2014高三物理一轮复习：核反应和核能

第3讲核反应和核能(对应学生用书第227页)天然放射现象和衰变1.天然放射现象(1)天然放射现象元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构(2)放射性和放射性元素物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性具有放射性的元素叫放射性元素(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是射线、射线、射线(4)放射性同位素的应用与防护放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等防护：防止放射性对人体组织的伤害2原子核的衰变(1)原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变(2)分类衰变：XYHe衰变：XYe(3)半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关【针对训练】1(2012上海高考)与原子核内部变化有关的现象是()A电离现象B光电效应现象C天然放射现象 D粒子散射现象【解析】与原子核内部变化有关的现象是天然放射现象，故C正确【答案】C核反应和核能1.核反应在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒2核力核子间的作用力核力是短程力，作用范围在1.51015 m之内，只在相邻的核子间发生作用3核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能4质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损由质量亏损可求出释放的核能Emc2.【针对训练】2(2012广东高考)能源是社会发展的基础，发展核能是解决能源问题的途径之一下列释放核能的反应方程，表述正确的有()A.HHHen是核聚变反应B.HHHen是衰变C.UnBaKr3n是核裂变反应D.UnXeSr2n是衰变【解析】衰变时释放出电子(e)，衰变时释放出氦原子核(He)，可知选项B、D错误；选项A中一个氚核和一个氘核结合成一个氦核并释放出一个中子是典型的核聚变反应；选项C中一个U 235原子核吸收一个中子，生成一个Ba原子核和一个Kr原子核并释放出三个中子是核裂变反应【答案】AC(对应学生用书第228页)衰变和半衰期1.原子核衰变规律衰变类型衰变衰变衰变方程XYHeAZXYe衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体抛射出中子转化为质子和电子2H2nHenHe衰变规律电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒2.对半衰期的理解(1)根据半衰期的概念，可总结出公式N余N原()t/，m余m原()t/式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子核数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子核数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关(1)90Th(钍)经过一系列衰变和衰变，变成82Pb(铅)以下说法正确的是()A铅核比钍核少8个质子B铅核比钍核少16个中子C共经过4次衰变和6次衰变D共经过6次衰变和4次衰变图1331(2)约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子，这种粒子是_.P是P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg P随时间衰变的关系如图1331所示，请估算4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?【解析】(1)设衰变次数为x，衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得2322084x90822xy，解得x6，y4，C错，D对铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对(2)写出衰变方程PSie，故这种粒子为e(正电子)由mt图象知P的半衰期为14天，由m余m原()得0.25 mg4 mg()，故t56天【答案】(1)ABD(2)e(正电子)56天核反应方程的书写类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发92U90ThHe衰变自发90Th91Pa01e人工转变人工控制7NHe8OH(卢瑟福发现质子)HeBe6Cn(查德威克发现中子)AlHePnPSi01e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92Un56BaKr3n92Un54XeSr10n轻核聚变目前无法控制HHHen(1)核反应过程一般都是不可逆的，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(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程(3)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒现有四个核反应：A.HHHenB.UnXKr3nC.NaMgeD.HeBeCn(1)_是发现中子的核反应方程，_是研究原子弹的基本核反应方程，_是研究氢弹的基本核反应方程(2)求B中X的质量数和中子数【解析】(1)人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核箭头的右边也是常见元素的原子核D是查德威克发现中子的核反应方程，B是裂变反应，是研究原子弹的核反应方程A是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程(2)由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X质量数为144，电荷数为56，所以中子数为1445688.【答案】(1)DBA(2)质量数为144，中子数为88核能的产生和计算1.获得核能的途径(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成为两个中等质量的核的反应过程重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能为了使铀235裂变时发生链式反应，铀块的体积应大于它的临界体积(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能，要想使氘核和氚核合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此聚变反应又叫热核反应2核能的计算方法(1)应用Emc2：先计算质量亏损m，注意m的单位1 u1.661027 kg,1 u相当于931.5 MeV的能量，u是原子质量单位(2)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能根据Emc2计算核能时，若m以千克为单位，“c”代入3108_m/s，E的单位为“J”；若m以“u”为单位，则由1uc2931.5_MeV得Em931.5_MeV.(1)Th是不稳定的，能自发的发生衰变完成Th衰变反应方程ThPa_.Th衰变为Rn，经过_次衰变，_次衰变(2)1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核发现质子科学研究表明其核反应过程是：粒子轰击静止的氮核后形成了不稳定的复核，复核发生衰变放出质子，变成氧核设粒子质量为m1，初速度为v0，氮核质量为m2，质子质量为m0，氧核的质量为m3，不考虑相对论效应粒子轰击氮核形成不稳定复核的瞬间，复核的速度为多大？求此过程中释放的核能【解析】(1)根据电荷数守恒和质量数守恒，粒子为e.设发生n次衰变，m次衰变，则有2342224n,90862nm，解得n3，m2.(2)设复核的速度为v，由动量守恒定律得m1v0(m1m2)v解得v.核反应过程中的质量亏损mm1m2m0m3反应过程中释放的核能Emc2(m1m2m0m3)c2.【答案】(1)e32(2)v(m1m2m0m3)c2(对应学生用书第229页)1(2012天津高考)下列说法正确的是()A采用物理或化学方法可以有效地改变放射性元素的半衰期B由玻尔理论知道氢原子从激发态跃迁到基态时会放出光子C从高空对地面进行遥感摄影是利用紫外线良好的穿透能力D原子核所含核子单独存在时的总质量小于该原子核的质量【解析】放射性元素的半衰期与压强、温度以及它是单质还是化合物无关，因此无法采用物理或化学方法改变放射性元素的半衰期，选项A错误；氢原子从激发态跃迁到基态时会放出光子，选项B正确；遥感摄影是利用红外线具有良好的衍射能力，选项C错误；核子结合成原子核时，产生质量亏损，释放核能，故原子核所含核子单独存在时的总质量大于该原子核的质量，选项D错误【答案】B2图1332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伤痕的示意图图乙中检查所利用的射线是()甲乙图1332A射线B射线C射线 D三种射线都可以【解析】射线的穿透能力足够强，它能穿透薄金属板故检查金属内部伤痕所利用的射线是射线【答案】C3.U放射性衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成Bi，而Bi可以经一次衰变变成X(X代表某种元素)，也可以经一次衰变变成Ti，X和 Ti最后都变成Pb，衰变路径如图1333所示可知图中()图1333Aa82，b206B是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的C是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时产生的D.U可经过若干次衰变都放出同一种粒子生成新的原子核Bi【解析】衰变的方程式：BiXe，为衰变，放出电子，选项B正确、A错误；衰变的方程式为：BiTiHe，为衰变，故选项C错误；U需经过8次衰变和6次衰变后可生成新核Pb，故选项D错误【答案】B4(2012重庆高考)以下是物理学史上3个著名的核反应方程()xLi2y，yNxOyBezCx、y和z是3种不同的粒子，其中z是()A粒子 B质子C中子 D电子【解析】第二、三个核反应分别是发现质子和中子的核反应方程，根据核反应方程的质量数和电荷数守恒可得，x、y、z分别是H、He、n，C正确【答案】C5(2012福建高考)关于近代物理，下列说法正确的是()A射线是高速运动的氦原子B核聚变反应方程HHHen中，n表示质子C从金属表面逸出的光电子的最大初动能与照射光的频率成正比D玻尔将量子观念引入原子领域，其理论能够解释氢原子光谱的特征【解析】射线是高速氦核流，故A项错误；n表示中子，故B项错误；根据光电效应方程EkhW0可知，光电子的最大初动能与照射光的频率是一次函数关系，故C项错误；根据近代物理学史知，D项正确【答案】D6(2011重庆高考)核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射射线下列说法正确的是()A碘131释放的射线由氦核组成B铯137衰变时辐射出的光子能量小于可见光光子的能量C与铯137相比，碘131衰变更慢D铯133和铯137含有相同的质子数【解析】射线的本质是电子，并非氦核，A项错；光子的频率大于可见光光子的频率，由h可知光子的能量大于可见光光子的能量，B项错误；半衰期越小表示元素衰变越快，C项错；同位素含有相同的质子数但中子数不同，故D项正确【答案】D7(2013届宝鸡模拟)太阳内部持续不断地发生着4个质子(H)聚变为1个氦核(He)的热核反应，核反应方程是4HHe2X，这个核反应释放出大量核能已知质子、氦核、X的质量分别为m1、m2、m3，真空中的光速为c.下列说法中正确的是()A方程中的X表示中子(n)B方程中的X表示电子(e)C这个核反应中质量亏损m4m1m2D这个核反应中释放的核能E(4m1m22m3)c2【解析】由核反应质量数守恒、电荷数守恒可推断出X为e，A、B错；质量亏损为m4m1m22m3释放的核能为Emc2(4m1m22m3)c2，C错、D对【答案】D8我国科学家研制“两弹”所涉及的基本核反应方程有：(1)UnSrXekn(2)HHHedn关于这两个方程的下列说法，正确的是()A方程(1)属于衰变B方程(2)属于轻核聚变C方程(1)中k8，方程(2)中d1D方程(1)中k6，方程(2)中d1【解析】(1)为典型的裂变方程，故A选项错误(2)为聚变反应，故B项正确根据质量数守恒和电荷数守恒定律可得k10，d1，故C、D选项错误【答案】B9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是一个贮满615 t四氯乙烯(C2Cl4)溶液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eClAre，已知Cl的质量为36.95658 u，Ar的质量为36.95691 u，e的质量为0.00055 u,1 u质量对应的能量为931.5 MeV.根据以上数据可知，参与上述反应的电子中微子的最小能量为()A0.82 MeV B0.31 MeVC1.33 MeV D0.51 MeV【解析】核反应增加的质量为：m36.95691 u0.00055 u36.95658 u0.00088 u需吸收的能量Emc20.82 MeV.【答案】A10一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HnHB聚变反应中的质量亏损mm1m2m3C辐射出的光子的能量E(m3m1m2)cD光子的波长【解析】此核反应的核反应方程为HnH，A错；由质能方程，光子的能量为E(m1m2m3)c2，C错；由Eh知，波长，D错；故B正确【答案】B11裂变反应是目前核能利用中常用的反应，以原子核为燃料的反应堆中，当俘获一个慢中子后发生的裂变反应可以有多种方式，其中一种可表示为：UnXeSr3n反应方程下方的数字是中子及有关原子核的静止质量(以原子质量单位u为单位)已知1 u的质量对应的能量为9.3102 MeV，此裂变反应释放的能量是_MeV.【解析】由题中给出的核反应方程计算质量亏损m，即：mmm(235.04391.0087138.917893.915431.0087)u