高三物理一轮复习 第11章 第3讲 原子核课件（选修35）.ppt

浙江专用物理 第3讲原子核 一 原子核 天然放射现象1 原子核的组成 原子核是由 质子和中子组成的 质子和中子统称核子 原子核的电荷数等于核内的 质子数 原子核的质量数 等于质子数加 中子数 2 同位素 具有相同 质子数 不同中子数的原子 因为在元素周期表中的位置相同 同位素具有相同的化学性质 3 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 4 三种射线的本质和特征 1 射线本质是约1 10光速的 氦核流 带 正电 其电离本领最 强 贯穿能力很弱 2 射线本质是高速的电子流 带负电 其电离本领较弱 贯穿能力较强 3 射线本质是波长极短的电磁波 不带电 其电离本领最弱 贯穿能力最强 5 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 防止放射线对人体组织造成伤害 6 辨析 1 原子序数小于83的元素都没有放射性 2 射线是一种高能粒子流 可以用来工业探伤 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 新核的变化叫做原子核的 衰变 2 分类 1 衰变xyhe 同时放出 射线 2 衰变xye 同时放出 射线 注 衰变过程中遵守电荷数守恒和 质量数守恒 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 和 化学状态 如单质或化合物 无关 4 辨析 1 氡的半衰期为3 8天 若取4个氡原子核 经7 6天后就剩下一个氡原子核了 2 原子核发生 衰变时放出一个电子 说明原子核内有电子 三 核能1 核力 相邻 核子之间的作用力 1 核力是强相互作用力 2 核力是短程力 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 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 核子数之比 称做比结合能 2 特点 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 稳定 4 质量亏损 组成原子核的核子总质量与原子核的质量之差叫 质量亏损 1 方程 e mc2 m是物体的质量 c是真空中的光速 2 物理意义 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少 e时 它的质量也会相应地增加或减少 m e与 m的关系是 e mc2 6 获得核能的方式 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 为了使铀235裂变时发生链式反应 铀块的体积应大于它的临界体积 重核的裂变 如unsrxe 1n 应用 原子弹 原子反应堆 5 质能方程 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 要想使氘核和氚核结合成氦核 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 轻核的聚变 如hhhen 7 辨析 1 爱因斯坦质能方程反映了物体的质量和能量可以相互转化 2 核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒 也遵循电荷数守恒 a 某放射性元素原为8g 如果在6天时间内有6g发生衰变 则该元素半衰期为3天bu衰变成pb要经过6次 衰变和8次 衰变c 三种射线中 贯穿本领最大的是 射线 电离本领最大的也是 射线d 放射性元素发生 衰变时所放出的 粒子是原子核内的中子转化为质子时产生的 1 下列有关放射性知识的说法中正确的是 1 答案abd6天衰变了6g 剩余 由半衰期定义知半衰期为3天 a项正确u衰变成pb发生 衰变的次数为 8次 发生 衰变的次数为82 8 2 92 6次 b项正确 由放射线特点可知c错误 d正确 2 1919年 卢瑟福做了用 粒子轰击氮核的实验 实验装置如图所示 一个密封的箱子 顶端有两个带阀门的通气孔p和q 右端开一个小窗孔m 并有铝箔封住小窗孔 在小窗孔的右侧安装有荧光屏n 箱子内的左端安装有 粒子放射源a 当通过气孔p将箱内抽成真空时 发现 粒子能够穿过铝箔打到荧光屏上 使荧光屏上产生闪烁的亮点 然后通过气孔q向箱内通入少量氮气 结果发现荧光屏上又出现了闪烁的亮点 说明又有射线穿过铝箔 若在铝箔和荧光屏之间加上垂直于纸面向里的匀强磁场 这些亮点纷纷向上偏移 推理可知 此时穿过铝箔的射线 a 带正电 一定还是 射线b 穿透性更强 一定是 射线c 穿透性更强 一定是 射线d 穿透性更强 而且带正电 但不是上述射线 2 答案d在箱内通入少量氮气 射线仍能够穿透 可以判断射线不是 射线 且该射线的穿透性更强 在铝箔和荧光屏之间加上垂直于纸面向里的匀强磁场 发现这些亮点纷纷向上偏移 由左手定则可知该射线中的粒子带正电 3 放射性同位素钍232经 衰变会生成氡 其衰变方程为thrn x y 则 a x 1 y 3b x 2 y 3c x 3 y 1d x 3 y 2 3 答案d由质量数和电荷数守恒可得 解得 x 3 y 2 4 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3d x核与z核的总电荷是y核电荷的2倍 4 答案cd设x原子核为x 则根据题意应有xyeyhzhe可得c d正确 a b错误 重难一衰变和半衰期1 确定衰变次数的方法 1 设放射性元素x经过n次 衰变和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 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程求解a a 4n z z 2n m 2 因为 衰变对质量数无影响 先由质量数的改变确定 衰变的次数 然后 再根据衰变规律确定 衰变的次数 2 对半衰期的理解 1 根据半衰期的概念 可总结出公式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和质量 n余 m余表示衰变后剩余的放射性元素的原子数和质量 t表示衰变时间 表示半衰期 2 影响因素 放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的 跟原子所处的物理状态 如温度 压强 和化学状态 如单质 化合物 无关 典例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 变为原子核pa 再经放射性衰变 变为原子核u 放射性衰变 和 依次为 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 2 根据半衰期的定义 由题图可知 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 238 234 4 符号为he 答案 1 a 2 1620he 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uthhethpae pae 所以a对 1 1u衰变成rn共发生了次 衰变和次 衰变 答案42解析根据衰变规律rn的质量数比u的质量数减少了238 222 16 而衰变时只有 衰变才能使质量数减少 且每次 衰变减少的质量数为4 故发生了16 4 4次 衰变 因每次 衰变电荷数减少2 故由于 衰变电荷数应减少4 2 8 而rn的电荷数仅比u少了92 86 6 故说明发生了2次 衰变 即92 8 2 86 1 2居室装修中经常用到的花岗岩都不同程度地含有放射性元素 含铀 钍等 会释放出 射线 这些射线会导致细胞发生癌变及呼吸道疾病 根据有关放射性知识判断 下列说法中正确的是 a 射线是发生 衰变时产生的 生成核与原来的原子核相比 中子数减少了4个b 射线是发生 衰变时产生的 生成核与原来的原子核相比 质量数减少了1个c 射线是发生 衰变时产生的 生成核与原来的原子核相比 中子数减少了1个d 在 三种射线中 射线的穿透能力最强 电离能力最弱 答案d解析根据 衰变方程xyhex的中子数为a zy的中子数为a 4 z 2 a z 2 比x少了2个中子 故a错误 衰变中 原子核的质量数不变 故b错误 射线是伴随在 衰变或 衰变中产生的高频电磁波 故c错 重难二放射性同位素的应用 1 三种射线 2 放射性同位素的应用 1 利用它的射线如利用钴60放出的很强的 射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹 这叫 射线探伤 利用放射线的贯穿本领了解物体的厚度和密度的关系 可以用放射性同位素来检查各种产品的厚度 密封容器中的液面高度 从而自动控制生产过程 再如利用 射线的电离作用 可以消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电 利用 射线杀死人体内的癌细胞等 2 作为示踪原子如在生物科学研究方面 人工方法合成牛胰岛素的研制和验证方面以及在输油管线漏油的检查和对植物生长的检测方面 同位素示踪技术都起着重要作用 典例2如图是工厂利用放射线自动控制铝板厚度的装置示意图 1 请你简述自动控制的原理 2 如果工厂生产的是厚度为3毫米的铝板 那么在 和 三种射线中 你认为哪一种射线在铝板的厚度控制中起主要作用 为什么 解析 1 放射线具有贯穿本领 如果向前运动的铝板的厚度有变化 则探测器接收到的放射线的强度就会随之变化 这种变化被转变为电信号输入到相应的装置 进而自动控制图中右侧的两个轮间的距离 使铝板的厚度恢复正常 2 射线起主要作用 因为 射线的贯穿本领很弱 一张薄纸就能把它挡住 更穿不过3毫米厚的铝板 射线的贯穿本领非常强 能穿过几厘米厚的铅板 3毫米厚的铝板厚度发生变化时 透过铝板的射线强度变化不大 射 线的贯穿本领较强 能穿过几毫米厚的铝板 当铝板的厚度发生变化时 透过铝板的射线强度变化较大 探测器可明显地反映出这种变化 使自动化系统作出相应的反应 答案见解析 2 1天然放射性物质的放射线包含三种成分 下列说法中正确的是 a 一张厚的黑纸可以挡住 射线 但不能挡住 射线和 射线b 某原子核在放出 粒子后会变成另一种元素的原子核c 粒子是电子 但不是原来绕核旋转的核外电子d 三种射线中对气体电离作用最强的是 射线答案acd解析 射线和 射线穿透本领较 射线强 a正确 粒子为光子 不能改变原子核的质子数 故b错 粒子是在 衰变过程中由中子转化为质子和电子产生的 故c正确 粒子带电 质量又较大 故电离作用最强 d正确 2 22011年3月11日 日本东海岸发生9 0级地震 地震引发的海啸摧毁了日本福岛第一核电站的冷却系统 最终导致福岛第一核电站的6座核反应堆不同程度损坏 向空气中泄漏大量碘131 铯137 钡等放射性物质 这些放射性物质随大气环流飘散到许多国家 4月4日 日本开始向太平洋排放大量带有放射性物质的废水 引起周边国家的指责 有效防治核污染 合理 安全利用核能成为当今全世界关注的焦点和热点 下列说法中正确的是 a 福岛第一核电站是利用原子核衰变时释放的核能来发电的b 铯 碘 钡等衰变时释放能量 故会发生质量亏损c 铯137进行 衰变时 往往同时释放出 射线 射线具有很强的穿透能力 甚至能穿透几厘米厚的铅板d 铯137进入人体后主要损害人的造血系统和神经系统 其半衰期是30 17年 如果将铯137的温度降低到0 以下 可以延缓其衰变速度 答案bc解析核电站是利用重核裂变释放的能量来发电的 而不是靠衰变 a错 释放能量就一定有质量亏损 b正确 衰变往往同时释放出 射线 射线具有很强的穿透能力 能穿过几厘米厚的铅板 c正确 放射性元素的半衰期由其原子核本身决定 与周围环境无关 d错 重难三核能与核能计算 1 核能 1 质量亏损 组成原子核的核子质量与原子核的质量之差 2 质能方程 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 方程的含义是 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 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 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 吸收的能量为 e mc2 2 核能的计算方法 1 应用质能方程解题的流程图书写核反应方程计算质量亏损 m利用 e mc2计算释放的核能根据 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 2 根据 e m 931 5mev计算 因1原子质量单位 u 相当于931 5mev的能量 所以计算时 m的单位是 u e的单位是 mev 3 根据核子结合能来计算核能原子核的结合能 核子比结合能 核子数 典例3裂变反应是目前核能利用中常用的反应 以原子核u为燃料的反应堆中 当u俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式 其中一种可表示为 235 04391 0087138 917893 9154反应方程下方的数字是中子及有关原子的静止质量 以原子质量单位u为单位 已知1u的质量对应的能量为9 3 102mev 此裂变反应释放出的能量是mev 解析质量亏损 m 235 0439 1 0087 138 9178 93 9154 3 1 0087 u 则释放的能量 e m 9 3 102mev 1 8 102mev 答案1 8 102 u nxe sr n 典例3裂变反应是目前核能利用中常用的反应 以原子核u为燃料的反应堆中 当u俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式 其中一种可表示为 3 1已知氦原子的质量为mhe 电子的质量为me 质子的质量为mp 中子的质量为mn 以上质量的单位都为原子质量单位u 且由爱因斯坦质能方程e mc2可知 1u对应于931 5mev的能量 若取光速c 3 108m s 则两个质子和两个中子聚变成一个氦核 释放的能量为 a 2 mp mn mhe 931 5mevb 2 mp mn me mhe 931 5mevc 2 mp mn me mhe c2 j d 2 mp mn mhe c2 j 答案b解析核反应方程为h nhe 质量亏损 m 2 mp mn mhe 2me 2 mp mn me mhe 所以释放的能量为 e m 931 5mev 2 mp mn me mhe 931 5mev 选项b正确 3 2太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为一个氦核的热核反应 这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源 1 写出这个核反应方程 2 这一核反应能释放出多少能量 3 已知太阳每秒释放能量为3 8 1026j 则太阳每秒减少的质量为多少千克 4 若太阳质量减小万分之三 热核反应不能继续进行 计算太阳还能存在多少年 mp 1 0073u m 4 0015u me 0 00055u 太阳质量为2 1030kg 2 这一核反应的质量亏损是 m 4mp m 2me 0 0266u e mc2 0 0266 931 5mev 24 78mev 3 由 e mc2得太阳每秒减少的质量 m kg 4 2 109kg 4 太阳的质量为2 1030kg 太阳还能存在的时间为t s 1 4 1017s 4 4 109年 答案 1 hhe e 2 24 78mev 3 4 2 109kg 4 4 4 109年解析 1 核反应方程是hhe e 一 核反应方程的书写1 核反应的四种类型 2 书写原子的核反应方程时应注意 1 核反应方程一般都不是可逆的 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 2 核反应的生成物一定要以实验为基础 不能只依据两个守恒规律凭空杜撰出生成物来写核反应方程 3 核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒 核反应方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 典例1 1 现有三个核反应 namg e u nbakr n h hhe n下列说法正确的是 a 是裂变 是 衰变 是聚变b 是聚变 是裂变 是 衰变c 是 衰变 是裂变 是聚变d 是 衰变 是聚变 是裂变 2 现有四个核反应 ahhhenbunxkr ncnamgedhebecn 是发现中子的核反应方程 是研究原子弹的基本核反应方程 是研究氢弹的基本核反应方程 求b中x的质量数和中子数 解析 1 namg e中释放出 粒子 为 衰变 u nba kr n中铀核在被中子轰击后 分裂成两个中等质量的核 为裂变 而h hhe n为聚变 故c正确 2 d是查德威克发现中子的核反应方程 b是裂变反应 是研究原子弹的基本核反应方程 a是聚变反应 是研究氢弹的基本核反应方程 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 x质量数为144 电荷数为56 所以中子数为144 56 88 答案 1 c 2 dba 14488 针对训练1在下列四个方程中 x1 x2 x3和x4各代表某种粒子 unbakr 3x1psi x2uth x3thpa x4以下判断中错误的是 a x1是中子b x2是中子 c x3是 粒子d x4是电子答案b解析由质量数守恒和电荷数守恒 可知x1 x2 x3