2012届高三物理第一轮复习 原子原子核学案 新人教版

1 第二课时原子原子核第二课时原子原子核 第一关 基础关展望高考第一关 基础关展望高考 基 础 知 识 一 原子的核式结构模型 知识讲解 1 粒子散射实验 1909 1911 年卢瑟福和他的助手做 粒子轰击金箔的实验 获得了重要的发现 实验装置 如图所示 由放射源 金箔 荧光屏等组成 说明 a 整个实验过程在真空中进行 b 金箔很薄 粒子 He 核 很容易穿过 4 2 实验现象与结果 绝大多数 粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进 但是有少数 粒子发生了较 大角度的偏转 极少数 粒子偏转角超过 90 有的几乎达到 180 沿原路返回 2 原子的核式结构 卢瑟福依据 粒子散射实验的结果 提出了原子的核式结构 在原子中心有一个很小的 核 叫原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里 带负电的电子在核外空间绕 核旋转 3 原子核的电荷与尺度 原子核的电荷 原子核的电荷数就是核中的质子数 等于核外电子数 接近于原子序数 原子核的尺度 对于一般的原子核 核半径的数量级为 10 15m 而原子半径的数量级为 10 10m 两者相差十万倍 可见原子内部是十分 空旷 的 活学活用 2 1 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 解析 粒子 散射实验的结果是 大部分 粒子沿原 来方向前进 少部分 发生大角度偏转 极 少数偏转角超过 90 甚至达到 180 说明原子的 几乎全部质量与全 部正电荷都集中在 很小的核上 据此卢 瑟福提出了原子的 核式结构模型 答案 A 二 天然放射现象 知识讲解 1 元素自发地放出射线的现象叫做天然放射现象 首先由贝克勒尔发现 天然放射现象 的发现 说明原子核还有复杂的结构 2 具有放射性的元素叫做放射性元素 一般原子序数大于 83 的所有天然元素都具有放 射性 原子序数小于 83 的天然存在的元素有些也有放射性 它们放射出来的射线共有三种 3 三种射线的本质和特征 活学活用 2 如图所示 x 为未知的放射源 L 为薄铝片 若在放射源和计数器之间加上 L 后 计 数器的计数率大幅度减小 在 L 和计数器之间再加竖直向下的匀强磁场 计数器的计数率不 3 变 则 x 可能是 A 和 的混合放射源 B 纯 放射源 C 和 的混合放射源 D 纯 放射源 解析 此题考查运用三种射线的性质分析问题的能力 在放射源和计数器之间 加上铝片 后 计数器的计数率大幅度减小 说明射线中有穿透力很弱的粒子 即 粒子 在铝片和计 数器之间再加竖直向下的匀强磁场 计数器的计数率不变 说明穿过铝片的粒子中无带电粒子 故 只有 射线 因此 放射源可能是 和 的混合放射源 答案 C 三 原子核的组成 知识讲解 原子核是由质子 中子构成的 质子带正电 中子不带电 不同的原子核内质子和中子的个 数并不相同 1 原子核中的三个整数 核子数 质子和中子质量差别非常微小 两者统称为核子 所以质子数和中子数之和叫 核子数 电荷数 Z 原子核所带的电荷总是质子电荷的整数倍 通常用这个整数表示原子核的 电荷量 叫做原子核的电荷数 质量数 A 原子核的质量等于核内质子和中子的质量的总和 而质子与中子质量几乎 相等 所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍 这个整数叫做原子核的质量数 2 原子核中的两个等式 核电荷数 质子数 Z 元素的原子序数 核外电子数 质量数 A 核子数 质子数 中子数 3 同位素 4 定义 具有相同质子数不同中子数的原子核 在元素周期表中处于同一位置 因而互称 同位素 说明 原子核的质子数决定了核外电子的数目 也决定了电子在核外分布的情况 进而 决定了这种元素的化学性质 同位素的化学性质相同 活学活用 3 目前普遍认为 质子和中子都是由被称为 u 夸克和 d 夸克的两类夸克组成 u 夸克带电 荷量为e d 夸克带电荷量为 e e 为元电荷 下列论断可能正确的是 2 3 1 3 A 质子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 B 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 C 质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 D 质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 中子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 解析 因质子带电荷量为 e 中子呈电中性 u 夸克带电荷量为e d 夸克带电荷量为 2 3 e 显然质子应由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 中子应由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成 1 3 故选项 B 正确 答案 B 四 原子核的衰变 知识讲解 1 衰变规律 衰变He AA 44 ZZ 22 XY 衰变e AA0 ZZ 11 XY 2 形成原因 原子核中 2 个质子和 2 个中子结合后一起射出 形成 衰变 原子核中的 中子转化为质子和电子 形成 衰变 射线是伴随 衰变或 衰变而产生的 2e 114110 102011 H2 nHe nH 3 半衰期 意义 放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间 用希腊字母 表示 公式 N余 N原 t m余 m原 t 1 2 1 2 式中 N原 m原分别表示衰变前的放射性元素的原子数和质量 N余 m余分别表示衰变后 尚未发生衰变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 5 半衰期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 或化学状态 如单质或化合物 无关 活学活用 4 从U 衰变为Pb 要经过 衰变和 衰变的次数是 235 92 207 82 A 14 次 衰变和 10 次 衰变 B 7次 衰变和 4 次 衰变 C 10 次 衰变和 14 次 衰变 D 4 次 衰变和 7 次 衰变 解析 设 衰变和 衰变的次数分别为 x 和 y 则 4x 235 207 质量数守恒 2x y 92 82 电荷数守恒 解得 x 7 y 4 故选 B 答案 B 五 核能 知识讲解 1 核能 核子结合成原子核需要放出能量 这叫原子的结合能 称为核能 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 或者参加核反应的原子核总质量与生成 新原子核的总质量之差 叫质量亏损 3 爱因斯坦质能方程 凡具有质量的物体都具有能量 物质的质量和能量间的关系为 E mc2 若原子核质量亏损 m 对应释放的能量为 E mc2 活学活用 5 一个铀 238 核发生 衰变而变成钍 234 核 已知铀核的质量为 3 853131 10 25kg 钍 核的质量为 3 786567 10 25kg 粒子的质量为 6 64672 27kg 试计算在这个衰变过程中要 释放出多少能量 结果保留 2 位有效数字 6 解析 在铀核衰变过程中的质量亏损为 m 3 853131 10 25 3 786567 10 25 6 64672 10 27 kg 9 7 10 30kg 释放的核能 E mc2 9 7 10 30 3 108 2J 8 7 10 13J 六 重核的裂变与轻核的聚变 知识讲解 1 重核的裂变 裂变 重核分裂成两个质量较小的原子核的核反应叫裂变 链式反应 裂变要在一定的条件下才能进行 比如铀 235 核受到中子轰击时会发生裂变 而 裂变时又要放出一些中子 这些中子又可引起其他的铀 235 核裂变 而使裂变反应不断进行下 去 这种反应叫做链式反应 2 轻核的聚变 聚变 轻核结合成质量较大原子核的核反应称为聚变 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 活学活用 6 据新华社报道 由我国自行设计 研制的世界第一套全超导核聚变实验装置 又称 人造太阳 已完成了首次工程调试 下列关于 人造太阳 的说法中正确的是 A 人造太阳 的核反应方程是 2341 1120 HHHen B 人造太阳 的核反应方程是 2351141921 92056360 UnBaKr3 n C 根据公式 E mc2可知 核燃料的质量相同时 聚变反应释放的能量比裂变反应大 得多 D 根据公式 E mc2可知 核燃料的质量相同时 聚变反应释放的能量与裂变反应释放的 能量相同 解析 人造太阳 是核聚变装置 故 A 正确 B 错误 由于聚变的燃料是轻核 裂变燃 料是重核 根据原子量知同等质量的聚变燃料比裂变燃料包含的原子核数目多 故能产生更 多能量 C 正确 选 AC 答案 AC 第二关 技法关解读高考 解 题 技 法 一 衰变规律的运用 技法讲解 7 运用衰变规律重点要掌握 退二进一 规律 即原子核发生 衰变后 新核在元素周 期表上要退 2 位 质量数减 4 而 衰变后 新核比旧核在元素周期表上的位置进 1 位 但 质量数不变 另外在分析推理的过程中始终要牢记质量数和电荷数守恒 典例剖析 例 1 下列说法正确的是 A Ra 衰变为Rn 要经过 1 次 衰变和 1 次 衰变 226 88 222 86 B U 衰变为Pa 要经过 1 次 衰变和 1 次 衰变 238 92 234 91 C Th 衰变为Rb 要经过 6 次 衰变和 4 次 衰变 232 90 208 82 D U 衰变为Rn 要经过 4 次 衰变和 4 次 衰变 238 92 222 86 解析 设Ra 衰变为Rn 要经过 x 次 衰变和 y 次 衰变 其衰变方程为 226 88 222 86 Ra Rn x He ye 226 88 222 86 4 2 0 1 根据质量数守恒和电荷数守恒分别有 226 222 4x 88 86 2x y 解得 x 1 y 0 可见选项 A 错误 设U 衰变为Ra 要经过 n 次 衰变和 m 次 衰变 其衰变方程为 238 92 234 91 U Ra n He me 根据质量数守恒和电荷数守恒分别有 238 92 234 91 4 2 0 1 238 234 4n 92 91 2n m 解得 n 1 m 1 选项 B 正确 同理可知选项 C 正确 选项 D 错误 所以 正确答案为 B C 答案 BC 二 核能的计算方法归纳 技法讲解 核能的计算是原子物理的重点知识和高考的热点问题 其基本方法是 1 根据质量亏损计算 步骤如下 a 根据核反应方程 计算核反应前和核反应后的质量亏损 m b 根据爱因斯坦质能方程 E mc2或 E mc2计算核能 c 计算过程中 m 的单位是千克 E 的单位是焦耳 8 2 利用原子质量单位 u 和电子伏特计算 明确原子质量单位 u 和电子伏特间的关系 由 1 u 1 6606 10 27kg 1 eV 1 6 10 19J 得 E mc2 931 5MeV 根据 1 原子质量单位 u 相当于 931 5MeV 能量 用核子结合成原子核时质量亏损的原 子质量单位数乘以 931 5MeV 即得 E m 931 5MeV 上式中 m 的单位是 u E 的单位是 MeV 3 利用平均结合能来计算核能 原子核的结合能 核子的平均结合能 核子数 核反应中反应前系统内所有原子核的总结 合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差 就是该次核反应所释放 或吸收 的核能 4 根据能量守恒和动量守恒来计算核能 参与核反应的粒子所组成的系统 在核反应过程中的动量和能量是守恒的 因此 在题给 的条件中没有涉及质量亏损 或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无 光子辐射的情况下 根据动量和能量的守恒可以计算出核能的变化 5 应用阿伏加德罗常数计算核能 若要计算具有宏观质量的物质中所有原子核都发生核反应所放出的总能量 应用阿伏加 德罗常数计算核能较为简便 a 根据物体的质量 m 和摩尔质量 M 由 n 求出物质的量 并求出原子核的个数 m M N NAn NA m M b 由题设条件求出一个原子核与另一个原子核反应放出或吸收的能量 E0 或直接从题目 中找出 E0 c 再根据 E NE0求出总能量 典例剖析 例 2 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 3 853131 10 25kg 钍核的质量为 3 786567 10 25kg 粒子的质量为 6 64672 10 27kg 在这个衰变过程 中释放出的能量等于 J 保留二位有效数字 解析 衰变前的铀核可认为是静止的 衰变后的产物 粒子是运动的 这表明在衰变 过程中系统的机械能增加了 根据能的转化和能量守恒定律 这部分机械能是由核能转化而 来的 这部分核能可以根据核反应过程中的质量亏损 根据爱因斯坦质能方程计算出来 设 核反应前的质量和能量分别为 m1 E1 则 E1 m1c2 设核反应后的质量和能量分别为 m2 E2 则 E2 m2c2 9 两式相减得 E mc2 mU mTh ma c2 3 853131 3 786567 0 0664672 10 25 3 108 2J 8 7 10 13J 答案 8 7 10 13J 例 3 氘核和氚核聚变时的核反应方程为 已知 H 的平均结合能是 2 78 MeV H 的平均结合能是 1 09 MeV 2341 1120 HHHen 3 1 2 1 He 的平均结合能是 7 03 MeV 试计算核反应时释放的能量 4 2 解析 聚变反应前氘核和氚核的总结合能 E1 1 09 2 2 78 3 MeV 10 52MeV 反应后生成的氦核的结合能 E2 7 03 4 MeV 28 12MeV 由于单个核子无结合能 所以聚变过程释放出的能量 E E2 E1 28 12 10 52 MeV 17 6MeV 第三关 训练关笑对高考 随 堂 训 练 1 某原子核 AZX 的质量为 m 若用 mp和 mn分别表示一个质子和一个中子的质量 那么核子 组成一个这种原子核释放的核能是 A m Zmp A Z mn c2 B Zmp A Z mn m c2 C m Zmn A Z mp c2 D Zmn A Z mp m c2 解析 核子组成该种原子核后亏损的质量为 Zmp A Z mn m 据质能方程可知释放的能量为 Zmp A Z mn m c2 故正确答案为 B 答案 B 2 近段时间 朝鲜的 核危机 引起了全球的瞩目 其焦点问题就是朝鲜核电站采用轻 水堆还是重水堆 重水堆核电站在发电的同时还可以生产出可供研制核武器的钚 239 Pu 239 94 这种Pu 可由铀 239 U 经过 n 次 衰变而产生 则 n 为 239 94 239 92 A 2 B 239 C 145 10 D 92 答案 A 3 放射性同位素Na 的样品经过 6 小时还剩下 1 8 没有衰变 它的半衰期是 24 11 A 2 小时 B 1 5 小时 C 1 17 小时 D 0 75 小时 解析 本题考查考生对半衰期的理解 我们知道 放射性元素衰变一半所用时间是一个 半衰期 剩下的元素再经一个半衰期只剩下 1 4 再经一个半衰期这 1 4 又会衰变一半只剩 1 8 所以题中所给的 6 小时为三个半衰期的时间 因而该放射性同位素的半衰期应是 2 小 时 也可根据 m余 m原 得 T 2 小时 1 2 t T 1 8 1 2 6 t 答案 A 4 在匀强磁场里有一个原来静止的放射性元素碳 14 它所放射的粒子与反冲核的径迹在 磁场中是两个相切的圆 圆的直径之比 7 1 如图所示 那么 碳 14 的衰变方程是 A 14 410 624 CHeBe B 14 014 615 CHeB C 14 014 617 C0eN D 14 212 615 CHB 解析 因 r mv qB 由动量守恒可知 放出的粒子和反冲核满足 m1v1 m2v2 所以 11 111221 2122 rm vm vq1 rq Bq Bq7 得 答案 C 5 两个中子和两个质子结合成一个氦核 同时释放一定的核能 中子的质量为 1 0087u 质子的质量为 1 0073u 氦核的质量为 4 0026u 试计算用中子和质子生成 1 kg 的 氦时 要释放出多少核能 解析 先计算出一个氦核释放的能量 再根据 1 kg 氦核的个数即可算出释放出总的核 能 核反应方程 114 102 2 H2 nHe 生成一个氦核过程的质量亏损 m 1 0087u 1 0073u 2 4 0026u 0 0294u 释放的能量 E 0 0294 931 5MeV 27 3861MeV 生成 1kg 氦核释放的能量 E n E 27 3861 106 1 6 10 19J 6 59 1014J 27 1 4 0026 1 6606 10 答案 6 59 1014J 课时作业四十八原子原子核 1 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 4 2 A X 核比 Z 核多一个质子 B X 核与 Z 核少一个中子 C X 核的质量数比 Z 核质量数大 3 D X 核与 Z 核的总电荷是 Y 核电荷的 2 倍 解析 设 X 原子核为 X 则根据题意应有 b a bb0 aa 11 XYe 再据质量数和核电荷数的关系可得 C D 正确 A B 错误 b1b 34 a 11a 22 YHZHe 答案 CD 2 放射性同位素钍 232 经 衰变会生成氡 其衰变方程为 x x 其中 232220 9086 ThRn 12 A x 1 y 3 B x 2 y 3 C x 3 y 1 D x 3 y 2 解析 由质量数和电荷数守恒可得 4x 220 232 2x y 86 90 解得 x 3 y 2 答案 D 3 一个氡核Rn 衰变成钋核Po 并放出一个粒子 其半衰期为 3 8 天 1 g 氡经过 7 6 222 86 218 84 天衰变掉氡的质量 以及Rn 衰变成Po 的过程放出的粒子是 222 86 218 84 A 0 25g 粒子 B 0 75g 粒子 C 0 25g 粒子 D 0 75g 粒子 解析 氡核半衰期为 3 8 天 7 6 天为 2 个半衰期 所以 1g 氡 7 6 天衰变掉的质量为 1g 1g 0 75g 1 2 1 2 1 2 由Rn Po He 知Rn 衰变成Po 的过程中放出的粒子是 He 即 粒子 所以 222 86 218 84 4 2 222 86 218 84 4 2 B 正确 答案 B 4 印度第一艘自主研发的核潜艇于 2009 年 7 月 26 日正式下 水 成为世界第六个拥有核潜艇的国家 核动力潜艇是潜艇中的 一种类型 指以核反应堆为动力来源设计的潜艇 在核反应中有 一种是一个U 原子核在中子的轰击下发生的一种可能的裂变反 235 92 应 其裂变方程为U n X Sr 10 n 则下列叙述正确的是 235 92 1 0 94 38 1 0 A X 原子核中含有 54 个质子 13 B X 原子核中含有 53 个中子 C 裂变时释放能量是因为亏损的质量变成了能量 D 裂变时释放能量 出现质量亏损 质量数不守恒 解析 由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知 X 原子核中含有 54 个质子 78 个中子 故 A 正确 BD 错 释放能量不是质量变成了能量 而是亏损的质量以能量的形式释 放 C 错 答案 A 5 铝箔被 粒子轰击后发生了以下核反应 下列判断正确的是 2741 1320 AlHeXn A n 是质子 1 0 B n 是中子 1 0 C X 是Si 的同位素 23 14 D X 是P 的同位素 31 15 解析 n 的质量数为 1 应为中子 则 A 错误 B 正确 从反应方程知 X 为X 其电荷数 1 0 30 15 为 15 质量数为 30 是P 的同位素 所以 C 错误 而 D 正确 31 15 答案 BD 6 中子和质子结合成氘核时 质量亏损为 m 相应的能量 E mc2 2 2 MeV 是氘核 的结合能 下列说法正确的是 A 用能量小于 2 2 MeV 的光子照射静止氘核时 氘核不能分解为一个质子和一个中子 B 用能量等于 2 2 MeV 的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零 C 用能量大于 2 2 MeV 的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和为零 D 用能量大于 2 2 MeV 的光子照射静止氘核时 氘核可能分解为一个质子和一个中子 它们的动能之和不为零 解析 用能量小于等于结合能的光子照射氘核时 氘核一定不能分解 所以 A 正确 B 错 误 用能量大于结合能的光子照射氘核时 氘核可能分解 只要分解 分解出的质子和中子 动能之和一定不为零 若动能之和为零就分不开了 所以 C 错误 D 正确 14 答案 AD 7 一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核 同时辐射一个 光子 已知质子 中子 氘核的质量分别为 m1 m2 m3 普朗克常量为 h 真空中的光速为 c 下列说法正确的是 A 核反应方程是1 12 101 HnH B 聚变反应中的质量亏损 m m1 m2 m3 C 辐射出的 光子的能量 E m3 m1 m2 c D 光子的波长 2 123 h mmmc 解析 由知 A 错 质量亏损 m m1 m2 m3 B 正确 由 E mc2结合 112 101 HnH 质量亏损知 C 错误 mc2 h h 所以 光子的波长 因此 D 错 c 123 h mmmc 误 答案 B 8 山东临沂一模 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 解析 核反应过程中 核子数守恒 反应后比反应前核子平均质量减小 则反应过程一 定要放出能量 反之 反应后核子平均质量增大 则反应过程中一定要吸收能量 由图象易 知 A C 正确 实际上在这里 A 项为轻核的聚变反应 C 项为重核的裂变反应 答案 AC 9 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 t T1 T2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 解析 由半衰期公式 m m0 结合题意可得 mA mB 所以 1 2 t T 12 1 TT1 2T 12 2 TT1 2T A2 B1 m2T m2T 15 答案 21 TT 2 2 10 一个运动的 粒子撞击一个静止的 14N 核 它们暂时形成一个复合核 随即复合核 迅速转化成一个质子和另一个原子核 已知复合核发生转化需要能量 1 19 MeV 那么要想发生 上述核反应 入射的 粒子的动能至少要多大 解析 粒子撞击N 核形成复合核 应遵循动量守恒 即 m1v0 m1 m2 v 14 7 由能量守恒可知 系统损失的动能变成复合核发生转化所需的能量 即 m1v m1 m2 v2 1 19MeV 1 2 2 0 1 2 联立两式解得入射 粒子的动能m1v 1 53MeV 1 2 2 0 答案 1 53MeV 11 如图所示 有界的匀强磁场磁感应强度为 B 0 05 T 磁场方向 垂直于纸面向里 MN 是磁场的左边界 在磁场中 A 处放