第3章原子核与放射性.doc

第3章 原子核与放射性第1节 原子核结构目标要求1、知道原子核的组成，知道核子和同位素的概念。2、会根据质量数守恒和电荷数守恒写出核反应方程。3、了解发现质子和中子的过程。1、质子、中子的发现科学家用高速粒子流轰击原子核，迫使原子核发生_，通过对生成的新核及产生的粒子进行研究，了解原子核的内部构成。质子和中子就是通过这种原子核的人工转变被发现的。1919年，卢瑟福发现质子，其核反应方程为：（质子）。1932年，查德威克发现中子，核反应方程为：（中子）。2、原子核的组成，同位素原子核由_和_组成，质子和中子统称为_。质子数相同，中子数不同的元素互称为_。3、核反应及核反应方程在核物理学中，原子核在具有一定能量的其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为_。通常用作为原子核符号，其中X为元素符号；A表示原子核的质量数，写在元素符号左上角；Z表示核电荷数，即质子数，写在元素符号左下角，用此种原子核符号描述核反应过程的式子称为核反应方程。注意：核反应方程必须遵守电荷数守恒和质量数守恒。另外，核反应过程通常是不可逆的，方程中只能用箭头“”连接并指示反应方向，而不用等号“”连接。例. 用粒子轰击氮14，结果发现了质子。图中示意了云室实验的照片，其中的a、b、c三条不同的径迹分别代表谁的径迹？并写出此核反应方程。解答用粒子轰击氮14，产生质子和氧17，因为氧17的电荷数明显多于质子的电荷数，氧17有更强的电离能力，所以它在云室中飞过时的径迹粗，而质子的径迹细；又因为氧17的质量数明显大于质子的质量数，根据动量守恒，氧17的速度明显小于质子的飞行速度，所以氧17的飞行距离较短，质子的飞行距离较长。故：b为反应前粒子飞行的径迹；a为反应后产生的氧17的飞行径迹；c为反应后生成的质子的飞行径迹。核反应方程为：小结在云室中，根据粒子飞行径迹的长短、粗细及加入磁场后粒子轨迹的弯曲方向和曲率半径、磁场的强度及方向等，人们可以推得粒子的许多特性。在历史上人们研究粒子的性质和发现新的微观粒子中，云室曾作出过重要的贡献。第2节 原子核衰变及半衰期目标要求1、了解天然放射现象，知道放射现象的实质是原子核的衰变。2、知道三种天然放射线的基本性质。3、掌握原子核衰变规律，理解半衰期概念。4、能够熟练运用核衰变的规律写出核衰变的核反应方程。5、能够利用电场或磁场分离和鉴别三种天然放射线。1、天然放射现象物质能自发地放出射线的现象叫做_，正是天然放射现象的发现，使人们认识到原子核有着复杂的内部结构，通过研究，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。2、放射线的性质射线：速度约为光速十分之一的_原子核粒子流（），贯穿能力_（可穿透空气几厘米或一张薄纸），电离作用_。射线：速度接近光束的_（），贯穿作用_（可穿透几毫米厚铅板），电离作用_。射线：波长极短的电磁波，粒子就是光子，贯穿本领_（可穿透几厘米厚的铅板），电离作用_。3、原子核的衰变定义：原子核自发地放出某种粒子而转变为新的原子核的变化叫做原子核的_。衰变的种类衰变：放出粒子（即氦核）的衰变。每发生一次衰变，新、旧原子核比较，核电荷数将减少_，质量数减少_，即衰变：放出粒子（即电子）的衰变每发生一次衰变，新、旧核比较，新核电荷数增加_，质量数_，即。射线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）而辐射出的光子流。4、半衰期放射性元素的原子核有_发生衰变需要的时间叫做半衰期，是表示放射性元素衰变_的物理量，不同的元素，其半衰期不同，有的差别很大。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_（如压强、温度等）或_（如单质或化合物）无关。种类组成粒子衰变方程出射速度贯穿本领电离能力射线氦核约弱，不能穿透薄纸或薄铝箔很强射线电子接近c较强，能穿透几毫米的铝板较弱射线光子伴随和射线产生c最强，能穿透几厘米的铅板很小例. 在如图所示的匀强磁场中的A点，有一个静止的原子核，当它发生_衰变时，射出的粒子以及生成的新核才做如图的圆周运动，可以确定，发生衰变时新核的运动方向是_。若两圆的半径之比是44：1，则这个放射性元素的原子序数是_。解答静止核衰变后两生成物的速度反向，根据左手定则判断它们在磁场中的受力方向，若衰变时放出正电粒子，则正粒子和新生核的轨迹应是外切圆，若衰变放出负粒子，则两轨迹是内切圆。可知，发生了衰变，新核（带正电）的运动方向向右。由可知，即：可见，放射性元素的原子核电荷数为43。小结本题的解析过程应考虑衰变性质、动量守恒、洛伦兹力及左手定则等知识，具有综合性强的特点，应全面把握。第4章 核能目标要求1、知道核力的性质，能简单解释轻核与重核内中子数、质子数具有不同比例的原因。2、知道核反应中的质量亏损。3、知道爱因斯坦的质能方程，理解质量与能量的关系。4、理解原子核的结合能及平均结合能概念，了解释放能量的途径。5、知道重核的裂变是释放核能的途径之一。6、知道铀核裂变及链式反应的原理。7、了解核反应堆和核电站的基本原理。8、掌握铀核裂变的核反应方程，会根据其质量亏损计算释放的核能。9、了解聚变反应的特点及其条件。10、了解可控热核反应及其研究和发展。1、核能核反应过程中释放或吸收的能量叫_。如：，中子和质子结合成一个氘核时会释放出能量，这个能量以光子的形式辐射出去。，一个氘核分拆成中子和质子时需要吸收的能量等于或大于的光子。2、质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的_。出现质量亏损的核反应才能释放能量。3、爱因斯坦质能方程，E表示物体的能量，m表示物体的质量，c表示光速。根据质量亏损可以计算核反应中释放的核能为：。4、重核的裂变一个重核分裂成两个或两个以上的中等质量的核的反应，叫做_。铀235在裂变过程中，会产生23个中子，这些中子再引起其他铀核的裂变，这可以使反应持续不断地进行下去，这种反应叫链式反应。5、轻核的聚变轻核结合成质量较大的核叫做_。轻核的核子平均质量比中等质量的核的核子的平均质量要大得多，所以轻核聚合为中等核时要释放大量的核能。6、正确区分原子核能和原子能级原子核能是原子核内核力做正功时释放出来的能量。而原子能级是指原子处于各种定态时的能量（电势能和电子的动能之和），原子跃迁时，库仑力做正功，释放出能量，两种释放出来的能量计算为：核能：原子跃迁：。7、怎样理解质能方程（1）质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的。具体地说，一定质量的物体所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的是总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和。（2）根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比，物体的质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也可写作。（3）运用质能方程时应注意单位。一般情况下，公式中各量都应取国际制单位。但在微观领域，用国际制单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位。一原子质量单位的质量为1u，由质能方程知，1u的质量所联系的能量为：【典型例题】例1. 如图所示，a为未知天然放射源，b为薄铝片，c为两平行板之间存在着较大电场强度的匀强电场，d为荧光屏，e为固定不动的显微镜筒。实验时，如果将强电场c撤去，从显微镜内观察到荧光屏上每分钟闪烁亮点数没有变化；如果再将薄铝片b移开，则从显微镜筒内观察到的每分钟闪烁亮点数大为增加。由此可判定放射源所发出的射线可能为（ ）A. 射线和x射线B. 射线和射线 C. 射线和射线D. 射线和射线解析：粒子的贯穿本领很小，一张薄铝片就可把它挡住，射线能穿透几毫米厚的铝板，射线能贯穿几厘米厚的铝板。撤去电场后，荧光屏上闪烁亮点数没有变化，说明原先能到达荧光屏的射线不带电，放射源放出的射线中有射线，撤去薄铝片，闪烁亮点数大为增加，说明放射源发出的射线中有射线，故选项D正确。例2. 本题中用大写字母代表原子核。E经衰变成为F，再经衰变，变成为G，再经衰变，变成为H。上述系列衰变可记为：，另一系列衰变记为：已知P是F的同位素，则（ ）A. Q是G的同位素，R是H的同位素B. R是E的同位素，S是F的同位素C. R是G的同位素，S是H的同位素D. Q是E的同位素，R是F的同位素解析：由题意P是F的同位素，设它们的核电荷数为Z，质量数分别为、A，又原子核每发生一次衰变，核的质量数减少4，电荷数少2；每发生一次衰变，质量数不变，电荷数增加1，则题中衰变关系可写为：故由上述衰变关系可知R是E的同位素、S是F的同位素，答案是B。例3. 目前的核电站都是用铀235作核燃料，通过裂变获得核能。假如我们用氘和氚作核燃料，通过聚变获得核能，问两种方法所需核燃料质量之比为多少？提供的数据有：一个铀235核在裂变时放出的核能，氘原子质量为2.01473u，氚原子质量为3.01701u，氦原子的质量为4.00388u，中子质量为1.00867u，电子质量为0.00055u。解析：氘核与氚核聚变的核反应方程式为由于提供的数据为原子的质量，反应前核的总质量应为原子的总质量减去2个电子质量；反应后的核总质量应为原子总质量减去4个电子质量，所以反应前后原子核的质量差为。一个氘核与一个氚核聚变释放的核能为。核材料释放的总能量可看作它所含的核子数乘以每个核子平均释放的能量，而核子的质量可看成都是一样的（三位有效数）。这样，核反应释放的总能量相同，所需的核材料的质量与核子平均释放的能量成反比，因此，裂变和聚变所需的核材料质量之比为例4. 一个铀核衰变为钍核时释放出一个粒子。已知铀核的质量为，钍核的质量为，粒子的质量为。（1）在这个衰变过程中释放出的能量等于多少焦？（保留两位有效数字）（2）设上述衰变是在一边界为圆形的半径的匀强磁场中发生的，且衰变前铀核静止于圆心，衰变过程中释放出的能量都转化为动能。欲使衰变产物钍核和粒子均不飞出磁场，则该磁场的磁感应强度B至少多大？解析：衰变过程是弱相互作用，牛顿运动定律不适用，但仍满足动量守恒和能量守恒。假设衰变产物只有钍核和粒子，则它们的动量大小相等、方向相反，衰变过程由于质量亏损释放的核能等于它们的动能之和。如果放出的粒子的速度方向与磁场方向垂直，则粒子和钍核都做匀速圆周运动，其轨迹外切。（1）衰变过程释放出的能量为 （2）设钍核质量为M，钍核速度为V，粒子的质量为m，粒子速度为v，由动量守恒和能量守恒得由上述两式可解得粒子动能为，则粒子与钍核在磁场中的运动径迹如图所示。由可知，所以【模拟试题】1、天然放射性元素经过一系列衰变和衰变之后，变成。下列论断中正确的是（ ）A. 比少24个中子B. 比少8个质子C. 衰变过程中共有4次衰变和8次衰变D. 衰变过程中共有6次衰变和4次衰变2、如图所示是原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图象，下列说法中，正确的是（ ）A. 若D、E能结合成F，结合过程一定要释放能量B. 若D、E能结合成F，结合过程一定要吸收能量C. 若A能分裂成B、C，分裂过程一定要释放能量D. 若A能分裂成B、C，分裂过程一定要吸收能量3、一对正电子与负电子相遇可以转化为一对光子，写出反应方程为_，根据质能方程光子的频率为_Hz（要求二位有效数字，电子质量，电子电量，光速，普朗克常数，不考虑电子的动能）4、用中子轰击锂核（）发生核反应，生成氘（）核和粒子，并且放出的能量，核反应方程式为_，反应过程中质量亏损是_u，假设中子与锂核是以等值反向的动量相碰的，则核反应后，氚核和粒子的动能之比是_ _。5、能源危机是一个全球性的共同问题，科学家们正在积极探索核能的开发与和平利用，其中可控热核反应向人类展示了诱人的前景，热核反应比相同数量的核子发生裂变反应释放的能量大好几倍，同时所造成的污染也要轻得多，而且可用热核反应的氘（）在海水中的总量非常丰富，所以一旦可控热核反应能够达到实用，便可解决人类的能源危机问题。（1）热核反应中的一种是一个氘核和一个氚核（）聚变为一个氦核（），请完成这个核反应方程式：能量。（2）若氘核的质量为2.041u，氚核的质量为3.0161u，中子的质量为1.0087u，氦核的质量为4.0026u，其中u是原子的质量单位，已知1u相当于931.5MeV的能量，则上述核反应过程中释放的能量为_MeV（保留三位有效数字）。6、在匀强磁场中，一静止的放射性原子核A发生衰变时，恰拍得一张如图所示的圆形轨迹的照片。（1）分析原子核A衰变的类型，说明衰变中放出的粒子C与产生的新核D分别沿哪条轨道运动（2）若测得图示中两个圆形轨迹的半径之比为44：1，试求出原子核A中的质子数。（3）若原子核A的质量数为232，试求出衰变中放出的粒子C与产生的新核D的动能之比。【试题答案】1、答案：BD 解析：的中子数为126，质子数为82；的中子数为142，质子数为90。所以比少16个中子，少8个质子。衰变次数次，衰变次数次。2、解析：“核子平均质量”的大小反映核子结合成原子核时质量亏损的多少。核子平均质量大的D、E结合成核子平均质量较小的F时，有质量亏损，所以