高中物理 模块综合 复合场中的特殊物理模型课件 新人教版选修3-1 (94)

1、第十九章第十九章 原子核温习原子核温习天然放射现象和衰变天然放射现象和衰变原子序数大于原子序数大于83的原子核都不稳定的原子核都不稳定,它们能够它们能够自发自发地放射出射线的现象叫地放射出射线的现象叫天然放射现象天然放射现象三种射线特点三种射线特点射线射线组成组成带电量带电量速度速度穿透能力穿透能力电离能电离能力力射线射线高速氦核流高速氦核流2e0.1c最弱最弱 (纸可挡住纸可挡住)最强最强射线射线高速电子流高速电子流-e0.99c较弱较弱 (穿透几毫穿透几毫米铝板米铝板)较弱较弱射线射线高能电磁波高能电磁波(光子流光子流)0c最强最强(穿透几厘穿透几厘米铅板米铅板)最弱最弱元素的放射性与元素

2、存在的状态无关元素的放射性与元素存在的状态无关,放射性表明原子核是有内部结构的放射性表明原子核是有内部结构的1.1.原子核的组成原子核的组成: :质子质子( (卢瑟福发现卢瑟福发现) )和中子和中子( (卢瑟福的预言卢瑟福的预言,查德威克发现查德威克发现) )2.2.原子核中的三个整数原子核中的三个整数: :(1)(1)核子数核子数: :质子和中子质量相差很小质子和中子质量相差很小, ,统称为核子统称为核子. .质子数质子数和中子数之和叫核子数和中子数之和叫核子数. .(2)(2)电荷数电荷数(z):(z):原子核所带的电核总是质子数的整数倍原子核所带的电核总是质子数的整数倍, ,用用这个整数

3、表示电荷量这个整数表示电荷量. .(3)(3)质量数质量数(A):(A):原子核的质量等于质子和中子的质量和原子核的质量等于质子和中子的质量和, ,所所以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍以原子核的质量几乎等于单个核子质量的整数倍, ,这个整数这个整数, ,叫质量数叫质量数. .3.3.原子核中的两个等式原子核中的两个等式: :(1)(1)核电荷数核电荷数= =质子数质子数= =元素的原子序数元素的原子序数= =荷外电子数荷外电子数(2)(2)质量数质量数= =核子数核子数= =质子数质子数+ +中子数中子数XAzX表示表示元素符号元素符号Z表示表示质子数质子数A表示表示质量数质量数)2

4、(, 4,242个中子即有质量数为个质子有表示氦原子核He)143(,235,9223592个中子即有质量数为个质子有表示铀原子核U同位素同位素:如质子数相同如质子数相同,中子数不同中子数不同,（质量（质量数当然不同）数当然不同）,则互为同位素。则互为同位素。衰变衰变原子核放出原子核放出 粒子或粒子或 粒子转变为新核的变化粒子转变为新核的变化叫做原子核的衰变叫做原子核的衰变 。在衰变中遵守四个守恒：在衰变中遵守四个守恒：在方程中表现出在方程中表现出电荷数电荷数和和质量数质量数守恒守恒电量电量,质量质量 ,能量能量,动量守恒。动量守恒。（1）衰变：原子核放出一个衰变：原子核放出一个粒子粒子,原子

5、序数（原子序数（核电荷数）就比原来少核电荷数）就比原来少2,而质量数少而质量数少4。 例如例如: HeYXMZMZ4242HeThU422349023892写成一般式为写成一般式为:（2）衰变：原子核放出一个衰变：原子核放出一个粒子粒子,原子序数（原子序数（核电荷数）就比原来多核电荷数）就比原来多1,而质量数不变而质量数不变 例如例如: eYXMZMZ011ePaTh012349123490（3）射线经常是射线经常是伴随伴随射线和射线和 射线产生的射线产生的写成一般式为写成一般式为:一种一种元素元素只能发生一种衰变只能发生一种衰变,但在一块放射性但在一块放射性物质物质中中可以同时放出可以同时放

6、出、和和三种射线。三种射线。半衰期(T) 1.1.意义：意义： 表示放射性元素衰变快慢的物理量表示放射性元素衰变快慢的物理量 2.2.定义：放射性元素的原子核有半数发定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间生衰变所需的时间不同的放射性元素其半衰期不同不同的放射性元素其半衰期不同某元素经过某元素经过n个半衰期个半衰期(T)衰变后衰变后,剩余的剩余的该该元素元素质量为：质量为： 某元素经过某元素经过n个半衰期衰变后个半衰期衰变后,剩余的剩余的该元素该元素粒子数为：粒子数为： 021mmn 002121NNNTtn 021mmTt 3.3.公式：公式： 注意：注意：(1)(1)半衰期的长短半

7、衰期的长短是由原子核内部本身的是由原子核内部本身的因素决定的因素决定的, ,与原子所处的物理、化学状与原子所处的物理、化学状态无关态无关 (2)(2)半衰期是一个统计规律半衰期是一个统计规律, ,只对大量的只对大量的原子核才适用原子核才适用, ,对少数原子核是不适用对少数原子核是不适用的的【练习】【练习】填空题填空题1铀核铀核 经过经过_次次 衰变和衰变和_次次 衰变后变衰变后变成稳定的铅成稳定的铅U23892Pb206822、放射性元素放射性元素 经过经过2h,只剩只剩1/2的核没有衰变再经过的核没有衰变再经过_h,将只剩下将只剩下1/8的核没有衰变。的核没有衰变。Na2411参考答案参考答

8、案: 6 参考答案参考答案: 8；6 例例1 、在匀强磁场里原来静止的放射性碳、在匀强磁场里原来静止的放射性碳14原原子子,它所放射的粒子与反冲核的径迹是两个相它所放射的粒子与反冲核的径迹是两个相切的圆切的圆,圆的半径之比为圆的半径之比为7：1,那么碳那么碳14的核衰的核衰变方程是变方程是 ( ) A、 B、 C、 D、 BeHeC10442146BeC14501146NeC14701146BHC12521146C原子核的人工转变原子核的人工转变 HOHeN1117842147 1919年年卢瑟福卢瑟福做了用做了用粒子轰击氮原子核的实验。粒子轰击氮原子核的实验。2 、 中子的发现中子的发现 (

9、查德威克查德威克)1、 质子的发现质子的发现(人类第一次实现原子核的人人类第一次实现原子核的人工转变工转变)nCHeBe101264294人工放射同位素的发现人工放射同位素的发现 1934年约里奥年约里奥-居里夫妇用居里夫妇用粒子轰击铝核粒子轰击铝核,发生了下面发生了下面的核反应的核反应: 1530143010PSieP3015核反应生成物核反应生成物 是磷的一种同位素它具有放射性是磷的一种同位素它具有放射性,衰衰变时放出正电子变时放出正电子,下面是它的反应方程下面是它的反应方程:nPHeAl103015422713（1）利用它的射线）利用它的射线放射性同位素的应用放射性同位素的应用A、由于、

10、由于射线贯穿本领强射线贯穿本领强,可以用来可以用来射线检查金属射线检查金属内部有没有砂眼或裂纹内部有没有砂眼或裂纹,所用的设备叫所用的设备叫射线探伤射线探伤仪仪B、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系、利用射线的穿透本领与物质厚度密度的关系,来来检查检查各种产品的各种产品的厚度厚度和密封容器中液体的和密封容器中液体的高度高度等等,从从而实现自动控制而实现自动控制C、利用射线、利用射线使空气电离使空气电离而把空气变成导电气体而把空气变成导电气体,以以消除消除化纤、纺织品上的化纤、纺织品上的静电静电D、利用射线照射植物、利用射线照射植物,引起植物变异而引起植物变异而培育良种培育良种,也可以利用它

11、杀菌、治病等也可以利用它杀菌、治病等（2）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等）作为示踪原子：用于工业、农业及生物研究等.练习练习:以下几个原子核反应式中以下几个原子核反应式中,X代表代表粒子的反粒子的反应式是应式是AHe + BeC + XBThPa + XCH + Hn + XD49612912341301、24902341215301430PSiX参考答参考答案案:C练习练习:用中子轰击硼用中子轰击硼( )核发生的核反核发生的核反应是：应是： 其中的其中的X粒子应是粒子应是A、粒子粒子 B、粒子粒子C、质子、质子 D、中子、中子B105XLinB7310105参考答参考答案案:A核力

12、特点核力特点:核力核力:能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力能够把核中的各种核子联系在一起的强大的力 2. 核力是短程力核力是短程力。约在。约在 10-15m量级时起作用量级时起作用,距离距离大大于于0.810-15m时为引力时为引力, 距离为距离为1010-15m时核力几乎消时核力几乎消失失,距离距离小于小于0.810-15m时为斥力时为斥力。 3. 核力具有饱和性核力具有饱和性。核子只对。核子只对相邻相邻的少数核子产的少数核子产生较强的引力生较强的引力,而不是与核内所有核子发生作用。而不是与核内所有核子发生作用。 4. 核力具有电荷无关性核力具有电荷无关性。对给定的相对运动状态。对给定

13、的相对运动状态,核力与核子电荷无关。核力与核子电荷无关。 1. 核力是四种相互作用中的核力是四种相互作用中的强相互作用（强力）强相互作用（强力）的的一种表现。一种表现。（1）核能：核能：由于原子核之间有强大的核力由于原子核之间有强大的核力,核子结合成原子核时核子结合成原子核时要放出一定的能量；原子核分解成核子时要放出一定的能量；原子核分解成核子时,要吸收同要吸收同样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能样多的能量。这个能量叫做原子核的结合能,简称为简称为核能核能核能核能 比结合能比结合能:原子核的结合能与核子数的比值原子核的结合能与核子数的比值比结合能越比结合能越大大,表示原子核中核子结合得越牢

14、固表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定原子核越稳定不同的原子核的比结合能不一样不同的原子核的比结合能不一样,中等中等大小的原子大小的原子核的比结合能最大核的比结合能最大,这些核最稳定这些核最稳定获得核能的途径获得核能的途径 （1）。重核的裂变；）。重核的裂变； （2）。）。 轻核的聚变轻核的聚变。重核的裂变重核的裂变 92 0 38 54 0 235 U + 1 n 9090 Sr + Sr + 136136Xe+ 10 Xe+ 10 1 1 n n 重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平均结合能小。因此均结合能小。因此,重核分裂成中等质量的

15、核重核分裂成中等质量的核时时,会有一部分结合能释放出来。这种核反应叫做会有一部分结合能释放出来。这种核反应叫做裂裂变变。 链式反应：链式反应：l 铀核裂变时铀核裂变时,同时放出同时放出23个中子个中子,如果这些中子如果这些中子再引起其它铀核裂变再引起其它铀核裂变,就可就可使裂变反应不断地进行下使裂变反应不断地进行下去。这种反应叫做链式反去。这种反应叫做链式反应。应。l 铀块的体积对于产生铀块的体积对于产生链式反应也是重要因素。链式反应也是重要因素。能够发生链式反应的铀块能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界的最小体积叫做它的临界体积。对于体积。对于铀块如果超过铀块如果超过了临界体积了临界

16、体积,就会引起铀核就会引起铀核的链式反应的链式反应,发生猛烈的爆发生猛烈的爆炸。炸。 核反应堆核反应堆：主要的组成有做为核燃主要的组成有做为核燃料的浓缩铀料的浓缩铀,做为中做为中子减速济的石墨子减速济的石墨,起起控制作用的镉棒控制作用的镉棒,起起冷却和输出势能作用冷却和输出势能作用的液体金属钠或水的液体金属钠或水,以及防止射线对人体以及防止射线对人体的危害而修建的水泥的危害而修建的水泥防护层。防护层。它是人工控制链式反应的装置它是人工控制链式反应的装置 轻核聚变轻核聚变轻核的结合能更小轻核的结合能更小,某些某些轻核结合成质量较大的核轻核结合成质量较大的核时时,能释放出更多的结合能。轻核结合成质

17、量较大的轻能释放出更多的结合能。轻核结合成质量较大的轻核叫核叫聚变。聚变。 nHeHH10423121轻核聚变的核反应方程轻核聚变的核反应方程:爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程： 这个方程是爱因斯坦从相对论这个方程是爱因斯坦从相对论得出的得出的,它表明物体的质量与它表明物体的质量与它的能量间有一定的联系。当它的能量间有一定的联系。当物体的能量增加（或减少）物体的能量增加（或减少）E时时,它的质量也会相应地增它的质量也会相应地增加加(或减少或减少) m,二者满足的关二者满足的关系是系是 E= mc2 式中式中c表示光在真空中的传播表示光在真空中的传播速度。速度。2mc=E质量亏损：质量亏损：核

18、子结合成原子核时要放出核能核子结合成原子核时要放出核能,原子核的能量要比核子未组合成核时的能量小原子核的能量要比核子未组合成核时的能量小,所以原子核的质量也要比组成核的核子的质量所以原子核的质量也要比组成核的核子的质量小小。组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做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。核的质量亏损。知道核的质量亏损知道核的质量亏损,根据质能方程就可以求出原子核根据质能方程就可以求出原子核的核能的核能例例.关于质能方程关于质能方程E=mc2,下述错误的是下述错误的是 （ ）A. 质能方程是爱因斯坦最先得出的质能方程是爱因斯坦最先得出的 该方程表明物体的质量

19、和能量可以相互转化该方程表明物体的质量和能量可以相互转化C. 该方程表明物体的能量跟它的质量成正比该方程表明物体的能量跟它的质量成正比D. 该方程既适用于微观粒子该方程既适用于微观粒子,也适合宏观物体也适合宏观物体B例例、 当一个中子和一个质子结合成氘核时当一个中子和一个质子结合成氘核时,产生产生光子辐射光子辐射,对这一实验事实对这一实验事实,下列说法正确的是下列说法正确的是（ ） A、核子结合成原子核时、核子结合成原子核时,要放出一定的能量要放出一定的能量 B、原子核分裂成核时、原子核分裂成核时,要放出一定的能量要放出一定的能量 C、光子的质量为零、光子的质量为零,氘核的质量等于中子与质氘核

20、的质量等于中子与质子的质量之和子的质量之和 D、光子具有一定的能量、光子具有一定的能量,氘核的质量小于中子氘核的质量小于中子与质子的质量之和与质子的质量之和参考答案：参考答案：（A D）相当于相当于2EmC 22781.6606 102.9979 10101.49245 10931.5JMeV核能的计算核能的计算1.一个一个粒子轰击硼核粒子轰击硼核B11,生成碳核生成碳核C14,并放并放出出0.75MeV的能量的能量.(1)写出核反应方程写出核反应方程(2)反应过程中质量亏损是多少反应过程中质量亏损是多少?例例4、天然放射性现象中天然放射性现象中 发生衰变后变发生衰变后变 成成 。 已知已知

21、、 和和 粒子的质量分别是粒子的质量分别是m1、m2和和m3,它们之间应满足它们之间应满足U23892Th23490U23892Th23490之间的关系和、不能确定、321321321321Dm+mBm+m=Ammmmmm参考答案参考答案: B 一个U238发生 衰变后变成衰变后变成Th234,释放释放的能量是多少？的能量是多少？ E=(m1-m2-m3)c2例例5、 中子中子n n、质子、质子p p、氘核、氘核D D的质量分别为的质量分别为 现用光子能量为现用光子能量为E E的的 射线照射静止氘核使之分解，反射线照射静止氘核使之分解，反应的方程为应的方程为 若分解后中子、质子的若分解后中子、

22、质子的动能可视为相等，则中子的动能是动能可视为相等，则中子的动能是 （ ）.npDmmm、Dpn21()2Dpnmmm cE21()2Dnpmmm cE21()2Dpnmmm cE21()2Dnpmmm cEA.B.C.D.C例例6、铀核的裂变的核反应方程、铀核的裂变的核反应方程56141369201140 91399189733302612358373BauKrunuu. E =mc = 201MeV2裂变后裂变后：w反应过程中质量减少反应过程中质量减少m=0.2153u,反应中释放的能量反应中释放的能量 例例7：一个铀衰变为钍核时释放出一个一个铀衰变为钍核时释放出一个粒子粒子,已知铀核的质

23、量为已知铀核的质量为 千克千克,钍核钍核的质量为的质量为 千克千克, 粒子的粒子的质量为质量为 千克千克, ,在这个衰变过种中在这个衰变过种中释放出的能量等于释放出的能量等于_ J _ J （取（取2 2位有效数字）。位有效数字）。写出此衰变方程写出此衰变方程_。 分析：原子核发生变化时如果质量减小（减小分析：原子核发生变化时如果质量减小（减小的质量称为质量亏损）的质量称为质量亏损） m,根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程 , ,可以算出核变释放的能量可以算出核变释放的能量E E。2510786567. 32510853131. 3271064672. 62mc=E 解 答 ： 千 克m

24、=m -m -mvTh( .).()385131 3786567 0066467210968 102530说明说明：本题没给出铀核的质量数：本题没给出铀核的质量数, ,所以用所以用M M表示铀核的表示铀核的质量数质量数, ,这样钍核的质量数为这样钍核的质量数为M-4M-4。另外另外 衰变释放的能表现为衰变释放的能表现为 粒子的动能粒子的动能E E 和钍核反冲和钍核反冲运动的动能运动的动能E EThTh, ,由于衰变过程动量守恒由于衰变过程动量守恒, ,则则Emc焦 耳23082139 68103 00108 710.( .).()焦耳。-13108.7m vm vThTh 0Em vm vTh

25、Th121222Em vmmmEMMEThTh1242答答: :衰变过程中释放出的能量等于衰变过程中释放出的能量等于 这个这个衰变的方程为：衰变的方程为：9290424mMVThH e这里的这里的M M是衰变前核的质量数。因为是衰变前核的质量数。因为M4M4, ,所以所以E E 接质接质 E。由于能量守恒由于能量守恒, ,则则解这两个方程可得解这两个方程可得粒子的动能粒子的动能l如果整个装置放在匀强磁场中呢？如果整个装置放在匀强磁场中呢？ 例例8 、已知氘核的质量为、已知氘核的质量为2.0136u,中子质量为中子质量为1.0087u,氦氦3的质量为的质量为3.0150u。 (1)写出两个氘核聚

26、变生成氦写出两个氘核聚变生成氦3的反应方程。的反应方程。 (2)求上述聚变释放出的核能。求上述聚变释放出的核能。 (3)若两个氘核以相同的动能若两个氘核以相同的动能Ek=0.36MeV正正碰碰,求碰后生成物的动能。求碰后生成物的动能。nHeHH10322121(1)(2)3.26MeV(2)3.26MeVMeVnMeVHe98. 2 ;99. 0(3)1032参考答案参考答案: 例例9 如图所示如图所示,某一足够大的真空中某一足够大的真空中,虚线虚线PH右侧是磁感右侧是磁感应强度为应强度为B、方向垂直于纸面向里的匀强磁场、方向垂直于纸面向里的匀强磁场,左侧是一场强左侧是一场强为、方向水平向左的

27、匀强电场。静止于虚线上的一点为、方向水平向左的匀强电场。静止于虚线上的一点处的镭核（处的镭核（226 Ra ）放出一个）放出一个粒子而衰变成氡核粒子而衰变成氡核（ 222Rn ）,已知已知粒子是如图所示的方向水平进入磁场粒子是如图所示的方向水平进入磁场,设设粒子与氡核分离后它们之间的作用可忽略不计粒子与氡核分离后它们之间的作用可忽略不计,涉及动量问涉及动量问题时亏损的质量不计题时亏损的质量不计,重力不计。重力不计。（）写出镭核衰变的核反应方程（）写出镭核衰变的核反应方程（）若经过一段时间（）若经过一段时间,粒子刚好粒子刚好 到达虚线上的点到达虚线上的点,求此时氡求此时氡 核沿场强方向的速率。核

28、沿场强方向的速率。（设（设粒子的比荷为粒子的比荷为K,） 例例10、用质子轰击锂核（、用质子轰击锂核（Li）生成两个）生成两个a粒子。已粒子。已知质子质量知质子质量Mp=1.0078u 锂核质量为锂核质量为 MLi=7.0160u , a粒子的核质量为粒子的核质量为 Ma=4.0026u 质子的初动能是质子的初动能是E1=0.6MeV。求：。求： （1）写出核反应方程式；）写出核反应方程式； （2）核反应前后发生的质量亏损；）核反应前后发生的质量亏损； （3）核反应过程中释放的能量）核反应过程中释放的能量E； （4）核反应释放的能量全部用来增加两个）核反应释放的能量全部用来增加两个a粒子的动粒子的动能能,则核反应后两个则核反应后两个a粒子具有总能量是多少？粒子具有总能量是多少？EHeHeHLi424211731、uMMMmpLi0186. 0222、MeVE33.173、MeVE93.17总4、3、天然放射性现象中天然放射性现象中 发生衰变后变成发生衰变后