2020届高考物理总复习第十五单元近代物理第3讲天然放射现象核反应核能教师用书含解析.pdf
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1、第 3 讲 天然放射现象 核反应 核能第 3 讲 天然放射现象 核反应 核能 1放射性元素的衰变 (1)原子核的组成 原子核的组成:原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为核子。 原子核的符号 同位素: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,它 们互称为同位素。例如,氢有三种同位素HHH。 11、21、31 (2)天然放射现象 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。 三种射线:放射性元素放射出的射线共有三种,分别是 射线、 射线、 射线。 (3)原子核的衰变 衰变:原子核自发放出 粒子或 粒子,变
2、成另一种原子核的变化称为原子核的衰 变。两类衰变的核反应方程分别为: 衰变XYHe:AZA - 4 Z - 2 + 4 2 衰变XYe:AZ A Z + 1 + 0 - 1 半衰期:放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因 素决定,跟原子所处的物理、化学状态无关。 1.1(2019 江西临川一中月考)(多选)关于天然放射性,下列说法正确的是( )。 A.放射性元素的半衰期与外界的温度无关 B.放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性 C.、 和 三种射线中, 射线的穿透能力最强 D.一个原子核在一次衰变中可同时放出 、 和 三种射线 【答案】ABC 1.2(201
3、9 四川广安市考试)2011 年 3 月 11 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 。 A.X1Ban B.X2Xee 137 56 + 1 0 131 54 + 0 - 1 C.X3BaeD.X4Xep 137 56 + 0 - 1 131 54 + 1 1 【答案】B C 78 82 2核力与
4、结合能 (1)核力 定义:原子核内部,核子间所特有的相互作用力。 特点:a.核力是强相互作用的一种表现。 b.核力是短程力,作用范围在 1.510-15m 之内。 c.每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用。 (2)结合能 核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量,叫作原子核的结合 能,亦称核能。 (3)比结合能 定义:原子核的结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能。 意义:不同原子核的比结合能不同,某种原子核的比结合能越大,说明核子结合成该种 原子核时平均释放的能量越多,核子结合得越牢固,该种原子核越稳定。 (4)质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程E=mc2,原
5、子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小 m,这就是 质量亏损。由质量亏损可求出释放的核能 E=mc2。 2.1(2019 杭州质检)(多选)下列对结合能、比结合能的认识中正确的是( )。 A.一切原子核均具有结合能 B.自由核子结合为原子核时,可能吸收能量 C.结合能越大的原子核越稳定 D.比结合能越大的原子核越稳定 【答案】AD 2.2(2018 福建四校联考)已知氦原子的质量为MHeu,电子的质量为meu,质子的质量为mpu,中 子的质量为mnu,u为原子质量单位,且由爱因斯坦质能方程E=mc2可知 1u 对应 931.5MeV 的 能量,若取光速c=3108m/s,则两个质子和两个中子
6、聚变成一个氦核,释放的能量为( )。 A.2(mp+mn)-MHe931.5MeV B.2(mp+mn+me)-MHe931.5MeV C.2(mp+mn+me)-MHec2J D.2(mp+mn)-MHec2J 【答案】B 3核裂变、核聚变 (1)重核裂变 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。 典型的裂变反应方程: UnKrBa+n。 235 92 + 1 08936 + 144 56 310 链式反应:由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。 (2)轻核聚变 定义:两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
7、行,因此 又叫热核反应。 典型的聚变反应方程: HHHen+17.6MeV。 21+ 3 142 + 1 0 3.1(2019 云南昆明质量检测)(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UnBa+Kr+n。下列说法正确的有( )。 235 92 + 1 014456 89 36 310 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 【答案】AC 3.2(2018海口期末考试)氘和氚发生聚变反应的方程式是HHHen+17.6MeV,若有 21+ 3 142 + 1 0 2g 氘和 3g
8、 氚全部发生聚变,NA为阿伏加德罗常数,则释放的能量是( )。 A.NA17.6MeV B.5NA17.6MeV C.2NA17.6MeVD.3NA17.6MeV 【答案】A 题型 一 原子核的衰变问题 1. 衰变、 衰变的比较 衰变类 型 衰变 衰变 衰变方 程 XY AZA - 4 Z - 2 + 4 2 He XYe AZ A Z + 1 + 0 - 1 衰变实 质 2 个质子和 2 个 中子结合成氦 核H+nHe21121042 1 个中子转化为 1 个质子和 1 个电子nHe 1011+ 0 - 1 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 2.三种射线
9、的比较 射线 名称 比较项目 射线 射线 射线 组成 高速氦 核流 高速电 子流 光子流(高频电磁波) 带电荷量2e-e0 质量4mp mp 1836 静止质量为零 符号He 42e 0 - 1 速度0.1c0.99cc 垂直进入电 场或 磁场的偏转 情况 偏转偏转不偏转 贯穿本领最弱较强最强 对空气的电 离作用 很强较弱很弱 3.对半衰期的理解 (1)半衰期公式:N余=N原,m余=m原。( 1 2) t ( 1 2) t (2)半衰期的物理意义:半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量,同一放射性元素的 衰变速率一定,不同的放射性元素半衰期不同,有的差别很大。 (3)影响因素:放射性元素衰变的
10、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。 (4)半衰期的适用条件:半衰期是一个统计规律,是对大量的原子核衰变规律的总结,对 于一个特定的原子核,无法确定何时发生衰变。 【例 1】(1)原子核U 经放射性衰变变为原子核Th,继而经放射性衰变变为原 238 92 234 90 子核Pa,再经放射性衰变变为原子核U。则放射性衰变、和依次为( )。 234 91 234 92 A. 衰变、 衰变和 衰变 B. 衰变、 衰变和 衰变 C. 衰变、 衰变和 衰变 D. 衰变、 衰变和 衰变 (2)法国科学家贝可勒尔在 1896 年发现了天然放射现象。 如图反映的是放射性元
11、素铀核 衰变的特性曲线。由图可知,铀的半衰期为 年;请在下式的括号中,填入铀在衰变过 程中原子核放出的粒子的符号。 UTh+( )。 238 9223490 【解析】(1)衰变过程中电荷数、质量数守恒,由题意可得衰变方程分别为: UThHeThPaePaUe,所以 A 项正确。 238 9223490 + 4 2 ,234 90 234 91 + 0 - 1,23491 234 91 + 0 - 1 (2)根据半衰期的定义,由题图坐标轴数据可知,铀的半衰期为 1620 年;由核反应所遵循 的电荷数守恒和质量数守恒可知,衰变过程中放出的粒子的电荷数为Z=92-90=2,质量数为 A=238-23
12、4=4,符号为He。 42 【答案】(1)A (2)1620He 4 2 衰变次数的确定方法 方法一:确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律,设放射性元素X 经过n次 衰变 AZ 和m次 衰变后,变成稳定的新元素Y,则表示该核反应的方程为XY+He+e。 A Z AZA Z n42m 0 - 1 根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程 A=A+4n,Z=Z+2n-m 由以上两式联立解得n=,m=+Z-Z A - A 4 A - A 2 由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组。 方法二:因为 衰变对质量数无影响,可先由质量数的改变确定 衰变的次数,然后根 据衰变规律确定 衰变的次数。 【变
13、式训练 1】(2019 湖南长沙模拟)(多选)由于放射性元素Np 的半衰期很短,所以 237 93 在自然界一直未被发现,只是在使用人工的方法制造后才被发现。 已知Np 经过一系列 237 93 衰变和 衰变后变成Bi,下列判断中正确的是( )。 209 83 ABi 的原子核比Np 的原子核少 28 个中子.209 83 237 93 BBi 的原子核比Np 的原子核少 18 个中子.209 83 237 93 C.衰变过程中共发生了 7 次 衰变和 4 次 衰变 D.衰变过程中共发生了 4 次 衰变和 7 次 衰变 【解析Bi 的中子数为 209-83=126Np 的中子数为 237-93
14、=144Bi 的原子核比】209 83 ,237 93 ,209 83 Np 的原子核少 18 个中子,A 项错误,B 项正确;衰变过程中共发生了=7 次 衰 237 93 237 - 209 4 变,27-(93-83)=4 次 衰变,C 项正确,D 项错误。 【答案】BC 题型 二 核反应方程问题 1.核反应的四种类型 类型可控性核反应方程典例 衰 变 自发UThHe 238 9223490 + 4 2 衰 变 衰 变 自发ThPae 234 90 234 91 + 0 - 1 NHeOH(卢瑟福发现质子) 14 7 + 4 2 178+ 1 1 HeBeCn(查德威克发现中子) 42+
15、9 4 126+ 1 0人工转 变 人工控 制 AlHe 27 13 + 4 2 Pn30 15 + 1 0 约里奥居里夫妇发现放射性同位素及正电子 PSie 30 1530 14 + 0 1 UnBaKr+n 235 92 + 1 014456 + 89 36 310 重核裂 变 比较容 易进 行人工 控制 UnXeSr+1n 235 92 + 1 013654 + 90 38 010 轻核聚 变 除氢弹 外 无法控 制 HHHen 21+ 3 142 + 1 0 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H)、 中子n)、 (11(10 粒子
16、He)、 粒子e)、正电子e)、氘核H)、氚核H)等。(42( 0 - 1 (01(21(31 (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,因为核反应不可逆,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和电荷数均守恒。 【例 2】(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.HHHen 是核聚变反应 31+ 2 142 + 1 0 BHHHen 是 衰变.31+ 2 142 + 1 0 CUnBaKr+n 是核裂变反应.235 92 + 1 01445
17、6 + 89 36 310 DUnXeSr+n 是 衰变.235 92 + 1 014054 + 94 38 210 【解析】 衰变时释放出电子e), 衰变时释放出氦原子核He),可知 B、D 两项( 0 - 1 (42 错误;A 项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;C 项中一个U 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 235 92 144 56 89 36 个中子是核裂变反应,A、C 两项正确。 【答案】AC 核反应方程式的书写应注意的三点要求 (1)核反应的生成物一定要以实验为基础,不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物
18、来写核反应方程。 (2)核反应过程一般都是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向,不能 用等号连接。 (3)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒(而不是质量守恒),核反应过程中反应前后的 总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能。 【变式训练 2】(2019 江苏常州阶段模拟)(多选)三个原子核 X、Y、Z,X 核放出一个正电 子后变为 Y 核,Y 核与质子发生核反应后生成 Z 核并放出一个氦核He),则下面说法正确的(42 是( )。 A.X 核比 Z 核多一个质子 B.X 核比 Z 核少一个中子 C.X 核的质量数比 Z 核的质量数大 3 D.X 核与 Z 核的总电荷数是 Y
19、核电荷数的 2 倍 【解析】设原子核 X 的符号为X,则原子核 Y 为YXeYHY ab a b - 1,ab 0 + 1 + a b - 1,11 + a b - 1 HeZ,故原子核Z为Z,可见X核比Z核质量数多3个,质子数多2个,A项错误, C42+ a - 3 b - 2 a - 3 b - 2 项正确;X 核的中子数为(a-b),Z 核的中子数为(a-3)-(b-2)=a-b-1,可见 X 核比 Z 核多一个中 子,B 项错误;X 核与 Z 核的总电荷数为 2(b-1),恰好是 Y 核的电荷数的 2 倍,D 项正确。 【答案】CD 题型 三 质能方程的理解与核能的计算问题 1.对质能
20、方程的理解 (1)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=mc2。 方程的含义:物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系,物体的能量增大,质 量也增大;物体的能量减少,质量也减少;质量和能量不能互相转化。 (2)核子在结合成原子核时出现质量亏损 m,其能量也要相应减少,即 E=mc2。 (3)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 E=mc2。 2.核能的计算方法 (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=m931.5MeV 计算时,m的单位是“u”,E的单位是“Me
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