《点亮高考》物理系列教案：12.2《天然放射现象_衰变_核能》.doc

第2讲 天然放射现象 衰变 核能一、考情直播1考纲解读考纲内容能力要求考向定位1.氢原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期2.放射性同位素3. 核力、核反应方程4. 结合能、质量亏损5. 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆6. 放射性的防护1.知道原子核的组成，三种射线及性质，衰变规律2.了解放辐射性同位素及应用3.知道书写核反应方程时要注意质量数守恒、核电荷数守恒4.知道爱因斯坦质能联系方程，会计算核能5.知道释放核能的两种方式：聚变与裂变6.了解放射性防护考纲对这一部分知识均是级要求本部分高考的热点是核反应方程，三种射线的比较，质子、中子以及正电子的发现，爱因斯坦质能联系方程，高考中以选择题的形式出现2考点整合考点一：天然放射现象及三种放射线的比较1、 天然放射现象的发现1896年， 在铀矿石中发现未知的射线，把这些射线称为射线、射线、射线，这就是天然放射现象的发现.天然放射现象的发现，说明原子核 .2、 三种射线的比较名称产生本质电离作用穿透能力射线射线射线射线的作用：工业探伤、刀、除静电、消毒杀菌、育种保鲜等3、三种射线在匀强电场和匀强磁场中的偏转（在射线旁写明射线的种类） 三种射线在电场中偏转 图7 三种射线在磁场中偏转特别提醒三种射线均来自原子核内部，说明原子核具有复杂结构射线是氦的原子核，射线是电子流，射线是光子4.天然放射现象的发现说明原子核具有复杂结构天然放射现象中的三种射线均来自于 ，这就充分说明了原子核具有复杂结构.图8例题1 如图8所示，x为一未知放射源，P为薄铝箔，当x放射源稳定时，计数器的计数率（单位时间内接受射线的次数）稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走P，则计数器的计数率大幅上升，说明x为A纯粒子放射源 B. 纯粒子放射源C粒子和粒子的混合放射源 D. 粒子和粒子的混合放射源答案：D解析：薄铝箔完全可以阻挡粒子，所以能进入计数器的一定没有粒子；粒子和粒子都可以穿透薄铝箔，但由于粒子是电子，在磁场的作用下会发生偏转，将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，说明一定没有粒子；抽走P，则计数器的计数率大幅上升，说明一定有其它的粒子进入了计数器，而这种粒子一定不是粒子，只能是粒子，所以D正确【规律总结】粒子穿透本领最弱，粒子穿透本领最强粒子、粒子在磁场中会受到洛伦兹力作用而发生偏转，粒子是光子，无论在电场中还是在磁场中，都不会发生偏转考点二：原子核的半衰期1.半衰期： .2.半衰期由放射性元素的原子核内部因素决定，与原子核所处的 无关.3.衰变公式为 特别提醒：半衰期与原子核多少无关，半衰期是一个统计性的概念，只有对大量的原子核才成立，对少量的或是几个原子核谈半衰期无意义. 【例题2】若元素的半衰期为天，元素的半衰期为天，则相同质量的和，经过天后，剩下两元素的质量之比m:m为.30：31 .31：20 .： .：答案：C【解析】根据半衰期公式，易得A经历5个半衰期，B经历4个半衰期，所以剩余质量之比为1:2，C正确【规律总结】放射性元素的半衰期计算公式为或考点三：、衰变规律1. 衰变规律衰变方程：衰变规律： 2. 衰变规律衰变方程：衰变规律： 3.正电子衰变规律正电子衰变方程：正电子衰变规律：特别提醒： 书写核反应方程要注意质量数守恒和核电荷数守恒；衰变方程的特点是反应前只有一个核，是释放核能的核反应例题3 下面对某原子核衰变的描述，哪个是不对的？.放出一个粒子后，原子核的中子数减，原子序数少.放出一个粒子后，原子核的质量数少，核电荷数少.放出一个粒子后，原子核的质量数不变，核电荷数加.经过次衰变和次衰变后变成答案：BCD【解析】衰变衰变规律为核电荷数增加1，质量数不变，A错C正确；衰变规律：核电荷数减少2，质量数减少4，B正确；经过次衰变和次衰变后，质量数减少20，核电荷数先减少10在增加4，一共增加6，变为，D正确【规律总结】发生衰变无中子损失，每发生一次衰变将有一个中子转化为一个质子，这一点是解决选项D的关键.考点四：原子核的人工转变与核反应方程1. 质子的发现卢瑟福用粒子轰击7号元素，发现了 .核反应方程为：2.中子的发现查德威克用粒子轰击4号元素，发现了 核反应方程为：3.放射性同位素的人工合成伊丽芙居里和约里奥居里用粒子轰击13号元素，人工合成了 核反应方程为：4.放辐射性同位素的应用 特别提醒： 无论是质子的发现还是中子的发现，这一类方程都属于核的人工转变，是吸收能量的在核反应中质量数和电荷数都守恒【例题4】用中子（）轰击铝27()，产生钠24（）和X，钠24具有放射性它衰变后变成镁24（）和Y.则X和Y分别是A粒子和电子 B粒子和正电子C电子和粒子 D质子和正电答案：A【解析】写出核反应方程：和，显然X是粒子，Y是电子.A正确.【规律总结】熟练的写出核反应方程是关键，当然也要记忆一些常见的粒子的名称和书写，在核反应中质量数和电荷数都守恒.【例题5】在下列四个核反应中，X表示了质子的是哪些AB；C；D答案：A【解析】根据核反应中质量数和电荷数都守恒，A中是质子；B、C、D中均为中子.【规律总结】核反应中质量数和电荷数都守恒，从而确定粒子的种类.考点五：核力与核能1.核力与核能核力：相邻的 间有强大的核力作用，是一种短程力，其作用距离不超过10-15m.核能：核反应中 称为核能.特别提醒：将一个原子核分离成核子，需要克服核力做功，吸收能量；核子结合成原子核，核力做正功，释放核能.2.爱因斯坦质能联系方程 3.核能质量亏损： 叫质量亏损.在衰变、裂变和聚变中存在质量亏损.特别提醒：计算质量亏损的方法：对质能联系方程的理解：并不是指质量的消失，只是在核反应的过程中以辐射能量的形式体现了相应部分的质量；不能理解为质量为的物质可以转化为的能量，这只是反应了质量与能量间的密切联系，在计算核能时应用来计算4. 结合能结合能： ，叫做原子核的结合能.特别提醒：对结合能的理解 质量m与能量E符合爱因斯坦的质能方程，这里c是真空中的光速. 根据质能方程，当能量增加了E，那么它的质量也相应地增加m，反过来也一样.E和m间符合下述质能方程. 核子结合成原子核时放出结合能，因此核的质量和组成它的核子的质量比较起来就要小些，这叫做核的质量亏损，知道了核的质量亏损，就可以根据质能方程求出原子核的结合能. 用核子数去除原子核的结合能，就得到每个核子的平均结合能. 质量数为5060的原子核平均结合能最大，约为8.6MeV，质量数较小的轻核和质量数较大的重核，平均结合能都比较小. 例题6 （原子量为232.0372）衰变为（原子量为228.0287）时，释放出粒子（的原子量为4.0026），写出核反应方程，并求出衰变过程中释放出多少能量. 答案：； 5.5MeV.【解析】衰变过程中的质量亏损m=232.0372u-(228.0787u+4.0026u)=0.0059u衰变过程中释放的能量=mC=0.0059931.5MeV=5.5MeV【规律总结】用计算核能时有两种方法：1.在公式中均取国际单位.2.在公式=m931.5中m的单位是u，的单位是eV，.二、高考热点探究一、衰变与带电粒子在磁场中的运动静止的原子核发生、衰变时，动量守恒、能量守恒，同时存在质量亏损，释放核能.在电场、磁场中、粒子因为带电而发生偏转或是做圆周运动. 图（a） 图（b） 图17【真题】（2008年广东高考）（1）放射性物质和的核衰变方程为：，方程中的X1代表的是_，X2代表的是_.如图所示，铅盒内装有能释放、和射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场E或磁场B，在图17(a)、(b)中分别画出射线运动轨迹的示意图.（在所画的轨迹上须标明是、和中的哪种射线）【解析】（1）第一个核反应方程为衰变，所以X1代表；第二个核反应方程为衰变，X2代表； （2）在图（a）中，射线不偏转，射线向右偏转，射线向左偏转； 在图（b）中，射线不偏转，射线向左偏转，射线向右偏转.答案：（1），；（2）画出射线运动轨迹的示意图：略【名师指引】在电场中：射线是氦的原子核，带正电，质量数较大，加速度较小，偏转不明显；射线是电子，带负电，质量数为零（不到一个原子质量单位u）加速度很大，偏转明显，在画图时，这一点要体现出来.【新题导练1】在匀强磁场区域中有一个静止的分裂为和，若分裂后速度方向与磁场垂直，求两核在磁场中运动的半径之比.二半衰期半衰期是一个统计概念，只有对大量的原子核才成立，对几个原子核，则不存在半衰期的概念.半衰期的长短与所处的物理状态和化学状态无关【真题】（2008年上海高考）放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核时，往往会同时伴随辐射.已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，经过tT1T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA：mB.答案：见解析【解析】放射性元素的原子核在衰变或衰变生成新原子核时，新原子核往往有多余的能量，亦即新原子核处于激发态，这些能量再以光的形式放出，这就是衰变，衰变总是伴随着衰变或衰变.根据衰变公式：有：又因为所以mA：mB：【名师指引】根据，有：，得到：在理解衰变公式的基础上，指数运算出现错误.加强数学运算能力，别让数学扯了物理的后腿.【新题导练2】关于半衰期，以下说法正确的是：A同种放射性元素在化合物中的半衰期比单质中长.B升高温度可以使半衰期缩短.C氡的半衰期为3.8天，若有四个氡原子核，经过7.6天就只剩下一个.D氡的半衰期为3.8天，4克氡原子核，经过7.6天就只剩下1克.三核电站、热核反应与恒星发光热核反应：聚变必须在轻核间的距离十分接近，即达到10-15m时才能进行.在极高温度下，原子核可以获得足够的动能克服库仑斥力而发生聚变，这种聚变反应叫做热核反应.目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸，恒星的内部进行着这种反应. 核电站：重核的裂变提供能量.反应堆的构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层.【真题】（2002年广东高考）如下一系列核反应是在恒星内部发生的：其中为质子，为粒子，为正电子，为一种中微子.已知质子的质量为，粒子的质量为，正电子的质量为，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速，试计算该系列核反应完成后释放的能量.答案：【解析】题中6个方程可等效为下面一个方程：质量亏损为根据爱因斯坦质能方程可算出整个过程释放的能量.【名师指引】想办法计算出这一系列核反应的质量亏损是解决本题的关键，将这6个核反应方程等效为，才能正确算出质量亏损.不能对这6个方程进行等效，从而不能算出质量亏损，是解决本题失败的主要原因.【新题导练3】（1）在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势.在核电站中，核反应堆释放的核能被转化成电能.核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能.以上的核反应方程是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，为X的个数，则X为_，=_.以m1、m2、m3分别表示U、Ba、Kr核的质量，m4、m5分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则上述核反应过程中放出的核能DE=_（2）有一座发电能力为P=1.00106kw的核电站，核能转化为电能的效率h=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能DE=2.7810-11J，核的质量m1=39010-27kg，求每年（1年=3.15107s）消耗的的质量为多少？四：热核反应与恒星寿命 恒星的能量来与其内部的热核反应，在恒星的内部，核聚变反应的种类有很多，最关键的是找到最后的等效核反应，以便于计算质量亏损.恒星释放的核能向宇宙的四面八方均匀辐射，在以恒星为球心的球面上，能量均匀分布.当恒星内部的聚变材料小于某个临界值时，核反应就会停止，恒星步入死亡期.【真题】（2001年全国高考）太阳现正处于主序星演化阶段.它主要是由电子和、等原子核组成.维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是释放的核能，这些核能最后转化为辐射能.根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的核数目从现有数减少10，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段.为了简化，假定目前太阳全部由电子和核组成.（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M.已知地球半径R6.4106 m，地球质量m6.01024 kg，日地中心的距离r1.51011 m，地球表面处的重力加速度g10m/s2 ，1年约为3.2107秒，试估算目前太阳的质量M.（2）已知质子质量mp1.67261027 kg，质量m6.64581027 kg，电子质量 me0.91030 kg，光速c3108 m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.（3）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能w1.35103 W/m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命.（估算结果只要求一位有效数字.）答案：（1）21030 kg （2）4.210-12 J （3）1百亿年【解析】（1）要估算太阳的质量M，研究绕太阳运动的任一颗行星的公转均可，现取地球为研究对象.设T为地球绕日心运动的周期，则由万有引力定律和牛顿定律可知 地球表面处的重力加速度 得 以题给数值代入，得M21030 kg （2）根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为E（4mp2mem）c2 代入数值，得E4.210-12 J （3）根据题给假设，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为 因此，太阳总共辐射出的能量为ENE设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为4r2w 所以太阳继续保持在主星序的时间为 由以