1、选修 3-5 第十六章 原子结构 原子核第二讲 放射性元素的衰变 核能考点知识诊断 热点题型探究 难点能力突破 课后作业 考点知识诊断知识清单一、天然放射现象1天然放射现象贝克勒尔发现天然放射现象，揭开了人类研究原子核结构的序幕通过对无数放射现象的研究，人们发现了原子序数大于的所有天然存在的元素都有放射性，原子序数小于的天然存在的元素有些也有放射性，它们放射出来的射线共有三种1 832 832三种射线(1)射线：速度为光速 110的氦核流，作用弱，作用很强不能穿透薄纸或薄铝箔(2)射线：速度约为光速 99%的电子流，作用很强，作用较弱能穿透几毫米的铝板(3)射线：速度为光速的光子流(波长极短的
2、)，贯穿作用最强，电离作用很弱能穿透几厘米的铅板3 贯穿4 电离5 贯穿6 电离7 电磁波二、原子核的人工转变 用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程，即AZXxAZYy其中AZX 是靶核的符号，x 为入射粒子，AZY 是新核，y是放射出粒子的符号11919 年，卢瑟福发现质子的核反应方程为14 7N42He178O11H衰变规律可用公式 NN02t 或 mm02t 表示式中的 N0，m0 表示元素在 t0 时的原子核数、质量，为半衰期，N、m 表示这种元素的原子核在经过时间 t 后尚未衰变的原子核数与质量21932 年，查德威克发现中子的核反应方程为94Be42He126 C10n31
3、934 年，约里奥居里夫妇发现了放射性同位素核反应方程为2713Al42He3015P10n3015P3014Si01e原子核的人工转变使人们推知原子核的组成：由质子和中子组成核电荷数质子数、质量数质子数中子数原子核反应遵守和守恒8 质量数9 电荷数三、原子核的衰变原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化1衰变：衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)，每发生一次衰变，新元素与原元素比较，核电荷数减少，质量数减少，即AZXA4Z2Y42He.10 211 42 衰变：衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子每发生一次 衰变，新元素与原元
4、素比较，核电荷数增加，质量数不变即AZX AZ1Y 01e.12 13 衰变：衰变是伴随着 衰变和 衰变同时发生的，衰变不改变原子核的电荷数和质量数4半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处在物理状态和化学状态无关四、核能1核力：相邻核子之间的作用力(1)核力与核子是否带电无关，质子与质子之间、质子与中子之间、中子与中子之间都可以有核力作用(2)核力是短程力，只在m 的极短距离内有核力作用，超过这个距离，核力就迅速减小为零由于质子和中子的半径约为m，所以每个核子只能跟它的相邻的核子间才有力的作用(3)核力是很强的力13 1.51
5、01514 0.810152核能由于原子核中的核子间存在强大的核力，使得原子核成为一个坚固的集合体，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，要把核子集合成一个原子核，就要放出巨大的能量单个核子结合成原子核或原子核分裂成单个核子，放出或吸收的能量叫原子核的15 结合能3质能方程(1)质量亏损：组成原子核的核子质量与原子核的质量之差叫(2)质能方程：一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即 E.16 质量亏损17 mc2核子在结合成原子核时出现质量亏损 m，其能量也要相应地减少，即 Emc2.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
6、Emc2.4核能的计算根据 1 原子质量单位(u)相当于 931.5meV 能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以 931.5meV，即 Em931.5meV.注意该式中 m 单位是 u，E 单位的是 MeV.5核能的利用途径(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个(或多个)中等质量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：铀块的体积应大于它的体积如：235 92U10n9236Kr141 56Ba310n.18 临界(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核，同时释放出大量核能的反应过程，要想使氘核和氚核结合成氦核，必
7、须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应，如：21H31H42He10n.考点诊断1.下面列出的是一些核反应方程：3015P3014SiX，94Be21H10 5BY；42He42He73LiZ，其中()AX 是质子，Y 是中子，Z 是正电子BX 是正电子，Y 是质子，Z 是中子CX 是中子，Y 是正电子，Z 是质子DX 是正电子，Y 是中子，Z 是质子解析 根据核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒的规律，可知题中所涉及的各粒子为01X正电子，10Y中子，11Z质子，可知正确选项为 D.答案 D2从235 92U 衰变为207 82Pb，要经过 衰变和 衰变的次数是()A14 次
8、衰变和 10 次 衰变B7 次 衰变和 4 次 衰变C10 次 衰变和 14 次 衰变D4 次 衰变和 7 次 衰变解析 设 衰变和 衰变的次数分别为 x 和 y，则4x235207 质量数守恒2xy9282 电荷数守恒解得 x7，y4，故选 B.答案 B3近段时间，朝鲜的“核危机”引起了全球的瞩目，其焦点问题就是朝鲜核电站采用轻水堆还是重水堆，重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚 239(239 94Pu)，这种239 94Pu 可由铀 239(239 92U)经过 n 次 衰变而产生，则n 为()A2 B239C145 D92答案 A4现已建成的核电站发电的能量来自于()
9、A天然放射性元素衰变放出的能量B人工放射性同位素放出的能量C重核裂变放出的能量D化学反应放出的能量解析 现在核电站所用原料主要是铀，利用铀裂变放出的核能发电，故 C 项正确答案 C5下列关于原子和原子核的说法正确的是()A 衰变现象说明电子是原子核的组成部分B玻尔理论的假设之一是原子能量的量子化C放射性元素的半衰期随温度的升高而变短D比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固解析 原子核是由质子和中子组成的，衰变是核内中子转变成为质子同时生成电子，即 粒子，故 A 错；半衰期由原子核本身决定，与外界环境因素无关，C 错；比结合能越大表示原子核中核子结合得越牢固，D 错；玻尔提出的氢原子能级不连
10、续就是原子能量量子化，B 对答案 B热点题型探究题型归纳题型一衰变次数的确定【例 1】放射性元素钚核244 94Pu 经过多少次、衰变后将变成铅核208 82Pb？钚核比铅核多多少个质子和中子？此衰变的全过程中共损失了多少个中子？解析 设此过程中发生了 x 次 衰变，y 次 衰变，则衰变方程可以写成如下式244 94Pux42Hey 01e208 82Pb根据衰变中的电荷数守恒与质量数守恒建立下面方程2444x208942xy82 解之得 x9，y6故此过程经历了 9 次 衰变与 6 次 衰变钚核244 94Pu 的质子数为 94、中子数为 150，铅核208 82Pb 的质子数为 82、中子
11、数为 126，故它们的质子数相差 12、中子数相差 24.此核反应的全过程中各部分的中子数如下式 244 94Pu942He7 01e208 82Pb中子数 150 18 0 126由此可见反应前中子数为 150，反应后的中子总数为 18126144，故此过程中损失了 6 个中子答案 9 次 衰变，6 次 衰变 多 12 个质子、24 个中子 6 个中子变式训练 1 原子核238 92U 经放射性衰变变为原子核234 90Th，继而经放射性衰变，变为原子核234 91Pa，再经放射性衰变，变为原子核234 92U.放射性衰变、和依次为()A 衰变、衰变和 衰变B 衰变、衰变和 衰变C 衰变、衰
12、变和 衰变D 衰变、衰变和 衰变解析 由电荷数守恒与质量数守恒可分别写出衰变为238 92U234 90Th42He，衰变为234 90Th234 91Pa 01e，衰变为234 91Pa234 92U 01e，故知正确答案为 A.答案 A题型二半衰期的理解应用【例 2】14C 是一种半衰期为 5730 年的放射性同位素若考古工作者探测到某古树中 14C 的含量为原来的14，求古树的死亡时间解析 考查半衰期的理解应用假设古树死亡时的质量为 m0，现在的质量为 m，设死亡时间至今经历的时间为半衰期 n 倍，由题意可知 mm0(12)n14，所以 n2，古树死亡的时间为 57302 年11460
13、年前答案 11460 年前点评 正确理解半衰期的概念是解题关键变式训练2 一个氡核222 86Rn衰变成钋核218 84Po并放出一个粒子，其半衰期为 3.8 天.1 g 氡经过 7.6 天衰变掉氡的质量，以及222 86Rn 衰变成218 84Po 的过程放出的粒子是()A0.25 g，粒子 B.0.75 g，粒子C0.25 g，粒子D0.75 g，粒子解析 氡核半衰期为 3.8 天，7.6 天为 2 个半衰期，所以1 g 氡 7.6 天衰变掉的质量为 1 g12(1 g12)120.75 g由222 86Rn218 84Po42He 知222 86Rn 衰变成218 84Po 的过程中放出
14、的粒子是42He 即 粒子，所以 B 正确答案 B题型三核反应方程【例 3】现有三个核反应：2411Na2412Mg 01e；235 92U10nX9438Sr210n；21H31H42He10n.(1)求中 X 的质量数和中子数(2)判断以上三个核反应的反应类型解析(1)由电荷数守恒和质量数守恒可以判断 X 元素质量数(核子数)为 140，电荷数为 54，所以中子数为 1405486.(2)衰变是原子核自发地放出粒子变成新核的反应，因此是衰变；裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量的核的反应，是裂变；聚变是几个轻核结合成较大质量的核，是聚变答案(1)140 86(2)是衰变；是裂变；是聚变题
15、型四核能的计算【例 4】裂变反应是目前核能利用中常用的反应以原子核235 92U 为燃料的反应堆中，当235 92U 俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为 235 92U 10n139 54Xe 9438Sr 310n2350439 1.0087 138.9178 93.9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量(以原子质量单位 u 为单位)已知 1u 的质量对应的能量为9.3102meV，此裂变反应释放出的能量是_MeV.解析 由题给核反应方程及其下面的数据可知：裂变之前的总质量23504391.0087236.0526(u)，裂变之后的总质量138917
16、893.915431.0087235.8593(u)，质量亏损 m236.0526235.85930.1933(u)由质能方程得Emc20.1933 uc2，因为 1u 对应的能量为 9.3102meV所以 E0.19339.3102meV1.8102meV.答案 1.8102变式训练 3 历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为 0.5meV 的质子11H 轰击静止的AZX，生成两个动能均为 8.9meV 的42He.(1meV1.61013J)(1)上述核反应方程式为_(2)质量亏损为_kg.答案(1)11H73X42He42He 或11H73Li42He42He(2)3.11
17、029难点能力突破难点突破1.理解原子核的组成(1)三个整数：核子数，质量数 A，核电荷数 Z.(2)两列等式：核电荷数质子数元素的原子序数核外电子数；质量数核子数质子数中子数2衰变的本质原子核里发射出 粒子、粒子，实际上是原子核内的质子和中子结合或转化而成的 粒子是原子核内的 2 个质子和 2 个中子结合在一起发射出来的，粒子是原子核内的中子转化为质子时产生并发射出来的所以不能因为从原子核中发射出 粒子和 粒子就认为原子核也是由它们组成的 射线是伴随 衰变和 衰变同时产生的，其实质是放射性原子核在发生 衰变、衰变时产生的某些新核由于处于激发态而辐射出光子当放射性物质发生连续衰变时，原子核中有
18、的发生 衰变，有的发生 衰变，同时伴随 辐射，这时就同时有三种射线4核反应方程的书写应注意的事项某种元素的原子核变成另一种元素的原子核的过程叫做核反应常见的核反应分为衰变、人工转变、裂变、聚变等几种类型，无论写哪种类型的核反应方程，都应注意以下几点：(1)必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律(例如裂变和聚变方程常含能量项)(2)核反应方程中的箭头()表示核反应进行的方向不能把箭头写成等号(3)在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置上；然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数；最后根
19、据未知核(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号5对半衰期两种错误的认识(1)N0 个某种放射性元素的核，经过一个半衰期，衰变一半，再经过一个半衰期，全部衰变了(2)8 个某种放射性元素的核，经过一个半衰期 T，衰变了 4 个，再经过一个半衰期，又衰变了 2 个事实上，N0(大量)个某种放射性原子核，衰变时间 t 后剩下的这种核的个数为 NN0(12)t，而对于少量的核，无法确定其衰变所需的时间.高考能力考向原子核1.(2011天津)下列能揭示原子具有核式结构的实验是()A光电效应实验 B伦琴射线的发现C 粒子散射实验D氢原子光
20、谱的发现解析 本题考查原子物理学史，意在考查考生对原子物理学史的识记能力光电效应实验说明光的粒子性，伦琴射线的发现说明 X 射线是一种比光波波长更短的电磁波，氢原子光谱的发现促进了氢原子模型的提出C 正确答案 C2(2011山东)碘 131 核不稳定，会发生 衰变，其半衰期为 8 天(1)碘 131 核的衰变方程：131 53I_(衰变后的元素用 X 表示)(2)经过_天有 75%的碘 131 核发生了衰变解析 本题主要考查核反应方程、半衰期的计算，意在考查考生对核反应方程的掌握程度、对半衰期的理解和计算能力答案(1)131 54X 01e(2)163(2011海南)2011 年 3 月 11
21、 日，日本发生九级大地震，造成福岛核电站严重的核泄漏事故在泄漏的污染物中含有131I 和 137Cs 两种放射性核素，它们通过一系列衰变产生对人体有危害的辐射在下列四个式子中，有两个能分别反映 131I和 137Cs 的衰变过程，它们分别是_和_(填入正确选项前的字母).131I 和137Cs 原子核中的中子数分别是_和_AX1137 56 Ba10n BX2131 54Xe 01eCX3137 56Ba 01e DX4131 54Xe11p解析 本题考查原子物理的基本知识以及核反应方程的书写，意在考查考生关注生活中的物理知识根据电荷数守恒和质量数守恒可知，X2 为131 53I，X3 为137 55Cs，中子数等于质量数减去核电荷数，分别为 1315378 和 1375582.答案 B C 78 82课后作业