2019高考物理一輪優(yōu)級（備講練）全國經(jīng)典版講義第13章第2講放射性元素的衰變

第2講放射性元素的衰變、核能板塊一主干梳理·夯實基礎【知識點1】原子核的組成、放射性、放射性同位素、射線的危害和防護Ⅰ一、原子核1．原子核的組成(1)原子核由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱為核子。(2)原子核的核電荷數(shù)＝質子數(shù)，原子核的質量數(shù)＝質子數(shù)＋中子數(shù)，質子和中子都為一個單位質量。2．同位素：具有相同質子數(shù)、不同中子數(shù)的原子。同位素在元素周期表中的位置相同，具有相同的化學性質。具有放射性的同位素叫放射性同位素。例如：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e。二、天然放射現(xiàn)象1．天然放射現(xiàn)象元素eq\o(□,\s\up4(10))自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由eq\o(□,\s\up4(11))貝可勒爾發(fā)現(xiàn)。天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明eq\o(□,\s\up4(12))原子核還具有復雜的結構。2．放射性和放射性元素物質發(fā)射射線的性質叫eq\o(□,\s\up4(13))放射性。具有放射性的元素叫eq\o(□,\s\up4(14))放射性元素。3．三種射線放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線。4．三種射線的比較5．放射性同位素的應用與防護(1)放射性同位素：有eq\o(□,\s\up4(22))天然放射性同位素和eq\o(□,\s\up4(23))人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。(2)應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作eq\o(□,\s\up4(24))示蹤原子等。(3)防護：防止放射線對人體組織的傷害?！局R點2】原子核的衰變、半衰期Ⅰ1．原子核的衰變(1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋__0－1e當放射性物質連續(xù)發(fā)生衰變時，原子核中有的發(fā)生α衰變，有的發(fā)生β衰變，同時伴隨著γ輻射。(3)兩個重要的衰變①eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He；②eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e。2．半衰期(1)定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關。3．α衰變和β衰變的實質α衰變：核內兩個中子和兩個質子結合得比較緊密，作為一個整體從較大的原子核內發(fā)射出來。β衰變：核內的一個中子轉化為一個質子，同時放出一個電子?！局R點3】核力、結合能、質量虧損Ⅰ1．核力(1)定義：原子核內部，核子間所特有的相互作用力。(2)特點①核力是強相互作用的一種表現(xiàn)；②核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15m之內；③每個核子只跟它鄰近的核子間才有核力作用。2．結合能核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能。3．比結合能(1)定義：原子核的結合能與核子數(shù)之比，稱做比結合能，也叫平均結合能。(2)特點：不同原子核的比結合能不同，原子核的比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4．質能方程、質量虧損愛因斯坦質能方程E＝mc2，原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小Δm，這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2?！局R點4】裂變反應和聚變反應、裂變反應堆核反應方程Ⅰ1.重核裂變(1)定義：質量數(shù)較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數(shù)較小的原子核的過程。(2)特點①裂變過程中能夠放出巨大的能量；②裂變的同時能夠放出2～3(或更多)個中子；③裂變的產(chǎn)物不是唯一的。對于鈾核裂變有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比較小。(3)典型的裂變反應方程eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(89,36)Kr＋eq\o\al(144,56)Ba＋3eq\o\al(1,0)n。(4)鏈式反應：由重核裂變產(chǎn)生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。(5)臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積叫做它的臨界體積，相應的質量叫做臨界質量。(6)裂變的應用：原子彈、核反應堆。(7)反應堆構造：核燃料、減速劑、鎘棒、防護層。2．輕核聚變(1)定義兩輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。(2)特點①聚變過程放出大量的能量，平均每個核子放出的能量，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大3至4倍。②聚變反應比裂變反應更劇烈。③對環(huán)境污染較少。④自然界中聚變反應原料豐富。(3)典型的聚變反應方程eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.60MeV3．核反應(1)核反應：原子核在其他粒子的轟擊下產(chǎn)生新原子核的過程，稱為核反應。(2)核反應的幾點說明①核反應中應遵循兩個守恒規(guī)律，即質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。②核反應通常不可逆，書寫核反應方程時，“→”不能寫成“＝”。③核反應類型分為：衰變，人工轉變，裂變，聚變。4．核反應的四種類型比較板塊二考點細研·悟法培優(yōu)考點1原子核的衰變半衰期[深化理解]1．確定衰變次數(shù)的方法(1)設放射性元素eq\o\al(A,Z)X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素eq\o\al(A′,Z′)Y，則表示該核反應的方程為eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A′,Z′)Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)e。根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒可列方程A＝A′＋4nZ＝Z′＋2n－m。(2)確定衰變次數(shù)，因為β衰變對質量數(shù)無影響，先由質量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)。2．對半衰期的理解(1)根據(jù)半衰期的概念，可總結出公式N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up15(eq\f(t,τ))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up15(eq\f(t,τ))式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質量，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)和質量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關。例1(多選)日本福島核電站泄漏事故中釋放出大量的碘131，碘131是放射性同位素，衰變時會發(fā)出β射線與γ射線，碘131被人攝入后，會危害身體健康，由此引起了全世界的關注。下面關于核輻射的相關知識，說法正確的是()A．人類無法通過改變外部環(huán)境來改變碘131衰變的快慢B．碘131的半衰期為8.3天，則4個碘原子核經(jīng)16.6天后就一定剩下一個原子核C．β射線與γ射線都是電磁波，但γ射線穿透本領比β射線強D．碘131發(fā)生β衰變時所釋放的電子是原子核內的中子轉化為質子時產(chǎn)生的(1)衰變的快慢由哪些因素決定？提示：由放射元素原子核內部因素決定，與外界因素及所處狀態(tài)無關。(2)β衰變的實質是什么？提示：原子核內的一個中子轉化為一個質子，同時放出一個電子。嘗試解答選AD。衰變的快慢由放射性元素本身決定，與外部環(huán)境無關，A正確。半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)幾個原子核無意義，B錯誤。β射線是高速電子流，γ射線是電磁波，故C錯誤。β衰變的實質是eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e，D正確?？偨Y升華原子核衰變、半衰期易錯點(1)半衰期是一個統(tǒng)計概念，只有對大量的原子核才成立，對少數(shù)的原子核無意義。(2)經(jīng)過一個半衰期，有半數(shù)原子核發(fā)生衰變變?yōu)槠渌镔|，而不是消失。(3)衰變的快慢由原子核內部因素決定，跟原子所處的外部條件及所處化學狀態(tài)無關。eq\a\vs4\al([跟蹤訓練])[2017·廣東肇慶二模]eq\o\al(238,92)U的衰變有多種途徑，其中一種途徑是先衰變成eq\o\al(210,83)Bi，然后可以經(jīng)一次衰變變成eq\o\al(210,a)X(X代表某種元素)，也可以經(jīng)一次衰變變成eq\o\al(b,81)Ti，最后都衰變變成eq\o\al(206,82)Pb，衰變路徑如圖所示。下列說法中正確的是()A．過程①是β衰變，過程③是α衰變；過程②是β衰變，過程④是α衰變B．過程①是β衰變，過程③是α衰變；過程②是α衰變，過程④是β衰變C．過程①是α衰變，過程③是β衰變；過程②是β衰變，過程④是α衰變D．過程①是α衰變，過程③是β衰變；過程②是α衰變，過程④是β衰變答案B解析由于β衰變釋放出電子，質量數(shù)不變，核電荷數(shù)加1，α衰變釋放出氦核，質量數(shù)減少4，核電荷數(shù)減2；過程①中的質量數(shù)不變，故它發(fā)生的是β衰變，C、D錯誤；過程③的質量數(shù)減少4，故應該是α衰變，過程②的核電荷數(shù)減少2，故是α衰變，過程④的核電荷數(shù)加1，說明是β衰變，A錯誤，B正確。考點2核反應類型與核反應方程[深化理解]1．核反應類型與核反應方程(1)核反應的四種類型：衰變、人工轉變、裂變和聚變。(2)核反應過程一般都是不可逆的，所以核反應方程只能用單向箭頭“→”連接并表示反應方向，不能用等號連接。(3)核反應的生成物一定要以實驗為基礎，不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應方程。(4)核反應遵循質量數(shù)守恒而不是質量守恒，核反應過程中反應前后的總質量一般會發(fā)生變化。(5)核反應遵循電荷數(shù)守恒。2．有關核反應方程的題型主要有(1)判斷核反應的生成物。(2)判斷反應類型。(3)判斷反應是否成立。例2在下列四個核反應中，X表示中子的是哪些？________。在以下核反應中哪些屬于原子核的人工轉變？________。A．147N＋eq\o\al(4,2)He→178O＋XB.eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋XC.eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋XD．23592U＋X→eq\o\al(90,38)Sr＋13654Xe＋10X(1)如何確定哪些是衰變，哪些是人工核轉變？提示：衰變一般是一個核自發(fā)的變成兩個或兩個以上的新核，而人工核轉變是兩個核中一個是“靶核”，一個是“彈核”，反應后一般生成兩個新核。(2)質量數(shù)、中子數(shù)與核電荷數(shù)的關系。提示：質量數(shù)＝中子數(shù)＋電荷數(shù)。嘗試解答B(yǎng)CD__AB。不管什么類型的核反應，都遵守電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒，由以上兩個守恒規(guī)則，可以分別計算出A、B、C、D中X的質量數(shù)和電荷數(shù)，分別為A中eq\o\al(1,1)X，B中eq\o\al(1,0)X，C中eq\o\al(1,0)X，D中eq\o\al(1,0)X，所以X表示中子的是B、C、D；關于人工轉變問題，首先應明確核反應的特點：有粒子作“炮彈”轟擊作為“靶”的原子核，并且能在實驗室中進行，因此人工核轉變的有A、B，C叫輕核聚變，D叫重核裂變?？偨Y升華核反應方程的書寫及理解(1)熟記常見基本粒子的符號是正確書寫核反應方程的基礎，如質子(eq\o\al(1,1)H)、中子(eq\o\al(1,0)n)、α粒子(eq\o\al(4,2)He)、β粒子(eq\o\al(0,－1)e)、正電子(eq\o\al(0,1)e)、氘核(eq\o\al(2,1)H)、氚核(eq\o\al(3,1)H)等。(2)掌握核反應方程遵守的規(guī)律是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的依據(jù)，所以要理解、應用好質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒的規(guī)律。(3)生成物中有α粒子的不一定是α衰變，生成物中有β粒子的不一定是β衰變，衰變、裂變、聚變需認清其特點。eq\a\vs4\al([跟蹤訓練])核電池又叫“放射性同位素電池”，一個硬幣大小的核電池，就可以讓不充電使用5000年。燃料中钚(eq\o\al(238,94)Pu)是一種人造同位素，可以通過下列反應合成：①用氘核(eq\o\al(2,1)D)轟擊鈾(eq\o\al(238,92)U)生成镎(Np238)和兩個相同的粒子X，核反應方程是eq\o\al(238,92)U＋eq\o\al(2,1)D→eq\o\al(238,93)Np＋2X；②镎(Np238)放出一個粒子Y后轉變成钚(eq\o\al(238,94)Pu)，核反應方程是eq\o\al(238,93)Np→eq\o\al(238,94)Pu＋Y，則X粒子的符號為________，Y粒子的符號為________。答案eq\o\al(1,0)neq\o\al(0,－1)e解析兩個核反應是eq\o\al(238,92)U＋eq\o\al(2,1)D→eq\o\al(238,93)Np＋2eq\o\al(1,0)n，eq\o\al(238,93)Np→eq\o\al(238,94)Pu＋eq\o\al(0,－1)e，所以X是eq\o\al(1,0)n，Y是eq\o\al(0,－1)e?？键c3核能[深化理解]1．質能方程的理解(1)一定的能量和一定的質量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質量成正比，即E＝mc2。方程的含義是：物體具有的能量與它的質量之間存在簡單的正比關系，物體的能量增大，質量也增大；物體的能量減少，質量也減少。(2)核子在結合成原子核時出現(xiàn)質量虧損Δm，其能量也要相應減少，即ΔE＝Δmc2。(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。2．核能釋放的兩種途徑的理解中等大小的原子核的比結合能最大，這些核最穩(wěn)定。(1)使較重的核分裂成中等大小的核。(2)較小的核結合成中等大小的核，核子的比結合能都會增加，都可以釋放能量。3．核反應過程中的綜合問題(1)兩個守恒定律的應用若兩個原子核發(fā)生核反應生成兩種或兩種以上的新原子核過程中滿足動量守恒的條件，則m1v1＋m2v2＝m3v3＋m4v4＋…若核反應過程中釋放的核能全部轉化為新原子核的動能，由能量守恒得eq\f(1,2)m1veq\o\al(2,1)＋eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,2)＋ΔE＝eq\f(1,2)m3veq\o\al(2,3)＋eq\f(1,2)m4veq\o\al(2,4)＋…(2)原子核衰變過程中，α粒子、β粒子和新原子核在磁場中的軌跡。靜止核在磁場中自發(fā)衰變，其軌跡為兩相切圓，α衰變時兩圓外切，β衰變時兩圓內切，根據(jù)動量守恒m1v1＝m2v2和r＝eq\f(mv,qB)知，半徑小的為新核，半徑大的為α粒子或β粒子，其特點對比如下表：(3)計算核能的兩種方法①根據(jù)愛因斯坦質能方程，用核反應過程中虧損的質量乘以真空中光速的平方，即ΔE＝Δmc2，質量的單位為千克；②根據(jù)1原子質量單位(u)相當于931.5MeV的能量，得ΔE＝Δm×931.5MeV，質量的單位是原子質量單位。例3[2017·山西質監(jiān)](多選)核反應堆是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能。核反應方程式eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋aX是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，X是某種粒子，a是X粒子的個數(shù)，用mU、mBa、mKr分別表示eq\o\al(235,92)U、eq\o\al(144,56)Ba、eq\o\al(89,36)Kr核的質量，mX表示X粒子的質量，c為真空中的光速，以下說法正確的是()A．X為中子，a＝2B．X為中子，a＝3C．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2D．上述核反應中放出的核能ΔE＝(mU－mBa－mKr－3mX)c2E．只有鈾塊體積達到臨界體積才可能發(fā)生鏈式反應(1)怎樣確定a的大小及X是什么粒子？提示：在重核裂變中，由一個中子引發(fā)鏈式反應，會產(chǎn)生更多的中子，所以X是中子。由質量數(shù)和電荷數(shù)守恒可得a的大小。(2)怎樣計算核能？提示：先計算質量虧損Δm，再由ΔE＝Δmc2，求核能。嘗試解答選BCE。核反應過程中，質量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒，在重核裂變反應中，由一個中子轟擊鈾核會產(chǎn)生3個中子，引發(fā)鏈式反應，所以X粒子為中子，a為3，B正確，A錯誤。由質能方程可知，釋放的核能ΔE＝Δmc2，即ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mX)c2，C正確，D錯誤。要發(fā)生鏈式反應，鈾塊的體積必須達到臨界體積，E正確。總結升華計算核能的幾種方法(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計算，計算時Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計算。因1原子質量單位(u)相當于931.5MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)根據(jù)平均結合能來計算核能原子核的結合能＝平均結合能×核子數(shù)。(4)有時可結合動量守恒和能量守恒進行分析計算?？傊?，關于結合能(核能)的計算，應根據(jù)題目的具體情況合理選擇核能的求解方法，且計算時要注意各量的單位。eq\a\vs4\al([跟蹤訓練])[2017·江西南昌模擬](多選)下面的核反應方程是鈾核裂變反應中的一個：eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n。已知鈾235的質量為235.0439u，中子質量為1.0087u，鍶90的質量為89.9077u，氙136的質量為135.9072u，則此核反應中()A．質量虧損為Δm＝235.0439u＋1.0087u－89.9077u－135.9072uB．質量虧損為Δm＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)uC．釋放的總能量為ΔE＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)×(3×108)2JD．釋放的總能量為ΔE＝(235.0439＋1.0087－89.9077－135.9072－10×1.0087)×931.5MeV答案BD解析計算質量虧損時要用反應前的總質量減去反應后的總質量，二者之差可用“u”或“kg”作單位，故A錯誤，B正確；當質量單位為“kg”時直接乘以(3.0×108m/s)2，總能量單位才是焦耳，C錯誤；質量單位為“u”時，可直接用“1u的質量虧損放出能量931.5MeV”計算總能量，D正確。板塊三限時規(guī)范特訓時間：45分鐘滿分：100分一、選擇題(本題共10小題，每小題6分，共60分。其中1～6為單選，7～10為多選)1．關于原子核中質子和中子的說法，正確的是()A．原子核中質子數(shù)和中子數(shù)一定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質子數(shù)比中子數(shù)多C．原子核都是非常穩(wěn)定的D．由于核力的作用范圍是有限的，以及核力的飽和性，如果不斷地增大原子核，形成的核也一定是不穩(wěn)定的答案D解析自然界中較輕的原子核，質子數(shù)與中子數(shù)大致相等，但對于較重的原子核，中子數(shù)大于質子數(shù)，越重的元素，兩者相差越多，A、B錯誤；天然放射性元素的原子核會衰變，并不穩(wěn)定，C錯誤；核子間核力與電磁力都會隨核子間距離的增大而減小，但核力減小得更快，由于核力作用范圍有限，以及核力的飽和性，如果不斷地增大原子核，大到一定程度時，相距較遠的質子受到的核力不足以平衡它們之間的庫侖力，原子核就不穩(wěn)定了，D正確。2.如圖所示，x為未知的放射源，L為薄鋁片，計數(shù)器對α粒子、β粒子、γ光子均能計數(shù)。若在放射源和計數(shù)器之間加上L后，計數(shù)器的計數(shù)率大幅度減小，在L和計數(shù)器之間再加豎直向下的勻強磁場，計數(shù)器的計數(shù)率不變，則，x可能是()A．α、β和γ的混合放射源 B．純α放射源C．α和γ的放射源 D．純γ放射源答案C解析在放射源和計數(shù)器之間加上薄鋁片后，計數(shù)器的計數(shù)率大幅度減小，說明射線中有穿透力很弱的粒子，即α粒子；在鋁片和計數(shù)器之間再加豎直向下的勻強磁場，計數(shù)器的計數(shù)率不變，說明穿過鋁片的粒子中無帶電粒子，即只有γ射線；綜合可知放射源可能是α和γ的放射源，故選C。3．[2017·山東濰坊二模]下列說法正確的是()A．α粒子散射實驗說明原子的能量是量子化的B．玻爾的氫原子軌道理論認為電子運動的軌道是連續(xù)的C．放射性元素的原子核能夠發(fā)出β射線，說明原子核內有電子D．兩輕核發(fā)生聚變釋放能量，生成核的比結合能增加答案D解析α粒子散射實驗說明原子的中央有一個原子核，集中了原子幾乎所有的質量和全部的正電荷，不能說明原子的能量是量子化的，A錯誤；玻爾的氫原子軌道理論認為電子運動的軌道是量子化的，即不連續(xù)的，B錯誤；放射性元素的原子核發(fā)出的β射線是中子轉化為質子和電子時產(chǎn)生的，C錯誤，D正確。4．某核反應方程eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X。已知eq\o\al(2,1)H的質量為2.0136u，eq\o\al(3,1)H的質量為3.0180u，eq\o\al(4,2)He的質量為4.0026u，X的質量為1.0087u。則下列說法中正確的是()A．X是質子，該反應釋放能量B．X是中子，該反應釋放能量C．X是質子，該反應吸收能量D．X是中子，該反應吸收能量答案B解析由電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒分別得X的電荷數(shù)Z＝0，質量數(shù)A＝2＋3－4＝1，故X為eq\o\al(1,0)n，即中子；由于反應前的總質量2.0136u＋3.0180u＝5.0316u>4.0026u＋1.0087u，因此，此反應中會釋放能量。5．[2017·安徽十校聯(lián)考]鈾核(eq\o\al(235,92)U)經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變變成鉛核(eq\o\al(207,82)Pb)，關于該過程，下列說法正確的是()A．m＝5，n＝4B．鈾核(eq\o\al(235,92)U)的比結合能比鉛核(eq\o\al(207,82)Pb)的比結合能小C．衰變產(chǎn)物的結合能之和小于鈾核(eq\o\al(235,92)U)的結合能D．鈾核(eq\o\al(235,92)U)衰變過程的半衰期與溫度和壓強有關答案B解析此衰變方程可寫為eq\o\al(235,92)U→eq\o\al(207,82)Pb＋mα＋nβ，根據(jù)電荷數(shù)守恒和質量數(shù)守恒有235＝207＋4m，得m＝7，以及92＝82＋7×2－n，得n＝4，故選項A錯誤；衰變后的產(chǎn)物相對于衰變前要穩(wěn)定，所以鈾核(eq\o\al(235,92)U)的比結合能比鉛核(eq\o\al(207,82)Pb)的比結合能小，B正確；穩(wěn)定性更高，比結合能更大，核子總數(shù)不變，故衰變產(chǎn)物的結合能之和一定大于鈾核的結合能，C錯誤；原子核的半衰期與環(huán)境的溫度、壓強等無關，故D錯誤。6．如圖所示是原子核的平均核子質量A與原子序數(shù)Z的關系圖象，下列說法正確的是()A．若D、E能結合成F，結合過程一定要釋放能量B．若D、E能結合成F，結合過程一定要吸收能量C．若C、B能結合成A，結合過程一定要釋放能量D．若F、C能結合成B，結合過程一定要釋放能量答案A解析由A-Z圖象看出，D、E的平均核子質量均大于F的平均核子質量，結合會有質量虧損，因此，D、E結合成F時，要釋放能量，選項A正確、B錯誤；C、B的平均核子質量均小于A的平均核子質量，結合會質量增加，因此，C、B結合成A時要吸收能量，選項C錯誤；F、C的平均核子質量均小于B的平均核子質量，因此，F(xiàn)、C結合成B時要吸收能量，選項D錯誤。7．用蓋革－米勒計數(shù)器測定放射源的放射強度為每分鐘405次，若將一張厚紙板放在計數(shù)器與放射源之間，計數(shù)器幾乎測不到射線。10天后再次測量，測得該放射源的放射強度為每分鐘101次，則下列關于射線性質及它的半衰期的說法正確的是()A．放射源射出的是α射線B．放射源射出的是β射線C．這種放射性元素的半衰期是5天D．這種放射性元素的半衰期是2.5天答案AC解析因厚紙板能擋住這種射線，可知這種射線是穿透能力最差的α射線，選項A正確，B錯誤；10天后測出放射強度為原來的四分之一，說明10天后放射性元素的原子核個數(shù)只有原來的四分之一，由半衰期公式知，已經(jīng)過了兩個半衰期，故半衰期是5天。8.[2017·福建廈門質檢]靜止的eq\o\al(211,83)Bi原子核在磁場中發(fā)生衰變后運動軌跡如圖所示，大小圓半徑分別為R1、R2。則下列關于此原子核衰變方程和兩圓軌跡半徑比值判斷正確的是()A.eq\o\al(211,83)Bi→eq\o\al(207,81)Tl＋eq\o\al(4,2)He B.eq\o\al(211,83)Bi→eq\o\al(211,84)Po＋eq\o\al(0,－1)eC．R1∶R2＝84∶1 D．R1∶R2＝207∶4答案BC解析原子核發(fā)生衰變時，根據(jù)動量守恒可知兩粒子的速度方向相反，由題圖知粒子的運動軌跡在同一側，根據(jù)左手定則可以得知，衰變后的粒子所帶的電性相反，所以放射的粒子應該是電子，原子核發(fā)生的應該是β衰變，衰變方程為eq\o\al(211,83)Bi→eq\o\al(211,84)Po＋eq\o\al(0,－1)e，故A錯誤，B正確；根據(jù)qvB＝meq\f(v2,R)得R＝eq\f(mv,qB)，兩粒子動量等大，故R1∶R2＝q2∶q1＝84∶1，故C正確，D錯誤。9．[2017·河南安陽一模]根據(jù)下面所給圖片及課本中有關歷史事實，結合有關物理知識，判斷下列說法正確的是()A．圖甲是研究光電效應的示意圖，發(fā)生光電效應的條件是入射光的波長大于金屬的“極限波長”B．圖乙是鏈式反應的示意圖，發(fā)生鏈式反應的條件之一是裂變物質的體積大于或等于臨界體積C．圖丙是氫原子的能級圖，一個處于n＝4能級的氫原子，躍遷時可以產(chǎn)生6種光子D．圖丁是衰變規(guī)律的示意圖，原子序數(shù)大于83的元素都具有放射性，小于83的個別元素，也具有放射性答案BD解析根據(jù)光電效應方程Ek＝heq\f(c,λ)－h(huán)eq\f(c,λ0)，入射光的波長必須小于金屬的極限波長才能發(fā)生光電效應，故A錯誤；當裂變物質的體積小于臨界體積時，不會發(fā)生鏈式反應，有利于裂變物質的貯存，當大于或等于臨界體積時，則可發(fā)生鏈式反應，故B正確；處于n＝4能級的氫原子向較低能級躍遷，最終躍遷到基態(tài)，躍遷情況可能是4→1，釋放1種頻率的光子，4→3→1,4→2→1，釋放2種頻率的光子，4→3→2→1，釋放3種頻率的光子，故C錯誤；原子序數(shù)大于83的元素都具有放射性，小于83的個別元素，也具有放射性，故D正確。10．一個質子和一個中子結合成氘核，同時放出γ光子，核反應方程是eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(2,1)H＋γ，以下說法中正確的是()A．反應后氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和B．反應前后的質量數(shù)不變，因而質量不變C．γ光子的能量為Δmc2，Δm為反應中的質量虧損，c為光在真空中的速度D．因存在質量虧損Δm，所以“物質不滅”的說法不正確答案AC解析核反應中質量數(shù)與電荷數(shù)及能量均守恒。由于反應中要釋放核能，會出現(xiàn)質量虧損，反應中氘核的質量一定小于反應前質子和中子的質量之和，A正確；反應前后質量不守恒，但質量數(shù)不變，B錯誤；反應中釋放的能量會以γ光子的形式向外釋放，質量虧損和釋放的能量滿足愛因斯坦質能方程，C正確；質量虧損以能量的形式繼續(xù)存在，D錯誤。二、非選擇題(本題共3小題，共40分)11．(10分)一靜止的23892U核經(jīng)α衰變成為23490Th核，釋放出的總動能為4.27MeV。問此衰變后23490Th核的動能為多少MeV(保留一位有效數(shù)字)?答案0.07MeV解析據(jù)題意知，此α衰變的衰變方程為：eq\o\al(238,92)U→23490Th＋eq\o\al(4,2)He根據(jù)動量守恒定律得mαvα＝mThvTh①式中，mα和mTh分別為α粒子和Th核的質量，vα和vTh分別為α粒子和Th核的速度，由題設條件知：eq\f(1,2)mαveq\o\al(2,α)＋eq\f(1,2)mThveq\o\al(2,Th)＝Ek②eq\f(mα,mTh)＝eq\f(4,234)③式中Ek＝4.27MeV是α粒子與Th核的總動能。由①②③式得eq\f(1,2)mThveq\o\al(2,Th)＝eq\f(mα,mα＋mTh)Ek④代入數(shù)據(jù)得，衰變后23490Th核的動能eq\f(1,2)mThveq\o\al(2,Th)＝0.07MeV。12．(15分)在所有能源中核能具有能量密度大、區(qū)域適應性強的優(yōu)勢，在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉化為電能。核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能。(1)核反應方程式23592U＋eq\o\al(1,0)n→14156Ba＋eq\o\al(92,36)Kr＋aX是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，eq\o\al(1,0)n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為________，a＝________。以mU、mBa、mKr分別表示23592U、14156Ba、eq\o\al(92,36)Kr的質量，mn、mp分別表示中子、質子的質量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能ΔE＝________。(2)有一座發(fā)電功率為P＝1.00×106kW的核電站，核能轉化為電能的效率η＝40%。假定反應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題(1)中的核反應，已知每次核反應過程中放出的核能ΔE＝2.78×10－11J，鈾核的質量mU＝390×10－27kg，求每年(1年＝3.15×107s)消耗的23592U的質量。答案(1)eq\o\al(1,0)n3(mU－mBa－mKr－2mn)c2(2)1104kg解析(1)由反應方程可知：X為eq\o\al(1,0)n，a為3，釋放的能量為ΔE＝(mU－mBa－mKr－2mn)c2。(2)因核電站發(fā)電效率為40%，故核電站消耗23592U的功率為P′＝eq\f(P,40%)＝eq\f(1.00×106,40%)kW＝2.5×106kW。核電站每年消耗23592U的能量為W＝P′t＝2.5×109×3.15×107J＝7.875×1016J產(chǎn)生這些能量消耗的鈾核的數(shù)目：n＝eq\f(W,ΔE)＝eq\f(7.875×1016,2.78×10－11)＝2.83×1027(個)每年消耗23592U的質量為M＝nmU＝2.83×1027×390×10－27kg＝1104kg。13．(15分)氘對人類有很多用途，其中低氘水對人體健康有諸多好處，更有益于生命體的生存和繁衍。原子能核電站或制造原子彈的所謂重水反應堆，用的重水就是氘水，其中兩個氘核可以聚變，其核反應方程為：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n，已知氘核的質量mH＝2.013u，氦核(eq\o\al(3,2)He)的質量mHe＝3.0150u，中子的質量mn＝1.0087u。(1)求該核反應中釋放的核能；(2)若兩個氘核以相等的動能0.35MeV發(fā)生正碰，核反應中釋放的核能完全轉化為氦核與中子的動能，則產(chǎn)生的中子和氦核的動能分別為多少？答案(1)2.14MeV(2)2.13MeV0.71MeV解析(1)核反應中的質量虧損為Δm＝2mH－mHe－mn＝0.0023u由ΔE＝Δmc2可知釋放的核能：ΔE＝0.0023×931.5MeV＝2.14MeV。(2)把兩個氘核作為一個系統(tǒng)，碰撞過程系統(tǒng)的動量守恒，由于碰撞前兩氘核的動能相等，其動量等大反向，因此反應前后系統(tǒng)的總動量都為零，即mHevHe＋mnvn＝0反應前后系統(tǒng)的總能量守恒，即eq\f(1,2)mHeveq\o\al(2,He)＋eq\f(1,2)mnveq\o\al(2,n)＝ΔE＋EkH又因為mHe∶mn＝3∶1，所以vHe∶vn＝1∶3由以上各式代入已知數(shù)據(jù)得：EkHe＝0.71MeV，Ekn＝2.13MeV。一、選擇題1．[2015·天津高考]物理學重視邏輯，崇尚理性，其理論總是建立在對事實觀察的基礎上。下列說法正確的是()A．天然放射現(xiàn)象說明原子核內部是有結構的B．電子的發(fā)現(xiàn)使人們認識到原子具有核式結構C．α粒子散射實驗的重要發(fā)現(xiàn)是電荷是量子化的D．密立根油滴實驗表明核外電子的軌道是不連續(xù)的答案A解析天然放射現(xiàn)象說明原子核是可分的，即核內部是有結構的，A項正確；電子的發(fā)現(xiàn)使人們認識到原子是可分的，B項錯誤；α粒子散射實驗的重要發(fā)現(xiàn)是原子具有核式結構，C項錯誤；密立根油滴實驗精確地測出了電子的電荷量，原子光譜的分立性表明原子核外電子軌道是不連續(xù)的，D項錯誤。2．[2014·山東高考](多選)氫原子能級如圖，當氫原子從n＝3躍遷到n＝2的能級時，輻射光的波長為656nm。以下判斷正確的是()A．氫原子從n＝2躍遷到n＝1的能級時，輻射光的波長大于656nmB．用波長為325nm的光照射，可使氫原子從n＝1躍遷到n＝2的能級C．一群處于n＝3能級上的氫原子向低能級躍遷時最多產(chǎn)生3種譜線D．用波長為633nm的光照射，不能使氫原子從n＝2躍遷到n＝3的能級答案CD解析由heq\f(c,λ)＝E2－E1及氫原子能級關系可知，從n＝2躍遷到n＝1能級時釋放光子波長為122nm，故選項A錯誤。波長325nm光子能量小于波長122nm光子能量，不能使氫原子從n＝1躍遷到n＝2的能級，選項B錯誤。一群處于n＝3能級的氫原子向低能級躍遷時最多有3種可能，因此最多產(chǎn)生3種譜線，選項C正確。從n＝3躍遷到n＝2時輻射光的波長λ＝656nm，所以，只有當入射光波長為656nm時，才能使氫原子從n＝2躍遷到n＝3的能級，選項D正確。3．[2017·山東煙臺一模]下列說法正確的是()A．湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，表明原子具有核式結構B．太陽輻射的能量主要來自太陽內部的核裂變反應C．一束光照射到某金屬上不能發(fā)生光電效應，是因為該束光的波長太短D．按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，電子的動能減小，原子總能量增大答案D解析湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，表明原子是可以分割的，α粒子的散射實驗表明原子具有核式結構，故A錯誤。太陽輻射的能量主要來自太陽內部的輕核聚變，故B錯誤。一束光照射到某金屬上不能發(fā)生光電效應，是因為該束光光子的能量太小，即該光的頻率太小，波長太長，故C錯誤。按照玻爾理論，氫原子核外電子從半徑較小的軌道躍遷到半徑較大的軌道時，要吸收能量，所以原子總能量增大；由于庫侖力提供電子的向心力，可得eq\f(ke2,r2)＝eq\f(mv2,r)，所以電子的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(ke2,2r)，隨半徑的增大而減小，故D正確。4．[2017·衡水棗強中學高三檢測]原子從一個能級躍遷到一個較低的能級時，有可能不發(fā)射光子。例如在某種條件下，鉻原子的n＝2能級上的電子躍遷到n＝1能級上時并不發(fā)射光子，而是將相應的能量轉交給n＝4能級上的電子，使之脫離原子，這一現(xiàn)象叫做俄歇效應，以這種方式脫離了原子的電子叫做俄歇電子，已知鉻原子的能級公式可簡化表示為En＝－eq\f(A,n2)，式中n＝1,2,3，…表示不同能級，A是正的已知常數(shù)，上述俄歇電子的動能是()A.eq\f(11,16)AB.eq\f(7,16)AC.eq\f(3,16)AD.eq\f(13,16)A答案A解析由題意可知鉻原子n＝1能級能量為：E1＝－A，n＝2能級能量為：E2＝－eq\f(A,4)，從n＝2能級躍遷到n＝1能級釋放的能量為：ΔE＝E2－E1＝eq\f(3A,4)，n＝4能級能量為：E4＝－eq\f(A,16)，電離需要能量為：E＝0－E4＝eq\f(A,16)，所以電子從n＝4能級電離后的動能為：Ek＝ΔE－E＝eq\f(3A,4)－eq\f(A,16)＝eq\f(11A,16)，故B、C、D錯誤，A正確。5．[2017·東北二聯(lián)](多選)如圖所示，氫原子可在下列各能級間發(fā)生躍遷，設從n＝4到n＝1能級輻射的電磁波的波長為λ1，從n＝4到n＝2能級輻射的電磁波的波長為λ2，從n＝2到n＝1能級輻射的電磁波的波長為λ3，則下列關系式中正確的是()A．λ1<λ3 B．λ3<λ2C．λ3>λ2 D.eq\f(1,λ3)＝eq\f(1,λ1)＋eq\f(1,λ2)E.eq\f(1,λ3)＝eq\f(1,λ1)－eq\f(1,λ2)答案ABE解析已知從n＝4到n＝1能級輻射的電磁波的波長為λ1，從n＝4到n＝2能級輻射的電磁波的波長為λ2，從n＝2到n＝1能級輻射的電磁波的波長為λ3，則λ1、λ2、λ3的關系為heq\f(c,λ1)>heq\f(c,λ3)>heq\f(c,λ2)，即eq\f(1,λ1)>eq\f(1,λ3)，λ1<λ3，eq\f(1,λ3)>eq\f(1,λ2)，λ3<λ2，又heq\f(c,λ1)＝heq\f(c,λ3)＋heq\f(c,λ2)，即eq\f(1,λ1)＝eq\f(1,λ3)＋eq\f(1,λ2)，則eq\f(1,λ3)＝eq\f(1,λ1)－eq\f(1,λ2)，即正確選項為A、B、E。6．[2016·全國卷Ⅲ](多選)一靜止的鋁原子核eq\o\al(27,13)Al俘獲一速度為1.0×107m/s的質子p后，變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的硅原子核eq\o\al(28,14)Si*。下列說法正確的是()A．核反應方程為p＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(28,14)Si*B．核反應過程中系統(tǒng)動量守恒C．核反應過程中系統(tǒng)能量不守恒D．核反應前后核子數(shù)相等，所以生成物的質量等于反應物的質量之和E．硅原子核速度的數(shù)量級為105m/s，方向與質子初速度的方向一致答案ABE解析核反應方程為p＋eq\o\al(27,13)Al→eq\o\al(28,14)Si