原子核和核能講義

1、第 2 講原子核和核能見學生用書 P185微知識 1 天然放射現(xiàn)象1. 天然放射現(xiàn)象：某些元素自發(fā)地放射某些射線的現(xiàn)象稱為天然放射現(xiàn)象，這些 元素稱為放射性元素。2.三種射線的本質(zhì)：a射線是氦核流，B射線是電子流，Y射線是電磁波。 微知識 2原子核的衰變1. 定義原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓性雍说乃プ僟2. 分類衰變：AX 行丫 +：He，同時放出丫射線。衰變：AX A+iY +壯，同時放出丫射線。3. 半衰期(1) 定義：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時間。(2) 半衰期的大小由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的物理 狀態(tài)(如壓強、溫度等)或化學狀態(tài)

2、(如單質(zhì)或化合物) )無關。微知識 3 放射性同位素及應用1. 同位素有些原子的原子核電荷數(shù)相同，但質(zhì)量數(shù)不同仝樣一些具有相同核電荷數(shù)和不 同質(zhì)量數(shù)的原子互稱為同位素。2. 放射性同位素的應用(1) 放射性同位素放出的射線應用于工業(yè)探傷、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等。(2) 做示蹤原子。微知識 4 核反應用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應過程。典型核反應：(1) 盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應方程。14N+4He 17O+1H。(2) 查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程。4Be +4He 16C+On。（3）約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應方程。WAI +：He 35P +0n,30P：4Si +1e。

3、常見的核反應有：衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變和聚變。微知識 5 核能1. 核能由于原子核中的核子間存在強大的核力，使得原子核成為一個堅固的集合體，要 把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功，反之，要把核子集合成一 個原子核，就要放出巨大的能量。2. 質(zhì)能方程（1）質(zhì)能方程：E = me2, m 是物體的質(zhì)量，c 是真空中的光速。上述表明：物體的質(zhì)量和能量間有一定聯(lián)系，即物體具有的能量與其質(zhì)量成正比， 當物體的能量增加或減小 圧，它的質(zhì)量也會相應地增加或減少 如，圧 與如 的 關系是 AE =&n c2。（2）質(zhì)量虧損：核子結合成原子核時要釋放能量，按上述關系，原子核的質(zhì)量要小 于組成原子核的核

4、子總質(zhì)量，這個質(zhì)量差也叫質(zhì)量虧損。3. 獲得核能的途徑（1）重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個（或多個）中等質(zhì)量核的反應過程。 重核裂變的同時放出幾個中子，并釋放出大量核能。鈾 235 裂變時發(fā)生鏈式反應。（2）輕核聚變： 某些輕核結合成質(zhì)量較大的核的反應過程， 同時釋放出大量的核能，要想使氘和氚核合成氦核，必須達到幾百萬攝氏度以上的高溫，因此聚變反應又 叫熱核反應。一、 思維辨析（判斷正誤，正確的畫“/”，錯誤的畫“X”。）1. 原子核是由質(zhì)子和中子組成的。（“）2.（3 射線中的電子是原子核外的電子。（X）3.半衰期是一個統(tǒng)計規(guī)律，對少數(shù)原子核不適用。（V）4. 核力是弱相互作用。（

5、X）5.質(zhì)能方程表明在一定條件下，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊＃╔）6.所有的核反應都是釋放能量的反應。（X）二、對點微練1.（三種射線的性質(zhì)）放射性元素衰變時放出的三種射線，按穿透能力由強到弱的 排列順序是（）A.a射線，3射線，丫射線B. 丫射線，3射線，a射線C. 丫射線，a射線，B射線D.B射線，a射線，丫射線解析 貫穿能力最強的是丫射線，B射線次之，a射線最弱，故正確答案為 B 項。 答案 B2. （核反應方程）原子核2391U經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?39oTh，繼而經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?34iPa，再經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?392U。放射性衰變和依 次為（）A.a衰變、B衰變和B衰變B.

6、B衰變、a衰變和B衰變C.B衰變、B衰變和a衰變D .a衰變、B衰變和a衰變解析 本題考查核反應特點、a衰變和B衰變特點，意在考查考生理解和識記a衰 變和B衰變特點的能力，以及分析判斷能力。根據(jù)核反應過程中的質(zhì)量數(shù)守恒和 電荷數(shù)守恒特點，2392U 核與Th 核比較可知，核反應的另一產(chǎn)物為：He，所以衰 變?yōu)閍衰變,BC項排除；29：Th 與234Pa,234iPa 核與% 核比較可知，核反應的 另一產(chǎn)物為0e,所以衰變?yōu)锽衰變，A 項正確。答案 A3. （核能的計算）以下是物理學史上 3 個著名的核反應方程x+【Lif2y y+i；Nfx+1：0 y+z+x、y 和 z 是 3 種不同的粒子

7、，其中 z 是（）A.a粒子B.質(zhì)子C.中子D .電子解析 根據(jù)質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒，三個核反應方程為1H +3Lif%He,：He +14Nf1H +17o,2He +4Bef1n +16C, z 為中子，C 項正確。答案 C見學生用書 P186微考點 1 原子核的衰變半衰期核心|微|講1. 衰變規(guī)律及實質(zhì)（1）衰變和B衰變的比較（2）射線：丫射線經(jīng)常是伴隨a衰變或B衰變產(chǎn)生的。2. 半衰期半衰期的計算：根據(jù)半衰期的概念，可總結出公式。ttN余=N原-m余=m原寸寸T，式中 N原，m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性兀素的原子數(shù)和質(zhì)量，t 表示衰變

8、時間，T表示半衰期。3.確定a、B衰變次數(shù)的方法【例 1】（多選）目前，在居家裝修中，經(jīng)常用到花崗巖、大理石等裝修材料，這 些巖石都不同程度地含有放射性元素，比如有些含有鈾、釷的花崗巖等巖石都會 釋放出放射性惰性氣體氡，而氡會發(fā)生放射性衰變，放出a僅丫射線，這些射線會導致細胞發(fā)生癌變及呼吸道方面的疾病，根據(jù)有關放射性知識可知，下列說 法正確的是（）A.（3衰變所釋放的電子是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子時產(chǎn)生并發(fā)射出來的B.3射線是原子核外電子電離形成的電子流，它具有中等的穿透能力C.已知氡的半衰期為 3.8 天，若取 1 g 氡放在天平左盤上，砝碼放于右盤，左右 兩邊恰好平衡，則 7.6 天后，需

9、取走 0.75 砝碼天平才能再次平衡D .發(fā)生a衰變時，生成核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了2【解題導思】（1）衰變和3衰變的實質(zhì)是什么？答：a衰變的實質(zhì)是每次.a衰變釋放二個.一a粒子.，一3一衰變的實質(zhì)是中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子一. 時釋放出二個電子。（2）半衰期是大量原子核衰變時統(tǒng)計規(guī)律，對嗎？答:對。解析3衰變是原子核內(nèi)的中子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子同時釋放一個電子，A 項正確，B 項錯誤；半衰期是指原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間，而不是原子核的質(zhì)量減少一 半，且質(zhì)量基本不變，故 C 項錯誤；a粒子為氦原子核，根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷 數(shù)守恒可知，發(fā)生a衰變時，生成核與原來的原子核相比，中子數(shù)減少了2, D 項

10、正確。答案 AD1. （2019 湖南師大附中摸底考試）某放射性元素經(jīng)過 11.4 天有需的原子核發(fā)生了衰 變，該元素的半衰期為（ ）B. 7.6 天15A. 11.4 天C. 3.8 天D . 2.85 天15 11 4解析 經(jīng)過 4 個半衰期，原子有 15 發(fā)生衰變，所以 T =114天= 2.85 天。答案 D2.（多選）放射性同位素電池是一種新型電池，它是利用放射性同位素衰變放出的 高速帶電粒子（a射線、B射線）與物質(zhì)相互作用，射線的動能被吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 再通過換能器轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。其構造大致是最外層是由合金制成的保護 層，次外層是防止射線泄漏的輻射屏蔽層，第三層是把熱能轉(zhuǎn)化

11、成電能的換能器， 最里層是放射性同位素。電池使用的三種放射性同位素的半衰期和發(fā)出的射線如下表：同位素90。Sr210oPo238口口Pu射線aa半衰期28 年138 天89.6 年若選擇上述某一種同位素作為放射源，使用相同材料制成的輻射屏蔽層，制造用 于執(zhí)行長期航天任務的核電池，則下列論述正確的是（）B射線比a射線的貫穿本領弱，所D .放射性同位素在發(fā)生衰變時，出現(xiàn)質(zhì)量虧損，但衰變前后的總質(zhì)量數(shù)不變 解析 原子核衰變時，釋放出高速運動的射線，這些射線的能量來自原子核的質(zhì) 量虧損，即質(zhì)量減小，但質(zhì)量數(shù)不變，D 項對；從表格中顯示 Sr 的半衰期為 28年、Po 的半衰期為 138 天、Pu 的半

12、衰期為 89.6 年，故 Pu 的半衰期最長，其使用 壽命也最長，a射線的穿透能力沒有B射線強，故較薄的屏蔽材料即可擋住a射線 的泄漏，C 項對。答案 CDA.90Sr 的半衰期較長，使用壽命較長，放出的 需的屏蔽材料較薄B.210Po 的半衰期最短， 使用壽命最長， 放出的 所需的屏蔽材料較薄C.238Pu 的半衰期最長， 使用壽命最長， 放出的 所需的屏蔽材料較薄a射線比B射線的貫穿本領弱,a射線比微考點 2 核反應類型核反應方程核心|微|講1.核反應的四種類型：衰變、人工轉(zhuǎn)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箭頭連接并表示反應 方向，不能用等號連接。3.

13、 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(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應過程中反應前后的總質(zhì)量一般 會發(fā)生變化。5. 核反應遵循電荷數(shù)守恒。典|例|微|探【例 2】（多選）能源是社會發(fā)展的基礎，發(fā)展核能是解決能源問題的途徑之一。下列釋放核能的反應方程，表述正確的有（）A 3H+2Hf：He +On 是核聚變反應B 1H +2Hf2He +：n 是（3衰變C.292u +：nf1：4Ba +3；Kr + 30n 是核裂變反應D.235U +1nf54Xe +34Sr + 20n 是a衰變【解題導思】總結衰變方程、人工轉(zhuǎn)變、聚變方

14、程、裂變方程的特點。答： 衰變方程左邊只有一個原子核， 右邊出現(xiàn)a或3粒子人工.核轉(zhuǎn)變的左邊星氦原子核等粒子與常見原子核的反應，右邊也是常見元素的原子核;聚變方程左.邊是兩個輕核，右邊是中等原子核；裂變的左邊是重核與中子反應，右邊是中等.原子核。解析1H +3Hf4He +On 是核聚變反應，而不是3衰變；D 項中是核裂變反應，D 項錯。答案 AC題|組|微 |練3.鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應：292U +Onfa+b+ 2on，則 a+ b 可能是（）A.144Xe +96KrB.146Ba +32KrC *6Ba+98SrD.154Xe +3；Sr解析 根據(jù)核反

15、應質(zhì)量數(shù)、核電荷數(shù)守恒，則 a+ b 兩種元素的質(zhì)量數(shù)之和為（235 +1-2）= 234,電荷數(shù)之和為 92, D 項中兩元素的質(zhì)量數(shù)為（140 + 94） = 234，電荷 數(shù)為（54+ 38）= 92,故 D 項正確。答案 D4. 氡 222 是一種天然放射性氣體，被吸入后，會對人的呼吸系統(tǒng)造成輻射損傷。它是世界衛(wèi)生組織公布的主要環(huán)境致癌物質(zhì)之一。其衰變方程是286Rnf288Po+_ 。已知222Rn 的半衰期約為 3.8 天，則約經(jīng)過_ , 16 g 的282Rn 衰 變后還剩 1go解析 根據(jù)質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，衰變方程為/RnT284PO+：He。根據(jù)衰tt變方程 m余=

16、m原&T，得 1 = 16X(2) )3.8，解得 t= 15 2 天。答案4He(或a)15.2微考點 3 核能的計算核心|微|講1. 核能產(chǎn)生的兩種方式(1) 重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂為兩個中等質(zhì)量的核，同時釋放出幾個中 子，并伴隨釋放巨大的能量。(2) 輕核聚變：某些輕核在一定條件下結合成質(zhì)量較大的核，同時釋放大量的能量，這個條件是幾百萬度以上的高溫。所以輕核聚變也稱為熱核反應。2. 核能的計算(1) 利用愛因斯坦質(zhì)能方程 圧=mc2，只要能計算出質(zhì)量虧損 如，就能計算出核 能。( (質(zhì)量虧損 如 的單位一般用 u,1 u= 1.66X1027kg,相當于 931.5 MeV 的

17、能量) )(2) 核反應過程同樣遵循能量守恒定律， 因此我們可以結合動量守恒定律和能量守 恒定律來計算核能。典 |例 |微 |探【例 3 假設兩個氘核在一直線上相碰發(fā)生聚變反應生成氦的同位素和中子，已知氘核的質(zhì)量是 2.013 6 u,中子的質(zhì)量是 1.008 7 u,氦核同位素的質(zhì)量是 3.015 0 u。(1) 聚變的核反應方程式是 _ ,在聚變核反應中釋放出的能量為_ MeVo(保留兩位有效數(shù)字) )(2) 若氚核和氦核發(fā)生聚變生成鋰核，反應方程式為+：He 3Li,已知各核子的 比結合能分別為 EH= 1.112 MeV、EHe= 7.075 MeV、ELi= 5.603 MeV，試求

18、此核反 應過程中釋放的核能?！窘忸}導思計算核反應中產(chǎn)生的能量的依據(jù)是什么？答：愛因斯坦的質(zhì)能方程。.解析 根據(jù)題中條件，可知核反應方程式為2H +2H 3He +0n。核反應過程中的質(zhì)量虧損：An= 2mH (mHe+ mn)= 2X2.013 6 u- (3.015+1.008 7)3u=3.5X10 u。由于 1 u 的質(zhì)量與 931.5 MeV 的能量相對應，所以氘核聚變時放出的能量：圧=3.5X10_3x931.5 MeV=3.3 MeV。（2）3H和4He 分解成 7 個核子所需的能量為Ei=3X1.112 MeV+4X7.075 MeV=31.636 MeV,7 個核子結合成3Li

19、,釋放的能量為E2=7X5.603 MeV=39.221 MeV,所以此核反應過程中釋放的核能為圧=E2一 E1=39.221 MeV 31.636 MeV= 7.585 MeV。答案（1）1H +1H -2He +0n 3.3（2）7.585 MeV題|組|微|練5（多選）關于原子核的結合能，下列說法正確的是 （）A .原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B. 重原子核衰變成a粒子和另一原子核，衰變產(chǎn)物的結合能之和一定大于原來 重核的結合能C .銫原子核 CCS）的結合能小于鉛原子核（282Pb）的結合能D .比結合能越大，原子核越不穩(wěn)定E.自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損

20、所對應的能量大于該原子核的結合能 解析 由原子核的結合能定義可知， 原子核分解成自由核子時所需的最小能量為 原子核的結合能，A項正確；重原子核的核子平均質(zhì)量大于輕原子核的平均質(zhì)量， 因此原子核衰變產(chǎn)物的結合能之和一定大于衰變前的結合能，B 項正確；銫原子核 的核子數(shù)少，因此其結合能小，C 項正確；比結合能越大的原子核越穩(wěn)定， D 項錯 誤。自由核子組成原子核時，其質(zhì)量虧損所對應的能量等于該原子核的結合能， E 項錯誤。答案 ABC6.（多選）科學家利用核反應獲取氚，再利用氘和氚的核反應獲得能量，核反應方程分別為 X + Y：He +1H +4.9 MeV 和?H +3H：He + X +17.

21、6 MeV。下列表述正 確的有（）A. X 是中子B. Y 的質(zhì)子數(shù)是 3,中子數(shù)是 6C .兩個核反應都沒有出現(xiàn)質(zhì)量虧損D .氘和氚的核反應是核聚變反應解析 根據(jù)核反應方程：1H +1H ：He+ X, X 的質(zhì)量數(shù)：mi= 2 + 3-4= 1,核電 荷數(shù)：zi= 1 +1-2= 0,所以 X 是中子，故 A 項正確；根據(jù)核反應方程：X + Y-4He+3H , X 是中子，所以 Y 的質(zhì)量數(shù)：m2= 4+ 3-1 = 6,核電荷數(shù)：Z2= 2+ 1-0 =3,所以 Y 的質(zhì)子數(shù)是 3,中子數(shù)是 3,故 B 項錯誤；根據(jù)兩個核反應方程可知， 都有大量的能量釋放出來，所以一定都有質(zhì)量虧損，故

22、C 項錯誤；氘和氚的核反應過程中是質(zhì)量比較小的核生成質(zhì)量比較大的新核，所以是核聚變反應，故D 項正確。答案 AD見學生用書 P188核反應中的綜合問題用素能培養(yǎng)1. 兩個守恒定律的應用若兩原子核發(fā)生核反應生成兩種或兩種以上的新生原子核過程中滿足動量守恒的條件，則mqV1+m2V2=m3V3+m4V4+若核反應過程中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為新生原子核的動能，由能量守恒得121212122m1V1+ m2V2+ 圧=Qm3v3+ m4V4+2. 原子核衰變過程中，a粒子、B粒子和新生原子核在磁場中的軌跡。(1)衰變中，a粒子和新生原子核在磁場中的軌跡外切，如圖甲所示。衰變中，B粒子和新生原子核在磁場中

23、的軌跡內(nèi)切，如圖乙所示。為 經(jīng)典考題 如圖所示，靜止在勻強磁場中的3Li 核俘獲一個速度為v0= 7.7X104m/s的中子而發(fā)生核反應， 泊+冷宀泊+2He,若已知2He 的速度為v2= 2.0X104m/s,其方向跟中子反應前的速度方向相同( (已知 mn= 1u, mHe= 4u, mH=3u)。求：(1)1H的速度是多大？(2) 在圖中畫出粒子1H 和4He 的運動軌跡，并求它們的軌道半徑之比。(3) 當粒子2He 旋轉(zhuǎn)了 3 周時，粒子3H 旋轉(zhuǎn)幾周？解析( (1)3Li 俘獲0n 的過程，系統(tǒng)動量守恒，則mnV0=mHV1+mHeV2,mnV0mHeV2mH代入數(shù)據(jù)得vi= -1.

24、0 x103m/s,負號表示跟vo的方向相反 (2)運動軌跡如圖所示。1H 和；He 在磁場中半徑之比為(3)3H和4He 的周期之比為mHV1:mHeV2Bq1：Bq=3 : 40。TH:=3 : 2,2 miH. 2mHe所以它們的轉(zhuǎn)速之比為nH:nHe=THe:TH=2:3。當a粒子轉(zhuǎn) 3 周時，氚核轉(zhuǎn)動 2 周。答案( (1)1 .ox103m/s,跟V0的方向相反(2)3 : 40 (3)2 周用對法對題1.(多選)一靜止的鋁原子核1【AI 俘獲一速度為 1 0X107m/s 的質(zhì)子 p 后，變?yōu)樘幱?激發(fā)態(tài)的硅原子核2：Si。下列說法正確的是( () )A .核反應方程為 p +2

25、7AlT18SiB.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(zhì)量等于反應物的質(zhì)量之和E.硅原子核速度的數(shù)量級為 105m/s，方向與質(zhì)子初速度的方向一致 解析 核反應方程滿足質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒，A 項正確；微觀粒子相互作用過程中，滿足動量守恒定律，B 項正確；題述核反應過程屬于“二合一”形式的完全 非彈性碰撞，機械能有損失，但對于封閉的系統(tǒng)，能量仍然守恒，C 項錯誤；核反應過程中的機械能有損失，故存在質(zhì)量虧損現(xiàn)象，D 項錯誤；硅原子質(zhì)量約是質(zhì)子 質(zhì)量的 28 倍，由動量守恒定律知，mv0= 28mv，所以硅原子核速度數(shù)量級為 105m

26、/s,方向與質(zhì)子初速度的方向一致，E 項正確。答案 ABE2.太陽中含有大量的氘核，因氘核不斷發(fā)生核反應釋放大量的核能，以光和熱的 形式向外輻射。已知氘核質(zhì)量為 2.013 6 u,氦核質(zhì)量為 3.015 0 u,中子質(zhì)量為 1.0087 u, 1 u 的質(zhì)量相當于 931.5 MeV 的能量。貝完成核反應方程：iH + 1H F_ +0n。(2) 求核反應中釋放的核能。(3) 在兩氘核以相等的動能 0.35 MeV 進行對心碰撞，并且核能全部轉(zhuǎn)化為機械能的 情況下，求反應中產(chǎn)生的中子和氦核的動能。解析(1)2He(2) E=mc2=(2x2.013 6 u 3 015 0 u1.008 7

27、u)x931.5 MeV=3.26 MeV。(3) 兩核發(fā)生碰撞時：0 = M v1 mv2,由能量守恒可得1212圧 + 2Ek= 2M v1+ qmv由以上兩式解得 EHe= 2Mv?= 0.99 MeV,12E中=mv2= 2.97 MeV。答案(1)2He (2)3.26 MeV(3) 0.99 MeV 2.97 MeV見學生用書 P1881.(多選)從一個小孔射出的a、B、丫三種射線沿同一直線進入同一勻強磁場或勻 強電場，這三種射線在場內(nèi)的徑跡情況有可能是( () )A .三條重合B.兩條重合C .三條分開D .a與B的徑跡一定分開解析 當三種射線沿磁場方向運動時，三種射線中粒子均不受洛倫茲力作用，保 持勻速直線運動狀態(tài)，三條徑跡重合，A 項正確；當三種射線入射方向與電場或磁 場方向不同時，丫射線不偏轉(zhuǎn)，a B粒子電性相反，向相反方向偏轉(zhuǎn)，三條徑跡 是分開的，C 項正確。答案 AC2. 下列說法正確的是( () )A .原子核的結合能是組成原子核的所有核子的能量總和B.所有核反應都遵從“質(zhì)量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒”的規(guī)律C.在天然放射現(xiàn)象中放出的B射線就是電子流，該電子是原子的內(nèi)層電子受激發(fā) 后輻射出來的D. 鐳 226 衰變?yōu)殡?222 的半衰期為 1620 年， 也就是說， 100 個鐳 226 核經(jīng)過