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第1节原子核的组成
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解什么是放射性和天然放射现象。 2.知道三种射线的本质,以及如何利用磁场区分它们。 3.了解原子核的组成,知道核子和同位素的概念。 4.知道质量数.电荷数和核子数之间的关系。 1.物理观念:知道天然放射现象及三种射线的本质,了解核子.同位素的基本观念，知道原子核的组成。 ⒉科学思维:掌握三种射线的本质,能够利用磁场、电场区分它们,理解原子核的构成,并能分析、解决相关问题,提高解题能力。 3.科学探究:通过利用磁场探究三种射线的本质,学习用α粒子轰击原子核发现核子,体验科学探究的过程,提高观察与实验能力。 4.科学态度与责任:体会科学家们探索射线的艰辛,学习实事求是、不畏艰难的科学精神,增强探究科学的意识。
自主学习·必备知识
见学用167页
教材研习
教材原句
要点一天然放射现象
如果一种元素具有放射性①，那么，无论它是以单质存在的，还是以化合物形式存在的，都具有放射性。放射性的强度也不受温度、外界压强的影响。由于元素的化学性质决定于原子核外的电子，这就说明射线与这些电子无关，也就是说，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
要点二原子核的组成
质子和中子除了是否带电的差异以及质量上的微小差别外，其余性质十分相似，而且，都是原子核的组成成分，所以统称为核子。原子核的电荷数②就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数，而原子核的质量数②就是核内的核子数。
自主思考
①贝克勒尔因发现了物质的放射性而获得1903年诺贝尔物理学奖。放射性的发现具有什么重大意义
答案：提示它表明原子核具有复杂的结构,打开了人们认识原子核内部世界的大门,也就是说,人们认识原子核的结构是从天然放射现象开始的,它揭开了原子核物理的新篇章。
②有同学认为“原子核的电荷数就是电荷量，原子核的质量数就是原子核的质量”，这种说法对吗？为什么？
答案：提示这种说法不对，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，叫作原子核的电荷数；原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍，这个倍数叫作质量数。
名师点睛
1.对天然放射现象的认识
（1）1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。
（2）物质发出射线的性质称为放射性，具有放射性的元素称为放射性元素，放射性元素自发地发出射线的现象叫作天然放射现象。
（3）原子序数大于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于或等于83的元素，有的也能发出射线。
（4）元素的放射性与元素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。
2.对核子数、电荷数、质量数的理解
（1）核子数：质子和中子质量差别非常微小，二者统称为核子，质子数和中子数之和叫核子数。
（2）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，叫作原子核的电荷数。
（3）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，这个整数叫作原子核的质量数。
（4）基本关系：电荷数质子数=元素的原子序数＝核外电子数，质量数核子数=质子数+中子数。
互动探究·关键能力
见学用167页
探究点一天然放射现象和三种射线
情境探究
1.如图为三种射线在磁场中的运动轨迹示意图。
（1）α射线向左偏转，β射线向右偏转，γ射线不偏转，说明了什么？
（2）α粒子的速度约为β粒子的速度的十分之一，但α射线的偏转半径大于β射线的偏转半径说明了什么？
答案：（1）提示说明α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。
（2）α粒子的速度小于β粒子的速度，根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式可知，α粒子的比荷比β粒子的比荷小。
探究归纳
1.三种射线的性质、特征比较
种类 α射线 β 射线 γ射线
组成 高速氦核流 高速电子流 光子流（高频电磁波）
带电荷量
质量 静止质量为零
速度
在电磁场中 偏转 与α射线偏转反向 不偏转
贯穿本领 最弱用纸能挡住 较强穿透几毫米厚的铝板 最强穿透几厘米厚的铅板
对空气的电离作用 很强 较弱 很弱
在空气中的径迹 粗、短、直 细、较长、曲折 最长
通过胶片 感光 感光 感光
2.三种射线在电场中和磁场中的偏转
（1）在匀强电场中：射线不发生偏转，做匀速直线运动，粒子和粒子沿相反方向做类平抛运动，在同样的条件下，粒子的偏移大，如图所示。
粒子沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，位移可表示为，所以，在相同的条件下粒子与粒子偏移之比为。
（2）在匀强磁场中：射线不发生偏转，仍做匀速直线运动，α粒子和β粒子沿相反方向做匀速圆周运动，且在同样条件下，β粒子的轨道半径小，α粒子轨道半径大，如图所示。
根据得，所以，在同样条件下β与α粒子的轨道半径之比为。
3.元素的放射性
（1）一种元素的放射性与该元素是单质还是化合物无关，放射性的强度也不受温度、外界压强的影响，这就说明射线跟原子核外电子无关，仅与原子核有关。
（2）射线来自原子核，说明原子核内部是有结构的。
探究应用
例如图所示，是一种放射性物质，虚线框内是匀强磁场，是厚纸板，是荧光屏，实验时，发现在荧光屏的、两点处有亮斑，由此可知磁场的方向、到达点的射线种类、到达点的射线种类应属于表中的( )
选项 磁场方向 到达点的射线 到达点的射线
竖直向上
竖直向下
垂直纸面向里
垂直纸面向外
A. B. C. D.
答案：
解析：放射出来的射线共有、、三种，其中、射线垂直于磁场方向进入磁场区域时将受到洛伦兹力作用而偏转，γ射线不偏转，故打在点的应为γ射线；由于α射线贯穿本领弱，不能射穿厚纸板，故到达点的应是β射线；依据β射线的偏转方向及左手定则可知磁场方向垂直纸面向里，项正确。
解题感悟
三种射线的比较方法
（1）知道三种射线带电的性质，射线带正电、射线带负电、射线不带电。、射线是实物粒子流，而射线是光子流，属于电磁波的一种。
（2）在电场或磁场中，通过其受力来判断和射线偏转方向，由于射线不带电，故运动轨迹仍为直线。
（3）射线穿透能力较弱，射线穿透能力较强，射线穿透能力最强。
迁移应用
1.（多选）用如图的装置可以判定放射源发出射线的带电性质。两块平行金属板、垂直纸面竖直放置，从放射源上方小孔发出的射线竖直向上射向两极板间。当在两板间加上垂直纸面方向的匀强磁场时，射线的偏转方向如图所示。如撤去磁场，将、两板分别与直流电源的两极连接，射线的偏转也如图。则( )
A.若磁场方向垂直纸面向里，则到达板的为带正电的粒子
B.若磁场方向垂直纸面向外，则到达板的为带正电的粒子
C.若接电源负极，则到达板的为带正电的粒子
D.若接电源正极，则到达板的为带正电的粒子
答案： ;
解析：若磁场方向垂直纸面向里，带正电的粒子在磁场中受到向左的洛伦兹力作用，向板偏转，项正确；若磁场方向垂直纸面向外，根据左手定则可知，带负电的粒子受到向左的洛伦兹力作用，向板偏转，项错误；若接电源负极，电场的方向向左，则到达板的为带正电的粒子，项正确；若接电源正极，电场的方向向右，则到达板的为带负电的粒子，项错误。
2.在天然放射性物质附近放置一带电体，带电体所带的电荷很快消失的根本原因是( )
A.射线的贯穿作用
B.射线的电离作用
C.射线的贯穿作用
D.射线的中和作用
答案：
解析：因射线的电离作用使空气电离，从而使带电体所带的电荷很快消失。
探究点二原子核的组成
情境探究
1. 1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮原子核发现了质子，如图所示为α粒子轰击氮原子核示意图
（1）人们用α粒子轰击多种原子核，都打出了质子，说明了什么问题？
（2）绝大多数原子核的质量数都大于其质子数，说明了什么问题？
答案：（1）提示说明质子是原子核的组成部分。
（2）说明原子核中除了质子外还有其他粒子。
探究归纳
1.质子的发现
2.中子的发现
3.原子核（符号）
4.同位素的理解
原子核内的质子数决定了核外电子的数目，进而也决定了元素的化学性质。同种元素的原子，质子数相同，核外电子数也相同，所以有相同的化学性质，但它们的中子数可能不同，所以它们的物理性质不同。
探究应用
例（2021吉林油田第十一中学高三月考）已知镭的原子序数是88，原子核质量数是226。试问：
（1）镭原子核中质子数和中子数分别是多少？
（2）镭原子核的核电荷数和所带电荷量是多少？
（3）若镭原子呈电中性，它核外有多少电子？
答案：（1） ; （2） ; （3）
解析：（1）因为原子序数与核内质子数、核电荷数都是相等的，原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。
镭原子核中的质子数等于其原子序数，故质子数为88，中子数等于原子核的质量数与质子数之差，即。
（2）镭原子核的核电荷数为88，镭原子核所带电荷量。
（3）镭原子呈电中性，则核外电子数等于质子数，故核外电子数为88。
解题感悟
原子核的“数”与“量”辨析
（1）核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。
（2）原子核的质量数与质量是不同的，原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于质子和中子的质量的总和。
迁移应用
1.在α粒子轰击金箔的散射实验中，α粒子可以表示为，中的4和2分别表示( )
A.4为核子数，2为中子数
B.4为质子数和中子数之和，2为质子数
C.4为核外电子数，2为中子数
D.4为中子数，2为质子数
答案：
解析：原子核的电荷数就是核内的质子数，原子核的质量数就是核内质子数和中子数之和，即核内的核子数。符号的左下角表示的是质子数或核外电子数，符号左上角表示的是核子数。
2.（多选）下列说法正确的是( )
A.与互为同位素
B.与互为同位素
C.与中子数相同
D.内有92个质子，235个中子
答案： ;
解析：与的质子数不同，不能互为同位素，项错误；与质子数都为，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素，项正确；内中子数为，内中子数为，所以中子数相同，项正确；核内有143个中子，项错误。
8第2节放射性元素的衰变
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解衰变的概念，知道衰变时质量数和电荷数都守恒。知道衰变和衰变的规律及实质，并能熟练书写衰变方程。 2.知道半衰期及其统计意义，学会利用半衰期解决相关问题。 3.知道核反应及其遵从的规律，会正确书写核反应方程。 4.了解放射性同位素及其应用，知道射线的危害和防护。 5.了解放射性同位素带来的辐射与安全问题。 1.物理观念：知道衰变、半衰期及原子核衰变的规律，了解核反应及放射性同位素应用的基本观念和相关实验证据。 2.科学思维：理解原子核的衰变规律及半衰期的计算方法，掌握核反应方程的写法与放射性同位素的应用，培养分析、推理能力。 3.科学探究：通过学习科学家对放射性元素衰变的探究，学会观察和思考，提高科学探究的能力。 4.科学态度与责任：坚持实事求是的科学态度，体验科学家探索科学规律的艰辛，激发学习兴趣。
自主学习·必备知识
教材研习
教材原句
要点一原子核的衰变
原子核自发地放出粒子或粒子，由于核电荷数变了，它在元素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①。原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
要点二半衰期
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期②。放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。
自主思考
①（1）原子核发生衰变时放出的粒子是电子，可知原子核内一定存在着电子，这种说法对吗？为什么？
（2）放射性元素能不能一次衰变同时产生射线和射线？射线又是怎样产生的？
答案：（1）提示不对。原子核内并不含电子，但在一定条件下，一个中子可以转化成一个质子和一个电子，粒子（电子）是由原子核内的中子转化而来。
（2）提示一次衰变只能是衰变或衰变，不能同时发生衰变和衰变。放射性元素的原子核在发生衰变、衰变时产生的新核处于高能级，这时它要向低能级跃迁，并放出光子。
②某放射性元素的半衰期为4天，若有10个这样的原子核，经过4天后还剩5个，这种说法对吗？
答案：提示半衰期是放射性元素的大量原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，10个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对。
名师点睛
1.两种衰变
（1）衰变：原子核放出粒子的衰变。放出一个粒子，质量数减少4，电荷数减少2，的衰变方程：。
（2）衰变：原子核放出粒子的衰变。放出一个电子后，质量数不变，电荷数增加1，的衰变方程：。
2.半衰期的理解
（1）不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。
（2）放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件无关。
（3）半衰期描述的是统计规律，不适用于少数原子核的衰变。
互动探究·关键能力
探究点一原子核的衰变
情境探究
如图为衰变、衰变示意图
（1）当原子核发生衰变时，原子核的质子数和中子数如何变化？
（2）当发生衰变时，新核的核电荷数相对原来的原子核变化了多少？新核在元素周期表中的位置怎样变化？
答案：（1）提示发生一次衰变，质子数减少2，中子数减少2。
（2）提示发生一次衰变，核电荷数增加1。新核在元素周期表中的位置向后移动一位。
探究归纳
1.衰变实质
（1）衰变：原子核内两个质子和两个中子结合成一个粒子，并在一定条件下作为一个整体从较大的原子核中抛射出来，反应方程为。
（2）衰变：原子核内的一个中子变成一个质子留在原子核内，同时放出一个电子，即粒子放射出来，反应方程为。
2.衰变规律
原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数、质量数、动量、能量守恒。
3.衰变方程通式
（1）衰变：。
（2）衰变：。
4.确定原子核衰变次数的方法与技巧
（1）方法：设放射性元素经过次衰变和次衰变后，变成稳定的新元素，则衰变方程为：。根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程，，，联立解得，。由此可见，确定衰变次数可归结为解一个二元一次方程组。
（2）技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定衰变的次数（这是因为衰变的次数多少对质量数没有影响），然后根据衰变规律确定衰变的次数。
探究应用
例（2021四川泸县一中月考）一个核衰变为一个核的过程中，发生了次衰变和次衰变，则、的值分别为( )
A.8、6 B.6、8 C.4、8 D.8、4
答案：
解析：在衰变的过程中，每发生一次衰变电荷数少2，质量数少4，在β衰变的过程中，每发生一次β衰变，电荷数多1，有，解得，，故项正确。
解题感悟
衰变次数的判断技巧
（1）衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。
（2）每发生一次衰变质子数、中子数均减少2。
（3）每发生一次衰变中子数减少1，质子数增加1。
迁移应用
1.（2021陕西西安一中高三调研）（铀核）衰变产生新核（钍核），钍核具有放射性，钍核衰变后产生新核（镤核），从衰变为，共经历了
A.2次衰变
B.2次衰变
C.1次衰变，1次衰变
D.2次衰变，1次衰变
答案：
解析：原子核每发生一次衰变质子数减少2，质量数减少4；原子核每发生一次衰变，质子数加1，质量数不变。由衰变为，质量数减少4，可知发生了一次衰变，质子数减少了2，实际发生的衰变是质子数减少了1，因此又发生1次衰变。
探究点二半衰期的理解及有关计算
情境探究
如图为氡衰变剩余质量与原有质量比值示意图。纵坐标表示的是任意时刻氡的质量与时的质量的比值。
（1）每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的多少？
（2）从图中可以看出，经过两个半衰期未衰变的原子核还有多少？
（3）对于某个或选定的几个氡原子核能根据它的半衰期预测它的衰变时间吗？
答案：（1）提示由示意图可看出，每经过一个半衰期，氡原子核的质量变为原来的。
（2）提示经过两个半衰期未衰变的原子核还有。
（3）提示半衰期是某种放射性元素的大量原子核有半数发生衰变所用的时间的统计规律，故无法预测单个原子核或几个特定原子核的衰变时间。
探究归纳
1.半衰期的物理意义：
表示放射性元素衰变的快慢。
2.半衰期公式：
，，式中、表示衰变前的原子数和质量，、表示衰变后的尚未发生衰变的原子数和质量，表示衰变时间，表示半衰期。
3.适用条件：
半衰期是一个统计概念，是对大量的原子核衰变规律的总结，对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，半衰期只适用于大量的原子核。
4.应用：
利用半衰期非常稳定的特点，可以测算其衰变过程，推算时间等。
探究应用
例（2021北京西城第四十三中学高三期中）地球的年龄到底有多大，科学家利用天然放射性元素的衰变规律，通过对目前发现最古老的岩石中铀和铅含量来推算。测得该岩石中现含有的铀是岩石形成初期时（岩石形成初期时不含铅）的一半，铀238衰变后形成铅206，铀238的相对含量随时间变化规律如图所示，图中为铀238的原子数，为铀和铅的总原子数。由此可以判断出( )
A.铀238的半衰期为90亿年
B.地球的年龄大致为90亿年
C.被测定的岩石样品在90亿年时，铀、铅原子数之比约为
D.根据铀半衰期可知，20个铀原子核经过一个半衰期后就剩下10个铀原子核
答案：
解析：由于测定出该岩石中含有的铀是岩石形成初期时的一半，由图像可知对应的时间是45亿年，即地球年龄大约为45亿年，铀238的半衰期为45亿年，故、两项错误；由图像知，90亿年对应的，设铅原子的数目为，则，所以，即90亿年时的铀、铅原子数之比为，故正确；铀的半衰期是大量铀核衰变的统计规律，对少量的原子核不成立，故错误。
解题感悟
半衰期理解的两个误区
（1）错误地认为半衰期就是一个放射性元素的原子核衰变到稳定核所经历的时间，其实半衰期是大量的原子核发生衰变时的统计规律。
（2）错误地认为放射性元素的半衰期就是元素质量减少为原来一半所需要的时间，该观点混淆了尚未发生衰变的放射性元素的质量与衰变后元素的质量的差别，其实衰变后的质量包括衰变后新元素的质量和尚未发生衰变的元素质量两部分。
迁移应用
1.新发现的一种放射性元素，它的氧化物的半衰期为8天，与发生化学反应之后，的半衰期为( )
A.2天 B.4天 C.8天 D.16天
答案：
解析：放射性元素的衰变快慢由原子核内部的自身因素决定，与原子的化学状态无关。
2.（2021陕西安康高三联考）已知的半衰期为，则的经过时间后还剩的，则为( )
A. B.
C. D.
答案：
解析：根据，代入数据得，解得。
探究点三核反应及核反应方程
情境探究
如图所示为粒子轰击氮原子核示意图。
（1）充入氮气前荧光屏上看不到闪光，而充入氮气后荧光屏上看到了闪光，说明了什么问题？
（2）原子核的人工转变与原子核的衰变有什么相同规律？
（3）如何实现原子核的人工转变？
答案：（1）提示充入氮气后，产生了新粒子。
（2）提示质量数与电荷数都守恒，动量守恒。
（3）提示人为地用粒子、质子、中子或光子去轰击一些原子核，可以实现原子核的转变。
探究归纳
核反应的理解
内容 说明
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
核反应的规律 质量数守恒，电荷数守恒
原子核人工转变的三大发现 1919年卢瑟福发现质子，核反应方程为
1932年查德威克发现中子，核反应方程为
1934年约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，核反应方程为；
人工转变与衰变的比较 相同点 人工转变与衰变过程一样，在发生过程中质量数与电荷数都守恒
不同点 人工转变是其他粒子与原子核相碰撞的结果，需要一定的装置和条件才能发生；而衰变是原子核的自发变化，它不受物理、化学条件的影响
探究应用
例（2021江西玉山樟村中学高三月考）卢瑟福用粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程中，元素和数值、、的组合正确的是( )
A. 、7、17、1 B. 、8、17、1
C. 、6、16、1 D. 、7、17、2
答案：
解析：氮原子核，则；发现质子，说明，由质量数与电荷数守恒得，，则是氧，则卢瑟福用粒子轰击氮原子核发现质子的核反应方程是。
解题感悟
写核反应方程时应注意的三点
（1）核反应过程一般都是不可逆的，核反应方程不能用等号连接，只能用单向箭头表示反应方向。
（2）核反应方程应以实验事实为基础，不能凭空杜撰。
（3）核反应方程遵守质量数守恒而不是质量守恒，核反应过程中，一般会发生质量的变化。
迁移应用
1.中国科学院上海原子核研究所制得了一种新的铂元素的同位素。制取过程如下：
（1）用质子轰击铍靶产生快中子；
（2）用快中子轰击汞，反应过程可能有两种：
①生成，放出氦原子核；
②生成，放出质子、中子；
（3）生成的发生两次衰变，变成稳定的原子核汞。
写出上述核反应方程式。
（5）号元素为，79号元素为，80号元素为）
答案：根据质量数守恒和电荷数守恒，算出新核的电荷数和质量数，然后写出核反应方程
（1）
（2）①
②
（3）
探究点四放射性同位素的应用
情境探究
如图所示，是利用放射线自动控制铝板厚度的装置，假如放射源能放射出、、三种射线。
（1）根据设计，该生产线压制的是厚的铝板，那么是三种射线中的哪种射线对控制厚度起主要作用？
（2）当探测接收器单位时间内接收的放射性粒子的个数超过标准值时，将如何调整两个轧辊间的距离？
答案：（1）提示射线不能穿过厚的铝板，射线又很容易穿过厚的铝板，基本不受铝板厚度的影响，而射线刚好能穿透几毫米厚的铝板，因此厚度的微小变化会使穿过铝板的射线的强度发生较明显变化，所以是射线对控制厚度起主要作用。
（2）提示若超过标准值，说明铝板太薄了，应将两个轧辊间的距离调节得大些。
探究归纳
1.放射性同位素的分类
（1）天然放射性同位素。
（2）人工放射性同位素。
2.放射性同位素的主要应用
（1）利用它的射线：
①射线测厚仪：利用射线的穿透特性。
②放射治疗：利用射线的高能量治疗癌症。
③培优、保鲜：利用射线使种子的遗传基因发生变异，培育新的品种；照射食品杀死使食物腐败的细菌，抑制蔬菜发芽，延长保存期。
（2）作为示踪原子：把放射性同位素原子通过物理或化学反应的方式掺到其他物质中，然后用探测仪进行追踪，确定其位置。
3.辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。
探究应用
例（多选）关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是( )
A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电，因此达到了消除有害静电的目的
B.利用射线的贯穿性可以为金属探伤
C.用放射线照射农作物种子能使其发生变异，其结果一定是成为更优秀的品种
D.用射线治疗肿瘤时一定要严格控制剂量，以免对人体正常组织造成太大的伤害
答案： ;
解析：利用放射线消除有害静电是利用射线的电离性，使空气分子电离，将静电泄出，项错误；利用射线的穿透性可以为金属探伤，射线对人体细胞伤害太大，在用于治疗肿瘤时要严格控制剂量，、两项正确；变异并不一定都是有益的项错误。
解题感悟
放射性同位素的应用技巧
（1）用射线来测量厚度，一般不选取射线是因为其穿透能力太差，更多的是选取射线，也有部分选取射线。
（2）给病人治疗癌症、培育优良品种、延长食物保质期一般选取射线。
（3）使用放射线时安全是第一位的。
迁移应用
1.（多选）下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子( )
A.射线探伤仪
B.利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况
C.利用钴60治疗肿瘤等疾病
D.把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律
答案： ;
解析：探伤仪是利用了射线的穿透性，利用钴60治疗肿瘤是利用了射线的生物作用。
10第3节核力与结合能
课标解读 课标要求 素养要求
1.知道四种基本相互作用，了解核力的性质。 2.认识原子核的结合能和比结合能。 3.知道什么是质量亏损，能应用爱因斯坦质能方程进行计算。 1.物理观念：知道四种基本相互作用与核力的特点，了解结合能、比结合能和质量亏损的基本观念和相关实验。 2.科学思维：理解核力是短程力，掌握比结合能和质量亏损，能用质能方程进行计算，提高分析、解决问题的能力。 3.科学探究：通过教材上的科学推理，掌握其实质，培养科学推理的能力。 4.科学态度与责任：学习科学家们严谨的科学态度，培养探索科学的兴趣和责任。
自主学习·必备知识
教材研习
教材原句
要点一结合能
原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能①。这个能量也是核子结合成原子核而释放的能量。原子核的结合能与核子数之比，叫作比结合能，也叫作平均结合能。
要点二质量亏损
原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作质量亏损②。质量亏损表明，的确存在着原子核的结合能。
自主思考
①（1）原子核的结合能就是核子结合成原子核时需要的能量，这种说法对吗？
（2）结合能越大的原子核越稳定吗？
答案：提示（1）不对，原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开需要能量，叫结合能。
（2）对于核子较多的原子核，其结合能大，但它的比结合能不一定大，比结合能越大，原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。所以，比结合能的大小反映了原子核的稳定性。
②用粒子轰击铍核发现中子的核反应方程为，对于该反应，某同学说：核反应过程中核子数没变，所以质量是守恒的，该同学说法对吗，为什么？
答案：提示该同学的说法错误，核反应过程中质量数守恒而不是质量守恒。
名师点睛
1.结合能的理解
（1）组成原子核的核子越多，结合能越高。
（2）结合能与核子数之比称作比结合能，比结合能越大，原子核越稳定。
（3）结合能通常只用在原子核中。
2.质量亏损的理解
（1）质量亏损并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了。反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给。
（2）质量亏损只有在核反应中才能明显地表现出来。
（3）是核反应前与核反应后的质量之差。
互动探究·关键能力
探究点一核力
知识深化
1.四种基本相互作用的理解
（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：电磁力在原子核外，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，是长程力。
（3）强相互作用：在原子核内，将核子束缚在一起，是短程力。
（4）弱相互作用：弱相互作用是引起原子核衰变的原因，即引起中子—质子转变的原因。弱相互作用也是短程力，其力程比强相互作用更短，为，作用强度则比电磁力小。
2.核力的理解
（1）核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）的一种表现。
（2）核力是短程力，约在数量级时起作用，距离大于时为引力，距离小于时为斥力，距离为时核力几乎消失。
（3）核力具有饱和性。核子只跟相邻的核子产生较强的引力，而不是与核内所有核子发生作用。
（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。
题组过关
1.（多选）对核力的认识，下列说法正确的是( )
A.任何核子之间均存在核力
B.每个核子只跟邻近的核子发生核力作用
C.核力只存在于质子之间
D.核力只发生在相距为的核子之间，大于为吸引力，而小于为斥力
答案： ;
解析：由核力的特点知道，核力的作用范围只有约，每个核子只跟邻近的核子发生，核力作用。
探究点二结合能
情境探究
如图所示是不同原子核的比结合能随质量数变化的大致曲线。
（1）从图中看出，中等质量的原子核与重核、轻核相比，比结合能有什么特点？比结合能的大小反映了什么？
（2）比结合能较小的原子核转化为比结合能较大的原子核时是吸收能量还是释放能量？
答案：提示（1）中等质量的原子核比结合能较大，比结合能的大小反映了原子核的稳定性比结合能越大，原子核越稳定。
（2）释放能量。
探究归纳
1.结合能和比结合能的理解
（1）结合能不是核子结合成原子核需要的能量，而是将原子核的核子拆开时需要的能量。
（2）比结合能比结合能更有意义，它反映了原子核结合的稳定程度或分裂的难易程度。
2.比结合能与原子核稳定的关系
（1）比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该原子核就越稳定。
（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，表示原子核不太稳定；中等核子数的原子核，比结合能较大，表示原子核较稳定。
（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，就能释放核能。例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能。
探究应用
例 (多选)下列关于结合能和比结合能的说法中，正确的有( )
A.核子结合成原子核时放出能量
B.原子核拆解成核子时要吸收能量
C.比结合能越大的原子核越稳定，因此它的结合能也一定越大
D.重核与中等质量原子核相比较，重核的结合能和比结合能都大
答案： ;
解析：核子结合成原子核要放出能量，原子核拆解成核子要吸收能量，、两项正确；比结合能越大的原子核越稳定，但比结合能越大的原子核，其结合能不一定大，例如中等质量原子核的比结合能比重核的大，但由于核子数比重核的少，其结合能比重核的小，、两项错误。
迁移应用
1.关于原子核的结合能，下列说法正确的是( )
A.原子核的比结合能等于将其完全分解成自由核子所需能量的最小值
B.原子核衰变成粒子和另一原子核，并释放出能量，衰变产物的结合能之和一定小于原来原子核的结合能
C.铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能
D.比结合能越大，原子核越不稳定
答案：
解析：原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量，故项错误；原子核衰变成粒子和另一原子核，要释放能量，衰变产物的结合能之和一定大于原来原子核的结合能，故项错误；铯原子核的核子数小于铅原子核的核子数，故铯原子核的结合能小于铅原子核的结合能，故项正确；比结合能越大，原子核越稳定，故项错误。
探究点三质量亏损和核能的计算
情境探究
如图所示是两个核子数很小的轻核氘、氚结合成一个核子数大一些的氦核，原子核转变示意图如图。
（1）在核反应过程中质量数、电荷数是否守恒？
（2）在该核反应过程中会释放出能量，反应前后原子核的质量是否会发生变化？
答案：提示（1）在核反应中，质量数、电荷数是守恒的。
（2）会发生变化，质量会减少。
探究归纳
1.质量亏损的理解
（1）在核反应中仍遵守质量守恒和能量守恒，所谓的质量亏损并不是这部分质量消失或质量转变为能量。
（2）物体的质量应包括静止质量和运动质量。质量亏损是静止质量的减少，减少的静止质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了，转化为和辐射能量相联系的运动质量。
（3）从质量亏损可知，质量是物体具有能量的多少及能量转化多少的一种量度。
2.质能方程的理解
（1）质能方程说明一定的质量总是跟一定的能量相联系。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的。，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。
（2）根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比。物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写成。
3.核能的计算方法
（1）根据质量亏损计算
①根据爱因斯坦质能方程计算。其中的单位是千克，的单位是焦耳。
②利用原子质量单位和电子伏特计算。
1原子质量单位相当于的能量，，其中的单位为，的单位为。
（2）利用平均结合能来计算
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。
（3）利用核反应前后结合能之差来计算
核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该核反应所释放(或吸收)的核能。
4.判断核反应过程是释放能量还是吸收能量的方法
（1）根据反应前后质量的变化情况进行判断：若质量减少即发生了质量亏损，则释放能量；若质量增加，则吸收能量。
（2）根据动能变化判断：若不吸收光子而动能增加则放出能量。
探究应用
例1 一个锂核受到一个质子的轰击，变成两个粒子。已知质子的质量是，锂核的质量是，氦核的质量是。
（1）写出上述核反应的方程；
（2）计算上述核反应释放出的能量。
答案：（1）
（2）
解析：（1）
（2）核反应的质量亏损
代入数据得
释放的能量
例2 的质量是，质子的质量是，中子的质量为。（质量亏损相当于释放的能量）
（1）一个质子和两个中子结合为氚核时，是吸收还是放出能量？该能量为多少？
（2）氚核的结合能和比结合能各是多少？
答案：（1）放出能量（2）
解析：（1）一个质子和两个中子结合成氚核的反应方程为
反应前各核子总质量为
反应后新核的质量为
质量亏损为
因反应前的总质量大于反应后的总质量，故此核反应放出能量
释放的能量为
（2）氚核的结合能为
它的比结合能为
解题感悟
核能的两种单位换算技巧
（1）若以为质量亏损的单位，则计算时应用公式，核能的单位为。
（2）若以原子质量单位“ ”为质量亏损的单位，则，核能的单位为。
（3）两种单位的换算：。
迁移应用
1.（2021天津河西高三期中）关于质能方程，下列说法正确的是( )
A.质量和能量可以相互变化
B.当物体向外释放能量为时，其质量必定增加，满足
C.物体的核能可以用表示
D.是物体所蕴藏能量的总和
答案：
解析：是物体所蕴藏能量的总和，不表示核能，质量和能量不能相互转化；当物体向外释放能量为时，其质量必定减少。
2.雷蒙德·戴维斯因研究来自太阳的电子中微子而获得了2002年度诺贝尔物理学奖，他探测电子中微子所用的探测器的主体是一个贮满四氯乙烯溶液的巨桶，电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核，其核反应方程式为，已知核的质量为，核的质量为，的质量为 ,质量对应的能量为。根据以上数据，可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量约为( )
A.
B.
C.
D.
答案：
解析：根据1原子质量单位相当于的能量，则。
8第4、5节核裂变与核聚变、“基本”粒子
课标解读 课标要求 素养要求
1.了解重核的裂变反应和链式反应发生的条件。了解裂变反应堆的工作原理及核电站和核能利用的优缺点。 2.了解核聚变发生的条件。 3.会书写核裂变、核聚变方程，能计算核反应释放的能量。 4.知道电子、中子、质子并不是组成物质的最基本的粒子。知道粒子的分类及其作用，了解夸克模型。 1.物理观念：知道核裂变与核聚变、链式反应及粒子的基本概念，了解原子弹、核反应堆、热核反应条件、新粒子的内容。 2.科学思维：掌握链式反应及核聚变释放能量的计算，理解核电站的工作原理，掌握轻核聚变的条件，提高分析、解决问题的能力。 3.科学探究：通过对链式反应的探究，理解原子弹、核反应堆的原理，体会热核反应的条件及科学发现新粒子的进步。 4.科学态度与责任：关注核技术应用对人类生活和社会发展的影响，激发探索未来科学的热情。
自主学习·必备知识
见学用170页
教材研习
教材原句
要点一链式反应
由重核裂变产生的中子①使核裂变反应一代接一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。通常把核裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫作它的临界体积，相应的质量叫作临界质量②。
要点二核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变③。
要点三反粒子
存在着这样一类粒子，它们的质量、寿命、自旋等物理性质与过去已经发现的粒子相同，而电荷等其他性质相反，这些粒子叫作反粒子④。
自主思考
①为了使铀235裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的快中子去轰击铀核，这种说法对吗？
答案：提示不对，铀235俘获慢中子发生裂变的概率大，快中子使铀235发生裂变的几率小，因此不能直接使用快中子。
②为什么说铀块的质量大于临界质量时链式反应才能不停地进行下去？
答案：提示铀块的大小是链式反应能否进行的重要因素。原子核的体积非常小，原子内部的空隙很大，如果铀块不够大，中子在铀块中通过时就有可能碰不到铀核跑到外面去，链式反应不能继续。
③要使轻核发生聚变反应，必须使核子间的距离达到以内，核力才能起作用；同时由于原子核之间在此距离时的库仑斥力十分巨大，因而需要核子有很大的动能才能“撞”到一起，什么办法能使大量原子核获得足够的动能而发生聚变呢？
答案：提示轻核聚变需要的动能，表现在宏观上就是核燃料需要达到极高的温度。所以使聚变的燃料加热到几百万开尔文的高温，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。
④随着量子物理学的兴起，越来越多的研究深入到微观世界，让人类有了一个全新的研究方向，比如说“反氢原子”就是其中之一，它也遵循着量子效应，同时也是反物质的一种重要组成形式。请推测反氢原子的结构？
答案：提示“反氢原子”应该与氢原子具有相同的质量，相反的电荷符号，相等的电荷量，所以反氢原子是核和构成的。
名师点睛
1.核裂变的理解
（1）核裂变：重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。
（2）铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是。
（3）链式反应的条件：铀块的体积大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量；有足够数量的慢中子。
2.核聚变的理解
（1）核聚变：两个轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应，称为核聚变，又称为热核反应。
（2）典型核聚变方程：。
（3）核聚变发生的条件：使轻核具有足够的动能。
互动探究·关键能力
见学用170页
探究点一核裂变及链式反应
情境探究
1.观察铀核裂变示意图
（1）铀核裂变是如何发生的？
（2）只要有中子轰击铀块就可以产生链式反应吗？
（3）铀核裂变在自然界中能自发进行吗？
（4）重核裂变为什么能释放核能？
答案：提示（1）当中子进入铀235后，便形成了处于激发状态的复核，复核中由于核子的激烈运动，使核变成不规则的形状。核子间的距离增大，因而核力迅速减弱，使得原子核由于质子间的斥力作用而分裂成几块，同时放出中子，这些中子又引起其他铀核裂变，这样，裂变反应一代接一代继续下去，形成链式反应。
（2）铀块体积应大于或等于临界体积才能发生链式反应。
（3）重核的裂变只能发生在人为控制的核反应中，在自然界中不会自发地发生。
（4）中等质量的原子核的核子的平均质量较小，重核和轻核的核子的平均质量较大。如果原子序数较大的重核分裂成原子序数小一些的两个核，会有质量亏损，放出巨大的核能。
探究归纳
1.重核裂变的理解
（1）重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。
（2）重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。
（3）铀的同位素中铀235比铀238更易发生链式反应。
2.常见的裂变方程
（1）
（2）
探究应用
例铀核裂变时，对于产生链式反应的重要因素，下列说法中正确的是( )
A. 铀块的质量是重要因素，与体积无关
B. 为了使裂变的链式反应容易发生，最好直接利用裂变时产生的中子
C. 若铀235的体积超过它的临界体积，裂变的链式反应就能够发生
D. 能否发生链式反应与铀的质量无关
答案：
解析：要使铀核裂变产生链式反应，铀块的体积必须大于或等于临界体积或铀块的质量大于或等于临界质量，裂变反应中产生的中子为快中子，这些快中子不能直接引发新的裂变，铀块的质量大，则其体积大，若超过临界体积则发生链式反应，由此知、、三项错误，项正确。
迁移应用
1.（2021四川泸州泸县五中高三开学考试）一个原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为，则下列叙述正确的是( )
A.原子核中含有86个中子
B.原子核中含有141个核子
C.因为裂变时释放能量，根据，所以裂变后的总质量数增加
D.因为裂变时释放能量，出现质量亏损，所以生成物的总质量数减少
答案：
解析：根据电荷数守恒、质量数守恒知，的质量数为140，电荷数为54，则中子数为86，核子数为140，故项正确，项错误；在裂变的过程中，有能量释放，根据爱因斯坦质能方程知，裂变后的总质量小于反应前的质量，但是质量数守恒，故、两项错误。
探究点二核电站与核反应堆
情境探究
1.如图所示为核反应堆示意图：
（1）铀235是容易吸收快中子还是慢中子后发生裂变反应？如何控制裂变反应的激烈程度？
（2）核电站发电有什么优点？
答案：提示（1）慢中子。当反应过于激烈时，使镉棒插入深一些，让它多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，反之，应使镉棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些。
（2）核电站发电的优点有：消耗的核燃料少；作为核燃料的铀、钍等在地球上可采，储量大；对环境的污染要比火力发电小。
探究归纳
1.核电站的主要组成及其作用
核电站的核心设施是核反应堆，反应堆用的核燃料是铀235，它的主要部件如表：
部件名称 慢化剂 控制棒 热循环介质 保护层
采用的材料 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 降低中子速度，便于铀235吸收 吸收中子，控制反应速度 把反应堆内的热量传输出去 屏蔽射线，防止放射性污染
2.反应堆工作原理
（1）热源：在核电站中，核反应堆是热源，如图为简化的核反应堆示意图：铀棒是燃料，由天然铀或浓缩铀（铀235的含量占）制成，石墨（重水）为慢化剂，使反应生成的快中子变为慢中子，便于铀235吸收，发生裂变，慢化剂附在铀棒周围。
（2）控制棒：镉棒的作用是吸收中子，控制反应速度，所以也叫控制棒。采用电子仪器自动调节控制棒插入深度，就能控制核反应的剧烈程度。
（3）冷却剂：核反应释放的能量大部分转化为内能，这时通过水、液态钠等作冷却剂，在反应堆内外循环流动，把热量传输出去，用于发电。
（4）保护层：发生裂变反应时，会产生一些有危险的放射性物质，很厚的水泥防护层可以防止射线辐射到外面。
探究应用
例（2021山东济南外国语中学高三月考）如图为普通使用的“慢中子”核反应堆的示意图，铀棒是核燃料，一种典型的铀核裂变方程，用重水作慢化剂可使快中子减速，假设中子与重水中的氘核每次碰撞均为弹性正碰，而且认为碰撞前氘核是静止的，氘核的质量是中子质量的两倍，则下列说法不正确的( )
A.钡核的比结合能比铀核的大
B.若碰撞前中子的动能为，经过一次弹性碰撞后中子动能变成
C.镉棒插入深一些可增大链式反应的速度
D.水泥防护层可用来屏蔽裂变产物放出的射线
答案：
解析：该核反应的过程中释放大量的能量，结合爱因斯坦质能方程可知，钡核的比结合能比铀核的比结合能大，故项正确，不符合题意；取碰撞前中子的速度方向为正方向，根据动量守恒定律有，依据能量守恒定律有，解得，故碰撞后中子的动能为，故项正确，不符合题意；要使裂变反应更剧烈一些，应使控制棒插入浅一些，让它少吸收一些中子，链式反应的速度就会快一些，故项错误，符合题意；水泥防护层作用是屏蔽裂变产物放出的射线，故项正确，不符合题意。
迁移应用
1.（多选）（2021浙江宁波慈溪高三月考）据悉我国第四代反应堆—钍基熔盐堆能源系统研究已获重要突破。该反应堆以钍为核燃料，钍俘获一个中子后经过若干次衰变转化成铀；铀的一种典型裂变产物是钡和氟，同时释放巨大能量。下列说法正确的是( )
A.为减小核反应速度，还要插一些镉棒，用来吸收掉一部分中子
B.铀核裂变的核反应方程为
C.放射性元素衰变的快慢与原子所处的化学状态和外部条件无关，与核外电子的分布状态有关
D.重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能减小
答案： ;
解析：核反应堆中，镉棒的作用是通过吸收一部分中子来控制核反应速度的，故项正确；根据质量数守恒与电荷数守恒可知，铀核裂变的核反应方程为，故项正确；原子核的半衰期由核内部自身因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关，故项错误；重核裂变的过程中释放能量，所以重核分裂成中等大小的核，核子的比结合能增大，故项错误。
探究点三核聚变
情境探究
1.阅读教材“核聚变”内容，回答以下问题。
（1）目前人们实现的核聚变是什么？
（2）实现热核反应存在的困难是什么？可能实现对热核反应的控制的方法是什么？
答案：提示（1）目前人们能实现的热核反应是氢弹的爆炸，是由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸，但这是不可控制的。
（2）实现热核反应存在的困难是：地球上没有任何容器能够经受住热核反应所需要的高温。可能实现对热核反应的控制方法：一是磁约束：利用磁场来约束参与反应的物质，环流器是目前性能最好的一种磁约束装置。二是惯性约束：利用强激光从各个方向照射参加反应的物质，使它们由于惯性还来不及扩散就完成了核反应。
探究归纳
1.核聚变的特点
（1）从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应。
（2）在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放出更多的能量。
（3）热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去。
（4）普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆。
2.核聚变的应用
（1）核武器——氢弹：一种不需要人工控制的轻核聚变反应装置。它利用弹体内的原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
（2）可控热核反应：目前处于探索阶段。
3.重核裂变与轻核聚变的比较
项目 重核裂变 轻核聚变
放能原理 重核分裂成两个或多个中等质量的原子核，放出核能 两个轻核结合成质量较大的原子核，放出核能
放能多少 聚变反应比裂变反应平均每个核子放出的能量要多3～4倍
核废料处理难度 聚变反应的核废料处理要比裂变反应简单得多
原料的蕴藏量 核裂变燃料铀在地球上储量有限，尤其用于核裂变的铀235在天然铀中只占 主要原料是氘，氘在地球上的储量非常丰富，水中大约有氘，如果用来进行热核反应，放出的能量与燃烧汽油释放的能量相当
可控性 比较容易进行人工控制，现在的核电站都是用核裂变反应释放核能 目前，除氢弹以外，人们还不能控制它
探究应用
例（2021北京昌平高三期末）2020年12月4日，新一代“人造太阳”核聚变实验装置——中国环流器二号（如图所示）在四川成都建成并实现首次放电。这标志着我国自主掌握了大型先进托卡马克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造打下坚实基础。它是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器装置，容器外面缠绕着两组线圈（如图所示）。通电时，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，将亿摄氏度高温的等离子体约束在环形真空室内，以达到核聚变的目的。下列说法正确的是( )
A. 核能不属于清洁能源
B. 托卡马克内部核反应可能是
C. 线圈1产生水平方向的环形磁场
D. 螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子
答案：
解析：核能也属于清洁能源，不会对大气环境造成污染，故项错误；由题意可知，托卡马克内部核反应为核聚变，是核裂变，故项错误；线圈1在水平面内，由右手螺旋定则可知，其产生竖直方向的环形磁场，故项错误；根据左手定则可知，当磁场方向变化，则洛伦兹力方向变化，即螺旋形磁场可以约束运动方向不同的带电粒子，故项正确。
迁移应用
1.（多选）下列关于聚变的说法中正确的是( )
A. 要使聚变产生，必须克服库仑斥力做功
B. 轻核聚变需要几百万摄氏度的高温，因此聚变又叫作热核反应
C. 原子弹爆炸能产生几百万摄氏度的高温，所以氢弹利用原子弹引发热核反应
D. 自然界中不存在天然的热核反应
答案： ; ;
解析：轻核聚变时，必须使轻核之间距离达到以内，所以必须克服库仑斥力做功，选项正确；原子核必须有足够的动能，才能使它们接近到核力能发生作用的范围，实验证实，原子核必须处在几百万摄氏度下才有这样的能量，这样高的温度通常利用原子弹爆炸获得，故选项、正确；在太阳内部或其他恒星内部都进行着热核反应，选项错误。
探究点四 “基本”粒子
知识深化
1.新粒子的发现及特点
发现时间 1932年 1937年 1947年 20世纪60年代后
新粒子 正电子 子 介子与介子 超子
基本特点 质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反 比质子的质量小 质量介于电子与核子之间 其质量比质子的质量大很多
2.粒子的分类
分类 参与的相互作用 发现的粒子 备注
强子 参与强相互作用 质子、中子 强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又分为介子和重子两类
轻子 不参与强相互作用 电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子 未发现内部结构
规范玻色子 传递各种相互作用 光子、中间玻色子、胶子 光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用
希格斯玻色子 希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。 2012年，欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子
题组过关
1.关于粒子，下列说法正确的是( )
A.质子的反粒子的电荷量与质子相同，但带的是负电荷
B.强子都是带电的粒子
C.目前发现的轻子只有8种
D.光子属于轻子
答案：
解析：有的强子带电，有的强子不带电，项错误；目前发现的轻子只有6种，项错误；光子属于规范玻色子，项错误。
2.20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中，陆续发现了一些新的粒子，介子和介子就是科学家在1947年发现的。介子的衰变方程为，其中介子和介子带负电，电荷量等于元电荷，介子不带电。如图所示，一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中，其轨迹为图中的圆弧虚线，介子衰变后，介子和介子的轨迹可能是( )
A.B.C.D.
答案：
解析：介子不带电，在磁场中不偏转。介子、介子带负电，在磁场中洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，根据左手定则及动量守恒可判定轨迹。
11章末总结
体系构建
① 射线 ② 氦原子核 ③ 电子流 ④ 电磁波 ⑤ ⑥ ⑦ 质量数 ⑧ 半数 ⑨ 新原子核 ⑩ 短程 核子数
综合提升
见学用171页
提升一核反应方程及其类型
例1 2020年12月12日，大亚湾反应堆“中微子实验”正式退役了。在3 275天11小时43分0秒的运行期间，这里产出了一系列重要的中微子研究成果，包括发现第三种中微子振荡模式，使我国的中微子研究跨入国际先进行列。中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子，太阳、地球、超新星、宇宙线、核反应堆，甚至人体都在不停地产生中微子，每秒钟有亿万个中微子穿过人们的身体。大多数原子核发生核反应的过程中也都伴有中微子的产生，例如核裂变、核聚变、β衰变等。下列关于核反应的说法，正确的是( )
A.是α衰变方程，是β衰变方程
B. 高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出中子，其核反应方程为
C.衰变为，经过3次α衰变，2次β衰变
D.是核裂变方程，也是氢弹的核反应方程
答案：
解析：是轻核聚变反应方程，是β衰变方程，项错误；高速运动的α粒子轰击氮核可从氮核中打出质子，其核反应方程为，项错误；每经过一次α衰变，电荷数少2，质量数少4，每经过一次β衰变，电荷数多1，质量数不变，衰变为，经过3次α衰变，2次β衰变，项正确；是核裂变方程，不是氢弹的核反应方程，项错误。
综合提升
1.核反应的四种类型
类型 可控性 核反应方程典例 产生条件 意义 应用
衰变 α衰变 自发 所有原子序数大于８３的元素及个别小于或等于８３的元素自发进行 揭开了人类研究原子核结构的序幕 利用放射性元素的半衰期进行文物年代鉴定等
β衰变 自发
人工转变 人工控制 （卢瑟福发现质子） 需要人工用高速粒子进行诱发 发现了质子、中子、正电子等基本粒子和一些人工放射性同位素 得到人工放射性同位素、作示踪原子
（查德威克发现中子
（约里奥－居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子
重核裂变 比较容易进行人工控制 需要中子的轰击和一定的临界体积 人类获得新能源的一种重要途径 核电站、核潜艇、原子弹等
重核裂变 很难控制 需要极高的温度，原子核才能获得足够的动能克服库仑斥力 人类获得新能源的一种重要途径 氢弹、热核反应
2.核反应方程式的书写
（1）熟记常见基本粒子的符号是正确书写核反应方程的基础。如质子、中子、α粒子、β粒子、正电子、氘核、氚核等。
（2）掌握核反应方程遵循的规律是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“ ”表示反应方向。
（3）核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒。
迁移应用
1.四个核反应方程分别为：
①；
②；
③；
④。
下列说法正确的是( )
A.①②都是重核铀的同位素的核反应，故都是重核的裂变反应
B.①③反应前都有一个中子，故都是原子核的人工转变
C.②③④生成物中都有氦核，故都是α衰变反应
D.③比④放出的能量少，说明③比④质量亏损得少
答案：
解析：①是重核的裂变反应，②是α衰变反应，项错误；③是原子核的人工转变，④是轻核的聚变反应，、两项错误；③比④放出的能量少，根据爱因斯坦质能方程可知，③比④质量亏损得少，故项正确。
2.（2021吉林油田第十一中学高三月考）下列核反应式中，代表α粒子的是( )
A.
B.
C.
D.
答案：
解析：按照质量数守恒、电荷数守恒的规律，可分别判断各项中是什么粒子。
提升二半衰期及衰变次数的计算
例2 （2021浙江嘉兴高三月考）1926年首次结合放射性氡应用了示踪技术，后来又进行了多领域的生理、病理和药理研究。氡的放射性同位素最常用的是。经过次α衰变和次β衰变后变成稳定的。则( )
A. 式子中的，
B. 核反应方程为
C. 的比结合能小于的比结合能
D. 通过改变温度等外部条件，可以控制放射性氡的半衰期
答案：
解析：根据核反应的质量数和电荷数守恒可知，，解得，，项错误；核反应方程为，项错误；该反应放出核能，则的比结合能小于的比结合能，项正确；半衰期与外部条件无关，项错误。
综合提升
1.衰变、衰变的比较
衰变类型 衰变 衰变
衰变方程
衰变实质 2个质子和2个中子结合成一个整体射出 1个中子转化为1个质子和1个电子
衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒
2.确定衰变次数的方法
（1）衰变方程：
（2）求解方法：根据质量数、电荷数守恒得，，两式联立求解α衰变次数和β衰变次数。
3.半衰期
（1）概念：大量放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。对个别或少量原子核，无半衰期可言。
（2）计算公式：或，其中，为半衰期。
迁移应用
1.放射性元素经过2次α衰变和1次β衰变后生成一新元素，则元素在元素周期表中的位置较元素的位置向前移动了( )
A. 1位B. 2位C. 3位D. 4位
答案：
解析：发生一次衰变电荷数减少2，发生一次衰变电荷数增加1，据题意，电荷数变化为：，新元素位置向前移动了3位。
2.大量的某放射性元素经过天有的原子核发生了衰变，该元素的半衰期为( )
A. 天B. 天C. 天D. 天
答案：
解析：经过了天还有的原子核没有衰变，可知该放射性元素经过了3个半衰期，即可算出半衰期是天。
提升三核能的计算
例3 已知氘核的平均结合能为，氦核的平均结合能为，则两个氘核结合成一个氦核时( )
A. 释放出的能量
B. 释放出的能量
C. 释放出的能量
D. 吸收的能量
答案：
解析：依据题意可写出两个氘核结合成一个氦核的核反应方程为，因氘核的平均结合能为，氦核的平均结合能为，故释放的核能为
，故项正确。
综合提升
1.根据质能方程计算
（1）根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损。
（2）根据爱因斯坦质能方程计算核能。
其中的单位是千克，的单位是焦耳。
2.利用原子质量单位和电子伏特计算
（1）明确原子质量单位和电子伏特之间的关系
，
由
得
（2）根据1原子质量单位相当于的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以，
即。
其中的单位是，的单位是。
3.根据能量守恒和动量守恒来计算核能
参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量守恒和能量守恒可以计算出核能的变化。
4.利用平均结合能来计算核能
原子核的结合能=核子的平均结合能×核子数。核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放（或吸收）的核能。
5.应用阿伏加德罗常数计算核能
若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的能量，应用阿伏加德罗常数计算核能较为简便。
（1）根据物体的质量和摩尔质量由求出物质的量，并求出原子核的个数：。
（2）由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量（或直接从题目中找出）。
（3）再根据求出总能量。
迁移应用
1.利用氦和氘进行的聚变反应安全无污染，容易控制。月球上有大量的氦3，每个航天大国都将获取氦3作为开发月球的重要目标之一。已知两个氘核聚变生成一个氦3和一个中子的核反应方程是：，若有氘全部发生聚变，则释放的能量是（为阿伏加德罗常数）( )
A.
B.
C.
D.
答案：
解析：氘共有个氘核，每2个氘核反应就放出能量，所以释放的能量为。
2.一个氘核和一个氚核结合成一个氦核，同时放出一个中子，已知氘核质量为，氚核质量为，氦核质量为，中子质量为，相当于的能量。
（1）写出聚变的核反应方程；
（2）求此反应过程中释放的能量为多少？平均每个核子释放出多少核能？
答案：（1）
（2）
解析：（1）核反应方程为
（2）此反应过程的质量亏损为
，
。
平均每个核子释放的核能为
。
高考体验
见学用171页
1.（2021全国甲，17，6分）如图，一个原子核经图中所示的一系列α、β衰变后，生成稳定的原子核，在此过程中放射出电子的总个数为( )
A.6B.8C.10D.14
答案：
解析：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间，叫作这种元素的半衰期。从图中可以看出，质量为的衰变时，从衰变一半到所用时间为，所以半衰期为，选项正确，选项、、错误。
2.（多选）（2020课标Ⅰ，19，6分）下列核反应方程中，、、、代表α粒子的有( )
A.
B.
C.
D.
答案： ;
解析：粒子为氦原子核，根据核反应方程遵守电荷数守恒和质量数守恒，选项中的为，选项中的为，选项中的为中子，选项中的为。
3.（2020课标Ⅱ，18，6分）氘核可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式表示。海水中富含氘，已知海水中含有的氘核约为个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知标准煤燃烧释放的热量约为，，则约为( )
A. B. C. D.
答案：
解析：由海水中的氘核聚变释放的能量与质量为的标准煤燃烧释放的热量相等，有：，解得，故选项正确。
4.（多选）（2020课标Ⅲ，19，6分）1934年，约里奥-居里夫妇用粒子轰击铝箔，首次产生了人工放射性同位素，反应方程为。会衰变成原子核，衰变方程为。则( )
A.的质量数与的质量数相等
B.的电荷数比的电荷数少1
C.的电荷数比的电荷数多2
D.的质量数与的质量数相等
答案： ;
解析：设和的电荷数分别为和，质量数分别为和，则反应方程为
，
根据反应方程电荷数和质量数守恒，解得，；，
解得，，， ,即的质量数与的质量数相等，的电荷数比的电荷数多1，电荷数比的电荷数多2，的质量数比的质量数多3，、正确，、错误。
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