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2.2 放射性元素的衰变 核能,知 识 精 要高效梳理知识备考 一天然放射现象 1.天然放射现象:某些元素自发地放射某些射线的现象称为天然放射现象,这些元素称为放射性元素. 2.三种射线的本质:射线是氦核流,射线是电子流,射线是电磁波.,二原子核的衰变 1.定义:原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变. 2.分类: (1)衰变: ,同时放出射线 (2)衰变: ,同时放出射线 3.半衰期 (1)定义:放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间. (2)半衰期的大小由放射性元素的原子核内部本身的因素决定,跟原子所处的物理状态(如压强温度等)或化学状态(如单质或化合物)无关.,三放射性同位素及应用 1.同位素 有些原子的原子核电荷数相同,但质量数不同,这样一些具有相同核电荷数和不同中子数的原子互称为同位素. 2.放射性同位素的应用 (1)放射性同位素放出的射线应用于工业探伤农业医疗等. (2)做示踪原子.,四核反应 用高能粒子轰击靶核,产生另一种新核的反应过程. 典型核反应: 1.卢瑟福发现质子的核反应方程为 2.查德威克发现中子的核反应方程为 3.约里奥-居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为 . 常见的核反应有:衰变人工转变裂变和聚变.,五核能 1.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.,2.质能方程 (1)质能方程:E=mc2,m是物体的质量,c是真空中的光速. 上述表明:物体的质量和能量间有一定联系,即物体具有的能量与其质量成正比,当物体的能量增加或减小E,它的质量也会相应地增加或减少m,E与m的关系是E=mc2. (2)质量亏损 核子结合成原子核时要释放能量,按上述关系,原子核的质量要小于组成原子核的核子总质量,这个质量差异叫质量亏损.,3.获得核能的途径 (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.铀235裂变时发生链式反应. (2)轻核聚变:某些轻核结合成质量较大的核的反应过程,同时释放出大量的核能,要想使氘和氚核合成氦核,必须达到几百万摄氏度以上的高温,因此聚变反应又叫热核反应.,双 基 精 练 自主探究基础备考 1.(2009高考上海卷)放射性元素衰变时放出的三种射线,按穿透能力由强到弱的排列顺序是( ) A.射线,射线,射线 B.射线,射线,射线 C.射线,射线,射线 D.射线,射线,射线 解析:由于三种射线的能量不同,所以贯穿能力最强的是射线,射线次之,射线最弱,故正确答案选B. 答案:B,2.下列核反应或核衰变过程中,符号“X”表示中子的是( ),解析:由核反应满足的质量数守恒和电荷数守恒可知,AC选项中X为中子,B选项中为质子,D选项中为电子.,答案:AC,3.关于天然放射现象,下列说法正确的是( ) A.放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期 B.放射性物质放出的射线中,粒子动能很大,因此贯穿物质的本领很强 C.当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时,将发生衰变 D.放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时,辐射出射线,解析:半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间,故A错;三种射线中,粒子速度最小,其贯穿本领最小,故B错;衰变的原因是原子核内部的中子转化为质子时产生了电子,故C错;衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时,释放能量,辐射出射线,故D对. 答案:D,4.关于爱因斯坦质能方程的下列看法中正确的是( ) A.E=mc2中的E是物体以光速c运动的动能 B.E=mc2是物体的核能 C.E=mc2是物体各种形式能的总称 D.由E=mc2,在核反应中,亏损的质量m转化成能量E放出 E.E=mc2表明在核反应中亏损的静质量转化为动质量,被放出的能量带走,解析:质能方程E=mc2表明质量为m的物质,必然联系有mc2的能量.核反应中质量亏损,只是以另一种形态(场)的质量(动质量)释放出来,与这部分质量m相对应的能量为mc2,而绝不是质量转化为能量了.CE正确. 答案:CE,疑 难 精 讲 名师解疑能力备考 疑难点一.你了解射线射线射线的特性吗?请列表说明. 名师在线:贝可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.通过对天然放射现象的研究,人们发现原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性,原子序数小于83的天然存在的元素有些也具有放射性,它们放射出来的射线共有三种,三种射线的本质和特征对比如下表:,疑难点二.请说明衰变衰变的实质. 名师在线: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,新元素与原来元素比较,核电荷数减少2,质量数减少4,即,2.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,新元素与原来元素比较,核电荷数增加1,质量数不变,即,名师提示:射线是伴随着衰变或衰变同时发生的,它不改变原子核的电荷数和质量数.其实质是放射性原子核在发生衰变或衰变时,产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出的光子.,易 错 点 拨 自我完善误区备考 易错点不能对知识综合运用导致出错 自我诊断 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2-2-1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90 C.反冲核的核电荷数为88 D.粒子和反冲粒子的速度之比为188,解析: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.,答案:ABC,题 型 研 练 互动探究方法备考 题型一 核反应方程的理解和应用 【例1】 某原子核AZX吸收一个中子后,放出一个电子,分裂为两个粒子.由此可知( ) A.A=7,Z=3 B.A=7,Z=4 C.A=8,Z=3 D.A=8,Z=4,解析:其核反应方程为 ,由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知:A+1=42,Z=22-1,解得A=7,Z=3.,答案:A,方法总结:无论写哪种类型的核反应方程式,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,有的还要考虑能量守恒规律(如裂变和聚变方程常含能量项). (2)核反应方程中的箭头()表示反应进行的方向,不能把箭头写成等号. (3)写核反应方程必须要有实验依据,决不能毫无根据地编造.,创新预测1 原子核A经衰变(一次)变成原子核B,原子核B再经衰变(一次)变成原子核C,则下列说法中正确的是( ) A.核A的中子数减核C的中子数等于2 B.核A的质子数减核C的质子数等于5 C.原子核为A的中性原子中的电子数比原子核为B的中性原子中的电子数少1 D.核C的质子数比核A的质子数少1,解析:写出衰变方程: ,核A的中子数为m-n,核C的中子数为m-4-n+1=m-n-3,A的中子数比C的中子数多3,故选项A错误;A的质子数为n,C的质子数为n-1,二者质子数相差1,故选项B错误,D正确;核的质子数等于原子核外的电子数,A核对应的核外电子数为n,B的中性原子中的电子数为n+1,故选项C正确.应选CD. 答案:CD,题型二 质量亏损和核能的计算 【例2】假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子,已知氘核的质量是2.013 6 u,中子的质量是1.008 7 u,氦核同位素的质量是3.015 0 u. (1)聚变的核反应方程式是_,在聚变核反应中释放出的能量为_MeV(保留两个有效数字). (2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核,反应方程式为 ,已知各核子的比结合能分别为EH=1.112 MeVEHe=7.075 MeVELi=5.603 MeV,试求此核反应过程中释放的核能.,3.3,答案：7.585 MeV,解析:(1)根据题中条件,可知核反应方程式为 核反应过程中的质量亏损:m=2mH-(mHe+mn)=22.013 6 u-(3.015+1.008 7) u=3.510-3 u. 由于1 u的质量与931.5 MeV的能量相对应,所以氘核聚变时放出的能量: E=3.510-3931.5 MeV=3.3 MeV,(2) 分解成7个核子所需的能量为 E1=31.112 MeV+47.075 MeV=31.636 MeV, 7个核子结合成73Li,释放的能量为 E2=75.603 MeV=39.221 MeV, 所以此核反应过程中释放的核能为 E=E2-E1=39.221 MeV-31.636 MeV=7.585 MeV.,方法总结:(1)核能的计算方法 根据E=mc2计算,计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”,E的单位是“J”. 根据E=m931.5 MeV计算.因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV的能量,所以计算时m的单位是“u”,E的单位是“MeV”. 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. (2)利用质能方程计算核能时,不能用质量数代替质量进行计算.,创新预测2 如下一系列核反应是在恒星内部发生的,其中p为质子,为粒子,e+为正电子,为一种中微子.已知质子的质量为mp=1.672 64810-27 kg.粒子的质量为m=6.644 92910-27 kg,正电子的质量为me+=9.1110-31 kg,中微子的质量可忽略不计,真空中的光速c=3.00108 m/s.试计算该系列核反应完成后释放的能量.,解析:系统反应最终等效为 4p+2e+-2, 设反应后释放的能量为Q,根据质能关系和能量守恒得4mpc2=mc2+2mec2+Q, 可得Q=3.9510-12 J. 答案:3.9510-12 J,题型三 核反应与磁场的综合问题 【例3】 一个静止的天然放射性元素的原子核在匀强磁场中发生衰变,所产生的新核和所放出的粒子的运动方向均垂直于磁场方向,如图2-2-2所示,能正确反映其轨道的可能是( ),解析:由 知发生衰变时产生的新核与对应的或粒子具有等大反向的动量,故 ,大圆为或粒子,小圆为新核的径迹,由左手定则可判断出AD正确. 答案:AD,方法总结:衰变过程中系统的动量守恒,若原子核是静止的,则有mvmax=m新v新. 由带电粒子在磁场中运动的轨道半径及旋转方向可判断或粒子的半径大,新核的半径小,两圆内切为衰变,两圆外切为衰变;由两圆半径关系可推知新核及原核的核电荷数. 衰变在匀强磁场 中的轨迹如图2-2-3所示.,创新预测3 云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中,一静止的质量为M的原子核在云室中发生一次衰变,粒子的质量为m,电荷量为q,其运动轨迹在与磁场垂直的平面内.现测得粒子运动的轨道半径为R,试求在衰变过程中的质量亏损.(涉及动量问题时,亏损的质量可以不计),解析:由洛伦兹力和牛顿运动定律可得 , 式中v为粒子运动的速度. 设v为衰变后反冲核的速度,由动量守恒定律可得: (M-m)v=mv. 由题意知,此处不考虑质量亏损. 在衰变过程中,粒子和反冲核的动能均来自于核反应的能量,即: . 联立以上三式解得: 答案:,高 效 作 业 自我测评技能备考 一选择题 1.(2009高考北京卷)下列现象中,与原子核内部变化有关的是( ) A.粒子散射现象 B.天然放射现象 C.光电效应现象 D.原子发光现象 答案:B,解析:粒子散射实验表明了原子内部有一个很小的核,并没有涉及核内部的变化,故A项错误;天然放射现象是原子核内部发生变化自发地放射出粒子或电子,从而发生衰变或衰变,故B项正确;光电效应是原子核外层电子脱离原子核的束缚而逸出,没有涉及原子核的变化,故C项错误;原子发光是原子跃迁形成的,也没有涉及原子核的变化,故D项错误.,2.(2009高考广东卷)科学家发现在月球上含有丰富的 (氦3),它是一种高效清洁安全的核聚变燃料,其参与的一种核聚变反应的方程式为 .关于 聚变,下列表述正确的是( ) A.聚变反应不会释放能量 B.聚变反应产生了新的原子核 C.聚变反应没有质量亏损 D.目前核电站都采用 聚变反应发电,答案:B,解析:聚变反应时将质量较小的轻核聚变成质量较大的核,聚变过程会有质量亏损,要放出大量的能量.但目前核电站都采用铀核的裂变反应,因此B正确.,3.(2009高考天津卷)下列说法正确的是( ),答案:BD,4.放射性同位素 的样品经过6 h还剩下1/8没有衰变,它的半衰期是( ) A.2 h B.1.5 h C.1.17 h D.0.75 h,答案:A,解析:本题考查考生对半衰期的理解,我们知道,放射性元素衰变一半所用时间是一个半衰期,剩下的元素再经一个半衰期只剩下1/4,再经一个半衰期这1/4又会衰变一半只剩1/8,所以题中所给的6 h为三个半衰期的时间,因而该放射性同位素的半衰期应是2 h,也可根据,5.如图2-2-1所示,x为未知的放射源,L为薄铝片,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.和的混合放射源 D.纯放射源,答案:C 解析:此题考查运用三种射线的性质分析问题的能力.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混合放射源.,6.下列说法正确的是( ),答案:BC,7.关于天然放射现象,下列说法正确的是( ) A.放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期 B.放射性物质放出的射线中,粒子动能很大,因此贯穿物质的本领很强 C.当放射性元素的原子的核外电子具有较高能量时,将发生衰变 D.放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时,辐射出射线 答案:D,解析:半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间,故A错;三种射线中,粒子速度最小,其贯穿本领最小,故B错;衰变的原因是原子核内部的中子转化为质子时产生了电子,故C错;衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时,释放能量,辐射出射线,故D对.,8.(2009高考安徽卷)原子核聚变有望给人类未来提供丰富的洁净能源.当氘等离子体被加热到适当高温时,氘核参与的几种聚变反应可能发生,放出能量.这几种反应的总效果可以表示为,由平衡条件可知( ) A.k=1,d=4 B.k=2,d=2 C.k=1,d=6 D.k=2,d=3,答案:B,解析:由质量数守恒和电荷数守恒,分别有4k+d=10, 2k+d=6,解得k=2,d=2.正确选项为B.,9.(2009高考重庆卷)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反应方程为,方程式中Q1Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:,以下推断正确的是( ),答案:B,解析: 中质量亏损为m1=1.007 8 u+12.000 u-13.005 7 u=0.002 1 u,根据电荷数守恒和质量数守恒可知 中X的电荷数为2质量数为4,质量亏损为m2=1.007 8 u+15.000 1 u-12.000 0 u-4.002 6 u=0.005 3 u,根据爱因斯坦的质能方程可知Q1=m1c2Q2=m2c2,则Q1Q2.,10.在匀强磁场里有一个原来静止的放射性元素碳14,它所放射的粒子与反冲核的径迹在磁场中是两个相切的圆,圆的直径之比为71,如图2-2-2所示,那么,碳14的衰变方程是( ),答案:C,二非选择题 11.(2008高考江苏卷)约里奥-居里夫妇因发现人工放射性而获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放射性元素 衰变成 的同时放出另一种粒子,这种粒子是, 是 的同位素,被广泛应用于生物示踪技术,1 mg 随时间衰变的关系如图2-2-3所示,请估算4 mg的 经多少天的衰变后还剩0.25 mg.,答案:正电子 56天(5458天都算对),解析: 衰变的方程: ,即这种粒子为正电子.题图中纵坐标表示剩余 的质量,经过t天4 mg的3215P还剩0.25 mg,也就是1 mg中还剩 ,由题图估读出此时对应天数为56天.,12.质量为m1的 核,以速度v0轰击质量为m2的静止的 核,发生了核反应,最终产生两种新粒子A和B.其中A为 核,质量为m3,速度为v3;B的质量为m4. (1)写出核反应方程式; (2)计算粒子B的速度vB; (3)粒子A的速度符合什么条件时,粒子B的速度方向与He核的运动方向相反?,13.浙江秦山核电站第三期工程有两个60万千瓦发电机组已并网发电. (1)发电站的核能来源于 的裂变,现有四种说法: A. 裂变时释放出大量能量,产生明显的质量亏损,所以核子数要减小; B. 的一种