高三物理一輪復(fù)習(xí)原子核

1、第十六章原子核命題導(dǎo)向:1.考查內(nèi)容：粒子散射實(shí)驗(yàn)；射線(xiàn)、射線(xiàn)、射線(xiàn)的穿透能力、電離作用及其應(yīng) 用；核反應(yīng)方程及核反應(yīng)類(lèi)型；同位素及其應(yīng)用；愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程等.2.命題形式：選擇題,也可能把核反應(yīng)方程、核能、質(zhì)量虧損、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程與動(dòng)量 守恒、能量守恒、磁場(chǎng)等知識(shí)綜合起來(lái)命題.復(fù)習(xí)策略：1.重點(diǎn)：核反應(yīng)方程和核能、質(zhì)量虧損、愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程等命題頻率較高. 2.要記準(zhǔn)一些常用粒子的符號(hào).如11H、10n、0-1e、0+1e、42He,21H等. 3.復(fù)習(xí)本章內(nèi)容要以課本為主,理解和記憶基本概念和史實(shí).第一課時(shí)原子核知識(shí)要點(diǎn)：一、原子的核式結(jié)構(gòu)模型1.原子、原子核的大小：D原子=10-10m

2、,D核=10-15m2.質(zhì)子是1919年盧瑟福用粒子轟擊氮核發(fā)現(xiàn)的：147N+42He178O+11H3.盧瑟福預(yù)言了原子核內(nèi)有中子的存在,它的質(zhì)量跟質(zhì)子很相近,不帶電.4.查德威克用粒子轟擊鍍核發(fā)現(xiàn)了中子,說(shuō)明中子是原子核的組成部分： 94Be+42He126C+10n.二、天然放射現(xiàn)象1.貝克勒耳（獲1903年諾貝爾獎(jiǎng)）首先發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象,揭開(kāi)了人類(lèi)研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕.2.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83的天然存在的元素有些也具有放射性,它們放射出的射線(xiàn)共有三種.三、三種射線(xiàn)的本質(zhì)和特性、核的衰變1.、射線(xiàn)的本質(zhì)和性質(zhì)種類(lèi)組成在電磁場(chǎng)帶電量速度對(duì)空氣的穿透

3、中的情況電離本領(lǐng)本領(lǐng)高速氮核C/10射線(xiàn)42He偏轉(zhuǎn)2e最強(qiáng)最弱高速電子流射線(xiàn)0-1e偏轉(zhuǎn)-eC弱強(qiáng)頻率高的光子射線(xiàn)(波長(zhǎng)短的不偏0C最弱最強(qiáng)電磁波) 2.兩種衰變:衰變、衰變. 3.衰變規(guī)律:電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒. 4.衰變方程:衰變:23892U23490Th+42HeAZXA-4Z-2Y十42He 衰變:23490Th23491Pa+0-1eAZXAZ+1Y+0-1e5.半衰期（T）:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間。M余=m原（1/2）t/T 意義:放射性同位素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間. 放射性元素的半衰期與物質(zhì)所處的物理狀態(tài)及化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān),它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律,只對(duì)大

4、量的原子核才適用.四、放射性同位素1. 應(yīng)用：利用它的射線(xiàn)；作為示蹤原子2. 約里奧·居里夫婦使人類(lèi)首次得到放射性同位素五、核能：原子結(jié)構(gòu)在改變過(guò)程中吸收或釋放的能量. 1.質(zhì)能方程：E=mc22.核能的計(jì)算：1）寫(xiě)出核反應(yīng)方程. 2）計(jì)算質(zhì)量虧損m. 3）根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2計(jì)算核能.注意:(1)在核能計(jì)算和表示中常用eV和MeV,1eV=1.6022×10-19J1MeV=106eV (2)如果質(zhì)量m以原子質(zhì)量單位(u)為單位,可用如下相當(dāng)關(guān)系1u=931.5MeV來(lái)計(jì)算核能(3)如果在某些核反應(yīng)中,物體的能量增加了,說(shuō)明該核反應(yīng)中的物體的質(zhì)量增加了3.釋放能量的過(guò)程

5、有:核子結(jié)合成原子核. 重核分裂成中等質(zhì)量的核. 輕核結(jié)合成中等質(zhì)量的核.(1)鈾核裂變的一種典型反應(yīng)：23592U+10n14056Ba+9236kr+310n 裂變前的總質(zhì)量：mU=390.3139×10-2kgmn=1.6479×10-27kg 裂變后的質(zhì)量：mBa=234.0016×10-27kg mkr=152.6047×10-27kg 3mn=5.0247×10-27kg 質(zhì)量虧損：m=(mU+mn)一(mBa十mkr+3mn)=0.5378×10-27kg 釋放的能量：E=mc2=201MeV （2）聚變反應(yīng)：和裂變相比

6、,聚變反應(yīng)釋放的能量更多.例如：一個(gè)氘核和一個(gè)氚核發(fā)生聚變：21H+31H42He+10n mD=2.014102U mT=3.01605OU m=4.002603U mn=1.008665U 1u=1.6606×10-27kg,e=1.6022×10-19C 釋放出的能量：E=mc2=17.6MeV平均每個(gè)核子放出的能量約為3.3MeV,而鈾核裂變時(shí)平均每個(gè)核子釋放的能量約為1MeV.重難疑點(diǎn)：?jiǎn)栴}一:1.放射性元素衰變的快慢與物質(zhì)所處的物理狀態(tài)及化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān),由元素本身決定； 2.一次衰變不能同時(shí)產(chǎn)生射線(xiàn)和射線(xiàn)例1：由原子核的衰變規(guī)律可知(C)A. 放射性元素一次衰變可

7、同時(shí)產(chǎn)生射線(xiàn)和射線(xiàn)B. 放射性元素發(fā)生衰變,新核的化學(xué)性質(zhì)不變C.放射性元素衰變的速率跟它所處的狀態(tài)無(wú)關(guān) D.放射性元素發(fā)生正電子衰變時(shí),新核質(zhì)量數(shù)不變,核電荷數(shù)增加1問(wèn)題二:1.衰變的實(shí)質(zhì)：10n11H + 0-1e 2.衰變的實(shí)質(zhì)：210n+211H 42He例2：放射性元素發(fā)生衰變時(shí)所釋放的電子是（C） A.原子的最外層電子 B.原子的最內(nèi)層電子 C.原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子時(shí)產(chǎn)生電子 D.原子核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子時(shí)產(chǎn)生的電子問(wèn)題三：不是所有的核反應(yīng)都是放核能二質(zhì)量虧損，核子間存在巨大的核力，要把原子核撤成 核子需要巨大的能量。如+21H11H+10n例3：以下說(shuō)法正確的是(C) A.湯姆

8、生通過(guò)對(duì)射線(xiàn)的研究.發(fā)現(xiàn)了電子,從而提出了原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō) B.貝克勒耳通過(guò)對(duì)天然放射現(xiàn)象的研究,發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子和中子 C.1個(gè)21H的質(zhì)量小于1個(gè)11H和1個(gè)10n的質(zhì)量之和 D.元論是核子結(jié)合成原子核還是原子核分裂為核子,都由于質(zhì)量虧損而釋放出核能方法點(diǎn)撥：一、粒子散射實(shí)驗(yàn)例1：在粒子穿過(guò)金箱發(fā)生大角度散射的過(guò)程中,下列的哪些說(shuō)法是正確的(A) A.粒子一直受到金原子核的斥力作用 B.粒子的動(dòng)能不斷減小C.粒子的電勢(shì)能不斷增大 D.粒子發(fā)生散射,是與電子碰撞的結(jié)果訓(xùn)練1：在盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)中,有少數(shù)目粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),其原因是(A)A. 原子的正電荷和絕大部分質(zhì)量集中在一個(gè)很小的核上B.

9、 正電荷在原子中是均勻分布的 C.原子中存在帶負(fù)電的電子 D.原子只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中解析:實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)少數(shù)粒子發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn),從“少數(shù)”二字看到原子內(nèi)部絕大部分空間是“空的”,“大角度的偏轉(zhuǎn)”表明:粒子與核帶同種電荷而相互排斥,由動(dòng)量守恒定律可知, 即使粒子速度有較大的改變,核的速度變化也很小,即核有較大的質(zhì)量.二、核反應(yīng)方程的書(shū)寫(xiě)（衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變）1.必須遵守電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒規(guī)律.有些核反應(yīng)方程還要考慮到能量守恒規(guī)律(例如 裂變和聚變方程常含能量項(xiàng))2.核反應(yīng)方程中的箭頭()表示核反應(yīng)進(jìn)行的方向.不能把箭頭寫(xiě)成等號(hào).3.寫(xiě)核反應(yīng)方程必須要有實(shí)驗(yàn)依據(jù),決不能毫無(wú)根

10、據(jù)地編造.4.在寫(xiě)核反應(yīng)方程時(shí),應(yīng)先將已知原子核和已知粒子的符號(hào)填人核反應(yīng)方程一般形式的適 當(dāng)位置上;然后根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒規(guī)律計(jì)算出未知核(或未知粒子)的電荷數(shù) 和質(zhì)量數(shù):最后根據(jù)未知核(或未鄉(xiāng)哥拉子)的電荷數(shù)確定它們是哪種元素(或哪種粒子), 并在核反應(yīng)方程一般形式中的適當(dāng)位置填寫(xiě)上它們的符號(hào).例2：(2003年全國(guó)理綜)下面列出的是一些核反應(yīng)方程: 3015P一3014Si+X 94Be+21H一105B+Y 42He+42He一73Li+Z其中（D） A.X是質(zhì)子,Y是中子,Z是正電子 B.X是正電子,Y是質(zhì)子,Z是中子 C.X是中子,Y是正電子,Z是質(zhì)子 D.X是正電子,Y是

11、中子,Z是質(zhì)子訓(xùn)練2：(2001年全國(guó))在下列四個(gè)方程中,1、2、3、和4各代表某種粒子. 23592U+10n一9538Sr+13854Xe+31 21H+2一32He+10n 23892U一23490Th+3 2412Mg+42He一2713Al+4 以下判斷正確的是（AC） A.1是中子 B.2是質(zhì)子C.3是粒子 D.4是氘核三、核能的計(jì)算方法1.根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損(m)的千克數(shù)乘以真空中光 速的平方(c=3×108m/s),即: E=mc2 2.根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5兆電子伏(MeV)能量,用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧 損的原

12、子質(zhì)量單位乘以931.5MeV,即:E=m×931.5MeV注意:式中m的單位是千克(kg), E的單位是焦耳(J); 式中m的單位是指原子質(zhì)量單位u,1u=1.660566×10-27kg), E的單位是(MeV) 3.由核能的轉(zhuǎn)化量來(lái)計(jì)算核能例3：(2002年廣東)如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的,P+126C一137N 137N一136C+e+ p+136C一147Np+147N一158O 158O一157N+ e+ P+157N一126C+ 其中p為質(zhì)子,為粒子, e+為正電子,為一種中微子.已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp=1.672648×10-27kg,粒子的

13、質(zhì)量為ma=6.644929×10-27kg,正電子的質(zhì)量為me=9.11×10-31悔,中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì).真空中的光速C=3.00×108m/s.試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量. (3.95×10-12J)解析:考查愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程.注重對(duì)分析綜合能力和處理問(wèn)題的能力考查. 為求出系列反應(yīng)后釋放的能量,將題中所給的諸核反應(yīng)方程左右兩則分別相加,消去兩側(cè) 相同的項(xiàng),系列反應(yīng)最終等效為： 4p一+2e+2 設(shè)反應(yīng)后釋放的能量為Q,根據(jù)質(zhì)能關(guān)系和能量守?fù)?dān)得： 4mPc2=mac2+2mec2+Q 代入數(shù)值可得: Q=3.95×10-12J

14、評(píng)注:1.求解本題的關(guān)鍵是找到系列反應(yīng)的等效核反的程式. 2.注意到正電子的質(zhì)量等于電子的質(zhì)量,中微子的質(zhì)量可以不計(jì).訓(xùn)練3：(2000年全國(guó))裂變反應(yīng)是目前核能利用中常用的反應(yīng).以原子核23592U為燃料的反應(yīng) 堆中,當(dāng)23592U俘獲一個(gè)慢中子后發(fā)生的裂變反應(yīng)可以有多種方式,其中一種可表示為 23592U +10n一13954Xe+9438Sr+310n 235.0439 1.0087 138.9178 93.9154 反應(yīng)方程下方的數(shù)字是中子及有關(guān)原子的靜止質(zhì)量(以原子質(zhì)量單位u為單位). 已知lu的質(zhì)是對(duì)應(yīng)的能量為9.3×102MeV,此裂變反應(yīng)釋放出的能量是_MeV.四、核

15、能與動(dòng)量、動(dòng)能、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的綜合例4：(2002年北京春)云室處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,一靜止的質(zhì)量為m1的原子核在云室中發(fā)生一次衰變,粒子的質(zhì)量為m2,電量為q,其運(yùn)動(dòng)軌跡在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi).現(xiàn)測(cè)得粒子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑R,試求在衰變過(guò)程中的質(zhì)量虧損.(注:涉及動(dòng)量問(wèn)題時(shí),虧損 的質(zhì)量可忽略不計(jì)) m1(qBR)2/2m2c2(m1- m2)解析:該衰變放出的粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),其軌道半徑R與運(yùn)動(dòng)速度的關(guān) 系,由洛侖力和牛頓定律得：qB=m22/R 核衰變過(guò)程都遵守動(dòng)量守恒,衰變過(guò)程虧損質(zhì)量很小,虧損質(zhì)量忽略不計(jì)時(shí)得: O=m2-(m1- m2) 衰變過(guò)程粒子和余核

16、的動(dòng)能都來(lái)自于虧損質(zhì)量: m2c2=(m1- m2)2/2+m22/2 聯(lián)立解得: m2=m1(qBR)2/2m2c2(m1- m2)訓(xùn)練4:(2001年全國(guó)理綜)太陽(yáng)現(xiàn)正處于主序星演化階段.它主要是由電子和11H、42He等原子核 組成.維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng),核反應(yīng)方程是2e+411H一42He+釋放的核 能,這些核能最后轉(zhuǎn)化為輻射能.根據(jù)目前關(guān)于恒星演化的理論,若由于聚變反應(yīng)而使太 陽(yáng)中的11H核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)減少10%,太陽(yáng)將離開(kāi)主序星階段而轉(zhuǎn)入紅巨星的演化階段.為 了簡(jiǎn)化,假定目前太陽(yáng)全部由電子和11H核組成. (1)為了研究太陽(yáng)演化進(jìn)程,需知道目前太陽(yáng)的質(zhì)量M.已知地球半

17、徑R=6.4×106m,地球質(zhì) 量m=6.0×1O24kg,日地中心的距離r=1.5×1011m,地球表面處的重力加速度g=10m/s2,1 年約為3.2×107s,試估算目前太陽(yáng)的質(zhì)量M. (2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp=1.6726×10-27kg,但42He質(zhì)量m=6.6458×10-27kg,電子質(zhì)量me=0.9× 10-31kg,光速C=3×108m/s.求每發(fā)生一次題中所述的核聚變反應(yīng)所釋放的核能. (3)又知地球上與太陽(yáng)光垂直的每平方米截面上,每秒通過(guò)的太陽(yáng)輻射能=1.35× 103W/m2.試估算太陽(yáng)繼續(xù)保持在主序星階段還有多少年的壽命.(估算結(jié)果只要求一位 有效數(shù)字).解析:(1)由萬(wàn)有引力和牛頓第二定律有：GMm/r2= mr(2/T)2 地表重力加速度： g=GM/R2 以題給數(shù)值代入,得: M=2×1030kg. (2)核反應(yīng)每發(fā)生一次釋放的核能為: E=(4mp+2me一ma)c2=4.2×10-12J (3)根據(jù)題給假定,在太陽(yáng)繼續(xù)保持在主序星階段的時(shí)間內(nèi),發(fā)生題中所述的核聚變反應(yīng)的 次數(shù)為: N=M×10%/4mp 因此,太陽(yáng)總共輻射