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第五章 原子核——高二物理人教版（2019）期末复习知识大盘点
第一部分：单元学习目标整合
本章概述
本章在上一章内容的基础上进一步探究原子核内部奥秘,本章主要内容为两个方面:有关原子核的知识，有关核能的开发和利用的知识。前者涉及原子核的组成、核力和结合能、核反应、衰变和半衰期、裂变和聚变、基本粒子和夸克模型;后者则包括放射性同位素和核能的开发和利用。
重点 ①原子核的衰变和半衰期 ②核能的利用
难点 ①原子核的衰变与磁场 ②电场偏转以及动量守恒定律等知识的结合 ③比结合能的理解
第二部分：经典例题复盘
例1.研究放射性元素射线性质的实验装置如图所示，放射源能放出α、β、γ三种射线，两块平行放置的金属板分别与电源的两极连接.放射源发出的射线从其上方小孔向外射出，下列说法正确的是( )
A.到达A板的射线穿透能力最强
B.到达B板的射线穿透能力最强
C.到达A板的射线为β射线，是原子核内的中子转化为质子时放出的
D.到达B板的射线电离本领最强，可以用于治疗肿瘤
答案：C
解析：由题图可知A板带正电，B板带负电，由于α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电，故打在A板上的是β射线，打在B板上的是α射线，不发生弯曲的是γ射线，其中γ射线的穿透能力最强，可用于治疗肿瘤，故A、B、D错误；到达A板的射线为β射线，由电子组成，是原子核内的中子转化为质子时放出的，故C正确.
例2.我国的火星探测车用放射性材料作为燃料，中的Pu元素是，已知发生衰变的核反应方程为，的半衰期为87.7年.下列说法正确的是( )
A.放出的X射线是高速质子流
B.10个经过87.7年后还有5个未衰变
C.经过87.7年，现有的衰变一半
D.环境温度升高，的半衰期将会缩短
答案：C
解析：根据质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为4，电荷数为2，X为α粒子，选项A错误；半衰期是大量原子核衰变的统计规律，对少数的原子核衰变不适用，选项B错误；经过87.7年，即经过1个半衰期，现有的衰变一半，选项C正确；外部因素不改变半衰期，选项D错误.
例3.如图所示，图甲为原子核的比结合能与质量数关系曲线，图乙为原子核的平均核子质量与原子序数的关系曲线，根据两曲线，下列说法正确的是( )
A.根据图甲可知，核的结合能约为7 MeV
B.根据图甲可知，核的结合能比核的结合能大
C.根据图乙可知，核D裂变成核E和F的过程中，比结合能减小
D.根据图乙可知，若能结合成C，结合过程一定吸收能量
答案：B
解析：题图甲中核的比结合能约为7 MeV，但图中不能看出核的比结合能，不能计算出核的结合能，故A错误；分析题图甲可知，核比核的比结合能略小，但核子数远大于核，根据结合能等于比结合能与核子数的乘积可知，核的结合能比核的结合能大，故B正确；核D分裂成，由题图可知是重核的裂变，因此比结合能将增大，故C错误；若能结合成C，平均核子质量减少，会有质量亏损，释放出核能，故D错误.
例4.2023年4月12日21时，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造了新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒.下列关于核聚变的说法正确的是( )
A.核电站采用核聚变技术发电
B.任何两个原子核都可以发生聚变
C.两个轻核结合成质量较大的原子核，核子的比结合能变大
D.两个轻核结合成质量较大的原子核，生成核的质量大于两轻核的质量之和
答案：C
解析：核电站采用核裂变技术发电，故A错误；自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，不是任意的原子核就能发生核聚变，故B错误；两个轻核结合成质量较大的核的过程中要释放能量，所以核子的比结合能增加，故C正确；两个轻核结合成质量较大的原子核，释放能量，生成核的质量小于两轻核的质量之和，故D错误.
例5.我国自主研发的“玲珑一号”核反应堆，是全球最小的商用核反应堆，核反应方程为，反应产物会发生β衰变.已知核和的质量分别是235.0439 u、140.9139 u、91.8973 u和1.0087 u，1 u为，真空中的光速.则下列说法正确的是( )
A.核反应方程中的，
B.核的比结合能小于核的比结合能
C.的衰变方程为
D.一个核裂变放出的核能约为
答案：B
解析：根据质量数守恒和电荷数守恒可知核反应方程中的，，故A错误；核反应的产物比反应物更稳定，而比结合能越大原子核越稳定，可知核的比结合能小于核的比结合能，故B正确；根据题意可知，会发生β衰变，因此其衰变方程为，故C错误；根据爱因斯坦的质能方程有，解得，故D错误.
第三部分：重难知识概括
原子核的组成
一、射线的本质
自从发现了天然放射性现象，人们就一直在研究在射线究竟是什么？
1.研究方法
把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出，成为细细的一束。
其中两束在磁场中向不同的方向偏转，证明它们是带电粒子流；另一束在磁场不偏转，说明它不带电。于是把这三者射线分别叫a射线，β射线和γ射线。
带电粒子在磁场中受到了洛伦兹力而偏转。 那么根据左手定则
①a射线向上偏转带正电荷
②β射线向下偏转带负电荷
③γ射线不偏转就不带电
如果不加磁场加电场，根据正负相吸的原理电场线向左的。则右边正电左边负电荷。
三种射线
三种射线的本质、射出速度和电离性一定要记牢。
成分 速度 电离能力 穿透能力
a射线 氦原子核 1/10光速 很强 较弱
β射线 电子流 接近光速 较弱 较强
γ射线 电磁波 光速 更弱 很强
3.射线的来源
实验发现，如果一种元素具有放射性，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，即
射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。
拓展学习：威尔逊云室
由微观粒子构成的射线，肉眼是看不见的。但是，射线中的粒子与其他物质作用时产生的现象，会显示射线的存在。威尔逊云室就是一种常用的射线探测装置。（动图展示射线通过云室）
放射性元素的的衰变
一、原子核的衰变
1．定义：原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它变成另一种原子核。这种变化称为原子核的衰变。
2．衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。
3．衰变分类
(1)α衰变：放出α粒子的衰变。(2)β衰变：放出β粒子的衰变。
4．衰变方程及实质
(1)α衰变：X→Y＋He。
实质：原子核中的两个中子和两个质子会结合起来形成α粒子，并被释放出来。新核质量数减少4，电荷数减少2，如：U→Th＋He。
(2)β衰变：X→Y＋e。
实质：原子核内的中子转化成了一个质子和一个电子，产生的电子发射到核外，即β粒子，其转化方程是：n→H＋e。新核质量数不变，电荷数增加1。如：Th→Pa＋e。
(3)γ射线经常是伴随α射线和β射线产生的。
实质：放射性的原子核在发生α衰变、β衰变时产生的新核处于高能级，要向低能级跃迁，并放出γ光子。
5．衰变次数的分析方法和技巧
(1)方法：设放射性元素X经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素Y，则衰变方程为：
X→Y＋nHe＋me
根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程：
A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。
(2)技巧：为了确定衰变次数，一般先由质量数的改变确定α衰变的次数(这是因为β衰变的次数多少对质量数没有影响)，然后根据电荷数的改变确定β衰变的次数。
二、核反应
衰变是原子核的自发变化，科学家更希望卫控制原子核的变化。
1、卢瑟福用α粒子轰击氮核，生成质子和氧17。
定义：原子核在其它粒子的轰击下产生新原子核的过程，叫做核反应。
核反应过程中质量数和电荷数都守恒
2、三个重要原子核的人工转变方程
(1)1919年卢瑟福发现质子的核反应方程:
(2)1932年查德威克发现中子的核反应方程:
(3)1934年约里奥-居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程:
原子核的人工转变必须要有一定的装置和条件,不会自发产生。
核力与结合能
一、核力与四种基本相互作用
1、核力
组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称为核力。
2、核力是短程力
核力是一种强相互作用力，在它的作用范围内比库仑力大得多；核力是一种短程力，作用范围仅局限于1.5×10－15 m，在大于0.8×10－15 m时表现为引力，超过1.5×10－15 m时，核力急剧下降为零；而距离小于0.8×10－15 m时，核力表现为斥力。
3、核力的饱和性
每个核子只跟相邻的核子发生核力的作用．
二、结合能
1、结合能
把原子核分解为独立的核子，需要克服强大的核力做功，因此需要吸收的能量或核力把核子结合在一起放出的能量，称为原子核的结合能。
2、比结合能
结合能与核子数之比称为比结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。
三、质量亏损
1、质量亏损
核反应前与反应后的总质量之差称为质量亏损。
2、爱因斯坦质能方程：E＝mc2。
3、核能的计算：ΔE＝Δmc2，其中Δm是质量亏损。
核裂变与核聚变
一、核裂变及链式反应
裂变:重核分裂成质量较小的核，并释放核能的反应。
链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过
条件：每次裂变产生的中子，至少平均有一个能引发新的裂变
①保证的纯度←提纯
②铀块的大小
临界体积:裂变物质能够发生链式反应的最小体积
相应的质量：临界质量
二分裂
质量数守恒，电荷守恒
如果 1 kg 铀全部裂变，它放出的能量就相当于 2800 t 标准煤完全燃烧时放出的化学能。
1、核裂变：重核被中子轰击后分裂成两块质量差不多的碎块的核反应。
2、铀核裂变：用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多样的，其中一种典型的裂变是。
3、链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫核裂变的链式反应。
4、临界体积和临界质量：把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。
5、核裂变的能量：1 kg铀235全部裂变放出的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的化学能。
二、核电站
1、核电站：利用核能发电，它的核心设施是反应堆，它主要由以下几部分组成：
（1）燃料；（2）慢化剂；（3）控制棒。
2、工作原理：核燃料裂变释放的能量，使反应区温度升高。
3、能量输出
4、核污染的处理
三、核聚变
1、定义：两个轻核结合成质量较大的核，并释放出能量的反应。
2、举例：
3、条件：热核反应。
4、应用：氢弹
四、受控热核反应
1、聚变的优点：效率高；储量丰富；安全、清洁。
2、聚变的难点：地球上没有任何容器能够经受热核反应的高温。
3、控制方法：（1）磁约束（2）惯性约束
“基本”粒子
1、基本粒子不基本：
1932年发明的粒子加速器，能使带电粒子加速到很高的能量。让这些高能粒子彼此对撞，就能产生更多的粒子，这种装置称为对撞机。利用加速器和对撞机，人们发现了更多的粒子。
部分新粒子的实验发现年代图：
（1）19世纪末，人们都认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。
（2）随着科学的发展，科学家们发现了很多的新粒子都不是由质子、中子、电子组成的，又发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。
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介子及以后的质量比质子的质量大的超子。
（2）粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的不同关系，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。
（3）夸克模型的提出：1964年美国物理学家盖尔曼提出了强子的夸克模型，认为强子是由更基本的成分组成，这种成分叫作夸克。夸克模型指出电子电荷不再是电荷的最小单位，即存在分数电荷。
第四部分：掌握核心素养
①物理观念:能了解原子核的组成和核力的内涵，知道四种基本相互作用，能根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程，知道放射性、原子核衰变、半衰期和同位素等，知道原子核结合能、原子核裂变与聚变;能运用所学知识解释核物理的一些技术应用。具有与原子核和核能相关的物质观念、相互作用观念和能量观念。
②科学思维:能用原子核的结构模型解释与核物理有关的问题;能对原子核与放射性物理问题进行分析和推理，能推算原子核的半衰期，知道半衰期的统计意义;能恰当使用证据证明相关结论;能对已有结论提出有依据的质疑，采用不同方式分析解决物理问题。
③科学探究:能查阅资料，提出和原子核与核能相关的物理问题;能进行调研，收集和原子核与核能相关的信息;能处理信息，形成相关结论。
④科学态度与责任:能体会人类对物质结构的探索是不断深入的，科学的探索没有止境;能自觉抵制违反实事求是的精神行为;能主动关注核技术应用对人类生活和社会发展带来的影响，有保护环境的使命感。

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