高中物理原子核章末总结教科选修

1、会计学1高中物理原子核章末总结教科选修高中物理原子核章末总结教科选修第1页/共58页第2页/共58页网络构建区原子核原子核原子核的组成原子核的组成核子核子质子质子( )( )中子中子( )核变化核变化衰变衰变三种射线：三种射线：射线、射线、射线、射线、射线射线三种衰变：三种衰变：衰变、衰变、衰变、衰变、衰变衰变半衰期半衰期人工转变人工转变质子的发现：质子的发现：中子的发现：中子的发现：第3页/共58页网络构建区核裂变：核裂变：原子核原子核核变化核变化核聚变：核聚变：核能核能爱因斯坦质能方程：爱因斯坦质能方程：Emc2或或E核能的利用：核电站、核武器核能的利用：核电站、核武器mc2第4页/共58

2、页专题整合区一、一、对核反应方程及类型的理解对核反应方程及类型的理解二、二、半衰期及衰变次数的计算半衰期及衰变次数的计算三三、核能的计算方法核能的计算方法四四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题原子核物理与动量、能量相结合的综合问题第5页/共58页一、对核反应方程及类型的理解1.四类核反应方程的比较四类核反应方程的比较 名称名称核反应方程式核反应方程式时间时间其它其它衰衰变变衰衰变变1896年年贝克勒贝克勒尔发现尔发现衰衰变变1938年年原子弹原子弹原理原理第6页/共58页聚变聚变氢弹氢弹原理原理人人工工转转变变发发现现质质子子1919年年卢瑟卢瑟福福发发现现中中子子第7页/共58页2.解

3、题注意：解题注意：(1)熟记一些粒子的符号熟记一些粒子的符号粒子粒子( He)、质子、质子( H)、中子、中子( n)、电子、电子( e)、氘核、氘核( H)、氚核、氚核( H)(2)注意在核反应方程式中，质量数和电荷数是守恒的注意在核反应方程式中，质量数和电荷数是守恒的；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守；在解有关力学综合问题时，还有动量守恒和能量守恒恒.第8页/共58页例例1现有三个核反应：现有三个核反应：下列说法正确的是下列说法正确的是()A.是裂变，是裂变，是是衰变，衰变，是聚变是聚变B.是聚变，是聚变，是裂变，是裂变，是是衰变衰变C.是是衰变，衰变，是裂变，是裂变，是聚变是

4、聚变D.是是衰变，衰变，是聚变，是聚变，是裂变是裂变第9页/共58页解析解析原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变和聚变.衰变是指原子核放出衰变是指原子核放出粒子和粒子和粒子后，变成新粒子后，变成新的原子核的变化，像本题中的核反应的原子核的变化，像本题中的核反应；原子核的人工转变是指在其它粒子的轰击下变成新的原子核的人工转变是指在其它粒子的轰击下变成新的原子核的变化；裂变是重核分裂成质量较小的核，像原子核的变化；裂变是重核分裂成质量较小的核，像核反应核反应；聚变是轻核结合成质量较大的核，像核反应聚变是轻核结合成质量较大的核，像核反应；综上；综上所

5、述，所述，C项正确项正确.答案答案C返回返回第10页/共58页二、半衰期及衰变次数的计算1.半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变需要的时间时间.计算公式：计算公式：NN0( )n或或mm0( )n，其中其中n ，为半衰期为半衰期.第11页/共58页2.确定衰变次数的方法确定衰变次数的方法(1)根据质量数、电荷数守恒得根据质量数、电荷数守恒得ZZ2nmAA4n二式联立求解得二式联立求解得衰变次数衰变次数n，衰变次数衰变次数m.(2)根据根据衰变和衰变和衰变衰变(衰变质量数不变衰变质量数不变)直接求解直接求解.第12页/共58页例例2放射性元素放射

6、性元素 U衰变有多种可能途径，衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成其中一种途径是先变成 Bi，而，而 Bi可以经可以经一次衰变变成一次衰变变成 X(X代表某种元素代表某种元素)，也可，也可以经一次衰变变成以经一次衰变变成 Tl， X和和 Tl最后都变最后都变成成 Pb，衰变路径如图，衰变路径如图1所示所示.则则()图图1第13页/共58页A.a82，b211B. Bi X是是衰变，衰变， Bi Tl是是衰变衰变C. Bi X是是衰变，衰变， Bi Tl是是衰变衰变D.Tl经过一次经过一次衰变变成衰变变成Pb解析解析由由 Bi X，质量数不变，说明发生的是，质量数不变，说明发生的是衰衰变，同

7、时知变，同时知a84.由由 Bi Tl是核电荷数减是核电荷数减2，说明发生的是，说明发生的是衰变，同衰变，同时知时知b206，由，由 Tl Pb发生了一次发生了一次衰变衰变.故选故选B.答案答案B第14页/共58页例例32008年度十大考古新发现揭晓，陕西高陵杨官寨年度十大考古新发现揭晓，陕西高陵杨官寨居首，尤其令考古工作者兴奋的是，在其中一处壕沟居首，尤其令考古工作者兴奋的是，在其中一处壕沟内出土了一件极为罕见的人面彩陶内出土了一件极为罕见的人面彩陶.有考古专家推测，有考古专家推测，这里可能是当时的一处中心聚落，可能为这里可能是当时的一处中心聚落，可能为5 500年前的年前的原始城市原始城市

8、.人们由此可以看见人们由此可以看见“城镇城镇”的雏形，这在中的雏形，这在中国文明形成过程中有着重要的作用国文明形成过程中有着重要的作用.放射性同位素放射性同位素 C被被考古学家称为考古学家称为“碳钟碳钟”，它可以用来判定古生物体死，它可以用来判定古生物体死亡至今的年代亡至今的年代.第15页/共58页(1)宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就会形成会形成 C，写出它的核反应方程，写出它的核反应方程.答案答案核反应方程：核反应方程：第16页/共58页(2) C很不稳定，容易发生很不稳定，容易发生衰变，其半衰期为衰变，其半衰期为5 730年年，写出

9、它发生衰变的核反应方程，写出它发生衰变的核反应方程.答案答案衰变方程：衰变方程：第17页/共58页(3) C生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体的生成和衰变通常是平衡的，即空气中生物活体的 C含量是不变的含量是不变的.当机体死亡后，机体内的当机体死亡后，机体内的 C含量将含量将会不断减少会不断减少.若测得高陵杨官寨出土的一具古生物遗骸若测得高陵杨官寨出土的一具古生物遗骸中中 C含量只有活体中的含量只有活体中的50%，则这具遗骸死亡距今应，则这具遗骸死亡距今应有多少年？有多少年？解析解析据半衰期公式：据半衰期公式：NN0( ) ，代入数据：，代入数据：50%( ) ，解得，解得t5 730年

10、年.tT5730t年答案答案见解析见解析返回返回第18页/共58页三、核能的计算方法1.根据质量亏损计算核能根据质量亏损计算核能(1)用用Emc2计算核能计算核能公式中的各物理量必须用国际单位制中的单位来表示公式中的各物理量必须用国际单位制中的单位来表示，所以，当原子核及核子的质量用，所以，当原子核及核子的质量用“kg”作单位时，作单位时，用该式计算核能较为方便用该式计算核能较为方便.(2)用用1 u的质量相当于的质量相当于931.5 MeV的能量来计算核能的能量来计算核能.第19页/共58页2.根据结合能计算核能根据结合能计算核能利用结合能计算核能时要采用利用结合能计算核能时要采用“先拆散，

11、再结合先拆散，再结合”的的方法方法.第20页/共58页例例4假设两个氘核在一条直线上相碰发生聚变反应生假设两个氘核在一条直线上相碰发生聚变反应生成氦核的同位素和中子，已知氘核的质量是成氦核的同位素和中子，已知氘核的质量是2.013 6 u，中子的质量是中子的质量是1.008 7 u，氦核同位素的质量是，氦核同位素的质量是3.015 0 u，则聚变的核反应方程是，则聚变的核反应方程是_，在聚变反应，在聚变反应中释放出的能量为中释放出的能量为_MeV(保留两位有效数字保留两位有效数字).解析解析根据题中条件，可知核反应方程为根据题中条件，可知核反应方程为第21页/共58页核反应过程中的质量亏损核反

12、应过程中的质量亏损m2mH(mHemn)22.013 6 u(3.015 01.008 7)u3.5103u由于由于1 u的质量与的质量与931.5 MeV的能量相对应，所以氘核聚的能量相对应，所以氘核聚变反应时放出的能量为变反应时放出的能量为E3.5103931.5 MeV3.3 MeV.答案答案返回返回第22页/共58页四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题1.核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒；电荷数守核反应过程中满足四个守恒：质量数守恒；电荷数守恒；动量守恒；能量守恒恒；动量守恒；能量守恒.2.核反应过程若在磁场中发生，粒子在匀强磁场中可能核反应过程若在磁场中发生，粒子在匀强磁场

13、中可能做匀速圆周运动，衰变后的新核和放出的粒子做匀速圆周运动，衰变后的新核和放出的粒子(粒子、粒子、粒子粒子)形成外切圆或内切圆形成外切圆或内切圆.第23页/共58页例例5足够强的匀强磁场中有一个原来静止的氡核足够强的匀强磁场中有一个原来静止的氡核 Rn，它放射出一个，它放射出一个粒子后变为粒子后变为Po核核.假设放出的假设放出的粒子运粒子运动方向与磁场方向垂直，求：动方向与磁场方向垂直，求：(1)粒子与粒子与Po核在匀强磁场中的轨迹圆半径之比并定性核在匀强磁场中的轨迹圆半径之比并定性画出它们在磁场中运动轨迹的示意图画出它们在磁场中运动轨迹的示意图.解析解析氡核经氡核经衰变的核反应方程为衰变的

14、核反应方程为衰变的极短过程系统动量守恒，设衰变的极短过程系统动量守恒，设粒子速度方向为正粒子速度方向为正，第24页/共58页衰变的极短过程系统动量守恒，设衰变的极短过程系统动量守恒，设粒子速度方向为正粒子速度方向为正，则由动量守恒定律则由动量守恒定律0mvmPovPo，即即mvmPovPo粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力提供匀速圆周运动的向心力提供匀速圆周运动的向心力qvBm，r ，故故 ，示意图如图甲所示，示意图如图甲所示.答案答案421见解析图见解析图第25页/共58页(2)粒子与粒子与Po核两次相遇的时间间隔与核两次相遇的时间间隔与粒子运动周期粒子运动

15、周期的关系；的关系；(设质子和中子质量相等设质子和中子质量相等)解析解析它们在磁场中运动的周期它们在磁场中运动的周期T ，它，它们周期之比为们周期之比为 ，即即109T84TPo，这样，这样粒子转粒子转109圈，圈，Po核转核转84圈，两圈，两者才相遇者才相遇.所以，所以，粒子与粒子与Po核两次相遇的时间间隔核两次相遇的时间间隔t109T.答案答案t109T第26页/共58页(3)若某种放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生若某种放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生衰变，则衰变，则粒子和反冲核在磁场中运动轨迹的示意图与粒子和反冲核在磁场中运动轨迹的示意图与上述上述衰变轨迹示意图有何不同？衰变

16、轨迹示意图有何不同？解析解析若放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生若放射性元素在匀强磁场中垂直磁场方向发生衰变，则衰变，则粒子和反冲衰变过程仍符合动量守恒定律，粒子和反冲衰变过程仍符合动量守恒定律，它们也在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，但由于它们也在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，但由于粒粒子带负电，反冲核带正电，衰变时它们两个运动方向子带负电，反冲核带正电，衰变时它们两个运动方向第27页/共58页相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以它相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以它们的轨迹圆是内切的，且们的轨迹圆是内切的，且粒子的轨迹半径粒子的轨迹半径大于新核的轨迹半径，其运动轨迹的示意大于新核的轨迹半径

17、，其运动轨迹的示意图如图乙所示图如图乙所示.答案答案见解析图见解析图第28页/共58页例例6用中子轰击锂核用中子轰击锂核( Li)发生核反应，生成氚核发生核反应，生成氚核( H)和和粒子，并放出粒子，并放出4.8 MeV的能量的能量.(1)写出核反应方程写出核反应方程.解析解析核反应方程为核反应方程为第29页/共58页(2)求出质量亏损求出质量亏损.解析解析依据依据Emc2得得m u0.005 2 u答案答案0.005 2 u第30页/共58页(3)若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和若中子和锂核是以等值反向的动量相碰，则氚核和粒子的动能比是多少？粒子的动能比是多少？解析解析根据题意有

18、根据题意有0m1v1m2v2式中式中m1、m2、v1、v2分别为氚核和分别为氚核和粒子的质量和速度，由上式及动能粒子的质量和速度，由上式及动能Ek ，可得它们的动能之比为，可得它们的动能之比为Ek1Ek2 m2m143.答案答案43第31页/共58页(4)粒子的动能是多大？粒子的动能是多大？解析解析粒子的动能粒子的动能Ek2 (Ek1Ek2) 4.8 MeV2.06 MeV答案答案2.06 MeV返回返回第32页/共58页自我检测区123456第33页/共58页1.下列说法不正确的是下列说法不正确的是()123456第34页/共58页解析解析原子核的变化通常包括衰变、人工转变、裂变和原子核的变

19、化通常包括衰变、人工转变、裂变和聚变聚变.衰变是指原子核放出衰变是指原子核放出粒子或粒子或粒子后，变成新的原粒子后，变成新的原子核的变化，如本题中的子核的变化，如本题中的C和和D两选项两选项.原子核的人工转变是指在其他粒子的轰击下产生新的原原子核的人工转变是指在其他粒子的轰击下产生新的原子核的过程子核的过程.裂变是重核分裂成质量较小的核，像裂变是重核分裂成质量较小的核，像B选项选项.聚变是轻核结合成质量较大的核，像聚变是轻核结合成质量较大的核，像A选项选项.由上述知由上述知D选选项是错误的项是错误的.答案答案D123456第35页/共58页2.一块含铀的矿石质量为一块含铀的矿石质量为M，其中铀

20、元素的质量为，其中铀元素的质量为m.那那么下列说法中正确的有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 发生了衰变发生了衰变C.经过三个半衰期后，其中铀元素的质量还剩经过三个半衰期后，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经过一个半衰期后该矿石的质量剩下M/2123456第36页/共58页解析解析经过两个半衰期后铀元素的质量还剩经过两个半衰期后铀元素的质量还剩m/4，A、B项均错误；项均错误；经过三个半衰期后

21、，铀元素还剩经过三个半衰期后，铀元素还剩m/8，C项正确；项正确；铀衰变后，铀核变成了新的原子核，故铀衰变后，铀核变成了新的原子核，故D项错误项错误.答案答案C123456第37页/共58页3.据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界第一套全据新华社报道，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超导核聚变实验装置(又称又称“人造太阳人造太阳”)已完成了首次工已完成了首次工程调试程调试.下列关于下列关于“人造太阳人造太阳”的说法正确的是的说法正确的是()A.“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是B.“人造太阳人造太阳”的核反应方程是的核反应方程是C.“人造太阳人造太阳”释放

22、的能量大小的计算公式是释放的能量大小的计算公式是Emc2D.“人造太阳人造太阳”核能大小的计算公式是核能大小的计算公式是E mc2123456第38页/共58页解析解析A是核聚变反应，是核聚变反应，B是核裂变反应，故是核裂变反应，故A正确，正确，B错误；错误；核反应方程中计算能量的关系式是爱因斯坦的质能方核反应方程中计算能量的关系式是爱因斯坦的质能方程，故程，故C正确，正确，D错误错误.答案答案AC123456第39页/共58页4. U放射性衰变有多种可能途径，其中一放射性衰变有多种可能途径，其中一种途径是先变成种途径是先变成 Bi，而，而 Bi可以经一次可以经一次衰变变成衰变变成 X(X代表

23、某种元素代表某种元素)，也可以经，也可以经一次一次衰变变成衰变变成 Tl， X和和 Tl最后都变成最后都变成 Pb，衰变，衰变路径如图路径如图2所示所示.则图中的则图中的()图图2123456第40页/共58页A.a84，b206B.是是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时 产生的产生的C.是是衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时衰变，放出电子，电子是由中子转变成质子时 产生的产生的D. U经过经过10次次衰变，衰变，8次次衰变可变成衰变可变成 Pb123456第41页/共58页解析解析是是衰变，衰变，是是衰变，因此衰变，因此a84，b206，

24、U经过经过10次次衰变和衰变和8次次衰变可变成质量数为衰变可变成质量数为206，电荷数为电荷数为86的元素的元素.答案答案AB123456第42页/共58页5.两个动能均为两个动能均为1 MeV的氘核发生正面碰撞，引起如下的氘核发生正面碰撞，引起如下反应：反应：(1)此核反应中放出的能量此核反应中放出的能量E为为_.解析解析此核反应中的质量亏损和放出的能量分别为：此核反应中的质量亏损和放出的能量分别为：m(22.013 63.015 61.007 3) u0.004 3 u，Emc20.004 3931.5 MeV4.005 MeV.4.005 MeV123456第43页/共58页(2)若放出

25、的能量全部变为新生核的动能，则新生的氚若放出的能量全部变为新生核的动能，则新生的氚核具有的动能是核具有的动能是_.(已知已知mH2.013 6 u，mH3.015 6 u，mH1.007 3 u)解析解析因碰前两氘核动能相同，相向正碰，故碰前的因碰前两氘核动能相同，相向正碰，故碰前的总动量为零总动量为零.因核反应中的动量守恒，因核反应中的动量守恒，故碰后质子和氚核的总动量也为零故碰后质子和氚核的总动量也为零.设其动量分别为设其动量分别为p1，p2，必有，必有p1p2.123456第44页/共58页设碰后质子和氚核的动能分别为设碰后质子和氚核的动能分别为Ek1和和Ek2，质量分别为，质量分别为m

26、1和和m2.则则又又Ek021 MeV2 MeV123456第45页/共58页故新生的氚核具有的动能为故新生的氚核具有的动能为Ek2 (EEk0) (4.0052) MeV1.5 MeV.答案答案1.5 MeV123456第46页/共58页6.静止在匀强磁场中的静止在匀强磁场中的 Li核俘获一个速度核俘获一个速度v07.7104 m/s的中子而发生核反应：的中子而发生核反应： ，若已知，若已知 He的速度的速度v22.0104 m/s，其方向与反应前中子速度，其方向与反应前中子速度方向相同，如图方向相同，如图3所示，试求：所示，试求：图图3123456第47页/共58页(1) H的速度大小和方

27、向的速度大小和方向.解析解析反应前后动量守恒：反应前后动量守恒：m0v0m1v1m2v2(v1为氚为氚核速度，核速度，v2为氦核速度，为氦核速度，m0、m1、m2分别代表中子、分别代表中子、氚核、氦核质量氚核、氦核质量)代入数值可解得代入数值可解得v11.0103 m/s，负号表示，负号表示 H的速的速度方向与初速度度方向与初速度v0反向反向.答案答案1.0103 m/s，方向与初速度，方向与初速度v0反向反向123456第48页/共58页(2)在图乙中，已画出并标明两粒子的运动轨迹，请计在图乙中，已画出并标明两粒子的运动轨迹，请计算出轨道半径之比算出轨道半径之比.解析解析 H和和 He在磁场

28、中均受洛伦兹力在磁场中均受洛伦兹力f，做匀速圆周，做匀速圆周运动的半径之比运动的半径之比r1r2 340答案答案340123456第49页/共58页(3)当当 He旋转旋转3周时，粒子周时，粒子H旋转几周？旋转几周？解析解析 H和和 He做匀速圆周运动的周期之比做匀速圆周运动的周期之比T1T2 32所以它们的旋转周数之比所以它们的旋转周数之比n1n2T2T123，即即 He转转3周，周，H转转2周周.答案答案2周周123456第50页/共58页专题整合区一、一、对核反应方程及类型的理解对核反应方程及类型的理解二、二、半衰期及衰变次数的计算半衰期及衰变次数的计算三三、核能的计算方法核能的计算方法

29、四四、原子核物理与动量、能量相结合的综合问题原子核物理与动量、能量相结合的综合问题第51页/共58页聚变聚变氢弹氢弹原理原理人人工工转转变变发发现现质质子子1919年年卢瑟卢瑟福福发发现现中中子子第52页/共58页(1)宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就宇宙射线中高能量中子碰撞空气中的氮原子后，就会形成会形成 C，写出它的核反应方程，写出它的核反应方程.答案答案核反应方程：核反应方程：第53页/共58页衰变的极短过程系统动量守恒，设衰变的极短过程系统动量守恒，设粒子速度方向为正粒子速度方向为正，则由动量守恒定律则由动量守恒定律0mvmPovPo，即即mvmPovPo粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力粒子与反冲核在匀强磁场中，洛伦兹力提供匀速圆周运动的向心力提供匀速圆周运动的向心力qvBm，r ，