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第十九章
原子核
19.1
原子核的组成
一、天然放射现象
1.天然放射现象的发现
(1)1896年,法国物理学家贝可勒尔首先发现,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片感光(如图所示),从而发现放射性元素.
(2)后来玛丽居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素,命名为钋(Po)和镭(Ra).
2.
放射性、放射性元素和天然放射现象的定义
(1)物质发射射线的性质称为放射性.
(2)具有放射性的元素称为放射性元素.
(3)放射性元素自发地发出射线的现象叫做天然放射现象。
说明：
由法国物理学家贝可勒尔首先发现。
3.放射性并不是少数几种元素才有的,研究发现,原子序数大于或等于83所有元素,都能自发地放出射线,原子序数小于83的元素,有的也能放出射线。研究表明,元素的放射性与它以单质还是化合物的形式存在无关,且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响;
4.射线中的电子是原子核内部放出的,并不是原子核外面的电子放出的,这也说明原子核内部结构是可以再分的.
二、三种射线
1.三种射线：放射性物质发出的射线有三种
:
射线、
射线和
射线。
2.三种射线的比较
射线
射线
射线
组成
高速氦核(He)流
高速电子(e)流
光子流(高频电磁波)
带电荷量
2e
-e
0
质量
4mp=1.67×10-27kg
静止质量为零
速度
0.
1c
0.99c
c
电（磁）场中
偏转
与射线反向偏转
不偏转
穿透本领
最弱
用纸能挡住
较强
穿透几毫米的铅板
最强
穿透几厘米的铝板
对空气的电离作用
很强
较弱
很弱
说明：三种射线的能量很高,都来自于原子核内部,这也使我们认识到原子核内蕴藏有巨大的能量,原子核也有复杂的结构。
3.三种射线的判断方法
(1)带电粒子在磁场中运动会受到磁场力作用发生偏转,这个力是洛伦兹力.放射源发出射线进入磁场后,出现三条不同的运动轨迹,说明其中的两束射线是带电粒子。根据左手定则,可以判断出向左偏的是
射线,向右偏的是
β
射线。
(2)带电粒子在电场中会受到电场力的作用，施加一偏转电场,也能判断三种射线。三种射线在电场和磁场中的偏转特点
射线不发生偏转：不论在电场磁场中,
射线总是做匀速直线运动,不发生偏转。
射线和
射线在电场中偏转的特点
如图,在匀强电场中,
粒子和
粒子沿相反方向做类平抛运动且在同样的条件下,
β粒子的偏移较大。粒子在电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动,对于某一确定的垂直电场线方向的位移
,可得偏移量为：
所以,在同样的条件下β粒子与粒子的偏移量的比值
37.5>1
在电场中,因为>
,故偏离
射线远的是
射线.
射线和
射线在磁场中偏转的特点
如图,在匀强磁场中,
粒子和
粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样的条件下，
粒子的轨道半径较小，偏转较大，具体分析如下：
根据
qvB=m得
R=
所以,在同样的条件下
粒子与
粒子的轨道半径的比值为:
<
1
在磁场中,因为<
,故偏离
射线远的是
射线,靠近
射线的是
射线.
根据三种射线在电场和磁场中偏转的特点,即使电场和磁场方向未知,也可以区分射线的种类.
、
、
三种射线在电磁场中的运动特点
射线不论在电场还是磁场中,总是做匀速直线运动,不发生偏转；
和
射线沿垂直电场线方向射入匀强电场中,
和
β
射线沿相反方向做类平抛运动,且在同样的条件下,β
射线的偏移量大;
和
射线沿垂直磁感线方向射入匀强磁场中,
和
射线沿相反方向做匀速圆周运动,且在同样的条件下,
射线的轨道半径小,偏转程度大.
三、原子核的组成
1.质子的发现
质子带正电,电荷量与一个电子电荷量相等,质子的质量为
mp=1.6726231×10-27kg.
2.中子的发现
(2)中子不带电,中子(n)的质量为mn=1.6749286×10-27kg
3.原子核的组成
(1)核子:质子和中子统称为核子.
(2)原子核的组成:由核子组成,即由质子和中子组成.
(3)电荷数:原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍,通常用这个整数表示原子核的电荷量,
叫做原子核的电荷数,用Z表示.
(4)质量数:原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和,而质子与中子的质量几乎相等,所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫做原子核的质量数,用A表示.
(5)原子核的符号:
其中,X为元素符号,A表示质量数,Z表示电荷数(即原子序数)
①
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
4.同位素
(1)具有相同质子数而中子数不同的原子核,在元素周期表中处于同位置,因而互称同位素(2)氢的三种同位素
:
氕(H)、氘(H)、氚(H)
对同位素的理解
原子核内的质子数决定了核外电子的数目,也决定了电子在核外分布的情况,进而决定了这种元素的化学性质,同位素的质子数相同,核外电子数也相同,所以具有相同的化学性质,但它们的中子数不同,所以它们的物理性质不同.
第十九章
原子核
19.2
放射性元素的衰变
一、原子核的衰变
1.原子核的衰变
原子核放出
粒子或粒子,由于核电荷数变了,它在周期表中的位置就变了,变成另一种原子核,我们把这种变化称为原子核的衰变。
2.原子核衰变遵循的规律
电荷数和质量数守恒,即衰变前质量数之和等于衰变后质量数之和;衰变前的电荷数之和等于衰变后的电荷数之和。
3.
衰变
放射性元素的原子核放射出
粒子(质量数减少4,核电荷数减少2)，成为新元素原子核的过程。
(1)
衰变方程:
X→
Y+
He
(2)
粒子的本质:
粒子本质就是氦核,它由两个质子和两个中子组成。
(3)
衰变的实质:在放射性元素的原子核中,两个质子和两个中子结合得比较牢固,会作为一个整体从放射性元素原子核中被抛射出来,即为放射性元素发生的
衰变
(2
H+2
n→
He)。
(4)
衰变后生成的新元素的原子核,其核电荷数比衰变前少2,在元素周期表中的位置向前移动两位。
衰变
放射性元素的原子核放出一个
粒子(质量数不变,核电荷数增加1），成为新元素原子核的过程。
(1)
衰变方程:X→
Y+
e
(2)
粒子的本质:
粒子就是电子.
(3)
衰变的实质:原子核内的一个中子转化为一个质子,放出一个电子,
即
n→
H+
e.
(4)衰变后生成的新元素,其核电荷数比衰变前增加1,在元素周期表中的位置向后
移一位.
射线的产生
(1)射线产生的机理:
放射性的原子核在发生
衰变或
衰变时,会释放能量,使生成的新核处于高能量状态(能级),在新核向低能级跃迁时,能量以
光子的形式辐射出来.
(2)
射线是不带电的光子,因此原子核放射出
射线,在元素周期表中的位置不变.
6.拓展延伸■
(1).核反应过程一般都不是可逆的,所以核反应方程式只能用单向箭头表示反应方向,不能用等号连接.
(2).核反应的生成物一定要以实验为基础,不能凭空只依据两个守恒杜撰出生成物来写核反应方程.
(3).核反应中遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)而释放出核能.
二、半衰期
1.定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间,叫做这种元素的半衰期。
2.影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部的因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。不同元素的衰期不同。
3.公式
式中N原、
m原
表示衰变前放射性元素的原子数和质量,
N余
、
m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量,
t
表示衰变时间,
T表示半衰期
4.应用：利用半衰期非常稳定这一特点,可以测量衰变程度、推断时间,常用半衰期测定地质年代、古生物年龄等.
特别提醒■
半衰期是大量原子核衰变的统计规律,只对大量原子核有意义,对少数原子核是没有意义的,对于一个特定的原子核,无法确定其何时发生衰变,但可以确定各个时刻发生衰变的概率,即某时刻衰变的可能性,因此,半衰期只适用于大量的原子核.
三.衰变和
衰变在磁场中的轨迹问题
发生衰变时粒子轨迹问题分析
1.处于静止状态的原子核发生衰变时,产生的新核和放出的粒子动量大小相等,而新核的电荷量一般远大于粒子的电荷量,又在同一匀强磁场中,由洛伦兹力提供向心力时,轨道半径R=
,此式的分子是相等的,分母中电荷量大的半径小,电荷量小的半径大。所以,一般情况下,半径小的是新核的轨迹,半径大的是粒子的轨迹。
2.静止的原子核发生衰变和衰变的规律以及它们在磁场中运动的轨迹特点：
3.解答此类问题应把握以下三点：
(1)原子核在释放或粒子的过程中系统的动量守恒、能量守恒、电荷数守恒、质量数守恒。
(2)由左手定则和轨迹的内切或外切判断磁场方向和释放粒子的电性;
(3)根据洛伦兹力、牛顿第二定律以及动量守恒定律可知粒子轨迹半径和粒子电荷量的关系。
第十九章
原子核
19.3探测射线的方法
1.探测射线的方法
探测射线的存在、带电情况、动量和能量问题,方法多样,主要是利用放射性粒子与其他物质作用时产生的现象来显现射线的存在，其主要现象有：
(1)粒子使气体或液体电离,以这些离子为核心,过饱和的蒸气会产生雾滴,过热液体会产生气泡.
(2)使照相乳胶感光.
(3)使荧光物质产生荧光.
2.探测放射性的三种装置
(1)威耳逊云室
①实验装置
如图所示,威耳逊云室的主要部分是一个圆筒状容器,下部是一个可以上下移动的活塞,上盖是透明的,可以通过它来拍摄和观察粒子运动的径迹。室内由光源通过旁边的窗子照明，少量放射性物质(放射源)放在室内侧壁附近(或放在室外,让射线从侧壁的窗口射入)
②实验过程
实验时,先往云室里加少量酒精,使室内充满酒精的饱和蒸气,然后迅速向下拉动活塞,室内气体膨胀,温度降低,酒精蒸气达到过饱和状态。这时如果有能量较高的粒子从室内气体中飞过,就会使沿途的气体分子电离产生离子,过饱和酒精蒸气便以这些离子为核心凝结成雾滴,于是显示出射线的径迹。这种云室是英国物理学家威耳逊在1912年发明的,故叫做威耳逊云室。
③放射线在云室中的径迹
(A).
粒子质量比较大,在气体中飞行时不易改变方向,且粒子电离本领大,故a粒子的径迹直而清晰
(B).高速
粒子的径迹又细又直,低速
粒子的径迹又短又粗而且是弯曲的
(C).粒子的电离本领很小,在云室中一般看不到它的径迹
要点解读
(1)云室里看到的只是成串小液滴,它描述的是射线粒子运动的径迹,不是射线本身.
(2)根据径迹的长短和粗细,可以知道粒子的性质.把云室放在磁场中,从带电粒子运动轨迹的弯曲方向,可以知道粒子所带电荷的正负;根据径迹的曲率半径的大小,还可以知道粒子的动量大小.
(2)气泡室：气泡室的原理和云室的原理类似,所不同的是气泡室内装的是液体,控制气泡室内液体的温度和压强,使室内温度略低于液体的沸点当气泡室内压强突然降低时,液体的沸点变低。因此液体过热,在通过室内射线粒子周围时就有气泡形成,图为粒子经过气泡室时的径迹照片,带电粒子径迹呈曲线是由于粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用.根据照片上记录的情况,可以分析出粒子的带电情况、动量、能量等。
气泡室的优点及不足：
（1）它的空间和时间分辨率高。
（2）工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。
（3）扫描和测量时间太长。
（4）体积有限，而且甚为昂贵。
(3)盖革一米勒计数器
盖革一米勒计数管的原理是某种射线粒子进入管内时,它使管内的气体电离,产生的电子在电场中加速,能量越来越大,电子跟管中的气体分子碰撞时,又使气体分子电离,产生电子…这样,一个粒子进入管中后可以产生大量电子,这些电子到达阳极,正离子到达阴极,在外电路中就产生一次脉冲放电,利用电子仪器可以把放电次数记录下来。
特别提醒：威耳逊云室和气泡室都是依据径迹探测射线的性质和种类，而盖革一米勒计数器只能计数,不能区分射线的种类。
第十九章
原子核
19.4放射性的应用与防护
一．人工转变核反应
1.核反应的定义：
原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。
2.核反应的条件：用
粒子、质子、中子,甚至用光子轰击原子核使原子核发生转变。
3.核反应的实质
用粒子轰击原子核并不是粒子与核碰撞将原子核打开,而是粒子打入原子核内部使核发生了转变。
4.人工转变核反应与衰变的区别
(1)衰变是原子自发变化,而人工转变核反应是原子核在其他粒子的轰击下的变化。
(2)人工转变核反应与衰变都遵循质量数守恒、电荷数守恒的规律。
5.典型的人工转变核反应方程
(1)英国物理学家卢瑟福在1919年做了用
粒子轰击氮核的实验,从氮核中打出了一种粒子,发现了质子,该人工转变核反应方程为
N+
He→
O+
H
(2)1932年英国物理学家查德威克用
粒子轰击铍原子核发现了中子,该人工转变核反应方程为
Be+
He→
C+
n
6.书写核反应方程的原则及方法
（1）在核反应中,质量数守恒、电荷数守恒,有些核反应还需考虑能量守恒及动量守恒.
（2）核反应方程中的箭头“→”表示核反应进行的方向,不能把箭头写成等号.
（3）写核反应方程必须有实验依据.
（4）在写核反应方程时,应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上,然后根据质量数守恒和电荷数守恒计算出未知核(或未知粒子)的质量数和电荷数,最后根据未知核(或未知粒子)的电荷数确定是哪种元素(或哪种粒子),并在核反应方程一般形式中的适当位置填上它们的符号.
（5）另外对于物理学史上著名的人工核反应方程式,还需要加识记,
如卢瑟福发现质子的核反应方程:
N+
He→
O+
H;
查德威克发现中子的核反应方程Be
+
He
→
+
n.
二、放射性同位素
1.人工放射性同位素
有些同位素具有放射性,叫做放射性同位素。放射性同位素有天然和人种造两种,它们的化学性质相同。用质子、中子、
粒子轰击原子核可以得到放射性同位素。
2.典型的人工放射性同位素核反应方程
约里奥-居里夫妇在1934年发现经过
粒子轰击的铝片中含有放射性磷,
核反应方程为:
He+
Al
→
P+
n
,
其中反应生成物P
就是磷的放射性同位素,它像天然放射性元素一样发生衰变,它衰变时放出正电子.
P发生衰变的核反应方程为:P
→
Si+
说明：这是人类第一次用人工方法获得放射性同位素,这是一个很重要的发现,天然的放射性同位素不过40多种,而今天人工制造的放射性同位素已达到1000多种,每种元素都有放射性同位素。
3.人工放射性同位素的优点
(1)放射强度容易控制；(2)形状容易控制；(3)半衰期短,废料容易处理。
三、放射性的应用与防护
1.放射性同位素的应用
(1)利用它放射出的射线
①利用
射线的贯穿本领.利用钴
60放出的很强的
射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹,这叫
γ
射线探伤；利用
射线可以检查30cm厚的钢铁部件；利用射线的贯穿本领,可用来检查各种产品的厚度、密封容器中的液面高度等,从而自动控制生产过程。
②利用
射线的电离作用.放射线能使空气电离,从而可以消除静电积累,防止静电
产生的危害。
③利用
射线对生物组织的物理、化学效应使种子发生变异培育优良品种。
④利用
射线的能量,轰击原子核实现原子核的人工转变。
⑤在医疗上,常用来控制病变组织的扩大。
(2)作为示踪原子
2.放射性的污染与防护
放射线在我们的生活中无处不在,在合理应用放射性的同时,又要警惕它的危害,进行必要的防护。过量的放射性会对环境造成污染;对人类和自然产生破坏作用。
(1)放射性污染
过量的放射性会对环境造成污染,对人类和自然界产生破坏作用
(2)放射性的主要危害与防护
危害
核爆炸
核爆炸的最初几秒钟放射出来的主要是强的射线和中子流,这些射线具有很强的穿透能力,对人体和其他生物有很强的杀伤作用。
核泄漏
核业生产和核科学研究中使用的放射性原材料,一旦泄漏就会造
成严重污染。
医疗照射
医疗中如果射线的剂量过大,也会导致病人受到伤害,甚至造成病人的死亡。
防护
密封防护
把放射源密封在特殊的包壳里,或用特殊方法覆盖,以防止射线泄漏。
距离防护
距放射源越远,人体吸收的剂量就越少,受到的危害就越轻。
时间防护
尽量减少受辐射时间
屏蔽防护
在放射源与人体之间加屏蔽物能起到防护作用,铅的屏蔽作用最好。
第十九章
原子核
19.5
核力与结合能
一、核力与四种基本相互作用
1.核力的概念：原子核里的核子间有一种相互作用,把核子紧紧地束缚在核内,形成稳定的原子核,这种相互作用叫核力。
注意：原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑斥力是不可能的。
2.核力的特点
(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现。在原子核的尺度内,核力比库仑力大得多,这样才能使核子结合成稳定的原子核。
(2)核力是短程力。作用范围在1.5×10-15m之内,在大于0.8×10-15m时,核力表现为吸引力,超过1.5×10-15m时,核力急剧下降几乎消失,小于0.8×10-15m时核力表现为斥力
,因此核子不会融合在一起。
(3)核力存在于核子之间。
每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。无论是质子间、中子间还是质子和中子间均存在核力。
(4)核力与核子是否带电无关。
质子与质子间、质子与中子间、中子与中子间都可以有核力作用;核力与重力、弹力、摩擦力一样属于性质力。
3.四种基本相互作用在不同尺度上发挥作用
(1)引力相互作用:引力主要在宏观和宏观尺度上“独领风骚”,是引力使行星绕着恒星转,并且联系着星系团,决定着宇宙的现状，万有引力是长程力。
(2)电磁相互作用:在原子核外,电磁力使电子不脱离原子核而形成原子,使原子结合成分子,使分子结合成液体和固体。
(3)强力:即强相互作用,在原子核内,强力将核子束缚在一起强力是短程力。
(4)弱相互作用:弱相互作用是引起原子核β衰变的原因,即引起中子一质子转变的原因。弱相互作用也是短程力,其力程比强力更短,为10-18m,作用强度比电磁力小。
二、原子核中质子与中子的比例
1.轻核与重核中的比例
(1)自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等；
(2)对于较重的原子核，中子数大于质子数;
(3)越重的原子核,中子数与质子数相差越多。
2.质子与中子比例不同的原因分析
(1)若质子与中子成对地放在一起,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,中子与其他核子之间没有库仑斥力,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,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,这时候即使再增加中子,形成的核也一定是不稳定的。因此在宇宙演化的过程中只有200多种稳定的原子核长久地留了下来。
三、结合能与比结合能
1.结合能
克服核力束缚,使原子核分解为单个核子时原子核吸收的能量叫做原子核的结合能。
注意：并不是由于核子结合成原子核而具有的能量,而是为把核子分开而需要的能量
2.比结合能
原子核的结合能与其核子数之比称为比结合能(也叫平均结合能)。它反映了原子核的稳定程度。
3.对结合能与比结合能的理解
(1)对结合能的理解
由于核子间存在着巨大的核力作用,所以原子核是一个坚固的集体.要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,需要巨大的能量，一个氘核被拆成一个中子和一个质子时,需要能量等于或大于2.2MeV的光子照射。
核反应方程为：
+
H
→
H
+
n.
相反的过程,当一个中子和一个质子结合成一个氘核时会释放出2.2MeV的能量,这个能量以
光子的形式辐射出去.核反应方程为:
H
+
n
→
+
H
说明:
由于核力的存在,核子结合成原子核时要放出一定的能量,原子核分解成核子时,要吸收同样多的能量.
(2)比结合能曲线
不同原子核的比结合能随质量数变化的图线:
从图中可以看出,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的比结合能要小。
(3)比结合能与原子核的稳定性
①比结合能的大小反映核的稳定程度。比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该核
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,中等核子数的原子核,比结合能较大,表示这些原子核较稳定。
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。
深度理解：结合能是原子核拆解成单个核子时吸收的能量,
而比结合能是原子核的结合能与其核子数之比。结合能和比结合能是两个不同的物理量,结合能大的原子核,比结合能不一定大,结合能小的原子核,比结合能不一定小,相对来说,比结合能更有意义,它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
四、质量亏损与质能方程
1.质量亏损
在核反应前后原子核的总质量并不相等,例如一个质子和一个中子结合成氘核的反应中,精确计算表明氘核的质量比一个中子和一个质子的质量之和要小一些,这种现象叫做质量亏损。质量亏损只有在核反应中才能明显表现出来。
2.质能方程
爱因斯坦的相对论指出,物体的能量和质量之间存在着密切的联系,其关系是：
这就是著名的爱因斯坦质能联系方程,简称质能方程。
方程的含义是:物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系。物体的能量增大质量也增大,能量减小质量也减小。
注意:
在应用E=mc2或△E=△mc2.时,使用国际单位制单位,分别取J、kg、m/s;在计算△E时,注意对应质量△m。
3.核能的计算：原子核释放能量时,要产生质量亏损,根据质能方程△E=△mc2
可以计算出产生的核能。
4.要点解读
(1)核物理中常以碳原子质量的
作为原子质量单位,用“u”表示,
1u=1.6606×10-27kg;常以电子伏特(eV)作为能量单位,1eV=1.6×10-19J,则1u对应的能量为E=mc2=931.5
MeV。若△m的单位用“u”,由△E=△m(u)×931.5MeV进行计算,△E的单位是“MeV”
(2)物体的质量包括静质量和动质量,质量亏损指的是静质量的减少,减少的静质量转化为和辐射能量有关的动质量。
(3)质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量,只是静质量的减少。
(4)质量只是物体具有能量多少或能量转变多少的一种量度。
(5)
衰变或衰变的同时伴随有
光子放出,说明有质量亏损,即有能量放出。
五、对结合能、质量亏损及质能方程的理解
1.结合能与电离能的比较
(1)结合能与电离能
无论质子和质子之间,中子和中子之间,还是质子和中子之间,都存在核力,它们结合成原子核,为把它们分开而需要的能量叫结合能。要使氢原子电离,也就是要从氢原子中把电子剥离,需要通过碰撞、赋予光子等途径让电子得到能量,这个能量实际上就是电子与氢原子核的结合能,不过通常把它叫做氢原子的电离能。
2.对质量亏损和质能方程的理解
爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系,并不表示质量和能量之间的转变关系。
(1)质量或能量是物质的属性之一,绝不能把物质和它们的某一属性(质量或能量)等同起来。
(2)质能方程揭示了质量和能量的不可分割性,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定律和能量守恒定律,质量和能量在数值上的联系绝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
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。
六、衰变过程中核能的计算
衰变前原子核可看作静止,动量为零,于是,根据动量守恒定律有：mr
vr
=m
v
粒子的速度比光速小得多,可以不考虑相对论效应,于是衰变后新原子核的反冲动能
Er=
=
。
所以E0=E
+Er
=(1+
)
=
=
(A是衰变前核的质量数）
E0=E
+Er
=(1+
)
=
=
(A是衰变前的核的质量数）
式中,已用核的质量数之比代替核质量之比,这样做所带来的误差是很微小的,所以,要得到
衰变的衰变能E0,需要知道
粒子的动能
。
第十九章
原子核
19.6
核裂变
一、核裂变
1.重核裂变
(1)定义:使重核分裂成中等质量的原子核的核反应叫重核的裂变。
(2)重核裂变只发生在人为控制的核反应中,自然界不会自发地产生,而是发生衰变。
(3)一种典型的铀核裂变:
U+
n→
Ba+
Kr+
3n
2.链式反应
(1)重核裂变产生的中子使裂变反应代接一代继续下去的过程叫链式反应。
(2)临界体积:能发生链式反应的最小体积叫临界体积,相应的质量叫临界质量。
(3)原子弹就是利用铀核的链式反应制造的一种核武器。
(4)发生链式反应的条件:
①要有足够浓度的铀235;②要有足够数量的慢中子;③铀块的体积要大于临界体积。
3.核裂变的特点
(1)裂变释放的能量很大
重核每个核子的平均结合能为△E1=7.7MeV,
中等核每个核子的平均结合能为△E2=8.6MeV.
如果一个重核U分裂成两个中等核,将释放能量：△E=(△E2-△E1)=21l.5MeV.
(2)裂变产物具有多样性
同一原子核,可以裂变为不同种类和不同质量的裂块.如铀核,有时裂变为氙(Xe)和锶(Sr),有时裂变为钡(Ba)和氪(Kr)或锑(Sb)和铌(Nb)等。
(3)裂变产物具有放射性
裂变产生的新核都具有放射性,经过一系列
β
衰变或直接发射中子后才能成为稳定的原子核.所以,裂变是人工获取放射性同位素的重要方法。
(4)裂变能产生多个中子。
二、核电站
1.核电站
利用核能发电,它的核心设施是核反应堆,主要由核燃料、慢化剂、控制棒、热循环介质、保护层等构成,如下表所示：
核燃料
慢化剂
控制棒
热循环介质
保护层
采用的材料
浓缩铀
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
释放核能
降低中子速度,便于铀235吸收
采用在反应堆中插入镉棒的方法,利用镉吸收中子的特性,就可以容易地控制链式反应的速度。
把反应堆内的热量传输出去
屏蔽射线，防止放射性污染。
2.工作原理
核燃料裂变释放能量,使反应区温度升高.
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,把反应堆内的热量传输出去,用于发电.
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水泥层,用来屏蔽裂变反应放出的各种射线,核废料具有很强的放射性,需要装入特制的容器,深埋地下.
19.7
核聚变
一、核聚变
1.核聚变
两个轻核结合成质量较大的核,这样的核反应叫做核聚变。
2.典型核聚变方程
H+
H→
He+
n+17.60MeV
3.核聚变发生的条件
(1)轻核的距离要达到10-15m以内.
(2)聚变可以通过高温来实现,因此又叫热核反应。
二、受控热核反应
1.聚变裂反应和变反应相比的优点
(1)聚变反应产能效率高,即相同质量的核燃料,聚变反应比裂变反应放出的核能大得多。(2)聚变反应所用的燃料—氘,在地球上的储量非常丰富。
(3)聚变反应产生的放射性废料较少,处理起来比较简单,而裂变时产生的放射性物质
较多,处理起来比较困难。
2.实现核聚变的难点
地球上没有任何容器能够经受发生核聚变的温度,为解决这个难题,科学家设想了
两种方案,即磁约束和惯性约束。
3.热核反应的两种方式
爆炸式热核反应;受控式热核反应(目前正处于探索、实验阶段)。
4.磁约束：
带电粒子运动时在均匀磁场中会在洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质。
惯性约束：
由于聚变反应的时间非常短，聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应。在惯性约束下，可以用激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们“挤”在一起发生反应。
三、裂变和聚变产生的能量
轻核聚变是较轻的原子核聚合成质量较大的次轻核的核反应;重核裂变是质量较大的原子核分裂成中等质量的核的核反应.轻核聚变和重核裂变时都有质量亏损而释放能量,而且聚变反应比裂变反应放出的能量更多。
1.聚变和裂变产生能量的原因
(1)可以从核子的比结合能上看,如图所示：
由图可知,铁的比结合能最大,也就是核子结合成铁或铁附近的原子核时,每个核子平均放出的能量大。因此可知两个比铁轻的原子核结合时,或比铁重的重核分裂时,都要放出能量.由此可见聚变和裂变都将释放能量。
(2)也可以根据核子的平均质量图分析,如图所示,由图中可以看出,铁原子核子的平均质量最小。如果原子序数较大的A裂变成B和C,或者原子序数较小的D和E结合成F核,都会有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,都要放出能量.
2.聚变比裂变反应放出更多能量的原因
(1)平均每个核子放出的能量较多,是裂变反应的3~4倍。
(2)同样质量的情况下,轻核的核子个数多,如氚和氘聚变为1kg氦时放出的能量：
2.65×1023eV.△E1=×6.02×1023×17.6MeV≈2.65×1033eV.
假如一个铀核裂变时平均放出的能量为200MeV,则1kg铀核全部裂变时放出的能量为
△E2=
×6.02×1023
×
200
MeV
≈
5×1032eV，
≈
5.3.
原子弹是裂变的结果,氢弹是利用轻核聚变制成。因而氢弹比原子弹威力更大。
人们渴望和平,所以要严禁核武器的生产和扩散。
19.8
粒子和宇宙
一、粒子及其分类
1.“基本粒子”不基本
在20世纪初,人们认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基
本的粒子,20世纪后半期,科学家发现质子、中子也有着自己的复杂结构,于是基本粒
子不再“基本”。
2.发现新粒子
(1)新粒子:1932年发现了正电子,1937年发现了μ子,1947年发现了
K
介子和
π
介子;后来又发现了质量比质子大的粒子,叫做超子。
(2)反粒子:实验发现,许多粒子的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同而电荷及其他一些性质相反,这些粒子叫反粒子。由反粒子构成的物质叫反物质。
说明：反粒子最显著的特点是当它们与相应的正粒子相遇时,会发生“湮灭”,即同时消失而转化成其他的粒子。
3.粒子分类
(1)按照粒子与各种相互作用的不同关系,可以将粒子分为三大类:
强子、轻子和媒介子。
4.夸克
(1)定义:实验表明,强子是有内部结构的.1964年提出的夸克模型,认为强子由更基本的成分组成,这种成分叫做夸克。
(2)分类:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克共有六种,它带的电荷量分别为元电荷的+
或
-
。每种夸克都有对应的反夸克。
(3)意义:夸克理论的最大突破是电子电荷不再是电荷的最小单元,即存在分数电荷。
(4)夸克禁闭:夸克不能以自由的状态单个出现,这种性质称为夸克的禁闭。
二、宇宙及恒星的演化
1.宇宙的演化
(1)宇宙起源于一次大爆炸,这种理论被称为宇宙大爆炸理论；
(2)宇宙的演化经历了：①强子时代;②轻子时代;③核合成时代;
④10万年之后,随着温度降低逐步形成了恒星和星系。
2.恒星的演化
(1)恒星的诞生
大爆炸10万年后,温度下降到3000K左右,开始了恒星的形成过程:
宇宙尘埃
更密集的尘埃
气体状态的星云团
恒星
(2)恒星的稳定期
当温度超过107K时,氢通过热核反应成为氦,释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射.辐射产生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡,这时星体稳定下来.太阳目前正处于这一阶段的中期,要再过50亿年才会转到另一个演化阶段。
(3)恒星的衰老
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后,核反应变弱,辐射压力下降。星体在引力作用下再次收缩，这时引力势能产生的热将使温度升得更高,于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。
当各种热核反应都不再发生时,由热核反应维持的辐射压力也消失了。星体在引力作用下进一步收缩,中心密度达到极大。
(4)恒星的归宿
恒星的最终归宿与恒星的质量大小有关.当恒星的质量小与1.4倍太阳质量时,演变为白矮星;当恒星的质量是太阳质量的1.4~2倍时,演变为中子星;当恒星的质量更大时,演变为黑洞。
拓展延伸■
■对黑洞的理解
爱因斯坦在相对论中指出,任何物体的速度都不可能超过光速,由此可以推断,对某种天体而言,任何物体都不能摆脱它的吸引而逃脱出来,这种天体就是我们常听说的黑洞。
E=mc2或△E=△mc2.
28

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