天然放射现象

核物理 一 天然放射现象1 天然放射现象天然放射现象的发现 使人们认识到原子核也有复杂结构 2 各种放射线的性质比较 例1 如图所示 铅盒A中装有天然放射性物质 放射线从其右端小孔中水平向右射出 在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场 则下列说法中正确的有 A 打在图中a b c三点的依次是 射线 射线和 射线B 射线和 射线的轨迹是抛物线C 射线和 射线的轨迹是圆弧D 如果在铅盒和荧光屏间再加一个竖直向下的场强适当的匀强电场 可能使屏上的亮斑只剩下b AC 二 核反应1 核反应类型 衰变 衰变 衰变 原子核处于较高能级 辐射光子后跃迁到低能级 衰变 人工转变 发现质子的核反应 发现中子的核反应 人工制造放射性同位素 重核的裂变 在一定条件下 超过临界体积 裂变反应会连续不断地进行下去 这就是链式反应 需要几百万度高温 所以又叫热核反应 轻核的聚变 所有核反应的反应前后都遵守 质量数守恒 电荷数守恒 注意 质量并不守恒 2 半衰期放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间叫半衰期 对大量原子核的统计规律 计算式为 或 式中m表示放射性物质的质量 以上各式左边的量都表示时间t后的剩余量 3 放射性同位素的应用 利用其射线 射线电离性强 用于使空气电离 将静电泄出 从而消除有害静电 射线贯穿性强 可用于金属探伤 也可用于治疗恶性肿瘤 各种射线均可使DNA发生突变 可用于生物工程 基因工程 作为示踪原子 用于研究农作物化肥需求情况 诊断甲状腺疾病的类型 研究生物大分子结构及其功能 进行考古研究 利用放射性同位素碳14 判定出土木质文物的产生年代 一般都使用人工制造的放射性同位素 种类齐全 半衰期短 可制成各种形状 强度容易控制 Fm 由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是 A 124 259B 124 265C 112 265D 112 277 D 例3 全国理综 14 在核反应方程式 A X是中子 k 9B X是中子 k 10 C X是质子 k 9D X是质子 k 10 中 B 例4 一块含铀的矿石质量为M 其中铀元素的质量为m 铀发生一系列衰变 最终生成物为铅 已知铀的半衰期为T 那么下列说法中正确的有 A 经过两个半衰期后这块矿石中基本不再含有铀了B 经过两个半衰期后原来所含的铀元素的原子核有m 4发生了衰变C 经过三个半衰期后 其中铀元素的质量还剩m 8D 经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M 2 C 四 核能 1 核能核反应中放出的能叫核能 2 质量亏损核子结合生成原子核 所生成的原子核的质量比生成它的核子的总质量要小些 这种现象叫做质量亏损 3 质能方程爱因斯坦的相对论指出 物体的能量和质量之间存在着密切的联系 它们的关系是 E mc2 这就是爱因斯坦的质能方程 质能方程的另一个表达形式是 E mc2 以上两式中的各个物理量都必须采用国际单位 在非国际单位里 可以用1u 931 5MeV 它表示1原子质量单位的质量跟931 5MeV的能量相对应 4 释放核能的途径凡是释放核能的核反应都有质量亏损 核子组成不同的原子核时 平均每个核子的质量亏损是不同的 所以各种原子核中核子的平均质量不同 核子平均质量小的 每个核子平均放的能多 铁原子核中核子的平均质量最小 所以铁原子核最稳定 凡是由平均质量大的核 生成平均质量小的核的核反应都是释放核能的 例5 两广 5 中子n 质子p 氘核D的质量分别为 止氘核使之分解 反应的方程为 若分解后中子 质子的动能可视为相等 则中子的动能是 B C D 现用光子能量为E的 射线照射静 A C 例6 江苏 7 雷蒙德 戴维斯因研究来自太阳的电子中微子 e 而获得了2002年度诺贝尔物理学奖 他探测中微子所用的探测器的主体一是一个贮满615四氯已烯 C2Cl4 溶液中的巨桶 电子中微子可以将一个氯核转变为一个氩核 其核反应方程为 以上数据 可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为 A 0 82MeV B 0 31MeV C 1 33MeV D 0 51MeV A 例7 一个氢原子的质量为1 6736 10 27kg 一个锂原子的质量为11 6505 10 27kg 一个氦原子的质量为6 6467 10 27kg 一个锂核受到一个质子轰击变为2个 粒子 写出核反应方程 并计算该反应释放的核能是多少 1mg锂原子发生这样的反应共释放多少核能 1mg锂原子含锂原子个数为10 6 11 6505 10 27 每个锂原子对应的释放能量是 2 76 10 12J 所以共释放2 37 108J核能 解 反应前一个氢原子和一个锂原子共有8个核外电子 反应后两个氦原子也是共有8个核外电子 因此只要将一个氢原子和一个锂原子的总质量减去两个氦原子的质量 得到的恰好是反应前后核的质量亏损 电子质量自然消掉 由质能方程 E mc2得释放核能 E 2 76 10 12J 例8 静止的氡核 Rn放出 粒子后变成钋核 Po 粒子动能为E 若衰变放出的能量全部变为反冲核和 粒子的动能 真空中的光速为c 则该反应中的质量亏损为 B 0 D A C 例9 静止在匀强磁场中的一个 B核俘获了一个速度为向v 7 3 104m s的中子而发生核反应 生成 粒子与一个新核 测得 粒子的速度为2 104m s 方向与反应前中子运动的方向相同 且与磁感线方向垂直 求 写出核反应方程 画出核反应生成的两个粒子的运动轨迹及旋转方向的示意图 磁感线方向垂直于纸面向外 求 粒子与新核轨道半径之比 解 由质量数守恒和电荷数守恒得 由于 粒子和反冲核都带正电 由左手定则知 它们旋转方向都是顺时针方向 示意图如右 可求得它们的半径之比是120 7 由动量守恒可以求出反冲核的速度大小是103m s方向和 粒子的速度方向相反 由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径公式 5 核反应堆目前的所有正式运行的核电站都是应用裂变发电的 核反应堆的主要组成是 核燃料 用浓缩铀 能吸收慢中子的铀235占3 4 减速剂 用石墨或重水 使裂变中产生的中子减速 以便被铀235吸收 控制棒 用镉做成 镉吸收中子的能力很强 冷却剂 用水或液态钠 把反应堆内的热量传输出去用于发电 同时使反应堆冷却 保证安全 水泥防护层 用来屏蔽裂变产物放出的各种射线 6 粒子物理学到19世纪末 人们认识到物质由分子组成 分子由原子组成 原子由原子核和电子组成 原子核由质子和中子组成 20世纪30年代以来 人们认识了正电子 子 K介子 介子等粒子 后来又发现了各种粒子的反粒子 质量相同而电荷及其它一些物理量相反 现在已经发现的粒子达400多种 形成了粒子物理学 按照粒子物理理论 可以将粒子分成三大类 媒介子 轻子和强子 其中强子是由更基本的粒子 夸克组成 从目前的观点看 媒介子 轻子和夸克是没有内部结构的 点状 粒子 用粒子物理学可以较好地解释宇宙的演化 例10 13 12分 已经证实 质子 中子都是由上夸克和下夸克的两种夸克组成的 上夸克带电为 下夸克带电为 e为电子所带电量的大小 如果质子是由三个夸克组成的 且各个夸克之间的距离都为 试计算质子内相邻两个夸克之间的静电力 库仑力 例11 03理综22 介子衰变的方程为其中介子和介子带负的基元电荷 介子不带电 一个介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中 其轨迹为圆弧AP 衰变后产生的介子的轨迹为圆弧PB 两轨迹在P点