2011届高考物理第二轮 综合专题复习题4

用心 爱心 专心 1 高考综合复习高考综合复习 原子结构原子结构 原子核专题复习原子核专题复习 总体感知总体感知 知识网络知识网络 考纲要求考纲要求 考点 要求 氢原子光谱 氢原子的能级结构 能级公式 原子核的组成 放射性 原子核的衰变 半衰期 放射性同位素 核力 核反应方程 结合能 质量亏损 裂变反应 聚变反应 裂变反应堆 放射性的防护 用心 爱心 专心 2 命题规律命题规律 1 从近五年的高考试题来看 本专题所考查的内容主要集中在原子的核式结构 玻尔理 论 原子核的衰变 质能方程和核反应方程等知识点 2 本专题内容考查的形式多以选择题和填空题为主 例如 2008 年广东单科的第 2 题 第 6 题和第 9 题等均为选择题 再如 2008 年山东理综的 38 1 江苏单科的 12C 3 宁 夏理综的 33 1 和海南单科的 19 1 均是以填空题形式出现 3 本专题内容偶尔也有与动量 能量结合的计算题 如 2007 年山东理综第 37 题 2006 年江苏物理第 18 题等 4 从考查的频率来看 对本专题内容的考查有越来越高的趋势 复习时应引起重视 本专题属选考内容 作为选修 3 5 一个模块中的内容 在高考中出题的可能性很大 预计今后的高考对本专题命题有以下特点 一是难度不大 大多直接考查理解和记忆 二 是考查细节较多 三是体现时代气息 用新名词包装试题 四是有少数试题与力学 电磁学 相结合 体现学科内综合 当然由于各个考区对本专题的要求不同 因而出题的形式也可能各不相同 选择题 填空 题 计算题都有可能 比如在山东考区此专题内容将以非选择题的形式出现 因而与动量结 合在一起出一道中等难度的计算题的可能性很大 复习策略复习策略 本章知识是学习现代物理的基础 在复习时要采用系统理解 重点记忆的办法 要做到 1 对每个概念 规律 现象有正确的理解 并弄清其来龙去脉 只有这样才能记忆深刻 明辨是非 正确表达 2 紧扣课本 重点掌握原子的核式结构理论 能级跃迁规律 核反应方程中质量数和核 电荷数守恒 衰变衰变规律 3 对一些粒子的特性 如 等的属性要有清晰的了解 它们属于当今物理学的 前沿 高能物理学基础 重点掌握核反应方程式的写法和核能释放的知识 第一部分第一部分 原子结构原子结构 用心 爱心 专心 3 知识要点梳理知识要点梳理 知识点一知识点一 原子的核式结构模型原子的核式结构模型 知识梳理知识梳理 一 电子的发现一 电子的发现 1 1 阴极射线的发现 阴极射线的发现 19 世纪 科学家研究稀薄气体放电 发现阴极发出一种射线 阴极射线 2 2 电子的发现 电子的发现 汤姆孙确定阴极射线是由带负电的粒子组成 并测定出它的荷质比 之后用油滴实验测 定了它的电量 确定它是组成各种物质的基本成分 称之为电子 3 3 电子的发现说明原子也是有结构的 电子的发现说明原子也是有结构的 二 原子的核式结构模型二 原子的核式结构模型 粒子散射实验粒子散射实验 1 实验装置 2 实验条件 金属箔是由重金属原子组成 很薄 厚度接近单原子的直径 全部设备 装在真空环境中 因为粒子很容易使气体电离 在空气中只能前进几厘米 显微镜可在底 盘上旋转 可在的范围内进行观察 3 实验现象 绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原方向前进 少数粒子发生较大偏转 个别粒子偏 转超过了有的甚至近 4 实验结论 原子有一个很小的核 它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量 电子绕核运转 这就是卢瑟福原子核式结构模型 根据粒子散射实验的数据 可以估算原子核的大小为 m 疑难导析疑难导析 1 1 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子 英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子 用心 爱心 专心 4 实验装置如图所示 从高压电场的阴极发出的阴极射线 穿过后沿直线打在荧光屏上 1 当在平行极板上加一如图所示的电场 发现阴极射线打在荧光屏上的位置向下偏 则可判定 阴极射线带有负电荷 2 为使阴极射线不发生偏转 则请思考可在平行极板区域采取什么措施 在平行极板 区域加一磁场 且磁场方向必须垂直纸面向外 当满足条件时 则阴极射线不发 生偏转 则 3 如图所示 根据带电的阴极射线在电场中的运动情况可知 其速度偏转角为 又因为 且 则 根据已知量 可求出阴极射线的比荷 2 2 粒子散射现象的分析粒子散射现象的分析 1 由于电子质量远远小于粒子的质量 电子质量约为粒子质量的 1 7 300 即 使粒子碰到电子 其运动方向也不会发生明显偏转 就像一颗飞行的子弹碰到尘埃一样 所以电子不可能使粒子发生大角度的散射 2 使粒子发生大角度散射的只能是原子核带正电的部分 按照汤姆孙的原子模型 正电荷在原子内是均匀分布的 粒子穿过原子时 它受到两侧正电荷的斥力有相当大一部 分互相抵消 因而也不可能使粒子发生大角度偏转 更不可能把粒子反向弹回 这与 粒子散射实验的结果相矛盾 从而否定了汤姆孙的原子模型 3 实验中 粒子绝大多数不发生偏转 少数发生较大的偏转 极少数偏转 个 用心 爱心 专心 5 别甚至被弹回 都说明原子中绝大部分是空的 带正电的物质只能集中在一个很小的体积内 原子核 3 3 粒子散射的实质粒子散射的实质 粒子散射的实质是带正电荷的粒子向固定的正电粒子靠近 由于斥力的作用 使 粒子偏转 此过程中 开始电场力做负功 电势能增加 后来电场力做正功 电势能减小 卢瑟福通过对粒子散射实验结果的分析 提出 A 原子的核式结构模型 B 原子核内有中子存在 C 电子是原子的组成部分 D 原子核是由质子和中子组成的 答案 答案 A 解析 解析 英国物理学家卢瑟福的粒子散射实验的结果是绝大多数粒子穿过金箔后基本上 仍沿原方向前进 但有少数粒子发生较大的偏转 粒子散射实验只发现原子可以再分 但并不涉及原子核内的结构 查德威克在用粒子轰击铍核的实验中发现了中子 卢瑟福用 粒子轰击氮核时发现了质子 知识点二知识点二 玻尔的原子模型和氢原子的能级玻尔的原子模型和氢原子的能级 知识梳理知识梳理 一 玻尔的原子模型一 玻尔的原子模型 1 原子只能处于一系列的不连续的能量状态之中 在这些状态中原子是稳定的 电子虽 然做加速运动 但并不向外辐射能量 这些状态叫定态 2 原子从一种定态 设能量为 跃迁到另一种定态 设能量为 时 它辐射 或 吸收 一定频率的光子 光子的能量由这两种定态的能量差决定 即 3 原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应 原子的定态是不连续 的 因此电子的可能轨道的分布也是不连续的 特别提醒 特别提醒 玻尔模型的成功之处在于它引入了量子概念 局限之处在于它过多地保留了经 典理论 现代量子理论认为电子的轨道只能用电子云来描述 二 氢原子光谱二 氢原子光谱 1 1 光谱 光谱 1 定义 用光栅或棱镜可以把光按波长展开 获得光的波长 频率 成分和强度分布 用心 爱心 专心 6 的记录 2 分类 发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱 发射光谱有连续光谱和明线光谱 两种 连续光谱由炽热的固体 液体或高压气体所发出的光形成 明线光谱是稀薄气体或蒸气发出的光生成的 原子的特征光谱为明线光谱 不同原子的明线光谱不同 吸收光谱 吸收光谱是温度很高的光源发出来的白光 通过温度较低的蒸气或气体后产 生的 太阳光谱为吸收光谱 3 特征谱线 线状谱中的亮线 不同原子中是不一样的 这些亮线称为原子的特征谱 线 4 光谱分析 用原子的特征谱线 来鉴别和确定物质的组成成分 光谱分析的优点 灵敏度高 样本中一种元素的含量达到g 时就可以检测到 2 2 氢原子光谱 氢原子光谱 1 氢光谱 如图所示 2 氢原子光谱的实验规律 巴耳末系是氢光谱在可见光区的谱线 其波长公式式中 R 为里德伯常量 特别提醒 特别提醒 卢瑟福的原子核式结构模型与经典电磁理论的矛盾主要有两点 按照经典电磁 理论 电子在绕核做加速运动的过程中 要向外辐射电磁波 因此能量要减少 电子轨道半 径也要变小 最终会落到原子核上 因而原子是不稳定的 电子在转动过程中 随着转动半 径的缩小 转动频率不断增大 辐射电磁波的频率不断变化 因而大量原子发光的光谱应该 是连续光谱 然而事实上 原子是稳定的 原子光谱也不是连续光谱而是线状光谱 三 氢原子的能级和能级图三 氢原子的能级和能级图 1 1 氢原子的能级和能级图 氢原子的能级和能级图 用心 爱心 专心 7 原子各定态的能量值叫做原子的能级 能级图如图所示 对于氢原子 其能级公式为 轨道半径公式为 其中 n 称为量子数 只 能取正整数 13 6eV 特别提醒 特别提醒 相邻横线间的距离 表示相邻的能级差 量子数越大 相邻的能级差越小 2 2 氢原子的跃迁及电离 氢原子的跃迁及电离 1 氢原子受激发由低能级向高能级跃迁 当光子作用使原子发生跃迁时 只有光子能量满足的跃迁条件时 原子 才能吸收光子的全部能量而发生跃迁 当用电子等实物粒子作用在原子上 只要入射粒子的动能大于或等于原子某两 定态 能量之差 即可使原子受激发而向较高能级跃迁 如果光子或实物粒子与原子作用而使原子电离 绕核电子脱离原子的束缚而成为 自 由电子 即 的状态 时 不受跃迁条件限制 只不过入射光子能量越大 原子电离 后产生的自由电子的动能越大 2 氢原子自发辐射由高能级向低能级跃迁 当一群氢原子处于量子数为 n 的激发态时 可能辐射出的光谱线条数为 用心 爱心 专心 8 当单个氢原子处于某个能级向低能级跃迁时 最多可能产生 n 一 1 个频率的光子 四 激光四 激光 1 自发发射 处于能量较高状态的原子是不稳定的 会自发地跃迁到较低能量状态 同 时放出光子 2 受激吸收 一个入射光子的能量恰好等于原子基态与某个激发态的能量差 原子吸收 这个光子而跃迁到这个激发态 3 受激发射 一个入射光子的能量正好等于原子的某一对能级的能量差 则处于 激发态的原子就可能受到这个光子的激发而跃迁到能量较低的状态 同时发射 个与 入射光子完全相同的光子 4 激光的产生 受激发射的过程不断进行 形成光子的 雪崩 这样的输出光即激光 5 激光器 构造 激活介质 抽运装置 光学共振腔 激光器工作原理图 如图 种类 固体 液体 气体 染料 半导体激光器等 红宝石激光器 激介质 红宝石 氦 氖激光器 激介质 氖 辅助物质 氦 疑难导析疑难导析 1 1 某定态时氢原子中的能量关系 某定态时氢原子中的能量关系 设 r 为某定态时氢原子核外电子的轨道半径 电子绕核运动的向心力由库仑力提供 有 由电子动能 电子在轨道 r 上的电势能 用心 爱心 专心 9 该定态能级能量为 将 式比较可得 1 某定态时 核外电子的动能总是等于该定态总能量的绝对值 原子系统的电势能 总是等于该定态总能量值的两倍 2 电子动能随轨道半径 r 的减小而增大 随 r 增大而减小 与 v 也直接相关 系统电势能随轨道半径 r 的增大而增大 随 r 的减小而减小 原子的总能量 也随轨道半径 r 的增大而增大 随 r 的减小而减小 3 某定态能量 表明氢原子核外电子处于束缚态 欲使氢原子电 离 外界必须对系统至少补充的能量 原子的能级越低 需要的电离能就越大 例如 当氢原子处于 n 1 能级时 13 6eV 立即得出该态下电子动能 13 6eV 电势能 27 2eV 最小电离能13 6eV 当氢原子处于 n 5 激发态 时 0 544eV 即刻可知此定态下电子动能0 544eV 电势能 1 088eV 最小电离能0 544eV 这的确快捷 准确 2 2 玻尔理论对氢光谱的解释 玻尔理论对氢光谱的解释 玻尔理论很好地解释了氢光谱 1 由玻尔的频率条件可得出巴耳末公式代表的是电子从量子数的能级向量 子数为 2 的能级跃迁时发出的光谱线 玻尔理论很好地解释并预言了氢原子的其他谱线系 2 通常情况原子处于基态 是最稳定的 原子吸收光子或受到电子的撞击 跃迁到激 发态 不稳定 自发地向能量较低的能级跃迁 放出光子 3 原子跃迁放出的光子 能级是分立的 所以光子的能量也是分立的 用心 爱心 专心 10 所以发射光谱只有一些分立的亮线 不同原子结构不同 能级各不相同 辐射 或吸收 的 光子频率也不相同 因此不同元素的原子具有不同的特征谱线 3 3 夫兰克一赫兹实验 夫兰克一赫兹实验 1 原理图 2 激发原子可以通过吸收电磁辐射 加热或使粒子碰撞等方式 夫兰克一赫兹实验证 实了能量是量子化的 处于基态的一群氢原子受某种单色光的照射时 只发射波长为 的三 种单色光 且 则照射光的波长为 A B C D 答案 答案 D 解析 解析 处于基态的氢原子吸收单色光发出三种波长的光 一定是由基态跃迁到 n 3 的激 发态 吸收的光的波长是 由 可得 D 正确 典型例题透析典型例题透析 题型一题型一 粒子散射实验和原子核式结构粒子散射实验和原子核式结构 1 原子的核式结构模型 在原子的中心有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正 电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外的空间运动 2 核式结构模型的实验基础是粒子散射实验 从粒子散射的实验数据 估计原子 核半径的数量级为m m 而原子半径的数量级是m 3 在粒子散射中 注意构建物理模型 散射中 动量守恒 能量守恒 用心 爱心 专心 11 1 1 卢瑟福和他的助手做粒子轰击金箔实验 获得了重要发现 1 关于粒子散射实验的结果 下列说法正确的是 A 证明了质子的存在 B 证明了原子核是由质子和中子组成的 C 证明了原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在一个很小的核里 D 说明了原子中的电子只能在某些轨道上运动 2 在粒子散射实验中 现有一个粒子以m s 的速度去轰击金箔 若金原 子的核电荷数为 79 求该粒子与金原子核间的最近距离 已知带电粒子在点电荷电场中的 电势能表达式为 粒子质量为 6 64 kg 思路点拨 思路点拨 粒子散射实验使人们认识到原子的核式结构 从能量转化角度看 当粒子 靠近原子核运动时 粒子的动能转化为电势能 达到最近距离时 动能全部转化为电势能 可以估算原子核的大小 解析 解析 1 选 C 粒子散射实验发现了原子内存在一个集中了全部正电荷和几乎全部质量的核 数年后卢瑟福发现核内有质子并预测核内存在中子 所以 C 对 A B 错 玻尔发现了电子轨道量子化 D 错 2 粒子与原子核发生对心碰撞时所能达到的最小距离为 d 总结升华 总结升华 粒子轰击金箔并不是直接接触原子核 所以只能是估算原子核的大小 举一反三举一反三 变式变式 在用粒子轰击金箔时 测得粒子能够接近金箔的最小距离约为 2 m 原子核的平均密度约为多少 阿伏加德罗常数 N 6 解析 解析 把粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原子核的半径 计算出每一个核的体 用心 爱心 专心 12 积 便可求密度 把粒子能够接近金箔的最小距离近似看作金原子核的半径 R 金核的体积 一个金原子的质量是 金原子核的平均密度是 题型二题型二 能级跃迁与光谱线能级跃迁与光谱线 1 原子跃迁条件只适用于光子和原子作用而使原子在各定态之间跃迁的 情况 对于光子和原子作用而使原子电离时 只要入射光的能量13 6 eV 原子就能吸 收 对于实物粒子与原子作用使原子激发时 粒子能量大于或等于能级差即可 2 原子跃迁发出的光谱线条数 是一群氢原子 而不是一个 因为 某一个氢原子有固定的跃迁路径 2 2 如图所示为氢原子最低的四个能级 当氢原子在这些能级间跃迁时 1 有可能放出 种能量的光子 2 在哪两个能级间跃迁时 所放出光子波长最长 波长是多少 思路点拨 思路点拨 本题考查了能级及跃迁公式 辐射出的光谱线条数 要正确理解公式中各量的物理量含义 解析 解析 1 由 得6 种 用心 爱心 专心 13 2 氢原子由第四能级向第三能级跃迁时 能级差最小 辐射的光子波长最长 由 得 所以 总结升华 总结升华 1 如果是一个氢原子 向低能级跃迁时最多发出的光子数为 2 理解氢原子能级图 量子数越大 能级差越小 发出光子波长越长 举一反三举一反三 变式变式 氢原子处于基态时 原子的能级为13 6 eV 普朗克常量 氢原子在 n 4 的激发态时 问 1 要使氢原子电离 入射光子的最小能量是多少 2 能放出的光子的最大能量是多少 解析 解析 1 使氢原子电离需要的最小能量 2 从 n 4 能级跃迁到 n 1 能级时 辐射的光子能量最大为 题型三题型三 跃迁时电子动能 原子势能与原子能量的变化跃迁时电子动能 原子势能与原子能量的变化 规定无穷远处原子的能量为零 则原子各能级的能量为负值 而 随轨道半径的增大 能量增大 另外由经典理论知 其动能 即 用心 爱心 专心 14 随 n 的增大 电子的动能减小 其电势能 随 n 的增大 原子的电势能增大 3 3 氢原子辐射出一个光子后 则 A 电子绕核旋转的半径增大 B 电子的动能增大 C 氢原子的电势能增大 D 原子的能级值增大 思路点拨 思路点拨 明确氢原子放出光子是由高能级向低能级跃迁的 轨道半径变小 电子绕原子 核做圆周运动其向心力由库仑力来提供 问题便可解决 解析 解析 由玻尔理论可知 氢原子辐射光子后 应从离核较远的轨道跃迁到离核较近的轨道 在此跃迁过程中 电场力对电子做了正功 因而电势能应减小 另由经典电磁理论知 电子 绕核做匀速圆周运动的向心力即为氢核对电子的库仑力 所以 可见 电子运动半径越小 其动能越大 再结合能量转化和守恒定律 氢原子放出光子 辐射出一定的能量 所以原子的总能量减小 综上讨论 可知该题只有答 案 B 正确 答案 答案 B 总结升华 总结升华 在原子中 由于原子核与核外电子库仑引力的作用而具有电势能 电势能属于 相互作用的系统 原子 举一反三举一反三 变式变式 氢原子的能级是氢原子处于各个定态时的能量值 它包括氢原子系统的电势能和 电子在轨道上运动的动能 当氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时 A 氢原子的能量减小 电子的动能增大 B 氢原子的能量增加 电子的动能增大 C 氢原子的能量减小 电子的动能减小 D 氢原子的能量增加 电子的动能减小 答案 答案 A 解析 解析 氢原子的电子由外层轨道跃迁到内层轨道时 氢原子放出光子能量 氢原子能量减 小 核外电子所受库仑力做正功 其动能增加 故选 A 第二部分第二部分 原子核原子核 用心 爱心 专心 15 知识要点梳理知识要点梳理 知识点一知识点一 天然放射现象天然放射现象 知识梳理知识梳理 1 1 原子核的组成 原子核的组成 原子核由质子和中子组成 质子与中子统称核子 2 2 天然放射现象 天然放射现象 物质放射出射线 射线 射线的性质叫放射性 具有放射性的元素 叫放射性元素 三种射线的性质 如下表 射线 射线 射线 实质 氦核流 电子流 电磁波 速度 约为光速的十分之一 约为光速的十分之几 光速 电离作用 很强 较弱 很弱 穿透能力 很弱 很强 最强 用心 爱心 专心 16 衰变方程 伴随和射线产生 疑难导析疑难导析 1 1 贝克勒耳发现天然放射现象 揭开了人类研究原子核结构的序幕 贝克勒耳发现天然放射现象 揭开了人类研究原子核结构的序幕 通过对天然放射现象的研究 人们发现原子序数大于 83 的所有天然存在的元素都具有放 射性 原子序数小于 83 的所有天然存在的元素也有一些具有放射性 2 2 研究放射线的方法 研究放射线的方法 1 在磁场中偏转 如图所示 根据可得 则在磁场中射线比 射线偏转的更明显 在电场中偏转 如图所示 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 可见在电场中 射线比射线有较明显的偏转 用心 爱心 专心 17 如图甲是三种射线穿透能力的示意图 图乙是工业上利用射线的穿透性 来检查金属内部的伤痕的示意图 请问图乙中的检查是利用了哪种射线 A 射线 B 射线 C 射线 D 三种射线都可以 答案 答案 C 解析 解析 由图甲可知射线的穿透力最强 可用来检查金属内部的伤痕 答案为 C 知识点二知识点二 原子核的衰变原子核的衰变 知识梳理知识梳理 1 1 原子核的衰变 半衰期 原子核的衰变 半衰期 原子核由于放射出射线 射线 射线而转变为新核的变化叫做原子核的衰变 放射 性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间叫半衰期 半衰期是反映衰变快慢的物理量 其长短由核内因素决定 与原子所处的物理状态或化学 状态无关 衰变规律可用公式或表示 式中的 表示元素在 t 0 时 的原子核数 质量 为半衰期 N m 表示这种元素的原子核在经过时间 t 后尚未衰变的原 子核数与质量 半衰期是一个对放射性元素的大量原子核而言的统计概念 对个别原子核来说没有什么意 义 因此上述两式也只适用于大量原子核 2 2 放射性同位素 放射性同位素 具有放射性的同位素叫做放射性同位素 放射性同位素有天然和人造两种 放射性同位素的应用 1 利用它放射出的射线 利用射线来检查金属内部有没有砂眼和裂纹 利用射线的电离作用消除静电积累 防止静电产生的危害 利用射线对生物组织的物理 化学效应 使种子发生变异 培育优良品种 用心 爱心 专心 18 利用放射线的能量 轰击原子核实现原子核的人工转变 在医疗上 常用以控制病变组织的扩大 2 作为示踪原子 把放射性同位素的原子搀到其他物质中去 让它们一起运动 迁移 再用放射性探测仪器 进行追踪 就可知道放射性原子通过什么路径 运动到哪里了 是怎样分布的等 我们把做 这种用途的放射性同位素叫做示踪原子 在工业上可用示踪原子检查地下输油管道的漏油情况 在农业生产中 可用示踪原子确定植物在生长过程中所需的肥料和合适的施肥时间 在医学上 可用示踪原子帮助确定肿瘤的部位和范围 在生物科学研究方面 放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛 它为揭示体内和细胞内变化过程的秘密 阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用 使 生物化学从静态进入动态 从细胞进入分子水平 阐明了一系列重大问题 使人类对生命基 本现象的认识开辟了一条新的途径 疑难导析疑难导析 1 1 原子核衰变规律 原子核衰变规律 衰变类型 衰变 衰变 衰变方程 衰变实质 2 个质子和 2 个中子结合成一个整体射出 中子转化为质子和电子 用心 爱心 专心 19 衰变规律 电荷数守恒 质量数守恒 特别提醒 特别提醒 1 射线是伴随着衰变和衰变同时产生的 放出射线不改变原子核的质量数和 电荷数 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 当放射性物质发生连续衰变时 原子核中有的发生衰变 有的发生衰变 同时 伴随辐射 这时就同时具有三种射线 3 核反应中一般会发生质量变化 但仍然遵循质量数守恒 2 2 物理学史上的几个核反应方程 物理学史上的几个核反应方程 1 发现质子的核反应方程 第一次实现原子核的人工转变 卢瑟福 2 发现中子的核反应方程 查德威克 3 发现放射性同位素的核反应方程 同时发现了正电子 约里奥 居里夫妇 3 3 核反应方程的书写 核反应方程的书写 常见的核反应分为衰变 人工转变 裂变 聚变等几种类型 无论写哪种类型的核反应方 程 都应注意以下几点 1 必须遵守电荷数守恒 质量数守恒规律 有些核反应方程还要考虑到能量守恒规律 例如裂变和聚变方程常含能量项 2 核反应过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 3 写核反应方程必须要有实验依据 决不能毫无根据地编造 4 在写核反应方程时 应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式 的适当位置上 然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核 或未知粒子 的电荷 用心 爱心 专心 20 数和质量数 最后根据未知核 或未知粒子 的电荷数确定它们是哪种元素 或哪种粒子 并在核反应方程一般形式中的适当位置填写上它们的符号 4 4 如何确定 如何确定 的衰变次数的衰变次数 设放射性元素经过 n 次衰变和 m 次衰变后变成稳定的新元素 则表示该核 反应的方程为 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 由以上两式联立解得 由此可见 确定衰变次数可 归结为解一个二元一次方程组 铀裂变的产物之一氪 90 是不稳定的 它经过一系列衰变最终成为稳定的 锆 90 这些衰变是 A 1 次衰变 6 次衰变 B 4 次衰变 C 2 次衰变 D 2 次衰变 2 次衰变 答案 答案 B 解析 解析 原子核每经过一次衰变 质量数减 4 核电荷数减 2 每经一次衰变 电荷数 加 1 质量数不变 设经过 x 次衰变 y 次衰变 可列方程组 解得 可知经过 4 次衰变 故选项 B 正确 知识点三一知识点三一 核反应核反应 核能核能 知识梳理知识梳理 一 核力一 核力 用心 爱心 专心 21 1 1 含义 含义 原子核里的核子间存在互相作用的核力 核力把核子紧紧地束缚在核内 形成稳定的原子 核 2 2 核力的特征 核力的特征 1 核力是强相互作用力 强力 2 核力是短程力 作用范围在 0 8 1 5m 之间 r 0 8m 时表现为吸引力 且随 r 增大而减小 超过 1 5m 核力急剧下 降几乎消失 r 0 8m 时表现为斥力 因此核子不会融合 3 每个核子只跟相邻的核子发生核力作用 这种性质称为核力的饱和性 二 核反应二 核反应 原子核在其他粒子的轰击下生成新原子核的过程 称为核反应 与衰变过程一样 在核反 应过程中 质量数和核电荷数守恒 三 核能三 核能 1 1 核反应过程中释放或吸收的能量叫核能 核反应过程中释放或吸收的能量叫核能 如 中子和质子结合成一个氘核时会释放出 2 2MeV 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 2 2MeV 的光子 2 2 质量亏损 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质量亏损 出现质量亏损的核反应 才能释放能量 3 3 爱因斯坦质能方程 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 四 获得方式 重核裂变和轻核聚变四 获得方式 重核裂变和轻核聚变 用心 爱心 专心 22 1 1 重核的裂变 重核的裂变 1 一个重核分裂成两个或两个以上的中等质量的核的反应 叫做重核的裂变 铀 235 在裂变过程中 会产生 2 3 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 2 核反应堆 核电站的核心 核反应堆的基本结构 一般由 5 部分组成 铀棒 即核燃料棒 中子减速剂 常用 减速剂有石墨 重水或普通水等 控制棒 由吸收中子能力很强的材料制成 如镉 硼 冷却系统 水泥防护层 吸收核裂变放出的各种有害的射线 防止对人体的危害 2 2 轻核的聚变 轻核的聚变 1 轻核结合成质量较大的核叫做聚变 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 2 要使轻核达到发生聚变的距离 m 就必须使其具有很大的动能来克服核间的 库仑斥力 其方法就是把它们加热到很高的温度 几百万摄氏度以上 因此聚变反应又叫 热核反应 3 热核反应在宇宙中是很普遍的 在太阳内部及许多恒星内部都进行着激烈的热核反 应 目前除了氢弹以外 人类还不能控制聚变反应 但世界上许多国家都在积极研究可控热 核反应 4 热核反应的优越性 热核反应所释放出的能量比相同质量核燃料裂变放出的能量大得多 热核反应的废料处理比裂变废料处理要简单得多 热核反应所用的燃料 氘 在地球上的储量非常丰富 1 L 海水中大约有 0 038 g 氘 如果用来进行热核反应 放出的能量和燃烧 300 L 汽油相当 因此 海水中的氘就是异常丰 富的能源 疑难导析疑难导析 1 1 核反应的四种类型 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 用心 爱心 专心 23 衰变 自发 人工转变 人工控制 卢瑟福发现质子 查德威克发现中子 约里奥 居里夫妇发现放射性同位素 同时发现正电子 重核裂变 比较容易进行人工控制 用心 爱心 专心 24 轻核聚变 除氢弹外无法控制 2 2 核子的平均质量 核子的平均质量 精确的实验表明 原子核由核子组成的 但原子核的质量却不等于所有核子质量之和 也 就是说 原子核的质量虽然会随着数量的增加而增加 但两者并不成比例 例如 氢核由一 个核子 质子 组成 氦核由四个核子 两个中子 两个质子 组成 但氦核的质量却不是 氢核的四倍 而是比四倍小 这样在不同的原子核中 用原子核的质量除以核子数所得到的 核子的平均质量数就变得不相同了 换一个说法 也就是同样的核子在不同的原子核中质量 不同 进一步研究表明 中等质量的原子核的核子的平均质量较小 铁核的核子平均质量较小 重核和轻核的核子平均质量大 这就为研究核反应中能量的释放建立了理论基础 当重核分 裂成中等质量的原子核时 会发生质量亏损 当轻核聚合成中等质量的原子核时 也会发生 质量亏损 由质能方程可知 此时核反应会放出能量 3 3 正确区分原子核能和原子能级 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 4 4 怎样理解质能方程 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 1u 1 6606kg 由质能方程知 1u 的质量所联系的能量为 1 6606 J 1 494J 931 5MeV 用心 爱心 专心 25 天文学家测得银河系中氦的含量约为 5 有关研究表明 宇宙中氦生成的途径有 两条 一是在宇宙诞生后 2 分钟左右生成的 二是在宇宙演化到恒星诞生后 由恒星内部的 氢核聚变反应生成的 1 把氢核聚变简化为 4 个氢核 聚变成氦核 同时放出 2 个正电子 和 2 个中微子 请写出该氢核聚变反应的方程 并计算一次反应释放的能量 2 研究表明 银河系的年龄约为 t 3 8s 每秒银河系产生的能量约为 1J P 1J s 现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应 试估算银河系中氦的含 量 最后结果保留一位有效数字 3 根据你的估算结果 对银河系中氦的主要 生成途径作出判断 可能用到的数据 银河系的质量约为 M 31kg 原子质量单位 1u 1 66kg 1u 相当于 1 5 10J 的能量 电子质量 m 0 0005u 氦核质量 4 0026u 氢核质量 1 0087u 中微子质量为零 解析 解析 1 J 2 kg 氦的含量 3 由估算结果可知 k 2 远小于 25 的实际值 所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后 不久生成的 典型例题透析典型例题透析 题型一题型一 衰变及衰变规律衰变及衰变规律 衰变规律可用公式或表示 式中的 表示元素在 t 0 时的原子核 数 质量 为半衰期 N m 表示这种元素的原子核在经过时间 t 后尚未衰变的原子核数与 质量 用心 爱心 专心 26 说明 1 半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定的 跟原子所处的物理状态 如 压强 温度等 或化学状态 如单质或化合物 无关 2 半衰期只对大量原子核衰变才有意义 因为放射性元素的衰变规律是统计规律 对 少数原子核衰变不再起作用 3 确定衰变次数的方法 根据电荷数守恒和质量数守恒进行确定 1 1 1 关于放射性元素的半衰期 下列说法正确的有 A 是原子核质量减少一半所需的时间 B 是原子核有半数发生衰变所需的时间 C 把放射性元素放在密封的容器中 可以减慢放射性元素的半衰期 D 可以用来测定地质年代 生物年代等 2 设镭 226 的半衰期为 1 6年 质量为 100 g 的镭 226 经过 4 8年后 有多 少 g 镭发生衰变 若衰变后的镭变为铅 206 则此时镭铅质量之比为多少 思路点拨 思路点拨 半衰期是指原子核有半数发生衰变所经历的时间 它是由原子核内部因素决定 的 与一般外界环境无关 由可进行有关计算 解析 解析 1 选 BD 2 经过三个半衰期 剩余镭的质量为 g 12 5 g 已衰变的镭的质量为g 87 5 g 设生成铅的质量为 m 则 226 206 87 5 m 得 m 79 8g 所以镭铅质量之比为 125 798 总结升华 总结升华 1 半衰期是原子核有半数发生衰变 变成新核 并不是原子核的数量 质量减少一半 2 要理解半衰期公式中各物理量的含义 在公式中 n 是指剩余的原子核的量 而不是衰变的量 举一反三举一反三 变式变式 在活着的生物体内 由于新陈代谢作用 所含的 C 元素中有一定比例的 当 生物体死亡后 的含量将不再增加 随着时间的推移 的数量将因放射性衰变而逐 用心 爱心 专心 27 渐减少 因此 测定生物化石中的含量 与活的生物体中含量相比较 就可以判断 出生物化石的年龄 已知的半衰期约为 5 7年 关于原子核的组成以及在考古 学中的应用 以下的判断中正确的是 A 原子核中包含有 14 个中子和 6 个质子 B 原子核中包含有 14 个核子 其中有 6 个中子 C 若测定某一块生物化石中的含量是活的生物体内的 1 4 这块生物化石的年龄大约 为 1 14年 D 若测定某一块生物化石中的含量是活的生物体内的 1 4 这块生物化石的年龄大约 为 2 3年 答案 答案 C 解析 解析 原子核是由质子和中子组成的 中有 14 个核子 其中 6 个质子 8 个中子 故 选项 A B 错误 由于的含量是活体生物的 1 4 说明已经经过了两个半衰期 所以化石的年龄为两个半衰期 即 2 5 7年 1 14年 故选项 C 是正确的 题型二题型二 关于核反应方程的理解与分析关于核反应方程的理解与分析 1 核反应方程应注意以下几点 1 必须遵守电荷数守恒 质量数守恒规律 有的还要考虑能量守恒规律 如裂变和聚变方程常含能量项 2 核反应方程中的箭头 表示反应进行的方向 不能把箭头写成等号 3 写核反应方程必须要有实验依据 决不能毫无根据地编造 2 核反应类型有 衰变 人工转变 裂变 轻核聚变 2 2 现有五个核反应 A B C D E 用心 爱心 专心 28 1 是发现中子的核反应方程 是研究两弹的基本核反应方 程 2 求 B 项中 X 的质量数和中子数 3 判断以上五个核反应的反应类型 思路点拨 思路点拨 根据核反应方程遵循的基本规律 正确书写方程 还要注意衰变 人工转变 裂变 聚变的区别 解析 解析 1 E 是查德威克发现中子的核反应方程 A 是氢弹 B 是原子弹的核反应方程 2 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定 X 质量数为 140 电荷数为 54 所以中子数为 140 54 86 3 衰变是原子核自发地放出粒子或粒子的反应 C 是衰变 D 是衰变 E 是 人工控制的原子核的变化 属人工转变 裂变是重核吸收中子后分裂成几个中等质量的核的 反应 B 是裂变 聚变是几个轻核结合成较大质量的核的反应 A 是聚变 总结升华 总结升华 1 电荷数守恒和质量数守恒是正确书写核反应方程的关键 2 熟记几种核反应类型的基本概念 举一反三举一反三 变式变式 现有三个核反应 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 衰变 裂变 聚变 D 是衰变 是聚变 是裂变 答案 答案 C 解析 解析 原子核的变化通常包括衰变 人工转变 裂变和聚变 衰变是指原子核自发放出 粒子和粒子等变成新的原子核的变化 如本题中的核反应 原子核的人工转变是指用 高速粒子轰击原子核使之变成新的原子核的变化 裂变是重核分裂成质量较小的核 如核反 应 聚变是轻核结合成质量较大的核 如 综上所述 选项 C 正确 题型三一题型三一 核能的计算核能的计算 1 核能的计算是原子物理中的热点问题 在重核裂变 轻核聚变 放射性衰变以及某 些核反应中 都伴随着巨大的核能释放 这里根据不同的题设条件和不同的核反应特征 归 纳几种计算方法 根据计算 计算时的单位是 kg c 的单位是 m s 的单位 用心 爱心 专心 29 是 J 根据931 5 MeV 计算 因 1 原子质量单位 u 相当于 931 5 MeV 的能量 所以计算时的单位是 u 的单位是 MeV 根据比结合能来计算核能 原子核的结合能 核子比结合能 核子数 2 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 3 已知氘核 质量为 2 0136 u 中子 质量为 1 0087 u 氦核 质量为 3 015 0u l u 相当于 931 5 MeV 1 写出两个氘核聚变成的核反应方程 2 计算上述核反应中释放的核能 保留三位有效数字 3 若两个氘核以相同的动能 0 3