高考物理一轮复习 第十二章 波粒二象性 原子结构与原子核 第2讲 核反应、核能教学案（含解析）.doc

第2讲核反应、核能 教材知识梳理一、原子核与衰变1原子核的组成：原子核是由_和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的_2天然放射现象(1)天然放射现象元素_地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现天然放射现象的发现，说明_具有复杂的结构(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫_具有放射性的元素叫放射性元素(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是_、射线、射线(4)放射性同位素：有_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3原子核的衰变(1)衰变：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_(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_、_状态无关二、核力与核能1核力核子间的作用力核力是_力，作用范围在1.51015 m之内，只在相邻的核子间发生作用2核能(1)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，叫作原子核的结合能，亦称核能(2)比结合能：定义：原子核的结合能与_之比，称作比结合能，也叫平均结合能特点：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_3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_三、裂变与聚变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)链式反应条件：裂变物质的体积_临界体积(3)典型的裂变方程：unxesr_n.(4)裂变的应用：原子弹、核反应堆2轻核聚变(1)定义：两个轻核结合成质量较大的原子核的反应过程(2)条件：使核发生聚变需要几百万度以上的高温，因此聚变又叫_(3)典型的聚变方程：hh_n.(4)聚变的应用：氢弹答案：一、1.质子质子数2(1)自发原子核(2)放射性(3)射线(4)天然3(1)原子核(2)hee(3)物理化学二、1.短程2(1)释放吸收(2)核子数越稳定3mc2mc2三、1.(2)大于或等于(3)102.(2)热核反应(3)he【思维辨析】(1)天然放射现象说明原子是可分的()(2)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的()(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个()(4)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量()答案：(1)()解析 天然放射现象说明原子核是可分的(2)()(3)()(4)()【思维拓展】核能的计算是原子物理的重点知识和高考的热点问题，都有哪些方法求核反应中的能量呢？答案：1根据质能方程emc2，注意：这里质量单位要用 kg，能量单位用j.2利用原子质量单位u和电子伏特计算，1 u1.6561027 kg，1 ev1.61019 j，1 u相当于931.5 mev.3根据能量守恒定律和动量守恒定律计算核能 物理学史1896年法国物理学家贝可勒尔用铀盐样品进行实验时发现了天然放射性1897年英国物理学家汤姆孙从阴极射线的研究中证实了电子的存在1898年居里夫妇证明含有铀元素的化合物都具有放射性，并由此发现了“镭”1911年卢瑟福公开粒子散射实验结论，建立原子核式结构模型1919年卢瑟福首次实现人工核反应，用粒子轰击氮核结果打出了质子1932年英国物理学家查德威克从粒子轰击铍的核反应过程中发现了“中子” 考点互动探究考点一核反应方程1.核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发uthhe衰变自发thpae人工转变人工控制nhe8oh(卢瑟福发现质子)hebecn(查德威克发现中子)alhepn约里奥居里夫妇发现放射性同位素及正电子psie重核裂变比较容易进行人工控制unbakr3nunxesr10n轻核聚变除氢弹外无法控制hhhen2.关于核反应的三点说明(1)核反应过程一般都是不可逆的，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，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程(3)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒(而不是质量守恒)，核反应过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1 下列核反应方程中，属于衰变的是()a. nheohb. uthhec. hhhend. unxesr10n答案：b解析 选项b属于衰变，选项a属于人工转变，选项c属于轻核聚变，选项d属于重核裂变，所以选项b正确式题 下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是()a射线是高速运动的电子流b氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大c太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变d. bi的半衰期是5天，100克bi经过10天后还剩下50克答案：b解析 射线是光子流，选项a错误；氢原子从高能级跃迁到低能级，辐射光子，电子轨道半径减小，速度增大，b正确；太阳辐射能量主要来源于核聚变，选项c错误；100 g的bi经10天后剩下的质量为1002 g25 g，选项d错误考点二对天然放射现象的理解1.衰变、衰变的比较衰变类型衰变衰变衰变方程xyhexye衰变实质2个质子和2个中子结合成氦核2h2nhe1个中子转化为1个质子和1个电子nhe匀强磁场中轨迹形状衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.三种射线的比较射线名称比较项目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)带电荷量2ee0质量4mp静止质量为零符号hee速度0.1c0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱说明：射线是伴随着衰变或衰变产生的，射线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)而辐射出光子2 (多选)14c发生放射性衰变成为14n，半衰期约5700年已知植物存活期间，其体内14c与12c的比例不变；生命活动结束后，14c的比例持续减少现通过测量得知，某古木样品中14c的比例正好是现代植物所制样品的二分之一下列说法正确的是()a该古木的年代距今约5700年b. 12c、13c、14c具有相同的中子数c. 14c衰变为14n的过程中放出射线d增加样品测量环境的压强对14c的衰变无影响答案：acd解析 由半衰期公式nn0得t5700年.12c、13c、14c质子数相同，质量数不同，说明中子数不同.14c衰变成14n过程放出电子，所以属于衰变半衰期与环境压强无关a、c、d正确，b错误式题 实验观察到，静止在匀强磁场中a点的原子核发生衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图12311所示，则轨迹1为_的轨迹，轨迹2是_的轨迹，磁场方向为_图12311答案：电子新核垂直于纸面向里解析 带电粒子在磁场中只受洛伦兹力做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，即qvbm，则半径r.衰变过程动量守恒，而er新，所以轨迹1为电子的轨迹，轨迹2是新核的轨迹又由左手定则可以判断，磁场方向垂直于纸面向里考点三核能的计算1.对质能方程的理解(1)质能方程emc2给出了物体的能量和质量之间的关系，质量为m的物体具有的总能量为mc2，质量和能量不能互相转化(2)“质量与能量间存在着简单的正比关系”，即物体的质量(这里指动质量)越大，能量越多，反之物体的质量越小，能量也越少；当物体放出能量时，满足emc2.2求核能的三种方法：(1)根据emc2计算若m的单位是kg，计算时，c的单位是m/s，e的单位是j；若m的单位是原子质量单位u，利用1 u相当于931.5 mev，用em931.5 mev进行计算，e的单位是 mev，1 mev1.61013 j.(2)根据比结合能计算原子核的结合能比结合能核子数(3)结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算，此时要注意动量、动能关系式p22mek的应用温馨提示 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3 2015江苏卷 取质子的质量mp1.672 61027 kg，中子的质量mn1.674 91027 kg，粒子的质量m6.646 71027 kg，光速c3.0108 m/s.请计算粒子的结合能(计算结果保留两位有效数字)解析 组成粒子的核子与粒子的质量差m(2mp2mn)m结合能emc2代入数据得e4.31012 j.式题 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(mp1.007 3 u，m4.001 5 u，me0.000 55 u，太阳的质量为21030 kg)(1)这一核反应能释放出多少能量？(2)已知太阳每秒释放能量为3.81026 j，则太阳每秒减小的质量为多少？(3)若太阳质量减小万分之三时热核反应不能继续进行，则太阳还能存在多少年？答案：(1)24.78 mev(2)4.2109 kg (3)4.4109年解析 (1)太阳内部的核反应方程为4hhe2e这一核反应的质量亏损m4mpm2me0.026 6 u释放的能量emc20.026 6931.5 mev24.78 mev.(2)由emc2得，太阳每秒减少的质量m kg4.2109 kg.(3)太阳的质量为21030 kg，太阳还能存在的时间t s1.41017 s4.4109年考点四核反应中的动量守恒问题1.核反应过程遵循能量守恒定律：在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能；有光子辐射的情况下，核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能及光子的能量一般认为核反应放出的能量与反应前原子核的动能之和等于反应后原子核的总动能2核反应过程遵循动量守恒定律：即反应前原子核的总动量等于反应后原子核的总动量3解决核反应与动量及能量守恒定律综合的问题时，首先应用质能方程求出核反应释放出的核能，其次根据动量守恒定律和能量守恒定律列出相应的方程，最后联立求解4 2015海南卷 运动的原子核x放出粒子后变成静止的原子核y.已知x、y和粒子的质量分别是m、m1和m2，真空中的光速为c，粒子的速度远小于光速求反应后与反应前的总动能之差以及粒子的动能解析 设运动的原子核的速度为v1，放出的 粒子速度为v2，由质量亏损可得m2vmv(mm1m2)c2由动量守恒定律得mv1m2v2联立以上两式得 ekm2v.式题 海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源两个氘核的核反应为hhhen，其中氘核的质量为2.013 0 u，氦核的质量为3.015 0 u，中子的质量为1.008 7 u(1 u相当于931.5 mev)(1)求核反应中释放的核能(2)在两个氘核以相等的动能0.35 mev进行对心碰撞并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能答案：(1)2.14 mev(2)2.13 mev0.71 mev解析 (1)核反应中的质量亏损为m2mhmhemn由emc2可知释放的核能e(2mhmhemn)c22.14 mev.(2)把两个氘核作为一个系统，碰撞过程系统的动量守恒，由于碰撞前两氘核的动能相等，其动量等大反向，因此反应后系统的总动量为零，即mhevhemnvn0；反应前后系统的总能量守恒，即mhevmnve2ekh，又因为mhemn31，所以vhevn13，由以上各式代入已知数据得ekhe0.71 mev，ekn2.13 mev.【教师备用习题】12015江苏卷 核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，u是核电站常用的核燃料.u受一个中子轰击后裂变成ba和kr两部分，并产生_个中子要使链式反应发生，裂变物质的体积要_(选填“大于”或“小于”)它的临界体积答案 3大于解析 该核反应方程为unbakr3n；只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才