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(共52张PPT)
课时2　原子核
基础梳理
一、原子核的组成
1.原子核由
和
组成,两者统称为
。
质子
中子
核子
电荷数
3.同位素是具有相同的
而
不同的原子核,在元素周期表中处于同一位置。
质子数
中子数
二、天然放射现象
1.天然放射现象:某些元素自发放射某些射线的现象称为天然放射现象,这些元素称为放射性元素。
2.三种射线的本质:α射线是
,β射线是
,γ射线是
。
三、原子核的衰变和放射性同位素的应用
1.衰变:原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变化。可分为
、
,并伴随着γ射线放出。
2.半衰期:放射性元素的原子核有
发生衰变所需要的时间。
3.放射性同位素的应用
(1)利用射线:放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、医疗等。
(2)作示踪原子。
四、核反应、核力与核能
1.核反应规律:在核反应中,
守恒,
守恒。
氦核
电子
光子
α衰变
β衰变
半数
质量数
电荷数
核子
2.核力
(1)概念:组成原子核的
之间存在的作用力。
(2)核力特点
①核力是
(强力)的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。
②核力是
力,作用范围在1.5×10-15
m之内。
③每个核子只跟
的核子发生核力作用,这种性质称为核力的饱和性。
3.质量亏损
(1)爱因斯坦质能方程:
。
(2)质量亏损:原子核的质量
组成它的核子的质量之和的现象。
4.结合能:克服核力束缚,使原子核分解为单个
时需要的能量,或若干个核子在核力作用下结合成
时放出的能量。
强相互作用
短程
相邻
E=mc2
小于
核子
原子核
五、核裂变和核聚变
1.重核裂变
(1)定义:使重核分裂成几个
的原子核的核反应。
质量较小
(3)链式反应:由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做核裂变的链式反应。
(4)链式反应的条件:①要有足够浓度的铀235;②铀块体积需
临界体积,或铀块质量
临界质量。
大于
大于
2.轻核聚变
(1)定义:两个轻核结合成
的核,这样的核反应叫聚变。
(2)聚变发生的条件:使物体达到几百万度的高温。
较重
考点一　天然放射现象、原子核的组成
夯实考点
天然放射现象是元素自发地放出射线的现象,首先由贝可勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。
1.天然放射现象
2.三种射线的比较
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
高频电磁波
带电荷量
2e
-e
0
[典例1]
(多选)关于天然放射现象,下列说法正确的是(　　)
A.所有元素都可能发生衰变
B.放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D.α,β和γ三种射线中,γ射线的穿透能力最强
答案:BCD
解析:自然界中绝大部分元素没有放射现象而不发生衰变,选项A错误;放射性元素的半衰期只与原子核结构有关,与温度、是单质还是化合物无关,选项B,C正确;α,β和γ三种射线电离能力依次减弱,穿透能力依次增强,选项D
正确。
C
变式1:如图,放射性元素镭衰变过程中释放出α,β,γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是(　
　)
A.①表示γ射线,③表示α射线
B.②表示β射线,③表示α射线
C.④表示α射线,⑤表示γ射线
D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
解析:γ射线光子流,不带电,故在电场与磁场中均不受力,即为②⑤,α射线是氦核流,带正电,在电场中的受力方向与电场方向一致,③为α射线,在磁场中根据左手定则可以判断④为α射线,β射线是电子流,在电场中与电场方向相反,①带负电,在磁场中根据左手定则,⑥带负电。
考点二　原子核的衰变、半衰期
1.原子核衰变规律
2.对半衰期的理解
(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,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。
(3)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少数原子核,无半衰期
可言。
[典例2]
碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(　　)
答案:C
变式2:曾任美国总统的老布什曾让医生们虚惊了一场,那是在访日宴会上突然昏厥,美国政府急忙将他送回国,医生用123I进行诊断,通过体外跟踪,迅速查出了病因。123I的特性是(　
　)
A.半衰期长,并迅速从体内清除
B.半衰期长,并缓慢从体内清除
C.半衰期短,并迅速从体内清除
D.半衰期短,并缓慢从体内清除
C
解析:利用放射性同位素123I放出的γ射线,穿透本领比α,β射线强。123I的半衰期较短,可以迅速从体内消失,不至于因长时间辐射而对身体造成伤害,故C正确。
考点三　探测射线的方法、放射性的应用与防护
1.探测射线的方法:肉眼看不见射线,但利用射线的相关效应,可以探测射线。射线的效应有:
(1)使气体或液体电离;
(2)使照相乳胶感光;
(3)使荧光物质产生荧光。探测射线的常用仪器有:威耳逊云室、气泡室、盖革—米勒计数器。
2.放射性的应用与防护
(1)放射性同位素的应用:利用射线的穿透本领,医疗方面的放射治疗,植物种子的变异等。
(2)放射性的防护:过量的射线对人体组织有破坏作用,使用放射性物质时,必须严格遵守操作规程,注意人身安全,并且要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
[典例3]
(多选)14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5
700
年。已知植物存活期间,其体内14C与12C的比例不变;生命活动结束后,14C的比例持续减少。现通过测量得知,某古木样品中14C
的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是(　　)
A.该古木的年代距今约5
700年
B.12C,13C,14C具有相同的中子数
C.14C衰变为14N的过程中放出β射线
D.增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
答案:AC
变式3:如图中曲线a,b,c,d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹,气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是(　
　)
A.a,b为β粒子的径迹
B.a,b为γ粒子的径迹
C.c,d为α粒子的径迹
D.c,d为β粒子的径迹
D
解析:由左手定则可知,a,b为带正电的粒子的径迹,c,d为带负电的粒子的径迹,又因为α粒子带正电,β粒子带负电,γ粒子不带电,所以D项正确。
考点四　核裂变、核聚变
核能释放的途径——裂变和聚变
①链式反应:在裂变反应中用产生的中子,再被其他铀核浮获使反应继续下去。链式反应的条件:裂变物质的体积大于其临界体积。
②聚变反应的条件:几百万开尔文的高温。
答案:A
AC
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
考点五　核力、结合能、爱因斯坦质能方程
1.获得核能的途径
2.核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦质能方程列式计算:即ΔE=Δmc2(Δm的单位:kg)。
(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量,则ΔE=
Δm×
931.5
MeV(Δm的单位:u,1
u=1.660
6×10-27
kg)。
(3)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律,因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。
提别提醒
(1)质量数与质量是两个不同的概念。核反应中质量数、电荷数都守恒,但核反应中依然有质量亏损。
(2)核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量;质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子的个数是不变的。
解析:X表示正电子,故A,B错误;质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,故C错误;释放的核能为ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c2,故D正确。
答案:D
变式5:(多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度,为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　
　)
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
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核,总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加
AD
解析:核聚变没有放射性污染,安全、清洁,故A正确;只有原子序数小的“轻”核才能发生聚变,故B错误;轻核聚变成质量较大的原子核、比结合能增加,总质量减小,故C错误,D正确。
考点六　核反应方程及核反应类型
[典例6]
(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程,表述正确的有(　　)
答案:AC
AB
A.衰变过程共有6次α衰变和4次β衰变
B.铅核比钍核少8个质子
C.β衰变所放出的电子来自原子核外轨道
D.钍核比铅核多24个中子
课堂训练
D
1.(天然放射现象,原子核的组成)关于天然放射现象,下列说法正确的是(　
　)
A.α射线是由氦原子核衰变产生
B.β射线是由原子核外电子电离产生
C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D.通过化学反应不能改变物质的放射性
解析:放射线是从原子核中释放出来的,通过化学反应并不能改变物质的放
射性。
D
2.(原子核的衰变、半衰期)核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天,会释放β射线;铯137是铯133的同位素,半衰期约为30年,发生衰变时会辐射γ射线。下列说法正确的是(　
　)
A.碘131释放的β射线由氦核组成
B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C.与铯137相比,碘131衰变更慢
D.铯133和铯137含有相同的质子数
解析:β射线是高速运动的电子流,不是氦原子核,A错误;γ射线的频率大于可见光的频率,根据E=hν可知,γ射线光子能量大于可见光光子能量,B错误;半衰期越短,衰变越快,C错误;铯133和铯137都是铯元素,是质子数相同而中子数不同的同位素,所以D正确。
3.(探测射线的方法,射线的应用与防护)医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物,在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,则14C的用途是(　
　)
A.示踪原子
B.电离作用
C.催化作用
D.贯穿作用
A
解析:用14C标记C60来查明元素的行踪,发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,因此14C的作用是作示踪原子,故选项A正确。
答案:(1)B　
(2)现有四个核反应:
①　　　　是发现中子的核反应方程,　　　
　是研究原子弹的基本核反应方程,　　　　
是研究氢弹的基本核反应方程。?
答案:(2)①D　B　A
解析:(2)①人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核。箭头的右边也是常见元素的原子核。D是查德威克发现中子的核反应方程,B是裂变反应,是研究原子弹的核反应方程。A是聚变反应,是研究氢弹的核反应方程。
答案:②144　88
解析:②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定,X质量数为144,电荷数为56,所以中子数为144-56=88。
②B中X的质量数为　　　　,中子数为　　　　。?
5.(爱因斯坦的质能方程)假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子,已知氘核的质量是2.013
6
u,中子的质量是1.008
7
u,氦核同位素的质量是3.015
0
u。
(1)聚变的核反应方程式是　　　　
,在聚变核反应中释放出的能量为　　　　
MeV(保留两位有效数字)。?
答案:(2)7.585
MeV
真题试做
AC
2.(2020·浙江1月选考,4)下列说法正确的是(　
　)
A.α射线的穿透能力比γ射线强
B.天然放射现象说明原子具有复杂的结构
C.核聚变中平均每个核子放出的能量比裂变中平均每个核子的小
D.半衰期跟放射性元素以单质或化合物形式存在无关
D
解析:α射线的电离作用最强,穿透能力最弱,γ射线穿透能力最强,电离作用最弱,选项A错误;放射性现象说明原子核内部具有复杂结构,选项B错误;核聚变中平均每个核子释放的核能远大于裂变中平均每个核子释放的核能,选项C错误;半衰期是原子核内部自身因素决定的,与原子所处的化学状态和外部条件均没有关系,选项D正确。
BCD
解析:由质量数和电荷数守恒可知,选项A错误,B正确;铀核发生链式反应的条件与铀块的体积有关,选项C正确;ΔE=Δmc2,代入数据可得Δm≈3.6×
10-28
kg,选项D正确。
4.(2017·浙江11月选考,14)(多选)下列说法正确的是(　
　)
BD课时2　原子核
1.太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的结果可表示为HHe+e+2ν。已知
H和
He的质量分别为mp=1.007
8
u和mα=4.002
6
u,1
u=931
MeV/c2,c为光速。在4个H转变成1个He的过程中,释放的能量约为(　C　)
A.8
MeV
B.16
MeV
C.26
MeV
D.52
MeV
解析:由爱因斯坦质能方程得ΔE=Δmc2=(4×mp-mα-2me)·c2,忽略电子质量代入数据解得ΔE=(4×1.007
8
u-4.002
6
u)·c2≈26.6
MeV,故C正确。
2.(2019·温州九校模拟)(多选)关于近代物理,下列说法正确的是(　ABD　)
A.卢瑟福由α粒子散射实验建立了原子的核式结构模型
B.由UThHe可知,衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核质量
C.分别用红光和紫光照射金属钾表面均有光电子逸出,红光照射时,逸出的光电子的最大初动能较大
D.基态的一个氢原子吸收一个光子跃迁到n=3激发态后,最多发射
2种频率的光子
解析:卢瑟福通过分析α粒子散射实验结果,建立了原子的核式结构模型,故A正确;由爱因斯坦质能方程可知,衰变后α粒子与钍核的质量之和小于衰变前铀核质量,故B正确;分别用红光和紫光照射金属钾表面均有光电子逸出,由于紫色光的频率大,由Ekm=hν-W0可知,紫光照射时,逸出的光电子的最大初动能较大,故C错误;基态的一个氢原子吸收一个光子跃迁到n=3激发态后,当该原子向低能级跃迁时,途径是n=3→n=2,n=2→n=1,发射2种频率的光子,故D正确。
3.国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)于2017年8月28日首次打靶成功,获得中子束流,可以为诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台.下列核反应中放出的粒子为中子的是(　B　)
AN俘获一个α粒子,产生O并放出一个粒子
BAl俘获一个α粒子,产生P并放出一个粒子
CB俘获一个质子,产生Be并放出一个粒子
DLi俘获一个质子,产生He并放出一个粒子
解析:根据质量数守恒、电荷数守恒,各选项核反应方程为HeOH,A错误AlHePn,B正确;BHBeHe,C错误LiHHeHe,D错误。
4.一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为UThHe,下列说法正确的是(　B　)
A.衰变后钍核的动能等于α粒子的动能
B.衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小
C.铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间
D.衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量
解析:衰变前后动量守恒,衰变前动量为零,故衰变后钍核与α粒子动量大小相等,方向相反,选项B正确;又Ek=,钍核与α粒子动量大小相等,但质量不同,故动能不同,选项A错误;半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间,而放出α粒子所经历的时间是一个原子核的衰变时间,选项C错误;衰变前后质量数不变,但有质量亏损,选项D错误。
5.(多选)核能作为一种新能源在现代社会中已不可缺少,我国在完善核电安全基础上将加大核电站建设。核泄漏中的钚(Pu)是一种具有放射性的超铀元素,它可破坏细胞基因,提高患癌症的风险。已知钚的一种同位素Pu的半衰期为24
100年,其衰变方程为Pu→XHe+γ,下列有关说法正确的是(　AD　)
A.X原子核中含有92个质子
B.100个Pu经过24
100年后一定还剩余50个
C.由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量增加
D.衰变发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力
解析:X原子核中含有94-2=92个质子,选项A正确;半衰期描述的是大量原子的统计规律,对少量原子无意义,选项B错误;由于衰变时释放巨大能量,根据E=mc2,衰变过程总质量减小,选项C错误;衰变发出的γ射线是波长很短的光子,具有很强的穿透能力,选项D正确。
6.关于放射性同位素的应用,下列说法中正确的有(　D　)
A.放射线改变了布料的性质使其不再因摩擦而生电,从而达到消除有害静电的目的
B.利用γ射线的贯穿能力强可以为金属探伤,也能进行人体的透视
C.用放射线照射作物种子使其DNA发生变异,其结果一定是更优秀的品种
D.用γ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
解析:利用放射线消除有害静电是利用放射线的电离性,使空气分子电离成为导体,将静电导走。γ射线对人体细胞伤害太大,不能用来进行人体透视。作物种子发生的DNA突变不一定都是有益的,还要经过筛选才能培育出优良品种。用γ射线治疗肿瘤对人体肯定有副作用,因此要科学地控制剂量。选项D正确。
7.关于核反应堆中用镉棒控制反应速度的原理,下列说法正确的是(　C　)
A.镉棒能释放中子,依靠释放的多少控制反应速度
B.用镉棒插入的多少控制快中子变为慢中子的数量
C.利用镉棒对中子吸收能力强的特点,依靠插入的多少控制中子数量
D.镉棒对铀核裂变有一种阻碍作用,利用其与铀的接触面积的大小控制反应速度
解析:镉棒并不能释放中子,也不能使中子减速,对铀核裂变也没有阻碍作用,而是利用对中子的吸收能力强的特点,控制中子数量的多少而控制核反应速度,故选项C正确。
8.(多选)原子核的比结合能曲线如图所示(质量数0～25被放大),根据该曲线,下列判断中正确的有(　BC　)
AHe核的结合能约为14
MeV
BHe核比Li核更稳定
C.两个H核结合成He核时释放能量
DU核中核子的平均结合能比Kr核中的大
解析:由题图知He核的比结合能约为7
MeV,所以结合能约为4×7
MeV=28
MeV,故A错误He核比Li核的比结合能大,所以He核比Li核更稳定,B正确;两个H核结合成He核时,即由比结合能小的反应生成比结合能大的释放能量,C正确;由题图知U核中核子的平均结合能比Kr核中的小,所以D错误。
能力提升
9.(多选)一个原子核U在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应,其裂变方程为Un→XSr+n,则下列叙述正确的是(　AB　)
A.X原子核中含有140个核子
B.X原子核中含有86个中子
C.因为裂变时释放能量,所以裂变后粒子的总质量数增加
D.因为裂变时释放能量,所以裂变后粒子的总质量数减少
解析:设X原子核中含有x个质子,质量数为y,根据电荷数和质量数守恒有92=x+38,235+1=y+94+2,解得x=54,y=140,所以X的中子数为y-x=86,故A,B正确;裂变反应过程中质量数守恒,质量数不会增加,也不会减少,故C,D错误。
10.某些建筑材料含放射性元素氡,氡可以发生α或β衰变,如果人长期生活在氡浓度过高的环境中,受到长期氡放射性的影响,会严重危害人体健康。原来静止的质量为M的氡核Rn)发生一次α衰变生成新核钋(Po)。已知衰变后的α粒子的质量为m、电荷量为q、速度为v,钋核的质量为m1,并假设衰变过程中释放的核能全部转化为α粒子和新核的动能。
(1)写出衰变方程。
(2)求出衰变过程中的质量亏损。
解析:(1)根据核反应中质量数和核电荷数守恒有
RnPoHe。
(2)设新核的速度为v′,根据动量守恒定律有
0=mv+m1v′
衰变过程中释放的核能为
ΔE=mv2+m1v′2
根据爱因斯坦质能方程有
ΔE=Δmc2,
联立上面各式解得
Δm=。
答案:(1RnPoHe
(2)
11.一个静止的铀核U(原子质量为232.037
2
u)放出一个α粒子(原子质量为4.002
6
u)后衰变成钍核Th(原子质量为
228.028
7
u)。(已知原子质量单位1
u=1.67×10-27
kg,1
u相当于931.5
MeV)
(1)写出衰变方程。
(2)算出该衰变反应中释放出的核能。
(3)假设反应中释放出的核能全部转化为钍核和α粒子的动能,则钍核获得的动能有多大?
解析:(1)衰变方程为UThHe。
(2)ΔE=Δmc2=(232.037
2-228.028
7-4.002
6)×931.5
MeV≈
5.50
MeV。
(3)根据动量守恒定律m钍v钍=mαvα,
则=====
故Ek钍==≈0.09
MeV。
答案:(1UThHe
(2)5.50
MeV
(3)0.09
MeV
12.氮核N俘获一个速度为2.3×107
m/s的中子,发生核反应后若只产生了两个新粒子,其中一个粒子为氦核He),它的速度大小是8.0×106
m/s,方向与反应前中子的速度方向相同。
(1)写出此核反应的方程,求反应后产生的另一个粒子的速度大小及方向。
(2)此反应过程中是否发生了质量亏损,说明依据。
解析:(1NnBHe
用m1,m2和m3分别表示中子n)、氦核He)和新核的质量,取反应前中子的速度方向为正方向,由动量守恒定律得m1v1=m2v2+m3v3
代入数值,
得v3=-8.2×105
m/s
即反应后生成的新核的速度大小为8.2×105
m/s
方向与反应前中子的速度方向相反。
(2)反应前的总动能E1=m1
反应后的总动能E2=m2+m3
经计算知E1>E2,即反应中吸收能量,质量增加,没有亏损。
答案:(1NnBHe
8.2×105
m/s　与反应前中子的速度方向相反　
(2)见解析
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6
-课时2　原子核
一、原子核的组成
1.原子核由质子和中子组成,两者统称为核子。
2.原子核常用表示,X为元素符号,上角标A表示核的质量数,下角标Z表示核的电荷数(即原子序数)。
3.同位素是具有相同的质子数而中子数不同的原子核,在元素周期表中处于同一位置。
二、天然放射现象
1.天然放射现象:某些元素自发放射某些射线的现象称为天然放射现象,这些元素称为放射性元素。
2.三种射线的本质:α射线是氦核,β射线是电子,γ射线是光子。
三、原子核的衰变和放射性同位素的应用
1.衰变:原子核自发地放出某种粒子而转变成新核的变化。可分为α衰变、β衰变,并伴随着γ射线放出。
2.半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。
3.放射性同位素的应用
(1)利用射线:放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、医疗等。
(2)作示踪原子。
四、核反应、核力与核能
1.核反应规律:在核反应中,质量数守恒,电荷数守恒。
2.核力
(1)概念:组成原子核的核子之间存在的作用力。
(2)核力特点
①核力是强相互作用(强力)的一种表现,在它的作用范围内,核力比库仑力大得多。
②核力是短程力,作用范围在1.5×10-15
m之内。
③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。
3.质量亏损
(1)爱因斯坦质能方程:E=mc2。
(2)质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。
4.结合能:克服核力束缚,使原子核分解为单个核子时需要的能量,或若干个核子在核力作用下结合成原子核时放出的能量。
五、核裂变和核聚变
1.重核裂变
(1)定义:使重核分裂成几个质量较小的原子核的核反应。
(2)铀核裂变:用中子轰击铀核时,铀核发生裂变,一种典型的反应是生成钡和氪,同时放出三个中子,核反应方程为+→++3。
(3)链式反应:由重核裂变产生中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程叫做核裂变的链式反应。
(4)链式反应的条件:①要有足够浓度的铀235;②铀块体积需大于临界体积,或铀块质量大于临界质量。
2.轻核聚变
(1)定义:两个轻核结合成较重的核,这样的核反应叫聚变。
(2)聚变发生的条件:使物体达到几百万度的高温。
考点一　天然放射现象、原子核的组成
1.天然放射现象
天然放射现象是元素自发地放出射线的现象,首先由贝可勒尔发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂的结构。
2.三种射线的比较
种类
α射线
β射线
γ射线
组成
高速氦核流
高速电子流
高频电磁波
带电荷量
2e
-e
0
符号
γ
质量
4mp(mp=1.67×10-27
kg)
静止质量为零
速度
0.1c
0.99c
c(光速)
在电磁场中
偏转
偏转
不偏转
贯穿本领
最弱,用纸能挡住
较强,穿透几毫米的铝板
最强,穿透几厘米的铅板
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
[典例1]
(多选)关于天然放射现象,下列说法正确的是(　　)
A.所有元素都可能发生衰变
B.放射性元素的半衰期与外界的温度无关
C.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性
D.α,β和γ三种射线中,γ射线的穿透能力最强
解析:自然界中绝大部分元素没有放射现象而不发生衰变,选项A错误;放射性元素的半衰期只与原子核结构有关,与温度、是单质还是化合物无关,选项B,C正确;α,β和γ三种射线电离能力依次减弱,穿透能力依次增强,选项D正确。
答案:BCD
变式1:如图,放射性元素镭衰变过程中释放出α,β,γ三种射线,分别进入匀强电场和匀强磁场中,下列说法正确的是(　C　)
A.①表示γ射线,③表示α射线
B.②表示β射线,③表示α射线
C.④表示α射线,⑤表示γ射线
D.⑤表示β射线,⑥表示α射线
解析:γ射线光子流,不带电,故在电场与磁场中均不受力,即为②⑤,α射线是氦核流,带正电,在电场中的受力方向与电场方向一致,③为α射线,在磁场中根据左手定则可以判断④为α射线,β射线是电子流,在电场中与电场方向相反,①带负电,在磁场中根据左手定则,⑥带负电。
考点二　原子核的衰变、半衰期
1.原子核衰变规律
衰变类型
α衰变
β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
中子转化为质子和电子
2+2→
→+
衰变规律
电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒
2.对半衰期的理解
(1)根据半衰期的概念,可总结出公式
N余=N原()t/τ,m余=m原()t/τ
式中N原,m原表示衰变前的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,τ表示半衰期。
(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,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。
(3)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,对个别或少数原子核,无半衰期可言。
[典例2]
碘131的半衰期约为8天,若某药物含有质量为m的碘131,经过32天后,该药物中碘131的含量大约还有(　　)
A.
B.
C.
D.
解析:半衰期为8天,32天为4个半衰期,m()4=,故C正确。
答案:C
变式2:曾任美国总统的老布什曾让医生们虚惊了一场,那是在访日宴会上突然昏厥,美国政府急忙将他送回国,医生用123I进行诊断,通过体外跟踪,迅速查出了病因。123I的特性是(　C　)
A.半衰期长,并迅速从体内清除
B.半衰期长,并缓慢从体内清除
C.半衰期短,并迅速从体内清除
D.半衰期短,并缓慢从体内清除
解析:利用放射性同位素123I放出的γ射线,穿透本领比α,β射线强。123I的半衰期较短,可以迅速从体内消失,不至于因长时间辐射而对身体造成伤害,故C正确。
考点三　探测射线的方法、放射性的应用与防护
1.探测射线的方法:肉眼看不见射线,但利用射线的相关效应,可以探测射线。射线的效应有:
(1)使气体或液体电离;
(2)使照相乳胶感光;
(3)使荧光物质产生荧光。探测射线的常用仪器有:威耳逊云室、气泡室、盖革—米勒计数器。
2.放射性的应用与防护
(1)放射性同位素的应用:利用射线的穿透本领,医疗方面的放射治疗,植物种子的变异等。
(2)放射性的防护:过量的射线对人体组织有破坏作用,使用放射性物质时,必须严格遵守操作规程,注意人身安全,并且要防止放射性物质对空气、水源、用具等的污染。
[典例3]
(多选)14C发生放射性衰变成为14N,半衰期约5
700
年。已知植物存活期间,其体内14C与12C的比例不变;生命活动结束后,14C的比例持续减少。现通过测量得知,某古木样品中14C
的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是(　　)
A.该古木的年代距今约5
700年
B.12C,13C,14C具有相同的中子数
C.14C衰变为14N的过程中放出β射线
D.增加样品测量环境的压强将加速14C的衰变
解析:古木样品中14C的比例正好是现代样品的二分之一,说明该古木恰好经历了一个半衰期的时间,故A正确;12C,13C,14C具有相同的质子数、不同的中子数,故B错误;14C
的衰变方程为C→N+,故C正确;放射性元素的半衰期与外界因素无关,故D错误。
答案:AC
变式3:如图中曲线a,b,c,d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹,气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里。以下判断可能正确的是(　D　)
A.a,b为β粒子的径迹
B.a,b为γ粒子的径迹
C.c,d为α粒子的径迹
D.c,d为β粒子的径迹
解析:由左手定则可知,a,b为带正电的粒子的径迹,c,d为带负电的粒子的径迹,又因为α粒子带正电,β粒子带负电,γ粒子不带电,所以D项正确。
考点四　核裂变、核聚变
核能释放的途径——裂变和聚变
(1)重核裂变:例如+→++3
①链式反应:在裂变反应中用产生的中子,再被其他铀核浮获使反应继续下去。链式反应的条件:裂变物质的体积大于其临界体积。
②一个裂变时释放的能量约200
MeV。1
kg全部裂变放出的能量相当于2
800吨标准煤完全燃烧放出的能量。
(2)轻核聚变:例如+→++17.6
MeV
①一个氘核与一个氚核结合成一个氦核时(同时放出一个中子),释放出17.6
MeV的能量,平均每个核子放出3
MeV以上的能量。比裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4
倍。
②聚变反应的条件:几百万开尔文的高温。
[典例4]
关于核反应方程+→+X,以下说法中正确的是(　　)
A.X是,该核反应属于聚变反应
B.X是,该核反应属于裂变反应
C.X是,该反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料
D.X是,该反应中的核燃料是当前核电站采用的核燃料
解析:核反应方程满足电荷数守恒和质量数守恒,X是,该核反应属于轻核聚变反应,并不是当前核电站的发电原理,该反应中的核燃料也不是当前核电站采用的核燃料。
答案:A
变式4:(多选)铀核裂变是核电站核能的重要来源,其一种裂变反应式是+→++3。下列说法正确的有(　AC　)
A.上述裂变反应中伴随着中子放出
B.铀块体积对链式反应的发生无影响
C.铀核的链式反应可人工控制
D.铀核的半衰期会受到环境温度的影响
解析:裂变反应式中的为中子,铀块体积大于临界体积,才能发生链式反应,且铀核的链式反应是可控的,选项A,C正确,选项B错误;放射性元素的半衰期不受外界压强、温度的影响,选项D错误。
考点五　核力、结合能、爱因斯坦质能方程
1.获得核能的途径
(1)重核裂变:某些重核分裂成中等质量的核的反应过程,同时释放大量的核能。要使发生裂变时链式反应持续地输出能量,放射物的体积应大于它的临界体积。
重核的裂变:如+→++10
应用:原子弹、核反应堆。
(2)轻核聚变:某些轻核结合成质量较大的核的反应过程,同时释放出大量的核能,要想使氘核和氚核结合成氦核,必须达到几百万度以上的高温,因此聚变反应又叫热核反应。
轻核的聚变:如+→+。
应用:氢弹、可控热核反应。
2.核能的计算方法
(1)根据爱因斯坦质能方程列式计算:即ΔE=Δmc2(Δm的单位:kg)。
(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5兆电子伏能量,则ΔE=
Δm×931.5
MeV(Δm的单位:u,1
u=1.660
6×10-27
kg)。
(3)核反应遵守动量守恒定律和能量守恒定律,因此我们可以结合动量守恒定律和能量守恒定律来计算核能。
(1)质量数与质量是两个不同的概念。核反应中质量数、电荷数都守恒,但核反应中依然有质量亏损。
(2)核反应中的质量亏损,并不是这部分质量消失或质量转化为能量;质量亏损也不是核子个数的减少,核反应中核子的个数是不变的。
[典例5]
太阳内部持续不断地发生着4个质子()聚变为1个氦核()的热核反应,核反应方程是4→+2X,这个核反应释放出大量核能。已知质子、氦核、X的质量分别为m1,m2,m3,真空中的光速为c。下列说法中正确的是(　　)
A.方程中的X表示中子()
B.方程中的X表示电子()
C.这个核反应中质量亏损Δm=4m1-m2
D.这个核反应中释放的核能ΔE=(4m1-m2-2m3)c2
解析:X表示正电子,故A,B错误;质量亏损Δm=4m1-m2-2m3,故C错误;释放的核能为ΔE=Δmc2=(4m1-m2-2m3)c2,故D正确。
答案:D
变式5:(多选)我国核聚变反应研究大科学装置“人造太阳”2018年获得重大突破,等离子体中心电子温度首次达到1亿摄氏度,为人类开发利用核聚变能源奠定了重要的技术基础。下列关于聚变的说法正确的是(　AD　)
A.核聚变比核裂变更为安全、清洁
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核,总质量较聚变前增加
D.两个轻核结合成质量较大的核,核子的比结合能增加
解析:核聚变没有放射性污染,安全、清洁,故A正确;只有原子序数小的“轻”核才能发生聚变,故B错误;轻核聚变成质量较大的原子核、比结合能增加,总质量减小,故C错误,D正确。
考点六　核反应方程及核反应类型
类型
可控性
核反应方程典例
衰变
α衰变
自发
→+
β衰变
自发
→+
人工转变
人工控制
+→+(卢瑟福发现质子)
+→+(查德威克发现中子)
+→+
(约里奥—居里夫妇发现放射性同位素)
→+
重核裂变
比较容易进行人工控制
+→++3
+→++10
轻核聚变
正在逐步实现人工控制
+→+
[典例6]
(多选)能源是社会发展的基础,发展核能是解决能源问题的途径之一。下列释放核能的反应方程,表述正确的有(　　)
A.+
→+是核聚变反应
B.+
→+是β衰变
C.+
→++3是核裂变反应
D.+
→++2是α衰变
解析:β衰变时释放出电子(),α衰变时释放出氦原子核(),可知选项B,D错误;选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应;选项C中一个铀235原子核吸收一个中子,生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应,A,C正确。
答案:AC
变式6:(多选)天然放射性元素(钍)经过一系列α衰变和β衰变之后,变成(铅)。下列说法中正确的是(　AB　)
A.衰变过程共有6次α衰变和4次β衰变
B.铅核比钍核少8个质子
C.β衰变所放出的电子来自原子核外轨道
D.钍核比铅核多24个中子
解析:由于β衰变不会引起质量数的减少,故可先根据质量数的减少确定α衰变的次数为x==6,再结合核电荷数的变化情况和衰变规律来判定β衰变的次数应满足2x-y=90-82=8?y=2x-8=4。钍232核中的中子数为232-90=142,铅208核中的中子数为208-82=126,所以钍核比铅核多16个中子,铅核比钍核少8个质子。由于物质的衰变与元素的化学状态无关,所以β衰变所放出的电子来自原子核内→+,所以选项A,B正确。
1.(天然放射现象,原子核的组成)关于天然放射现象,下列说法正确的是(　D　)
A.α射线是由氦原子核衰变产生
B.β射线是由原子核外电子电离产生
C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生
D.通过化学反应不能改变物质的放射性
解析:放射线是从原子核中释放出来的,通过化学反应并不能改变物质的放射性。
2.(原子核的衰变、半衰期)核电站泄漏的污染物中含有碘131和铯137。碘131的半衰期约为8天,会释放β射线;铯137是铯133的同位素,半衰期约为30年,发生衰变时会辐射γ射线。下列说法正确的是(　D　)
A.碘131释放的β射线由氦核组成
B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量
C.与铯137相比,碘131衰变更慢
D.铯133和铯137含有相同的质子数
解析:β射线是高速运动的电子流,不是氦原子核,A错误;γ射线的频率大于可见光的频率,根据E=hν可知,γ射线光子能量大于可见光光子能量,B错误;半衰期越短,衰变越快,C错误;铯133和铯137都是铯元素,是质子数相同而中子数不同的同位素,所以D正确。
3.(探测射线的方法,射线的应用与防护)医学界通过14C标记的C60发现一种C60的羧酸衍生物,在特定条件下可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,则14C的用途是(　A　)
A.示踪原子
B.电离作用
C.催化作用
D.贯穿作用
解析:用14C标记C60来查明元素的行踪,发现可以通过断裂DNA抑制艾滋病病毒的繁殖,因此14C的作用是作示踪原子,故选项A正确。
4.(核反应方程及核反应类型)完成下列空格。
(1)表示放射性元素碘131(I)的β衰变方程是　　　　。?
A.I→Sb+
B.I→Xe+
C.I→I+
D.I→Te+
(2)现有四个核反应:
A.+→+
B.+→X++3
C.Na→Mg+
D.+Be→C+
①　　　　是发现中子的核反应方程,　　　　是研究原子弹的基本核反应方程,　　　　是研究氢弹的基本核反应方程。?
②B中X的质量数为　　　　,中子数为　　　　。?
解析:(1)碘(I)的原子核内一个中子放出一个电子,变成一个质子,质量数没有发生变化,核电荷数增加1,所以生成54号元素Xe,放出一个电子,B选项正确。
解析:(2)①人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核。箭头的右边也是常见元素的原子核。D是查德威克发现中子的核反应方程,B是裂变反应,是研究原子弹的核反应方程。A是聚变反应,是研究氢弹的核反应方程。②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定,X质量数为144,电荷数为56,所以中子数为144-56=88。
答案:(1)B　(2)①D　B　A　②144　88
5.(爱因斯坦的质能方程)假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子,已知氘核的质量是2.013
6
u,中子的质量是1.008
7
u,氦核同位素的质量是3.015
0
u。
(1)聚变的核反应方程式是　　　　,在聚变核反应中释放出的能量为　　　　
MeV(保留两位有效数字)。?
(2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核,反应方程式为+→Li,已知各核子比结合能分别为EH=1.112
MeV,EHe=7.075
MeV,ELi=5.603
MeV,试求此核反应过程中释放的核能。
解析:(1)根据题中条件,可知核反应方程式为
+→+。
核反应过程中的质量亏损
Δm=2mD-(mHe+mn)
=2×2.013
6
u-(3.015
0+1.008
7)
u
=3.5×10-3
u。
由于1
u的质量与931.5
MeV的能量相对应,所以氘核聚变时放出的能量
ΔE=3.5×10-3×931.5
MeV≈3.3
MeV。
解析:(2)和分解成7个核子所需的能量为
E1=3×1.112
MeV+4×7.075
MeV=31.636
MeV
7个核子结合成Li,释放的能量为
E2=7×5.603
MeV=39.221
MeV
所以此核反应过程中释放的核能为
ΔE=E2-E1=39.221
MeV-31.636
MeV=7.585
MeV。
答案:(1)+
→+　3.3　答案:(2)7.585
MeV
1.(2018·浙江11月选考,15)(多选)一个铍原子核(Be)俘获一个核外电子(通常是最靠近原子核的K层的电子)后发生衰变,生成一个锂核(Li),并放出一个不带电的质量接近零的中微子νe,人们把这种衰变称为“K俘获”。静止的铍核发生了“K俘获”,其核反应方程为Be+→Li+νe,已知铍原子的质量为MBe=7.016
929
u,锂原子的质量为MLi=7.016
004
u,1
u相当于9.31×102
MeV。下列说法正确的是(　AC　)
A.中微子的质量数和电荷数均为零
B.锂核(Li)获得的动能约为0.86
MeV
C.中微子与锂核(Li)的动量之和等于反应前电子的动量
D.中微子与锂核(Li)的能量之和等于反应前电子的能量
解析:中微子是不带电的,且质量接近于零,根据质量数和电荷数守恒,中微子的质量数和电荷数均为零,A正确;Li核获得的动能约为核衰变时的质量亏损放出的能量E=9.31×102(MBe+Me-MLi)>0.86
MeV,B错误;根据动量守恒定律可知中微子与锂核(Li)的动量之和等于反应前电子的动量,C正确;根据能量守恒定律可知中微子与锂核(Li)的能量之和等于核衰变时的质量亏损放出的能量,D错误。
2.(2020·浙江1月选考,4)下列说法正确的是(　D　)
A.α射线的穿透能力比γ射线强
B.天然放射现象说明原子具有复杂的结构
C.核聚变中平均每个核子放出的能量比裂变中平均每个核子的小
D.半衰期跟放射性元素以单质或化合物形式存在无关
解析:α射线的电离作用最强,穿透能力最弱,γ射线穿透能力最强,电离作用最弱,选项A错误;放射性现象说明原子核内部具有复杂结构,选项B错误;核聚变中平均每个核子释放的核能远大于裂变中平均每个核子释放的核能,选项C错误;半衰期是原子核内部自身因素决定的,与原子所处的化学状态和外部条件均没有关系,选项D正确。
3.(2016·浙江10月选考,16)(多选)用中子()轰击铀核()产生裂变反应,会产生钡核()和氪核()并释放出中子()。当达到某些条件时可发生链式反应。一个铀核()裂变时,释放的能量约为200
MeV(1
eV=1.6×10-19
J)。以下说法正确的是(　BCD　)
A.的裂变方程为→++
B.的裂变方程为+→++3
C.发生链式反应的条件与铀块的体积有关
D.一个裂变时,质量亏损约为3.6×10-28
kg
解析:由质量数和电荷数守恒可知,选项A错误,B正确;铀核发生链式反应的条件与铀块的体积有关,选项C正确;ΔE=Δmc2,代入数据可得Δm≈3.6×10-28
kg,选项D正确。
4.(2017·浙江11月选考,14)(多选)下列说法正确的是(　BD　)
A.核聚变反应方程可能为+→+2
B.铀核裂变的核反应方程可能为+→++2　
C.发生β衰变时原子核放出电子,说明电子是原子核的组成部分
D.中子和质子结合成氘核,若该过程质量亏损为Δm,则氘核的结合能为Δmc2
解析:选项A的核反应方程为+→+,故A错误,选项B的核反应方程符合质量数和电荷数守恒,选项B正确;β衰变时原子核内部中子衰变为质子时释放出高速电子,电子并不是原子核的组成部分,选项C错误;根据质能方程可知选项D正确。
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