山东省冠县武训高级中学高三物理 16.2 放射性元素的衰变 核反应核能 光电效应复习课件.ppt

16 2放射性元素的衰变核反应核能光电效应 一 天然放射性现象 1 放射性现象 像这样物质自发地发出射线的现象叫天然放射现象 物质的这种性质叫天然放射性 具有放射性的元素 叫放射性元素 人们发现原子序数大于84的所有天然存在的元素都有放射性 原子序数小于84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 射线 射线 射线 1896年贝克勒尔发现铀u和含铀的矿物能发射某种看不见的射线 这种射线可以穿透黑纸使照像底片感光 2 三种射线的本质和特性 1 射线 速度约为光速1 10的氦核流 贯穿作用很弱 电离作用很强 2 射线 速度约为光速0 99的电子流 贯穿作用很强 电离作用较弱 3 射线 波长极短的电磁波 贯穿作用最强 电离作用最弱 3 研究放射线的方法 1 在磁场中偏转 2 在电场中偏转 3 研究放射线的方法 设 与 沿初速度方向前进相同的距离l 两者在电场方向上偏转的距离之比 例1 将 三种射线分别射入匀强磁场和匀强电场 图中表示射线偏转情况中正确的是 ad 二 原子核的衰变规律 1 衰变的一般方程为 每发生一次 衰变 新元素与原元素相比较 核电荷数减小2 质量数减少4 原子核内两个质子和两个中子结合比较紧密 有时作为一个整体从较大的原子核中抛射出来 2 衰变的一般方程为 每发生一次 衰变 新元素与原元素相比较 核电荷数增加1 质量数不变 衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子 伴随 衰变或 衰变同时产生的 射线不改变原子核的电荷数和质量数 3 射线 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 而辐射出光子 注意 一种元素只能发生一种衰变 但在一块放射性物质中可以同时放出 和 三种射线 每一种放射性元素都有一定的半衰期 不同的放射性元素 半衰期不同 如果用m0表示原来的原子质量 mt表示t时刻还未衰变的质量 t表示半衰期 那么 4 半衰期 统计规律 是放射性元素的大量原子核有半数发生衰变需要的时间 放射性元素半衰期的长短是由原子核的内部因素决定的 它不受外部因素的影响 例如温度 物态 化学结构等 都不能改变它的半衰期 衰变公式 abd a 例4 若元素a的半衰期为4天 元素b的半衰期为5天 则相同质量的a和b 经过20天后 剩下的质量之比 即ma mb是 a 30 31b 31 30c 1 2d 2 1 c 例5 如图所示 两个相切的圆表示一个静止原子核发生某种核变化后 产生的两种运动粒子在匀强磁场中的运动轨迹 可能的是 a 原子核发生了 衰变 b 原子核发生了 衰变c 原子核放出了一个正电子 d 原子核放出了一个中子 由于一般新核带电量和质量均大于放出的粒子电量和质量 则由圆周运动规律可知大圆为粒子轨迹 小圆为新核轨迹 ac 衰变外切 衰变内切 例6 静止的氡核 放出 粒子后变成钋核 粒子动能为e 若衰变放出的能量全部变为反冲核和 粒子的动能 真空中的光速为c 则该反应中的质量亏损为 b 0 c正确 三 核反应 2 查德威克 射线粒子轰击铍原子核实验 发现了中子 定义 原子核在其它粒子的轰击下产生新核的过程叫核反应 1 1919年卢瑟福用 粒子轰击氮原子核 第一次实现了原子核的人工转变 发现了质子 核反应是原子核的变化 化学反应是核外电子的变化 在核反应中 质量数和电荷数都守恒 4 注意 在人工转变中 用某高速粒子去轰击某原子核后 原子核发射出粒子和射线并转变成新的原子核的过程中 不可认为是高速粒子从原子核中打出了粒子 1 放射性同位素的发现 1934年 约里奥 居里夫妇 具有相同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 互称同位素 有些同位素具有放射性 叫做放射性同位素 天然放射性同位素不过四十多种 而人工制造的放射性同位素已达1000多种 3 同位素 放射性同位素放出的射线应用于工业 探伤 农业 医疗等 2 放射性同位素的应用 作示踪原子 四 核能 核子间作用力 短程强引力 只在相邻的核子间发生作用 与核子的电性无关 1 核力 2 结合能 由于核子间存在着强大的核力 所以核子结合成原子核或原子核分解为核子时 都伴随着巨大的能量变化 可见 当核子结合成原子核时要放出一定能量 原子核分解成核子时 要吸收同样的能量 这个能量叫做原子核的结合能 亦称核能 原子核越大 自然它的结合能越高 因此 有意义的是它的结合能与核子数之比 称作比结合能也叫平均结合能 比结合能越大 表示原子核中核子结合得越牢固 原子核越稳定 比结合能 中等大小的核的比结合能最大 平均每个核子的质量亏损最大 这些核最稳定 有些重核分裂成中等质量的核放出能量 有些轻核结合成中等质量的核放出能量 获得核能的两个基本途径是重核裂变和轻核聚变 凡具有质量的物体都具有能量 物体的质量和能量间的关系为 e mc2 若原子核质量亏损为 m 对应释放的能量为 e mc2 3 质量亏损 组成原子核的核子与原子核的质量之差叫做质量亏损 需说明的是任何一个原子核的质量总是小于组成它的所有核子的质量和 4 爱因斯坦质能方程 第一 核反应过程中 核子结合成原子核时 新核质量小于核子的质量 质量亏损 同时以 光子形式释放核能 有关问题的理解和注意事项 原子核分解为核子时 需要吸收一定能量 核子的总质量大于原原子核的质 第三 质量亏损并非质量消失 而是减少的质量 m以能量形式辐射 动质量 因此质量守恒定律不被破坏 第四 公式 e m c2的单位问题 m用 u 原子质量单位 1u 1 660566 10 27kg e用 uc2 1uc2 931mev 表示1u的质量变化相当于931mev的能量改变 第二 核反应过程中 质量亏损时 核子个数不亏损 即质量数守恒 可理解为组成原子核后 核内每个核子仿佛 瘦了 一些 第五 核反应中释放或吸收的能量比化学反应中释放或吸收的能量大好几个数量级两者相差数十万倍 核反应中的能量 核反应 吸收能量 放出能量 核子结合成原子核 有些重核分裂成中等质量的核 有些轻核结合成中等质量的核 2 链式反应 重核裂变时放出几个中子 再引起其他重核裂变而使裂变反应不断进行下去 原子弹原理 五 重核的裂变 1 定义 重核俘获一个中子后分裂为几个中等质量的核的反应过程叫重核的裂变 1938年12月 德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现 用中子轰击铀核时 铀核发生了裂变 铀核裂变的产物是多种多样的 一种典型的反映是裂变为钡和氪 同时放出三个中子 其核反应方程是 铀核的裂变 裂变前的质量 裂变后的 铀核的裂变 释放出的能量为 1 裂变过程中能放出巨大的能量 裂变特点 2 裂变的产物不是唯一的 3 裂变的同时能放出2 3个 或更多个 中子 1kg铀全部裂变 它放出的能量相当于2800t优质煤完全燃烧时释放的能量 铀核裂变时 同时释放出2 3个中子 如果这些中子再引起其他铀235核裂变 就可使裂变反应不断地进行下去 这种反应叫做链式反应 裂变物质能够发生链式反应的最小体积叫做它的临界体积 相应的质量叫做临界质量 3 临界体积 原子弹的材料一般为铀 235或钚 239 有中子反射的球形铀 235临界点为15公斤左右 钚 239则为10公斤左右 核能的和平利用 解决能源危机根本途径 4 核电站 1 核心部件 核 反应堆 nuclear reactor 人类第一座核反应堆 cp 1的 尊容 用人式方法控制核裂变链式反应速度并获得核能的装置 2 反应堆的组成 核燃料棒 减速剂 控制棒 冷却系统 防护层等 反应堆 核燃料棒 核心设施 浓缩铀制成的铀棒 减速剂 石墨 重水或普通水 用于减小中子的速度 控制棒 镉 用于吸收中子 控制核反应的快慢 3 4 的浓缩铀 六 轻核聚变 轻核结合成质量较大的核叫聚变 轻核聚变的核反应方程 使核发生聚变 必须使它们接迈到10 15米 也就是接近到核力能够发生做用的范围 由于原子核都带正电 要使它们接近到这种程度 必须克服电荷之间的很大斥力作用 这就要使核具有很大的动能 只有在几百万度的高温以上 原子核才有足够的动能克服相互间的库仑斥力 在碰撞中接近到可以发生聚变的程度 所以这种轻核聚变的反应又叫做热核反应 氘核的质量 md 2 014102u氚核的质量 mt 3 016050u 氦核的质量 m 4 002603u中子的质量 mn 1 008665u 一个氘核和一个氚核结合成一个氦核释放17 6mev能量 平均每个核子放出的能量在3mev以上 比裂变反应中平均每个核子释放的能量大3 4倍 核聚