高中物理高考一轮复习一轮复习 第16章 原子核-2022届高考物理一轮复习讲义

第2讲原子核一、原子核的组成、放射性元素的衰变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。2．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。3．原子核的衰变(1)衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化。(2)分类(3)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。4．放射性同位素的应用与防护(1)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。(2)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。(3)防护：防止放射性对人体组织的伤害。思考辨析1．原子核的电荷数就是核内的质子数，也就是这种元素的原子序数。 (√)2．β射线是高速电子流，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。 (√)3．半衰期可以通过人工进行控制。 (×)4．某放射性元素的半衰期为4天，若有100个这样的原子核，经过4天后还剩50个。这种说法对吗？提示：半衰期是大量放射性元素的原子核衰变时所遵循的统计规律，不能用于少量的原子核发生衰变的情况，因此，经过4天后，100个原子核有多少发生衰变是不能确定的，所以这种说法不对。核反应方程：质量数守恒、电荷数守恒，但不是总质量守恒。二、核力与结合能核裂变与核聚变1．核力和核能(1)核力：原子核内部，邻近核子间所特有的相互作用力。(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其对应的能量ΔE＝Δmc2。(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Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2。2．裂变反应和聚变反应(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：eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n。③链式反应：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。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、慢化剂、控制棒、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：eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV。思考辨析1．核力是强相互作用，在任何情况下都比库仑力大。 (×)2．铀核裂变时会吸收大量的能量。 (×)3．核聚变中平均每个核子放出的能量，比裂变反应中平均每个核子放出的能量大。 (√)4．有人认为质量亏损就是核子的个数变少了，这种认识对不对？提示：不对。在核反应中质量数守恒，即核子的个数不变，只是核子组成原子核时，仿佛变“轻”了一些，原子核的质量总是小于其全部核子质量之和，即发生了质量亏损，核子的个数并没有变化。5．2023年12月3日，“嫦娥五号”从月球上带回的eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He是未来核聚变最理想的原料，eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He聚变产生的是eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He和质子，不会产生中子，请尝试写出其核反应方程式。提示：2eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H。(1)核子数越多，结合能越大，比结合能不一定越大。(2)质能方程表明质量和能量有着紧密联系，但不能相互转化。考点1原子核的组成(基础考点)1．关于原子核内部的信息，最早来自天然放射现象。人们从破解天然放射现象入手，一步步揭开了原子核的秘密。下列说法正确的是()A.法国物理学家贝克勒尔发现了X射线B.德国物理学家伦琴发现，铀和含铀的矿物能够发出α射线C.卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子D.居里夫妇通过实验发现了中子C解析：法国物理学家贝克勒尔发现了铀和含铀的矿物能够发出射线，A错误；德国物理学家伦琴，发现了伦琴射线，又叫X射线，B错误；卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，发现了质子，并预言了中子的存在，C正确；查德威克通过实验发现了中子，D错误。2．(多选)下列说法正确的是()A.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X与eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m－1))Y互为同位素B.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X与eq\o\al(\s\up1(n－1),\s\do1(m))Y互为同位素C.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X与eq\o\al(\s\up1(n－2),\s\do1(m－2))Y的中子数相同D.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核内有92个质子，235个中子BC解析：A选项中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核与eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m－1))Y核的质子数不同，不是同位素，A错误；B选项中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核与eq\o\al(\s\up1(n－1),\s\do1(m))Y核的质子数都为m，而质量数不同，则中子数不同，所以互为同位素，B正确；C选项中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核内的中子数为n－m，eq\o\al(\s\up1(n－2),\s\do1(m－2))Y核内的中子数为(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子数相同，C正确；eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核内有143个中子，而不是235个中子，D错误。原子核的“数”与“量”的辨析(1)核电荷数与原子核的电荷量是不同的，组成原子核的质子的电荷量都是相同的，所以原子核的电荷量一定是质子电荷量的整数倍，我们把核内的质子数叫核电荷数，而这些质子所带电荷量的总和才是原子核的电荷量。(1)原子核的质量数与质量是不同的，也与元素的原子量不同。原子核内质子和中子的总数叫作原子核的质量数，原子核的质量等于质子和中子质量的总和。考点2放射性元素的衰变(基础考点)1．(2023·山东高考)氚核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H发生β衰变成为氦核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He。假设含氚材料中eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H发生β衰变产生的电子可以全部定向移动，在×104s时间内形成的平均电流为×10－8A。已知电子的电荷量为×10－19C，在这段时间内发生β衰变的氚核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H的个数为()A.×1014 B.×1016C.×1016 D.×1018B解析：根据I＝eq\f(q,t)＝eq\f(ne,t)，可得产生的电子数为n＝eq\f(It,e)＝eq\f×10－8××104,×10－19)个＝1016个，因在β衰变中，一个氚核产生一个电子，可知氚核的个数为×1016个。故选B。2．如图所示，把放射源铀、钋或镭放入用铅做成的容器中，射线从小孔射出。在射线经过的空间施加磁场(垂直纸面向里)，发现射线分裂成三束，下列关于这三束射线的说法正确的是()A.射线①中每颗粒子的质量是射线③中每颗粒子质量的4倍B.射线②的电离能力最强C.若加热铅盒，则单位时间内射出的粒子数会增加D.卢瑟福用射线①轰击氮原子核发现了质子D解析：根据左手定则可知，①带正电，是α射线(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核)，②是γ射线，③是β射线(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e)，而α粒子的质量远大于电子的质量，选项A错误；射线①即α射线的电离能力最强，选项B错误；放射性元素的半衰期与外界条件无关，若加热铅盒，则单位时间内发生衰变的原子核数不变，射出的粒子数不变，选项C错误；卢瑟福用α射线轰击氮原子核发现了质子，选项D正确。3．(2023·银川模拟)自然界中存在的放射性元素的原子核并非只发生一次衰变就达到稳定状态，而是要发生一系列连续的衰变，最终达到稳定状态。某些原子核的衰变情况如图所示(N表示中子数，Z表示质子数)，则下列说法正确的是()A.由eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra到eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(89))Ac的衰变是α衰变B.已知eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra的半衰期是T，则8个eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra原子核经过2T时间后还剩2个C.从eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(90))Th到eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb共发生5次α衰变和2次β衰变D.图中发生的α衰变和β衰变分别只能产生α和β射线C解析：由eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra到eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(89))Ac放出电子，则此衰变是β衰变，选项A错误；半衰期是大量原子核衰变遵循的统计规律，对少量的原子核不适用，选项B错误；eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(90))Th变为eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb，质量数减少20，则发生了5次α衰变，根据5×2－x＝8得，x＝2，知发生了2次β衰变，故C正确；题图中发生的α衰变和β衰变，往往伴随γ射线产生，选项D错误。1．衰变规律及实质(1)α衰变和β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程eq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z))X→eq\o\al(\s\up1(A－4),\s\do1(Z－2))Y＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z))X→eq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z＋1))Y＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出中子转化为质子和电子2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e匀强磁场中运动轨迹的形状αβ衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒(2)γ射线：经常伴随着α衰变或β衰变同时产生。实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变过程中辐射出的光子。2．三种射线的成分和性质名称构成符号电荷量质量电离能力贯穿本领α射线氦核eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2e4u最强最弱β射线电子eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e－eeq\f(1,1837)u较强较强γ射线光子γ00最弱最强3.半衰期的理解半衰期的公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(eq\s\up6(\f(t,τ)))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(eq\s\up6(\f(t,τ)))。式中的N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，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和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期。(2)对于发生α衰变和β衰变的原子核，设发生α衰变和β衰变的次数分别为n、m，根据电荷数和质量数守恒列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。两式联立解得n＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋Z′－Z。考点3核力与结合能(基础考点)1．在自然界稳定的原子核中，中子数(N)和质子数(Z)之间的关系如图所示。根据图中所提供的信息及原子核的有关知识，对于在自然界中稳定的原子核，下列说法正确的是()A.较轻的原子核，质子数和中子数大致相等B.较重的原子核，质子数大于中子数C.越重的原子核，质子数和中子数的差值越小D.在很大的原子核中，可以有质子数和中子数相等的情况A解析：根据题中给出的中子数(N)和质子数(Z)的关系图像可知，较轻的原子核，质子数和中子数大致相等，而较重的原子核，中子数明显大于质子数，A正确，B错误；由题图可知，越重的原子核，中子数和质子数的差值越大，C错误；在很大的原子核中，由于核力明显减弱，质子和质子间的排斥作用，导致质子结合到原子核的数目越来越少，不可能出现质子数和中子数相等的情况，D错误。2．(多选)原子核的比结合能曲线如图所示。根据该曲线，下列判断正确的有()A.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核的结合能约为14MeVB.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核比eq\o\al(\s\up1(6),\s\do1(3))Li核更稳定C.两个eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H核结合成eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核时释放能量D.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核中核子的平均结合能比eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr核中的大BC解析：由题图可知，eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核的比结合能约为7MeV，因此它的结合能约为7MeV×4＝28MeV，A项错误；比结合能越大，表明原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定，结合题图可知B项正确；两个比结合能小的eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H核结合成比结合能大的eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核时，会释放能量，C项正确；由题图可知，eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核的比结合能(即平均结合能)比eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr核的小，D项错误。3．(2023·全国卷Ⅱ)氘核eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H→2eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核约为×1022个，若全都发生聚变反应，其释放的能量与质量为M的标准煤燃烧时释放的热量相等；已知1kg标准煤燃烧释放的热量约为×107J，1MeV＝×10－13J，则M约为()A.40kg B.100kgC.400kg D.1000kgC解析：氘核eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H可通过一系列聚变反应释放能量，其总效果可用反应式6eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H→2eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV表示，则平均每个氘核聚变释放的能量为ε＝eq\f(E,6)＝eq\f,6)MeV，1kg海水中含有的氘核约为×1022个，可以放出的总能量为E0＝Nε，由Q＝mq可得，要释放相同的热量，需要燃烧标准煤的质量m＝eq\f(Q,q)＝eq\f(E0,q)＝397kg。故选C。1．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(eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H)、中子(eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n)、α粒子(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He)、β粒子(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(-1))e)、正电子(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(1))e)、氘核(eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H)、氚核(eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H)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。2．核能的计算方法eq\x(\a\al(书写核反,应方程))→eq\x(\a\al(计算质量,亏损Δm))→eq\x(\a\al(利用ΔE＝Δmc2,计算释放的核能))(1)根据ΔE＝Δmc2计算时，Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”。(2)根据ΔE＝Δm×MeV计算时，Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。(3)根据核子的比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数。考点4核裂变与核聚变(基础考点)1．(2023·辽宁模考)中科院近代物理研究所利用兰州重离子加速器(HIRFL)通过“熔合蒸发”反应合成超重核eq\o\al(\s\up1(271),\s\do1(110))Ds并辐射出中子。下列可能合成该超重核的原子核组合是()A.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb B.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(209),\s\do1(83))BiC.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(207),\s\do1(82))Pb D.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(210),\s\do1(83))BiA解析：根据电荷数守恒和质量数守恒有Z1＋Z2＝110，A1＋A2＝271＋1＝272，将选项代入检验得只有选项A符合。2．(2023·浙江高考)(多选)太阳辐射的总功率约为4×1026W，其辐射的能量来自于聚变反应。在聚变反应中，一个质量为1MeV/c2(c为真空中的光速)的氘核(eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H)和一个质量为2MeV/c2的氚核(eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H)结合为一个质量为3MeV/c2的氦核(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He)，并放出一个X粒子，同时释放大约MeV的能量。下列说法正确的是()A.X粒子是质子B.X粒子的质量为MeV/c2C.太阳每秒因为辐射损失的质量约为×109kgD.太阳每秒因为辐射损失的质量约为MeV/c2BC解析：由质量数和电荷数守恒可知，X的质量数为1，电荷数为0，则X为中子，选项A错误；根据能量关系可知mn＝(1＋2－3MeV/c2－eq\fMeV,c2)，解得mn＝MeV/c2，选项B正确；太阳每秒放出的能量E＝Pt＝4×1026J，损失的质量Δm＝eq\f(E,c2)＝eq\f(4×1026,9×1016)kg＝×109kg，选项C正确；因为E＝4×1026J＝eq\f(4×1026,×10－19)eV＝×1045eV＝×1039MeV，则太阳每秒因为辐射损失的质量为Δm＝eq\f(E,c2)＝×1039MeV/c2，选项D错误。3．(2023·湖南模考)2023年12月4日，新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置(HL­2M)在成都建成并首次实现利用核聚变放电。下列方程属于正确的核聚变反应方程的是()A.eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nB.eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))HeC.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nD.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(27),\s\do1(13))Al→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nA解析：核聚变反应是两轻核反应变成中等质量的核。eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，是轻核聚变，故A正确；eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He，此核反应中反应物只有一个原子核且生成物有氦核，属于α衰变，故B错误；eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，此核反应中反应物和生成物都有中子，构成链式反应，且生成物至少有两个中等质量的核，故属于重核裂变，故C错误；eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(27),\s\do1(13))Al→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，此核反应是用α粒子轰击铝核生成了同位素磷，是人工核转变，故D错误。1．核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heβ衰变自发eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th→eq