1、第3讲 放射性元素的衰变 核能【知识梳理】知识点1 原子核的组成、放射性 放射性同位素 射线的危害和防护 1.天然放射现象:放射性元素自发地发出射线的现象,首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现,说明了 _具有复杂的结构。原子核 2.三种射线的比较:名称 项目 射线 射线 射线组 成高速氦 核流_ _光子流(高频电磁波)带电量2e-e0质 量4mp静止质量 为零符 号_ pm1 83642He01e高速 电子流 名称 项目 射线 射线 射线速 度可达0.1c可达0.99c_垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转_贯穿本领最弱较强_对空气的 电离作用很强较弱_c 不偏转 最强 很弱 3.原子核的组
2、成:(1)原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为 _。质子带正电,中子不带电。(2)原子核中的两种数量关系:核电荷数=_(Z)=元素的_=核外电子数 质量数(A)=_=质子数+中子数(3)X元素的原子核的符号为 ,其中A表示_,Z表示_。AZ X核子 质子数 原子序数 核子数 质量数 核电荷数 4.放射性同位素的应用与保护:(1)同位素:具有相同_和不同中子数的原子核。(2)放射性同位素:有_放射性同位素和_放射 性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。(3)应用:消除静电、工业探伤、作_等。(4)防护:防止放射性对人体组织的伤害。质子数 天然 人工 示踪原子 知识点2 原子核的衰变、半衰
3、期 1.原子核的衰变:(1)原子核放出_,变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。粒子或 粒子(2)分类:衰变:衰变:辐射:当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生 衰变,有的发生 衰变,同时伴随着 辐射。AA 4ZZ 2XY_42HeAAZZ 1XY_01e(3)两个典型的衰变方程。衰变:衰变:238234492902UThHe;234234090911ThPae。2.半衰期:(1)定义:放射性元素的原子核有_发生衰变所需的时间。(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由核_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。半数 内部 知识点3 核力、结合能、质量亏损 1.核力:(
4、1)定义:原子核内部_间特有的相互作用力。(2)核力的特点:是强相互作用的一种表现;是_力,作用范围在1.510-15m之内;每个核子只能与_发生核力作用。核子 短程 与其相邻的核子 2.结合能:核子结合为原子核时_或原子 核分解为核子时_,叫作原子核的结合能,也称核能。释放的能量 吸收的能量 3.比结合能:(1)定义:原子核的结合能与_之比,称作比结 合能,也叫平均结合能。(2)特点:不同原子核的比结合能不同,原子核的比结 合能越_,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核 越稳定。核子数 大 4.质能方程、质量亏损:爱因斯坦质能方程_,原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小 m,这就是质量
5、亏损。由质量亏损可求出释放的核 能_。E=mc2 E=mc2 知识点4 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆 核反应方程 1.重核裂变:(1)定义:_受到高能粒子的轰击 而分裂成几个_的过程。质量数较大的原子核 质量数较小的原子核(2)特点:裂变过程中释放出_;裂变的同时能够释放出23(或更多)个_;裂变的产物不是唯一的。对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小。巨大的能量 中子(3)典型的裂变反应方程:(4)链式反应:由重核裂变产生的_使裂变反应一代接一代继续下去的过程。235189144192036560UnKrBa3 n。中子(5)临界体积和临界质量:裂变物质能够发
6、生 _的最小体积及其相应的质量。(6)裂变的应用:_、核反应堆。(7)反应堆构造:核燃料、减速剂、_、防护层。链式反应 原子弹 镉棒 2.轻核聚变:(1)定义:两轻核结合成_的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫_。质量较大 热核反应(2)特点。聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能 量,比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍。聚变反应比裂变反应更剧烈。对环境污染较少。自然界中聚变反应原料丰富。(3)典型的聚变反应方程:3.人工转变:(1)卢瑟福发现质子:_。(2)查德威克发现中子:_。23411120HHHen17.6 MeV1441717281NHeOH941214
7、260BeHeCn【易错辨析】(1)、三种射线,射线的电离作用最 强。()(2)、三种射线,射线的穿透能力最 强。()(3)玻尔发现电子并提出了原子的核式结构模 型。()(4)假如有18个某种放射性元素的原子核,经过一个 半衰期,一定是有9个原子核发生了衰变。()(5)衰变的电子来源于原子核外的电子。()(6)高温、高压的情况下,原子核的半衰期将会变 短。()(7)爱因斯坦的质能方程反映了物质的质量就是能量,它们之间可以相互转化。()提示:(1)。、三种射线中射线的电离本领最强。(2)。射线的穿透能力最强。(3)。卢瑟福做了粒子散射实验并提出了原子的核式结构模型,而玻尔提出了原子理论。(4)。
8、对于半衰期是具有统计规律的,只有大量原子核才有意义。(5)。衰变是原子核的衰变,衰变中的电子来源于原子核中的中子。(6)。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。(7)。爱因斯坦的质能方程不能说明能量和质量之间存在相互转化的关系,只是说明一定质量的物体会有相应数量的能量,系统能量较少时,其质量也相应较少。考点1 原子核的衰变 半衰期【核心要素精讲】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 AA 44ZZ 22XYHeAA0ZZ 11XYe1141022 H2
9、 nHe110011nHe衰变类型 衰变 衰变匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.半衰期:(1)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)半衰期表示放射性元素衰变的快慢,不同的放射性元素其半衰期不同。(3)半衰期描述的对象是大量的原子核,不是单个原子核,这是一个统计规律。(4)一种元素的半衰期与这种元素是以单质形式还是 以化合物形式存在无关,且加压、增温均不会改变。(5)要理解半衰期表达式中各物理量的含义,在表达 式m=(m0中,m是指剩余的原子核的质量,而不是 衰变的质量。t1()2【高考命题探究】【典例1】下列有关原子结构和原子核的认
10、识,其中正 确的是 世纪金榜导学号42722264()A.射线是高速运动的电子流 B.氢原子辐射光子后,其绕核运动的电子动能增大 C.太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变 D.的半衰期是5天,100克 经过10天后还剩下 50克 21083 Bi21083 Bi【解析】选B。射线是高速电子流,而射线是一种 电磁波,选项A错误。氢原子辐射光子后,绕核运动的电 子距核更近,动能增大,选项B正确。太阳辐射能量的主 要来源是太阳内部氢核的聚变,选项C错误。10天为两 个半衰期,剩余的 为100 g=100()2g=25 g,选项D错误。21083 Bit1()212【强化训练】1.(多选)天然
11、放射性元素 (钍)经过一系列 衰 变和 衰变之后,变成 (铅)。下列论断中正确的 是()A.铅核比钍核少24个中子 B.铅核比钍核少8个质子 C.衰变过程中共有4次 衰变和8次 衰变 D.衰变过程中共有6次 衰变和4次 衰变 23290 Th20882 Pb【解析】选B、D。铅核核子数比钍核核子数少24个,而不是中子数少24个,A项错误;铅核质子数为82,钍 核质子数为90,故铅核比钍核少8个质子,B项正确;钍 核的衰变方程为:式中x、y 分别为和的衰变次数。由质量数守恒和电荷数守 恒,有4x+208=232,2x-y+82=90,联立两式得x=6,y=4,即衰变过程中共有6次衰变和4次衰变,
12、C项错误,D项正确。23220840908221ThPbx Hey e，2.(多选)关于放射性元素的半衰期,下列说法正确的 有()A.是原子核质量减少一半所需的时间 B.是原子核有半数发生衰变所需的时间 C.把放射性元素放在密封的容器中,可以减小放射性元素的半衰期 D.可以用于测定地质年代、生物年代等【解析】选B、D。原子核衰变后变成新核,新核与未衰变的核在一起,故半衰期并不是原子核的数量、质量减少一半,故A错误,B正确;衰变快慢由原子核内部因素决定,与原子所处的物理状态或化学状态无关,常用其测定地质年代、生物年代等,故C错误,D正确。【加固训练】已知镭的原子序数是88,原子核质量数是226。
13、试问:(1)镭核中有几个质子?几个中子?(2)镭核所带的电荷量是多少?(3)若镭原子呈中性,它核外有几个电子?(4)是镭的一种同位素,让 以相同速度垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中,它们运动的轨道半径之比是多少?22888 Ra2262288888RaRa和【解析】原子序数与核内质子数、核电荷数、中性原子的核外电子数都是相等的。原子核的质量数等于核内质子数与中子数之和。由此可得:(1)镭核中的质子数等于其原子序数,故质子数Z为88,中子数N等于原子核的质量数A与质子数Z之差,即 N=A-Z=226-88=138。(2)镭核所带电荷量为 Q=Ze=881.610-19C=1.4110-17C。
14、(3)核外电子数等于核电荷数,故核外电子数为88。(4)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的向心力 为洛伦兹力,故有qvB=,故r=两种同位素具有相同的核电荷数,但质量数不同,故 2vm rmvqB。226228r226113r228114。答案:(1)88 138(2)1.4110-17C(3)88(4)113114 考点2 核反应类型与核反应方程 【核心要素精讲】1.核反应的四种类型:类 型可控性核反应方程典例衰变 衰变自发 衰变自发 238234492902UThHe234234090911ThPae类 型可控性核反应方程典例人工转变人工 控制 (卢瑟福发现质子)(查德威克发现中子)(约
15、里奥 居里夫妇 发现放射 性同位素 及正电子)1441717281NHeOH491212460HeBeCn274301132150AlHePn3030015141PSie类 型可控性核反应方程典例重核裂变比较容易 进行人工 控制 轻核聚变目前无法 控制 235114489192056360UnBaKr3 n235113690192054380UnXeSr10 n23411120HHHen2.核反应过程一般是不可逆的,书写核反应方程不能用等号,只能使用单向箭头“”连接,并表示反应方向。3.核反应过程遵循质量数守恒,而不是质量守恒,核反应过程中伴随着能量的巨大变化,反应前后质量会变化,一般质量会亏
16、损。4.核反应过程中遵循电荷数守恒原理。【高考命题探究】【典例2】(2016全国卷)在下列描述的核过程的方程中,属于 衰变的是_,属于 衰变的是_,属于裂变的是_,属于聚变的是_。世纪金榜导学号42722265 141406713232015161238234492902144171728123511409419205438032411120A.CNeB.PSeC.UThHeD.NHeOHE.UnXeSr2 nF.HHHen【解析】原子核发生 衰变会产生一个新核和 He,所以选项C是 衰变;原子核发生 衰变会产生一个新 核和 e,所以A、B选项为 衰变;重核被轰击后,发生 裂变会产生几个质量差
17、不多的新核,所以选项E为裂变;两个轻核结合成质量较大的核的核反应,为核聚变,所 以选项F为核聚变。答案:C A、B E F 4201【迁移训练】迁移1:人工核反应 用中子轰击锂核（Li)发生核反应,产生氚核和 粒子并放出4.8 MeV的能量,则该核反应方程为 _,上述反应中的质量亏损为_kg。(保留两位有效数字)63【解析】由题得核反应方程为 释放的能量E=4.8MeV,因E=mc2得 m=8.510-30kg。答案:8.510-30 61343012LinHHe619282E4.8 101.6 10 kgc(3 10)61343012LinHHe迁移2:重核裂变(多选)一个 原子核在中子的轰
18、击下发生一种可 能的裂变反应,其裂变方程为 则下列说法正确的是()23592 U2351941920380UnXSr2 n，A.X的原子核中含有86个中子 B.X的原子核中含有141个核子 C.因为裂变释放能量,根据E=mc2,所以裂变后的总质量数增加 D.因为裂变释放能量,出现质量亏损,所以裂变后的总质量减少【解析】选A、D。设X的原子核中含有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正确;根据A选项的论述可知X含有质量数为140,即 核子数为140,故B错误;裂变反应过程中质量数
19、守恒,质 量数不会增加,裂变过程存在质量亏损,质量不守恒,故 C错误;因为裂变释放能量,出现质量亏损,所以裂变后 的总质量减少,故D正确。迁移3:轻核聚变(多选)(2017太原模拟)月球土壤里大量存在着一种 叫作“氦3()”的化学元素,是核聚变的重要原料 之一。科学家初步估计月球上至少有100万吨“氦3”,如果相关技术开发成功,将可为地球带来取之不尽的 能源。关于“氦3”与“氘核()”聚变生成“氦 4()”,下列说法中正确的是()32He21 H42HeA.该核反应方程式为 B.核反应生成物的质量将大于参加的反应物的质量 C.该核反应出现质量亏损,释放能量 D.因为“氦3”比“氦4”的比结合能
20、小,所以“氦3”比“氦4”稳定 32412121HeHHeH【解析】选A、C。该核反应方程为 电荷数守恒,质量数守恒,故A正确;关于“氦3（)”与“氘核（)”聚变生成“氦4()”和质子,有 大量的能量放出,根据爱因斯坦质能方程,知有质量亏 损,生成物的质量小于参加的反应物的质量,故B错误,C正确;比结合能越大,原子核越稳定,故D错误。32412121HeHHeH,32He21 H42He考点3 核能 【核心要素精讲】1.获得核能的途径:(1)重核裂变:重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程。重核裂变的同时放出几个中子,并释放出大量核能。为了使铀235裂变时发生链式反应,铀块的体积
21、应大于它的临界体积。(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。2.核能的计算方法:(1)根据 E=mc2计算核能,m的单位是kg,c的单位是m/s,E的单位是J。(2)根据 E=m931.5MeV计算核能,m的单位是u,u是原子质量单位,其中1u相当于931.5MeV的能量,E的单位是MeV。(3)根据平均结合能计算核能,原子核的结合能=平均结合能核子数。(4)可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能,此时应该注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用。【高考命题探究】【典例3】(
22、多选)关于近代物理学的结论中,下面叙述中正确的是 世纪金榜导学号42722266()A.比结合能越小,表示原子核中的核子结合得越牢固 B.衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的 C.一个氘核(H)与一个氚核(H)聚变生成一个氦 核(He)的同时,放出一个中子 D.按照玻尔理论,氢原子核外电子从半径较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时,电子的动能减小,原子总能量也减小 213142【思考探究】(1)比结合能_,表示原子核中核子结合得越牢 固,原子核越稳定。(2)衰变所释放的电子是原子核内的_转化成 _和_所产生。(3)根据爱因斯坦质能方程判断_和_结合成 一个 粒子,释放的能量。越
23、大 中子 质子 电子 质子 中子【解析】选B、C。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,A错误;衰变所释放的电 子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生,B正确;根据质量数守恒和电荷数守恒知:一个氘核(H)与一 个氚核(H)聚变生成一个氦核(He)的同时,放出一 个中子,C正确;按照玻尔理论,氢原子核外电子从半径 较小的轨道跃迁到半径较大的轨道时,电子的动能减 小,原子总能量增大,D错误。213142【强化训练】1.(多选)如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象,下列说法中正确的是()A.若原子核D和E结合成F,结合过程一定会吸收核能 B.若原子核D和E结合
24、成F,结合过程一定会释放核能 C.若原子核A分裂成B和C,分裂过程一定会吸收核能 D.若原子核A分裂成B和C,分裂过程一定会释放核能【解析】选B、D。D和E结合成F,属于轻核的聚变,有质量亏损,根据爱因斯坦质能方程,有能量释放,故A错误,B正确;若A能分裂成B和C,则属于重核的裂变,分裂过程有质量亏损,一定要释放能量,故C错误,D正确。2.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为41026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近()世纪金榜导学号42722267 A.1036kg B.1018kg C.1013kg D.109kg【解析】选D。根
25、据E=mc2得:m=4.4109kg,故D正确,A、B、C错误。26282E4 10 kgc(3 10)【加固训练】(多选)(2017兰州模拟)对于核能发电,下列说法正确的是()A.核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量污染物到大气中,所以不会造成空气污染 B.目前世界上所有的核电站采用的都是原子核裂变反应释放能量 C.不同国家科技发展存在差异,所以核电站有些采用原子核裂变反应,有些采用聚变反应 D.核电站产生的核废料仍具有放射性,但只要经过恰当处理,过几年就安全了【解析】选A、B。核能发电只有核废料,不会对空气造成污染,故A正确;目前核电站都采用铀核的裂变反应释放能量,故B正确,C错误;核电站产生的核废料仍具有放射性,即使经过恰当处理,仍不安全,故D错误。