1、第3节 原子核及核反应-2-基础夯实 自我诊断 一、原子核的组成 天然放射现象 1.原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。质子带正电,中子不带电。(2)基本关系 核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数=核外电子数。质量数(A)=核子数=质子数+中子数。(3)X元素的原子核的符号为,其中A表示质量数,Z表示核电荷数。2.天然放射现象(1)天然放射现象 元素自发 地放出射线的现象,首先由贝克勒尔 发现。天然放射现象的发现,说明原子核具有复杂 的结构。X-3-基础夯实 自我诊断(2)三种射线 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离能力 贯穿本领 射线 氦核 24He+2e 4
2、 u 最强 最弱 射线 电子 -1 0e-e 11 840 u 较强 较强 射线 光子 0 0 最弱 最强 (3)放射性同位素的应用与防护 放射性同位素:有天然 放射性同位素和人工 放射性同位素两类,放射性同位素的化学性质相同。应用:消除静电、工业探伤、做示踪原子 等。防护:防止放射性对人体组织的伤害。-4-基础夯实 自我诊断 二、原子核的衰变、半衰期 1.原子核的衰变(1)原子核放出粒子或粒子,变成另一种原子核 的变化称为原子核的衰变,原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。(2)分类 衰变:X-2-4Y+24He 衰变:X+1 Y+-1 0e 衰变:当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生衰
3、变,有的发生衰变,同时伴随着辐射。(3)两个典型的衰变方程 衰变:92238U90234Th+24He 衰变:90234Th91234Pa+-1 0e-5-基础夯实 自我诊断 2.半衰期(1)定义:放射性元素的原子核有半数 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。三、裂变反应和聚变反应、核反应方程 1.重核裂变(1)定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程。(2)典型的裂变反应方程 92235U+01n3689Kr+56144Ba+301n。(3)链式反应:由重核裂变产
4、生的中子 使裂变反应一代接一代继续下去的过程。-6-基础夯实 自我诊断(4)临界体积和临界质量:裂变物质能够发生链式反应 的最小体积及其相应的质量。(5)裂变的应用:原子弹、核反应堆。(6)反应堆构造:核燃料、减速剂、镉棒、防护层。2.轻核聚变(1)定义:两个轻核结合成质量较大 的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行,因此又叫热核反应。(2)典型的聚变反应方程 12H+13H24He+01n+17.6 MeV-7-基础夯实 自我诊断 3.人工转变 卢瑟福发现质子:714N+24He817O+11H查德威克发现中子:24He+49Be612C+01n居里夫妇发现放射性同位素、正电子:132
5、7Al+24He1530P+01n 1530P1430Si+1 0e-8-基础夯实 自我诊断 四、核力和核能 1.核力 原子核内部 核子间所特有的相互作用力。2.核能(1)核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其对应的能量E=mc2。(2)原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加m,吸收的能量为E=mc2。3.核能释放的两种途径的理解(1)使较重的核分裂成中等大小的核;(2)较小的核结合成中等大小的核。核子的比结合能都会增大,都可以释放能量。-9-基础夯实 自我诊断 1.通过阅读教材说出放射性元素的衰变与原子核的人工转变有哪些不同和相同之处?提示衰变是原子核的自发变化,而人工转变是人工
6、控制的原子核的变化。它们在发生的过程中电荷数和质量数都守恒。2.在核反应堆中,用什么方法控制核裂变的速度?提示用控制棒(镉棒)来控制反应速度,若反应过于激烈,将控制棒插入深一些,让它多吸收一些中子,链式反应的速度就会慢一些。-10-基础夯实 自我诊断 1.物理学重视逻辑,崇尚理性,其理论总是建立在对事实观察的基础上。下列说法正确的是()A.天然放射现象说明原子核内部是有结构的 B.电子的发现使人们认识到原子具有核式结构 C.粒子散射实验的重要发现是电荷量是量子化的 D.密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的 答案 解析 解析 关闭天然放射现象中释放出了其他粒子,说明原子核内部具有一定的结构
7、,A正确;电子的发现使人们认识到,原子是可以分割的,是由更小的微粒组成的,B错误;粒子散射实验否定了汤姆孙提出的枣糕式原子模型,建立了核式结构模型,C错误;密立根油滴实验测定了电子的电荷量,D错误。答案 解析 关闭AB-11-基础夯实 自我诊断 2.下列核反应方程中,属于衰变的是()A.714N+24He817O+11HB.92238U90234Th+24HeC.12H+13H24He+01nD.90234Th91234Pa+-1 0e 答案 解析 解析 关闭 衰变是重核自发地放出 粒子的天然放射现象,粒子就是 24He,所以 B正确;A为原子核的人工转变,C 为轻核的聚变,D是 衰变,故 A
8、、C、D 皆错误。答案 解析 关闭B-12-基础夯实 自我诊断 3.雷蒙德戴维斯因研究来自太阳的电子中微子(c)而获得诺贝尔物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)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 c+1737Cl1837Ar+-1 0e。已知氯原子核 1737Cl 的质量为 36.956 58 u,氩原子核 1837Ar 的质量为 36.956 91 u,-1 0e的质量为0.000 55 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV。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为()A.0.82 M
9、eV B.0.31 MeV C.1.33 MeV D.0.51 MeV 答案 解析 解析 关闭最小质量对应着最小能量,中微子的最小质量应为36.956 91 u+0.000 55 u-36.956 58 u=0.000 88 u,根据质能方程E=mc2,可知中微子最小能量是E=0.000 88931.5 MeV=0.820 MeV,选项A正确。答案 解析 关闭A-13-考点一 考点二 考点三 考点一 原子核的衰变 半衰期(师生共研)1.衰变规律及实质(1)衰变、衰变的比较 衰变类型 衰变 衰变 衰变方程 ZAXZ-2A-4Y+24He ZAXZ+1AY+-10 e 衰变实质 2 个质子和 2
10、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 211H+201n24He 01n11H+-10 e 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 -14-考点一 考点二 考点三(2)射线:射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的。其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中,产生的新核由于具有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。2.确定衰变次数的方法 因为衰变对质量数无影响,所以先由质量数的改变确定衰变的次数,然后再根据衰变规律确定衰变的次数。3.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自身因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、
11、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关。(1)公式:N 余=N 原 12,m 余=m 原 12。-15-考点一 考点二 考点三 例1(多选)关于天然放射性,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.、和三种射线中,射线的穿透能力最强 答案 解析 解析 关闭只有原子序数超过83的元素才能发生衰变,选项A错误;半衰期由原子核内部的结构决定,与外界温度无关,与其所处的化学状态无关,选项B、C正确;、三种射线中,射线能量最高,穿透能力最强,选项D正确。答案 解析 关闭BCD-16-考点一 考点二 考点三
12、 例 2(1)(多选)90232Th(钍)经过一系列 衰变和 衰变,变成 82208Pb(铅),下列说法正确的是()A.铅核比钍核少8个质子 B.铅核比钍核少16个中子 C.共经过4次衰变和6次衰变 D.共经过6次衰变和4次衰变 答案 解析 解析 关闭(1)设衰变次数为x,衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x90=82+2x-y解得x=6,y=4,C错,D对。铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对。铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对。答案 解析 关闭ABD-17-考点一 考点二 考点三(2)约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了 1935 年的诺贝尔
13、化学奖。他们发现的放射性元素 1530P 衰变成 1430Si 的同时放出另一种粒子,这种粒子是 。1532P 是 1530P 的同位素,被广泛应用于生物示踪技术。1 mg 的 1532 P 随时间衰变的关系如图所示,请估算 4 mg 的 1532P 经多少天的衰变后还剩 0.25 mg?答案 解析 解析 关闭(2)写出衰变方程 1530P1430Si+1 0e,故这种粒子为+1 0e(正电子)由 m-t 图知 1530P 的半衰期为 14 天,由 m 余=m 原(12)得,0.25 mg=4 mg(12)14,故 t=56 天。答案 解析 关闭(2)正电子(+1 0e)56 天-18-考点一
14、 考点二 考点三 方法归纳衰变次数的计算方法 若 XY+24He+-1 0e则A=A+4n,Z=Z+2n-m 解以上两式即可求出m和n。-19-考点一 考点二 考点三 突破训练 1.放射性同位素钍232经、衰变会生成氡,其衰变方程为Rn+x+y,其中()A.x=1,y=3B.x=2,y=3 C.x=3,y=1D.x=3,y=2 90232Th86220 答案 解析 解析 关闭根据衰变方程左右两边的质量数和电荷数守恒,可列方程 232=220+4,90=86+2-,解得 x=3,y=2,故选项 D 正确。答案 解析 关闭D-20-考点一 考点二 考点三 考点二 核反应方程及核反应类型(师生共研)
15、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 92238U90234Th+24He 衰变 自发 90234Th91234Pa+-1 0e 人工转变 人工控制 714N+24He817O+11H(卢瑟福发现质子)24He49Be612C+01n(查德威克发现中子)1327Al+24He1530P+01n 约里奥居里夫妇发现放射性同位素,同时发现正电子 1530P1430Si+1 0e -21-考点一 考点二 考点三 类 型 可控性 核反应方程典例 重核裂变 容易控制 92235U+01n56144Ba+3689Kr+301n 92235U+01n54136Xe+3890
16、Sr+1001n 轻核聚变 很难控制 12H+13H24He+01n -22-考点一 考点二 考点三 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(11H)、中子(01n)、粒子(24He)、粒子(-1 0e)、正电子(+1 0e)、氘核(12H)、氚核(13H)等。(2)掌握核反应方程遵守的规律,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。-23-考点一 考点二 考点三 例3(1)关于核衰变和核反应的类型,下列表述正确的有 。A.9
17、2238U90234Th+24He 是重核裂变B.714N+24He817O+11H 是轻核聚变C.12H+13H24He+01n 是 衰变D.3482Se3682Kr+2-1 0e 是 衰变(2)现有四个核反应:A.12H+13H24He+01nB.92235U+01nX+3689Kr+301nC.1124Na1224Mg+-10 eD.24He+49Be612C+01n 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。B项中X的质量数为 ,中子数为 。答案 解析 解析 关闭(1)A为衰变,B为原子核的人工转变,C为轻核聚变,D为衰变,故只有D正确。(2)D
18、为查德威克发现中子的核反应方程;B是研究原子弹的基本核反应方程;A是研究氢弹的基本核反应方程;C是一种衰变反应。X的质量数为(235+1)-(89+3)=144X的质子数为92-36=56X的中子数为144-56=88。答案 解析 关闭(1)D(2)D B A 144 88-24-考点一 考点二 考点三 规律总结1.核反应的四种类型:衰变、人工转变、裂变和聚变。2.核反应过程一般是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头连接并表示反应方向,不能用等号连接。3.核反应的生成物一定要以实验为基础,不能只依据两个守恒规律凭空杜撰。4.核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应前后的总质量一般会发生变化
19、。-25-考点一 考点二 考点三 突破训练 2.(多选)科学家使用核反应获取氚,再利用氘和氚的核反应获得能量,核反应方程分别为和,下列表述正确的有()A.X是中子 B.Y的质子数是3,中子数是6 C.两个核反应都没有质量亏损 D.氘和氚的核反应是核聚变反应 X+Y24He+13H+4.9 MeV 12H+13H24He+X+17.6 MeV 答案 解析 解析 关闭核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒,则由给出的核反应方程知 X 的电荷数为 0,质量数为 1,是中子;Y 的质子数是 3,中子数也是 3,即 Y 是 36Li,选项 A 正确,选项 B 错误;两个核反应都释放出核能,故都有质量亏损
20、,选项 C 错误;36Li+01n24He+13H+4.9 MeV 是原子核的人工转变,12H+13H24He+01n+17.6 MeV 为轻核聚变,选项 D 正确。答案 解析 关闭AD-26-考点一 考点二 考点三 考点三 核力与核能(师生共研)1.应用质能方程解题的流程图 书写核反应方程计算质量亏损m利用E=mc2计算释放的核能(1)根据E=mc2计算时,m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”。(2)根据E=m931.5 MeV计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”。2.根据比结合能来计算核能:原子核的结合能=比结合能核子数。-27-考点一 考点二 考点三 例4(
21、多选)关于原子核的结合能,下列说法正确的是()A.原子核的结合能等于使其完全分开成自由核子所需的最小能量 B.一重原子核衰变成粒子和另一原子核,衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能 C.铯原子核(55133Cs)的结合能小于铅原子核(82208Pb)的结合能D.比结合能越大,原子核越不稳定 答案 解析 解析 关闭原子核分开成自由核子时,需要的最小能量就是原子核的结合能,选项A正确;重核衰变时释放能量,衰变产物更稳定,即衰变产物的比结合能更大,衰变前后核子数不变,所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能,选项B正确;铯核的核子数比铅核的核子数少,其结合能也小,选项C正确;比结合能
22、越大,原子核越稳定,选项D错误。答案 解析 关闭ABC-28-考点一 考点二 考点三 例5一个静止的氡核放出一个粒子后衰变为钋核,同时放出能量为E=0.09 MeV的光子。假设放出的核能完全转变为钋核与粒子的动能,不计光子的动量。已知M氡=222.086 63 u、m=4.002 6 u、M钋=218.076 6 u,1 u相当于931.5 MeV的能量。(1)写出上述核反应方程。(2)求出发生上述核反应放出的能量。(3)确定钋核与粒子的动能。86222Rn 84218Po 答案 解析 解析 关闭(1)86222Rn84218Po+24He+(2)质量亏损 m=222.086 63 u-4.0
23、02 6 u-218.076 6 u=0.007 43 uE=mc2=0.007 43931.5 MeV=6.92 MeV。(3)设 粒子、钋核的动能分别为 Ek、Ek 钋,动量分别为 p、p 钋,由能量守恒定律得 E=Ek+Ek 钋+E不计光子的动量,由动量守恒定律得:0=p+p 钋又 Ek=22,故 EkEk 钋=2184联立解得 Ek 钋=0.12 MeV,Ek=6.71 MeV。答案 解析 关闭(1)86222Rn84218Po+24He+(2)6.92 MeV(3)0.12 MeV 6.71 MeV-29-考点一 考点二 考点三 思维点拨1.质量亏损放出的能量等于新核动能、粒子动能与
24、光子能量之和。2.不计光子的动量,新核与粒子总动量等于衰变前氡核的动量。特别提醒1.在动量守恒方程中,各质量都可用质量数表示。2.只有利用E=mc2时,才考虑质量亏损,在动量和能量守恒方程中,不考虑质量亏损。-30-考点一 考点二 考点三 突破训练 3.(2016江苏淮安模拟)1930年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒子加速器,他们获得了高速运动的质子,用来轰击静止的锂Li)原子核,形成一个不稳定的复合核后又分解成两个相同的原子核。(1)写出核反应方程式。(2)已知质子的质量为m,初速度为v0,反应后产生的一个原子核速度大小为v0,方向与质子运动方向相反,求反应后产生的另一个原子核的速度以及反应过程中释放的核能(设反应过程释放的核能全部转变为原子核的动能)。7(37 34 答案 解析 解析 关闭(1)根据题意和核反应规律,则有 37Li+11H224He。(2)由动量守恒定律得 mv0=-34v04m+4mv,解得 v=v0释放的核能为 E=12(4m)v2+124m 34 0 212 02解得 E=218 02。答案 解析 关闭(1)37Li+11H224He(2)v0 218 02
