高考物理一轮复习第十一章动量近代物理初步第5讲原子核教案.docx

第5讲原子核知识点一放射现象、三种射线1.天然放射现象(1)定义：放射性元素自发地发出射线的现象叫做现象.(2)原子序数的元素，都能自发地发出射线，原子序数的元素，有的也能放出射线.(3)射线种类：放射性物质发出的射线有三种：、，有放射性的元素称为.2.三种射线的本质(1)射线：射线是高速粒子流，实际就是，电荷数是，质量数是，可记为.(2)射线：射线是高速.(3)射线：射线是能量很高的.3.三种射线的特点(1)射线：粒子容易使空气，使胶片，但贯穿本领很.(2)射线：粒子贯穿本领 ，但电离能力 .(3)射线：粒子电离本领 ，但贯穿本领 .答案：1.(1)天然放射(2)大于或等于83小于83(3)射线射线射线放射性元素2.(1)氦原子核24He(2)电子流(3)电磁波3.(1)电离感光弱(2)较强较弱(3)很弱很强知识点二原子核的衰变、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 的变化称为原子核的衰变.(2)分类衰变：XY.衰变：XY.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.答案：1.(1)原子核(2)Hee2.(1)半数(2)内部知识点三核力、结合能、质量亏损1.核力(1)定义：原子核内部，核子间所特有的相互作用力.(2)特点核力是强相互作用的一种表现；核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内；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的能量或原子核分解为核子时的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.3.比结合能(1)定义：原子核的结合能与之比，称做比结合能，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大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越.4.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能E.答案：2.释放吸收3.(1)核子数(2)稳定4.mc2mc2知识点四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：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：UnKrBa3n.(3)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.(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生的最小体积及其相应的质量.(5)裂变的应用：、核反应堆.(6)反应堆构造：核燃料、减速剂、防护层.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.(2)典型的聚变反应方程：HHHen.答案：1.(3)中子(4)链式反应(5)原子弹(6)镉棒2.(1)质量较大热核反应(1)若使放射性物质的温度升高，其半衰期将减小.()(2)衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的.()(3)氡的半衰期为3.8天，若取4个氡原子核，经7.6天后就剩下一个原子核了.()(4)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒，同时遵循电荷数守恒.()(5)爱因斯坦质能方程反映了物体的质量就是能量，它们之间可以相互转化.()(6)核子结合成原子核吸收的能量或原子核拆解成核子放出的能量称为结合能.()答案：(1) (2) (3) (4) (5) (6) 考点天然放射现象原子核的衰变1.三种射线的性质、特征的比较射线 射线 射线组成 高速氦核流 高速电子流光子流(高频电磁波)速度0.1c 0.99c c质量4mp，mp1.671027 kg静止质量为0在电磁场中偏转与射线偏转方向相反不偏转穿透本领 最弱较弱最强对空气的电离作用很强 较弱 很弱2.对衰变和衰变的实质的正确理解(1)原子核放出粒子或粒子后，就变成了新的原子核，我们把这种变化称为原子核的衰变.粒子、粒子都是从原子核里发射出来的，但不能认为原子核是由这些粒子组成的，原子核是由质子和中子组成的.(2)衰变的实质是原子核中的2个质子和2个中子结合在一起并发射出来.衰变的实质是原子核内的一个中子变成一个质子和一个电子，放出高速电子流.(3)在发生、衰变的过程中，由于新核处于不稳定状态，它要通过辐射光子而达到稳定的状态，因此射线总是伴随、衰变而产生.3.放射性元素的半衰期(1)半衰期的理解半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射元素具有的衰变速率一定，不同元素半衰期不同，有的差别很大.(2)公式N余N原，m余m原式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数或质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数或质量，t表示衰变时间，T表示半衰期.考向1对三种射线性质的理解典例1如图所示，x为未知的放射源，L为薄铝片，计数器对粒子、粒子、光子均能计数.若在放射源和计数器之间加上L后，计数器的计数率大幅度减小，在L和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，则x可能是()A.、和的混合放射源B.纯放射源C.和的放射源D.纯放射源解析在放射源和计数器之间加上铝片后，计数器的计数率大幅度减小，说明射线中有穿透力很弱的粒子，即粒子；在铝片和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场，计数器的计数率不变，说明穿过铝片的粒子中无带电粒子，故只有射线.因此放射源可能是和的放射源，故选C.答案C考向2衰变方程的书写和衰变次数的计算典例2U核经一系列的衰变后变为Pb核.问：(1)一共经过几次衰变和几次衰变？(2)Pb与U相比，求质子数和中子数各少多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程.解题指导(1)可根据衰变过程中质量数守恒和电荷数守恒求解.(2)根据每发生一次衰变原子核的质子数和中子数均少2，每发生一次衰变原子核的中子数少1、质子数多1来推算.(3)根据(1)的解答结果写方程.解析(1)设U衰变为Pb经过x次衰变和y次衰变.由质量数守恒和电荷数守恒可得2382064x92822xy联立解得x8，y6，即一共经过8次衰变和6次衰变.(2)由于每发生一次衰变质子数和中子数均减少2，每发生一次衰变中子数减少1，而质子数增加1，故Pb 较U质子数少10，中子数少22.(3)核反应方程为UPb8He6e.答案(1)86(2)1022(3)UPb8He6e考向3对半衰期的理解及计算典例3(2017湖北黄石期中)一质量为M的矿石中含有放射性元素钚，其中钚238的质量为m，已知钚的半衰期为88年，那么下列说法中正确的是()A.经过176年后，这块矿石中基本不再含有钚B.经过176年后，原来含有钚元素的原子核有发生了衰变C.经过264年后，钚元素的质量还剩D.经过88年后，该矿石的质量剩下解析半衰期表示有一半原子核发生衰变的时间，经过176年后，也就是2个半衰期，则还剩的钚原子核没有发生衰变，故A、B错误；经过264年后，也就是3个半衰期，钚元素的质量还剩，故C正确；经过88年后该矿石的质量基本不变，只是其中钚238的质量变成，故D错误.答案C考向4衰变和衰变在磁场中的轨迹分析典例4(多选)静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得粒子和反冲核轨道半径之比为441，如图所示，则()A.粒子与反冲粒子的动量大小相等，方向相反B.原来放射性元素的原子核电荷数为90C.反冲核的核电荷数为88D.粒子和反冲粒子的速度之比为188解析微粒之间相互作用的过程遵循动量守恒定律，由于初始总动量为零，则末动量也为零，即粒子和反冲核的动量大小相等，方向相反.由于释放的粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内且在洛伦兹力作用下做圆周运动，由qvB，得R.若原来放射性元素的核电荷数为Q，则对粒子：R1；对反冲核：R2.由于p1p2，R1R2441，所以Q90.粒子和反冲核的速度大小与质量成反比，但质量大小未知，故D错误.答案ABC1.半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核是没有意义的.对于一个特定的原子核，无法确定其何时发生衰变，但可以确定各个时刻发生衰变的概率，即某时刻衰变的可能性，因此，半衰期只适用于大量的原子核.2.静止的原子核在匀强磁场中发生衰变，当运动方向与磁场方向垂直时，轨迹为外切圆的为衰变，轨迹为内切圆的为衰变.衰变XYHe两圆外切，粒子半径大衰变XYe两圆内切，粒子半径大考点核反应方程及核反应类型考向1对核反应类型的考查典例5(2016新课标全国卷)在下列描述核过程的方程中，属于衰变的是，属于衰变的是，属于裂变的是，属于聚变的是.(填正确答案标号)A.CNeB.PSeC.UThHeD.NHeOHE.UnXeSr2nF.HHHen解析一个原子核自发地放出一个粒子，生成一个新核的过程是衰变，因此C项是衰变；一个重核在一个粒子的轰击下，分裂成几个中等质量原子核的过程是重核的裂变，因此E项是重核的裂变；两个较轻的原子核聚合成一个较大的原子核，并放出粒子的过程是轻核的聚变，因此F项是轻核的聚变；另外，A、B项是衰变，D项是原子核的人工转变.答案CABEF变式1(多选)下列核反应方程及其表述完全正确的是()A.HeHHeH是聚变反应B.UThHe是人工核转变C.UnKrBa3n是裂变反应D.NaMge是裂变反应答案：AC解析：A选项中的反应方程式是由质量较小的核变成质量较大的核，是聚变反应；B选项中的是衰变；C选项中的是裂变反应；D选项中的是衰变.考向2对核反应方程的考查典例6(2015广东卷)(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：XYHeH4.9 MeV和HHHeX17.6 MeV.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6C.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解析核反应方程遵守核电荷数守恒和质量数守恒，则由HHHeX17.6 MeV知 X为n，由XYHeH4.9 MeV知Y为Li，其中Y的质子数是3，中子数也是3，选项A正确，B错误.两个核反应都释放出核能，故都有质量亏损，选项C错误.XYHe H4.9 MeV是原子核的人工转变，HHHen17.6 MeV为轻核聚变，选项D正确.答案AD解答有关核反应方程问题的技巧(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(n)、粒子(He)、粒子(e)、正电子(e)、氘核(H)、氚核(H)等.(2)熟悉核反应的四种基本类型衰变、人工转变、裂变和聚变.(3)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，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律.(4)明白核反应过程是不可逆的核反应方程只能用箭头连接并表示反应方向，不能用等号连接.考点核力、核能、质量亏损、质能方程1.核力的特点(1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，在原子核的尺度内，核力比库仑力大得多.(2)核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内.核力在距离大于0.81015 m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.51015 m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起.(3)每个核子只与相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性.2.结合能克服核力束缚，使原子核分解为单个核子时吸收的能量；或若干个核子在核力作用下结合成原子核时释放的能量.3.比结合能与原子核的稳定性(1)比结合能的大小反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定.(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，比结合能都比较小，中等核子数的原子核比结合能较大，表示这些原子核较稳定.(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可能释放核能.4.质量亏损的理解所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了.反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给.总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是Emc2.考向1对核力的理解典例7(多选)对于核力，以下哪些说法是正确的()A.核力是弱相互作用，作用力很小B.核力是强相互作用，是强力C.核子之间的距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起D.人们对核力的了解很清楚，特别是在小于0.81015 m 时，核力的变化规律更清楚解析核力是强相互作用的一种表现，它的作用范围在1.51015 m之内，核力比库仑力大得多.因此，选项B正确，A错误.核力在大于0.81015 m时，表现为吸引力，且随距离增大而减小，在距离小于0.81015 m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起，所以选项C正确.人们对核力的了解还不是很清楚，这是科学家们奋力攻克的堡垒，故D不正确.答案BC考向2对结合能、比结合能的理解典例8(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解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(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D.比结合能越大，原子核越不稳定解析根据结合能的定义，A正确；由比结合能曲线可知，轻原子核和重原子核的比结合能较小，中等质量的原子核比结合能较大，故B、C正确；比结合能越大原子核越稳定，D错误.答案ABC变式2(多选)人们发现，不同的原子核，其核子的平均质量(原子核的质量除以核子数)与原子序数有如图所示的关系.下列关于原子结构和核反应的说法正确的是()A.由图可知，原子核D和E形成原子核F时会有质量亏损，要吸收能量B.由图可知，原子核A分裂成原子核B和C时会有质量亏损，要放出核能C.B的比结合能大于C的比结合能D.B的比结合能大于F的比结合能答案：BD解析：原子核D和E的核子平均质量大于原子核F的核子平均质量，原子核D和E形成原子核F时会有质量亏损，释放能量，故A选项错误；同理，原子核A的核子平均质量大于原子核B、C的核子平均质量，A分裂成B和C时会有质量亏损，要放出核能，故B选项正确；核子平均质量越小的原子核，其比结合能要小，故B的比结合能小于C的比结合能，大于F的比结合能，故C选项错误，D选项正确.考向3对质量亏损、质能方程的理解典例9为纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”.对于爱因斯坦提出的质能方程Emc2，下列说法中不正确的是()A.Emc2表明物体具有的能量与其质量成正比B.根据Emc2可以计算核反应中释放的核能C.一个中子和一个质子结合成氘核时释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损D.Emc2中的E是发生核反应时释放的核能解析Emc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，A项正确.Emc2表示的意义：当物体的能量增加或减小E时，它的质量也会相应地增加或减少m，B项正确.只有出现质量亏损，才能释放核能，C项正确.公式Emc2中的E为质量为m的物体所对应的能量，而非核反应中释放的能量，D项错误.答案D变式3为了直接验证爱因斯坦狭义相对论中著名的质能方程Emc2，科学家用中子轰击硫原子，分别测出原子捕获中子前后质量的变化以及核反应过程中放出的能量，然后进行比较，精确验证了质能方程的正确性.设捕获中子前的原子质量为m1，捕获中子后的原子质量为m2，被捕获的中子质量为m3，核反应过程放出的能量为E，则这一实验需验证的关系式是()A.E(m1m2m3)c2B.E(m1m3m2)c2C.E(m2m1m3)c2D.E(m2m1m3)c2答案：B解析：反应前的质量总和为m1m3，质量亏损Em1m3m2，核反应释放的能量E(m1m3m2)c2，选项B正确.爱因斯坦质能方程反映的是质量亏损和释放出核能这两种现象之间的联系，并不表示质量和能量之间的转变关系.以下几点要明确：(1)物体的质量包括静止质量和运动质量，质量亏损指的是静止质量的减少，减少的静止质量转化为和辐射能量有关的运动质量.(2)质量亏损并不是这部分质量消失或转变为能量，只是静止质量的减少.(3)在核反应中仍然遵守质量守恒和能量守恒定律.(4)质量只是物体具有能量多少及能量转变多少的一种量度.考点核能的计算、重核裂变、轻核聚变1.根据质量亏损计算(1)根据核反应方程，计算核反应前和核反应后的质量亏损m.(2)根据爱因斯坦质能方程Emc2计算核能. 其中m的单位是千克，E的单位是焦耳.2.利用原子质量单位u和电子伏特计算(1)明确原子单位u和电子伏特之间的关系1 u1.660 61027 kg,1 eV1.602 1781019 J由Emc2得E eV931.5 MeV.(2)根据1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位数乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.其中m的单位是u，E的单位是MeV.3.根据能量守恒和动量守恒来计算核能参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，利用动量和能量守恒可以计算出核能的变化.4.利用平均结合能来计算核能原子核的结合能核子的平均结合能核子数.核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能.考向1重核裂变与核能计算典例10浙江秦山核电站的核能来源于U的裂变，下列说法中你认为正确的是()A.U原子核中有92个质子、143个中子B.U的一种典型的裂变是变成两个中等质量的原子核，反应方程式为UnBaKr3nC.U是天然放射性元素，常温下它的半衰期约为45亿年，升高温度时半衰期将缩短D.若一个U裂变，反应时的质量亏损为0.357 81027 kg，则释放的能量约为201 MeV，合3.21011 J解析原子核中的质子数即为原子序数，所以U的质子数为92，中子数为23592143，A项正确；由电荷数和质量守恒可判断，B项正确；半衰期与外部环境无关，C项错误；由爱因斯坦质能方程Emc2可判断，D项正确.答案ABD考向2轻核聚变与核能计算典例11(2017广东肇庆三模)(多选)已知氘核的平均结合能是1.09 MeV，氚核的平均结合能是2.78 MeV，氦核的平均结合能是7.03 MeV.在某次核反应中，1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核和一个中子，并放出17.6 MeV 的能量，下列说法正确的是()A.这是一个裂变反应B.核反应方程为HHHenC.目前核电站都采用上述核反应发电D.该核反应会有质量亏损解析核反应方程如B所述，不是裂变反应，故A错误，B正确.该反应释放能量，故有质量亏损，D正确.目前核电站利用核裂变工作，故C错误.答案BD典例12用中子轰击锂核(Li)发生核反应，生成氚核(H)和粒子，并放出4.8 MeV的能量.(1 u相当于931.5 MeV)(1)写出核反应方程；(2)求出质量亏损；(3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则生成的氚核和粒子的动能之比是多少？解析(1)LinHHe.(2)根据质能方程Em931.5 MeV得m u0.005 2 u.(3)中子与锂核以等值反向的动量相碰，则初动量p0，根据动量守恒，则碰后氚核与粒子的合动量也为0，设氚核质量为m1，速度为v1，粒子质量为m2，速度为v2得0m1v1m2v2又有Ek由得Ek1Ek2得.答案(1)LinHHe(2)0.005 2 u(3)关于结合能的计算关键要理解结合能的定义，结合能是指把原子核分开成核子时吸收的能量或核子结合成原子核时放出的能量，这部分能量可以根据爱因斯坦的质能方程来求解，基本方法是根据核反应方程，先计算反应前和反应后的质量亏损m，再根据质能方程Emc2计算结合能，注意计算时应灵活选取国际单位或实用单位.1.核力(多选)下列关于核力的说法，正确的是()A.核力存在于任何核子之间B.核力只存在于相邻的核子之间C.核力与万有引力性质相同D.核力是一种短程的强作用力答案：BD解析：核力是强作用力、短程力，只存在于相邻的核子间，而核力与万有引力是不同性质的力.2.比结合能(多选)铁的比结合能比铀核的比结合能大，下列关于它们的说法正确的是()A.铁的结合能大于铀核的结合能B.铁核比铀核稳定C.铀核发生核变化变成铁核要放出能量D.铀核发生核变化变成铁核质量要亏损答案：BCD解析：铁核的比结合能比铀核的大，则铁核比铀核稳定，铀核比结合能小，变成铁核会放出核能，出现质量亏损，B、C、D正确.3.核反应方程、质量亏损某核反应方程为HHHeX.已知H的质量为2.013 6 u，H的质量为3.0