2、一樣，但質(zhì)量數(shù)不同，這樣一些具有一樣核電荷數(shù)和不同質(zhì)量數(shù)的原子互稱為同位素。2放射性同位素的應用1放射性同位素放出的射線應用于工業(yè)探傷、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等。2做示蹤原子。微知識4 核反響用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反響過程。典型核反響：1盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反響方程。NHeOH。2查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反響方程。BeHeCn。3約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反響方程。AlHePn, PSie。常見的核反響有：衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變。微知識5 核能1核能由于原子核中的核子間存在強大的核力，使得原子核成為一個鞏固的集合體，要把原子核中的核子拆散，就得抑制核力而做宏大的功，反之，要把核

3、子集合成一個原子核，就要放出宏大的能量。2質(zhì)能方程1質(zhì)能方程：Emc2，m是物體的質(zhì)量，c是真空中的光速。上述說明：物體的質(zhì)量和能量間有一定聯(lián)絡，即物體具有的能量與其質(zhì)量成正比，當物體的能量增加或減小E，它的質(zhì)量也會相應地增加或減少m，E與m的關系是Emc2。2質(zhì)量虧損：核子結(jié)合成原子核時要釋放能量，按上述關系，原子核的質(zhì)量要小于組成原子核的核子總質(zhì)量，這個質(zhì)量差也叫質(zhì)量虧損。3獲得核能的途徑1重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個或多個中等質(zhì)量核的反響過程。重核裂變的同時放出幾個中子，并釋放出大量核能。鈾235裂變時發(fā)生鏈式反響。2輕核聚變：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反響過程，同時釋放出

4、大量的核能，要想使氘和氚核合成氦核，必須到達幾百萬攝氏度以上的高溫，因此聚變反響又叫熱核反響。一、思維辨析判斷正誤，正確的畫“，錯誤的畫“。1原子核是由質(zhì)子和中子組成的。2射線中的電子是原子核外的電子。3半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)原子核不適用。4核力是弱互相作用。5質(zhì)能方程說明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?所有的核反響都是釋放能量的反響。二、對點微練1三種射線的性質(zhì)放射性元素衰變時放出的三種射線，按穿透才能由強到弱的排列順序是A射線，射線，射線B射線，射線，射線C射線，射線，射線D射線，射線，射線解析貫穿才能最強的是射線，射線次之，射線最弱，故正確答案為B項。答案B2核反響方程原子核U

5、經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍薚h，繼而經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍薖a，再經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍薝。放射性衰變和依次為A衰變、衰變和衰變B衰變、衰變和衰變C衰變、衰變和衰變D衰變、衰變和衰變解析此題考察核反響特點、衰變和衰變特點，意在考察考生理解和識記衰變和衰變特點的才能，以及分析判斷才能。根據(jù)核反響過程中的質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒特點，U核與Th核比較可知，核反響的另一產(chǎn)物為He，所以衰變?yōu)樗プ?，BC項排除；Th與Pa，Pa核與U核比較可知，核反響的另一產(chǎn)物為e，所以衰變?yōu)樗プ?，A項正確。答案A3核能的計算以下是物理學史上3個著名的核反響方程xLi2yyNxOyBezCx、y和z是3種不同的粒子，其中z是

6、A粒子B質(zhì)子C中子D電子解析根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，三個核反響方程為HLi2He，HeNHO，HeBenC，z為中子，C項正確。答案C見學生用書P186微考點1原子核的衰變半衰期核|心|微|講1衰變規(guī)律及本質(zhì)1衰變和衰變的比較2射線：射線經(jīng)常是伴隨衰變或衰變產(chǎn)生的。2半衰期半衰期的計算：根據(jù)半衰期的概念，可總結(jié)出公式。N余N原，m余m原，式中N原，m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時間，表示半衰期。3確定、衰變次數(shù)的方法典|例|微|探【例1】多項選擇目前，在居家裝修中，經(jīng)常用到花崗巖、大理石等裝修材料，這些巖石都不同

7、程度地含有放射性元素，比方有些含有鈾、釷的花崗巖等巖石都會釋放出放射性惰性氣體氡，而氡會發(fā)生放射性衰變，放出、射線，這些射線會導致細胞發(fā)生癌變及呼吸道方面的疾病，根據(jù)有關放射性知識可知，以下說法正確的選項是A衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子時產(chǎn)生并發(fā)射出來的B射線是原子核外電子電離形成的電子流，它具有中等的穿透才能C氡的半衰期為3.8天，假設取1 g氡放在天平左盤上，砝碼放于右盤，左右兩邊恰好平衡，那么7.6天后，需取走0.75 砝碼天平才能再次平衡D發(fā)生衰變時，生成核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了2【解題導思】1衰變和衰變的本質(zhì)是什么？答：衰變的本質(zhì)是每次衰變釋放一個粒子，衰變的

8、本質(zhì)是中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時釋放出一個電子。2半衰期是大量原子核衰變時統(tǒng)計規(guī)律，對嗎？答：對。解析衰變是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子同時釋放一個電子，A項正確，B項錯誤；半衰期是指原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，而不是原子核的質(zhì)量減少一半，且質(zhì)量根本不變，故C項錯誤；粒子為氦原子核，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，發(fā)生衰變時，生成核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了2，D項正確。答案AD題|組|微|練12019湖南師大附中摸底考試某放射性元素經(jīng)過11.4天有的原子核發(fā)生了衰變，該元素的半衰期為A11.4天B7.6天C3.8天D2.85天解析經(jīng)過4個半衰期，原子有發(fā)生衰變，所以T天2.85天。答案D2多項選

9、擇放射性同位素電池是一種新型電池，它是利用放射性同位素衰變放出的高速帶電粒子射線、射線與物質(zhì)互相作用，射線的動能被吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽偻ㄟ^換能器轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。其構(gòu)造大致是最外層是由合金制成的保護層，次外層是防止射線泄漏的輻射屏蔽層，第三層是把熱能轉(zhuǎn)化成電能的換能器，最里層是放射性同位素。電池使用的三種放射性同位素的半衰期和發(fā)出的射線如下表：同位素90Sr210Po238Pu射線半衰期28年138天89.6年假設選擇上述某一種同位素作為放射源，使用一樣材料制成的輻射屏蔽層，制造用于執(zhí)行長期航天任務的核電池，那么以下闡述正確的選項是A90Sr的半衰期較長，使用壽命較長，放出的射線比射線的貫

10、穿本領弱，所需的屏蔽材料較薄B210Po的半衰期最短，使用壽命最長，放出的射線比射線的貫穿本領弱，所需的屏蔽材料較薄C238Pu的半衰期最長，使用壽命最長，放出的射線比射線的貫穿本領弱，所需的屏蔽材料較薄D放射性同位素在發(fā)生衰變時，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但衰變前后的總質(zhì)量數(shù)不變解析原子核衰變時，釋放出高速運動的射線，這些射線的能量來自原子核的質(zhì)量虧損，即質(zhì)量減小，但質(zhì)量數(shù)不變，D項對；從表格中顯示Sr的半衰期為28年、Po的半衰期為138天、Pu的半衰期為89.6年，故Pu的半衰期最長，其使用壽命也最長，射線的穿透才能沒有射線強，故較薄的屏蔽材料即可擋住射線的泄漏，C項對。答案CD微考點2核反響類型核

11、反響方程核|心|微|講1核反響的四種類型：衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變。2核反響過程一般都是不可逆的，所以核反響方程只能用單箭頭連接并表示反響方向，不能用等號連接。3核反響的生成物一定要以實驗為根底，不能憑空只根據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反響方程。4核反響遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反響過程中反響前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化。5核反響遵循電荷數(shù)守恒。典|例|微|探【例2】多項選擇能源是社會開展的根底，開展核能是解決能源問題的途徑之一。以下釋放核能的反響方程，表述正確的有A.HHHen是核聚變反響B(tài).HHHen是衰變C.UnBaKr3n是核裂變反響D.UnXeSr2n是衰變【解題導思】總結(jié)

12、衰變方程、人工轉(zhuǎn)變、聚變方程、裂變方程的特點。答：衰變方程左邊只有一個原子核，右邊出現(xiàn)或粒子；人工核轉(zhuǎn)變的左邊是氦原子核等粒子與常見原子核的反響，右邊也是常見元素的原子核；聚變方程左邊是兩個輕核，右邊是中等原子核；裂變的左邊是重核與中子反響，右邊是中等原子核。解析HHHen是核聚變反響，而不是衰變；D項中是核裂變反響，D項錯。答案AC題|組|微|練3鈾是常用的一種核燃料，假設它的原子核發(fā)生了如下的裂變反響：Unab2n，那么ab可能是A.XeKr B.BaKrC.BaSrD.XeSr解析根據(jù)核反響質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)守恒，那么ab兩種元素的質(zhì)量數(shù)之和為23512234，電荷數(shù)之和為92，D項中兩元

13、素的質(zhì)量數(shù)為14094234，電荷數(shù)為543892，故D項正確。答案D4氡222是一種天然放射性氣體，被吸入后，會對人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷。它是世界衛(wèi)生組織公布的主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。其衰變方程是RnPo_。Rn的半衰期約為3.8天，那么約經(jīng)過_天，16 g的Rn衰變后還剩1 g。解析根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，衰變方程為RnPoHe。根據(jù)衰變方程m余m原，得116，解得t15.2天。答案He或15.2微考點3核能的計算核|心|微|講1核能產(chǎn)生的兩種方式1重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂為兩個中等質(zhì)量的核，同時釋放出幾個中子，并伴隨釋放宏大的能量。2輕核聚變：某些輕核在一定條件下結(jié)合成質(zhì)

14、量較大的核，同時釋放大量的能量，這個條件是幾百萬度以上的高溫。所以輕核聚變也稱為熱核反響。2核能的計算1利用愛因斯坦質(zhì)能方程Emc2，只要能計算出質(zhì)量虧損m，就能計算出核能。質(zhì)量虧損m的單位一般用u,1 u1.661027 kg，相當于931.5 MeV的能量2核反響過程同樣遵循能量守恒定律，因此我們可以結(jié)合動量守恒定律和能量守恒定律來計算核能。典|例|微|探【例3】假設兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生聚變反響生成氦的同位素和中子，氘核的質(zhì)量是2.013 6 u，中子的質(zhì)量是1.008 7 u，氦核同位素的質(zhì)量是3.015 0 u。1聚變的核反響方程式是_，在聚變核反響中釋放出的能量為_MeV。保存

15、兩位有效數(shù)字2假設氚核和氦核發(fā)生聚變生成鋰核，反響方程式為HHeLi，各核子的比結(jié)合能分別為EH1.112 MeV、EHe7.075 MeV、ELi5.603 MeV，試求此核反響過程中釋放的核能?！窘忸}導思】計算核反響中產(chǎn)生的能量的根據(jù)是什么？答：愛因斯坦的質(zhì)能方程。解析1根據(jù)題中條件，可知核反響方程式為HHHen。核反響過程中的質(zhì)量虧損：m2mHmHemn22.013 6 u3.0151.008 7 u3.5103 u。由于1 u的質(zhì)量與931.5 MeV的能量相對應，所以氘核聚變時放出的能量：E3.5103931.5 MeV3.3 MeV。2H和He分解成7個核子所需的能量為E131.1

16、12 MeV47.075 MeV31.636 MeV，7個核子結(jié)合成Li，釋放的能量為E275.603 MeV39.221 MeV，所以此核反響過程中釋放的核能為EE2E139.221 MeV31.636 MeV7.585 MeV。答案1HHHen3.327.585 MeV題|組|微|練5多項選擇關于原子核的結(jié)合能，以下說法正確的選項是A原子核的結(jié)合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B一重原子核衰變成粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于原來重核的結(jié)合能C銫原子核Cs的結(jié)合能小于鉛原子核Pb的結(jié)合能D比結(jié)合能越大，原子核越不穩(wěn)定E自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的能量大于

17、該原子核的結(jié)合能解析由原子核的結(jié)合能定義可知，原子核分解成自由核子時所需的最小能量為原子核的結(jié)合能，A項正確；重原子核的核子平均質(zhì)量大于輕原子核的平均質(zhì)量，因此原子核衰變產(chǎn)物的結(jié)合能之和一定大于衰變前的結(jié)合能，B項正確；銫原子核的核子數(shù)少，因此其結(jié)合能小，C項正確；比結(jié)合能越大的原子核越穩(wěn)定，D項錯誤。自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的能量等于該原子核的結(jié)合能，E項錯誤。答案ABC6多項選擇科學家利用核反響獲取氚，再利用氘和氚的核反響獲得能量，核反響方程分別為XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV。以下表述正確的有AX是中子BY的質(zhì)子數(shù)是3，中子數(shù)是6C兩個核反響都沒有出現(xiàn)

18、質(zhì)量虧損D氘和氚的核反響是核聚變反響解析根據(jù)核反響方程：HHHeX，X的質(zhì)量數(shù)：m12341，核電荷數(shù)：z11120，所以X是中子，故A項正確；根據(jù)核反響方程：XYHeH，X是中子，所以Y的質(zhì)量數(shù)：m24316，核電荷數(shù)：z22103，所以Y的質(zhì)子數(shù)是3，中子數(shù)是3，故B項錯誤；根據(jù)兩個核反響方程可知，都有大量的能量釋放出來，所以一定都有質(zhì)量虧損，故C項錯誤；氘和氚的核反響過程中是質(zhì)量比較小的核生成質(zhì)量比較大的新核，所以是核聚變反響，故D項正確。答案AD見學生用書P188核反響中的綜合問題素能培養(yǎng)1兩個守恒定律的應用假設兩原子核發(fā)生核反響生成兩種或兩種以上的新生原子核過程中滿足動量守恒的條件，

19、那么m1v1m2v2m3v3m4v4假設核反響過程中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為新生原子核的動能，由能量守恒得m1vm2vEm3vm4v2原子核衰變過程中，粒子、粒子和新生原子核在磁場中的軌跡。1衰變中，粒子和新生原子核在磁場中的軌跡外切，如圖甲所示。2衰變中，粒子和新生原子核在磁場中的軌跡內(nèi)切，如圖乙所示。經(jīng)典考題如下圖，靜止在勻強磁場中的Li核俘獲一個速度為v07.7104 m/s的中子而發(fā)生核反響，LinHHe，假設He的速度為v22.0104 m/s，其方向跟中子反響前的速度方向一樣mn1u，mHe4u，mH3u。求：1H的速度是多大？2在圖中畫出粒子H和He的運動軌跡，并求它們的軌道半徑之比

20、。3當粒子He旋轉(zhuǎn)了3周時，粒子H旋轉(zhuǎn)幾周？解析1Li俘獲n的過程，系統(tǒng)動量守恒，那么mnv0mHv1mHev2，即v1，代入數(shù)據(jù)得v11.0103 m/s，負號表示跟v0的方向相反。2運動軌跡如下圖。H和He在磁場中半徑之比為rHrHe340。3H和He的周期之比為THTHe32，所以它們的轉(zhuǎn)速之比為nHnHeTHeTH23。當粒子轉(zhuǎn)3周時，氚核轉(zhuǎn)動2周。答案11.0103 m/s，跟v0的方向相反234032周對法對題1多項選擇一靜止的鋁原子核Al俘獲一速度為1.0107 m/s的質(zhì)子p后，變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的硅原子核Si。以下說法正確的選項是A核反響方程為pAlSiB核反響過程中系統(tǒng)動量守恒

21、C核反響過程中系統(tǒng)能量不守恒D核反響前后核子數(shù)相等，所以生成物的質(zhì)量等于反響物的質(zhì)量之和E硅原子核速度的數(shù)量級為105 m/s，方向與質(zhì)子初速度的方向一致解析核反響方程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，A項正確；微觀粒子互相作用過程中，滿足動量守恒定律，B項正確；題述核反響過程屬于“二合一形式的完全非彈性碰撞，機械能有損失，但對于封閉的系統(tǒng)，能量仍然守恒，C項錯誤；核反響過程中的機械能有損失，故存在質(zhì)量虧損現(xiàn)象，D項錯誤；硅原子質(zhì)量約是質(zhì)子質(zhì)量的28倍，由動量守恒定律知，m0v028m0v，所以硅原子核速度數(shù)量級為105 m/s，方向與質(zhì)子初速度的方向一致，E項正確。答案ABE2太陽中含有大量的氘核

22、，因氘核不斷發(fā)生核反響釋放大量的核能，以光和熱的形式向外輻射。氘核質(zhì)量為2.013 6 u，氦核質(zhì)量為3.015 0 u，中子質(zhì)量為1.008 7 u，1 u的質(zhì)量相當于931.5 MeV的能量。那么：1完成核反響方程：HH_n。2求核反響中釋放的核能。3在兩氘核以相等的動能0.35 MeV進展對心碰撞，并且核能全部轉(zhuǎn)化為機械能的情況下，求反響中產(chǎn)生的中子和氦核的動能。解析1He2Emc222.013 6 u3.015 0 u1.008 7 u931.5 MeV3.26 MeV。3兩核發(fā)生碰撞時：0Mv1mv2，由能量守恒可得E2EkMvmv，由以上兩式解得EHeMv0.99 MeV，E中mv

23、2.97 MeV。答案1He23.26 MeV30.99 MeV2.97 MeV見學生用書P1881多項選擇從一個小孔射出的、三種射線沿同一直線進入同一勻強磁場或勻強電場，這三種射線在場內(nèi)的徑跡情況有可能是A三條重合B兩條重合C三條分開D與的徑跡一定分開解析當三種射線沿磁場方向運動時，三種射線中粒子均不受洛倫茲力作用，保持勻速直線運動狀態(tài)，三條徑跡重合，A項正確；當三種射線入射方向與電場或磁場方向不同時，射線不偏轉(zhuǎn)，、粒子電性相反，向相反方向偏轉(zhuǎn)，三條徑跡是分開的，C項正確。答案AC2以下說法正確的選項是 A原子核的結(jié)合能是組成原子核的所有核子的能量總和B所有核反響都遵從“質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒的規(guī)律C在天然放射現(xiàn)象中放出的射線就是電子流，該電子是原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后輻射出來的D鐳226衰變?yōu)殡?22的半衰期為1620年，也就是說，100個鐳226核經(jīng)過1620年后一