2022年《点亮高考》物理系列教案《天然放射现象衰变核能》

1、第 2 讲自然放射现象衰变核能一、考情直播1考纲解读考纲内容才能要求考向定位1.氢原子核的组成、 放射1.知道原子核的组成,三种射线及考纲对这一部性、原子核的衰变、半衰期性质,衰变规律分学问均是级要2.放射性同位素2.明白放辐射性同位素及应用求本部分高考的3. 核力、核反应方程3.知道书写核反应方程时要留意质热 点 是 核 反 应 方4. 结合能、质量亏损量数守恒、核电荷数守恒程,三种射线的比5. 裂变反应和聚变反4.知道爱因斯坦质能联系方程,会较,质子、中子以应、裂变反应堆运算核能及正电子的发觉,6. 放射性的防护5.知道释放核能的两种方式：聚变爱因斯坦质能联系与裂变方程,高考中以选6.明白

2、放射性防护择题的形式显现2考点整合 考点一：自然放射现象及三种放射线的比较1、 自然放射现象的发觉 1896 年,在铀矿石中发觉未知的射线,把这些射线称为 射线、 射线、 射线,这就是自然放射现象的发觉 .自然放射现象的发觉,说明原子核 . 2、 三种射线的比较名产生本质电离作用穿透才能称 射线 射线 射线 射线的作用：工业探伤、 刀、除静电、消毒杀菌、育种保鲜等3、三种射线在匀强电场和匀强磁场中的偏转（在射线旁写明射线的种类）三种射线在电场中偏转图 7 三种射线在磁场中偏转特殊提示三种射线均来自原子核内部,说明原子核具有复杂结构 射线是氦的原子核, 射线是电子流, 射线是光子4.自然放射现象

3、的发觉说明原子核具有复杂结构自然放射现象中的三种射线均来自于,这就充分说明白原子核具有复杂结构 . 例题 1 如图 8 所示, x 为一未知放射源,P 为薄铝箔,当 x 放射源稳固时,计数器的计数率（单位时间内接受射线的次数）稳固 .现在将磁场移开,发觉计数器的计数率没有什么变化,然后抽走 P,就计数器的计数率大幅上升,说明 x 为A纯 粒子放射源B. 纯 粒子放射源C 粒子和 粒子的混合放射源 图 8 D. 粒子和 粒子的混合放射源答案： D 解析： 薄铝箔完全可以阻挡 粒子,所以能进入计数器的肯定没有 粒子； 粒子和 粒子都可以穿透薄铝箔,但由于 粒子是电子,在磁场的作用下会发生偏转,将磁

4、场移开,发觉计数器的计数率没有什么变化,说明肯定没有 粒子；抽走P,就计数器的计数率大幅上升,说明肯定有其它的粒子进入了计数器,而这种粒子肯定不是 粒子,只能是 粒子,所以 D 正确【规律总结】 粒子穿透本事最弱, 粒子穿透本事最强 粒子、 粒子在磁场中会受到 洛伦兹力作用而发生偏转, 粒子是光子,无论在电场中仍是在磁场中,都不会发生偏转考点二：原子核的半衰期 1. 半衰期： . 2.半衰期由放射性元素的原子核内部因素打算,与原子核所处的 无关 . 3.衰变公式为特殊提示：半衰期与原子核多少无关,半衰期是一个统计性的概念,只有对大量的原子核才 成立,对少量的或是几个原子核谈半衰期无意义 . 【

5、例题 2】如元素的半衰期为天,元素的半衰期为天,就相同质量的和,经过 天后,剩下两元素的质量之比 m:m为 .30： 31 .31：20 .： .： 答案： C 【解析】依据半衰期公式,易得 1:2,C 正确A 经受 5 个半衰期, B 经受 4 个半衰期,所以剩余质量之比为【规律总结】 放射性元素的半衰期运算公式为mm 01t或NN01tTT22考点三：、衰变规律1. 衰变规律衰变方程：238U234Th_9290衰变规律：2. 衰变规律234 90 Th234Pa_衰变方程：91衰变规律：3.正电子衰变规律正电子衰变方程：30P30Si_1514正电子衰变规律：特殊提示：书写核反应方程要留

6、意质量数守恒和核电荷数守恒；应前只有一个核,是释放核能的核反应 例题 3 下面对某原子核衰变的描述,哪个是不对的？. 放出一个 粒子后,原子核的中子数减,原子序数少 . 放出一个 粒子后,原子核的质量数少,核电荷数少 . 放出一个 粒子后,原子核的质量数不变,核电荷数加.226Ra经过次 衰变和次 衰变后变成206Pb8882答案： BCD衰变方程的特点是反【解析】衰变衰变规律为核电荷数增加 1,质量数不变, A 错 C 正确；衰变规律：核电荷226数削减 2,质量数削减 4,B 正确；88 Ra 经过次 衰变和次 衰变后,质量数削减 20,核电荷数先削减 10 在增加 4,一共增加 6,变为

7、 20682 Pb,D 正确【规律总结 】发生 衰变无中子缺失,每发生一次 衰变将有一个中子转化为一个质子,这一点是解决选项 D 的关键 . 考点四：原子核的人工转变与核反应方程1.质子的发觉14N,发觉了. 卢瑟福用粒子轰击 7 号元素7核反应方程为：14N4He17C_7282.中子的发觉查德威克用粒子轰击 4 号元素9Be,发觉了4核反应方程为：9Be4He12C_4263.放射性同位素的人工合成伊丽芙 居里和约里奥 居里用粒子轰击 13 号元素27Al,人工合成了13核反应方程为：27 13Al4 2He_1 0n4.放辐射性同位素的应用特殊提示 ：无论是质子的发觉仍是中子的发觉,这一

8、类方程都属于核的人工转变,是吸取能量 的在核反应中质量数和电荷数都守恒【例题 4】用中子（1 0n）轰击铝 27 13Al,产生钠 24（27 11Na）和 X,钠 24 具有放射性 24它衰变后变成镁 24（24 12Mg ）和 Y.就 X 和 Y分别是A 粒子和电子 B 粒子和正电子 C电子和 粒子D质子和正电 答案： A 【解析】写出核反应方程：27Al1n24Na4He和24Na24Mg0e,明显 X 是粒子, 电子 .A 正确 . 【规律总结】娴熟的写出核反应方程是关键,当然也要记忆一些常见的粒子的名称和书写,在核反应中质量数和电荷数都守恒【例题 5】在以下

9、四个核反应中,. X 表示了质子的是哪些A14N4He17OX728101nB27Al4 2 He30PX；1315C2H3 1 H4HeX；12D235UX90Sr136Xe9238540答案： A【解析】 依据核反应中质量数和电荷数都守恒,A 中是质子； B、C、D 中均为中子 . 【规律总结】核反应中质量数和电荷数都守恒,从而确定粒子的种类 . 考点五：核力与核能1.核力与核能核力：相邻的称为核能 . 间有强大的核力作用,是一种短程力,其作用距离不超过10-15m. 核能：核反应中特殊提示：将一个原子核分别成核子,需要克服核力做功,吸取能量；核子结合成原子核,核力做正功,释放核能 . 2

10、.爱因斯坦质能联系方程 3.核能质量亏损：. 叫质量亏损 .在衰变、裂变和聚变中存在质量亏损特殊提示：运算质量亏损的方法：mm 反应前m 反应后对质能联系方程的懂得：并不是指质量的消逝,只是在核反应的过程中以辐射能量的形式表达了相应部分的质量；Emc2不能懂得为质量为m 的物质可以转化为22 mc 的能量,这只是反应了质量与能量间的亲密联系,在运算核能时应用Emc来运算4. 结合能 结合能：,叫做原子核的结 合能 . 特殊提示：对结合能的懂得2 质量 m 与能量 E 符合爱因斯坦的质能方程 E mc,这里 c 是真空中的光 m,反过来也 速. 依据质能方程, 当能量增加了E,那么它的质量也相应

11、地增加2 一样 . E 和 m 间符合下述质能方程 E mc . 核子结合成原子核时放出结合能,因此核的质量和组成它的核子的质量比较起 来就要小些,这叫做核的质量亏损,知道了核的质量亏损,就可以依据质能方程求出原子核的结合能. 4He用核子数去除原子核的结合能,就得到每个核子的平均结合能. 质量数为5060 的原子核平均结合能最大,约为8.6MeV ,质量数较小的轻核和质量数较大的重核,平均结合能都比较小. 例题 6232 92（原子量为232.0372）衰变为228 90 Th（原子量为228.0287）时,释放出 粒子 （2的原子量为4.0026）,写出核反应方程,并求出衰变过程中释放出多

12、少能量.答案：232U228Th+4He；929025.5MeV. 【解析】232U228 90 Th+4 2He92衰变过程中的质量亏损 m=232.0372u-228.0787u+4.0026u=0.0059u衰变过程中释放的能量 = mC =0.0059 931.5MeV=5.5MeV 【规律总结】 用Emc2运算核能时有两种方法：1.在公式Emc2中均取国际单位.eV,1 相当于9315.MeV. 2.在公式 = m 931.5 中 m 的单位是 u, 的单位是二、高考热点探究一 、 衰变与带电粒子在磁场中的运动 静止的原子核发生 、 衰变时,动量守恒、能量守恒,同时存在质量亏损,释放

13、核能 . 在电场、磁场中 、 粒子由于带电而发生偏转或是做圆周运动 . 【真题】（2022 年广东高考）（1）放射性物质210Po和60Co的核衰变方程为：NiX2方程84 21027 206PoPbX1,60Co6084822728中的 X1 代表的是 _,X2 代表的是 _. 如下列图,铅盒内装有能释放 、 和 射 线的放射性物质, 在靠近铅盒的顶部加上电场E 或磁场 B,在图 17a、b中分别画出射线运动轨迹的示意图.（在所画的轨迹上须标明是图（ a）图 17 图（ b）、 和 中的哪种射线）X2 代表0e；【解析 】（1）第一个核反应方程为 衰变, 所以 X1 代表4He；其次个核反应

14、方程为 衰变,21（2）在图（ a）中, 射线不偏转, 射线向右偏转, 射线向左偏转；在图（ b）中, 射线不偏转, 射线向左偏转, 射线向右偏转 . 答案：（1）42 He,01 e；（2）画出射线运动轨迹的示意图：略【名师指引】在电场中： 射线是氦的原子核,带正电,质量数较大,加速度较小,偏转不明显； 射线是电子, 带负电, 质量数为零 （不到一个原子质量单位 在画图时,这一点要表达出来 .u）加速度很大, 偏转明显,【新题导练1】在匀强磁场区域中有一个静止的. 238 92 U分裂为4He和234 90 Th,如分裂后速度方向2与磁场垂直,求两核在磁场中运动的半径之比二半衰期半衰期是一个

15、统计概念,只有对大量的原子核才成立,对几个原子核,就不存在半衰期的概念 .半衰期的长短与所处的物理状态和化学状态无关【真题】（2022 年上海高考） 放射性元素的原子核在 衰变或 衰变生成新原子核时,往往会同时相伴辐射 .已知 A、B 两种放射性元素的半衰期分别为 T1 和 T2,经过 tT1 T2时间后测得这两种放射性元素的质量相等,那么它们原先的质量之比 mA：m B . 答案：见解析【解析】 放射性元素的原子核在 衰变或 衰变生成新原子核时,新原子核往往有余外的能量,亦即新原子核处于激发态,这些能量再以 光的形式放出,这就是 衰变, 衰变总是伴随着 衰变或 衰变 .依据衰变公式：mm 0

16、1tT2有：mA1 2tm B1t又由于tT 1T2所以 m A：mB2 T ：2 T 1. .加强数学运算才能,T 1T 22【名师指引】依据mm01t,有：mA1 2tm B1 2t,TT 1T 22得到：m A1t2T 11在懂得衰变公式的基础上,指数运算显现错误Ttm B2T 1T 22别让数学扯了物理的后腿. 【新题导练2】关于半衰期,以下说法正确选项：A同种放射性元素在化合物中的半衰期比单质中长. B上升温度可以使半衰期缩短. C氡的半衰期为3.8 天,如有四个氡原子核,经过7.6 天就只剩下一个D氡的半衰期为3.8 天, 4 克氡原子核,经过7.6 天就只剩下1 克. 三核电站、

17、热核反应与恒星发光 热核反应： 聚变必需在轻核间的距离非常接近,即达到 10-15 m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 . 目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸,恒星的内部进行着这种反应 . 核电站：重核的裂变供应能量 . 反应堆的构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层 . 【真题】（2022 年广东高考）如下一系列核反应是在恒星内部发生的：12 13p 6 C 7 N13 137 N 6 C e v13 14p 6 C 7 Np 147 N 158 O15 158 O 7 N e v15 12p 7 N 6 C其 中 p 为

18、质 子 ,为 粒 子 , e 为 正 电 子 , v 为 一 种 中 微 子 . 已 知 质 子 的 质 量 为27 27mp 1 . 672648 10 kg,粒子的质量为 m 6 . 644929 10 kg,正电子的质量为31 8me 9 . 11 10 kg,中微子的质量可忽视不计,真空中的光速 c 3 . 00 10 m / s,试计算该系列核反应完成后释放的能量 . 答案：E 3 . 95 10 12 J【解析】题中 6 个方程可等效为下面一个方程：4 p 2 e 2质量亏损为 m 4 m p m 2 m e2依据爱因斯坦质能方程 E mc 可算出整个过程释放的能量 . 【名师指引

19、】想方法运算出这一系列核反应的质量亏损是解决此题的关键,将这 6 个核反应方程等效为 4 p 2 e 2,才能正确算出质量亏损 .不能对这 6 个方程进行等效,从而不能算出质量亏损,是解决此题失败的主要缘由 . 【新题导练 3】（1）在其他能源中,核能具有能量密度大,地区适应性强的优势 .在核电站中,核反应堆释放的核能被转化成电能.核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应,释放出大量的核能 . 23592 U n 14156 Ba 36 92 Kr X 以上的核反应方程是反应堆中发生的很多核反应中的一种, n 为中子, X为待求粒子,为 X 的个数,就 X 为_,=_.以 m 1、m2

20、、m 3 分别表示 U、Ba、Kr 核的质量, m 4、m5 分别表示中子、质子的质量,c 为光在真空中传播的速度,就上述核反应过程中放出的核能 E=_ （2）有一座发电才能为 P=1.00 106kw 的核电站, 核能转化为电能的效率 =40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是（1）中的核反应,已知每次核反应过程放出的核能 E=2.78 1011J,235 235U 核的质量 m 1=390 10 27kg,求每年（ 1 年=3.15 10 7s）消耗的 U 的质量为多少？四：热核反应与恒星寿命恒星的能量来与其内部的热核反应,在恒星的内部,核聚变反应的种类有很多,最关键的是找到最终的等效核反应

21、,以便于运算质量亏损 . 恒星释放的核能向宇宙的四周八方匀称辐射,在以恒星为球心的球面上,能量匀称分布 .当恒星内部的聚变材料小于某个临界值时,核反应就会停止,恒星步入死亡期 . 【真题】（2022 年全国高考）太阳现正处于主序星演化阶段 .它主要是由电子和 11 H、 He 42 等原1 4子核组成 .维护太阳辐射的是它内部的核聚变反应,核反应方程是 2 e 4 1 H 2 He 释放的核能,这些核能最终转化为辐射能.依据目前关于恒星演化的理论,如由于聚变反应而使太阳中的 H 11 核数目从现有数削减 10,太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段 .为了简化,假定目前太阳全部由电子和 1

22、1 H 核组成 . （1）为了讨论太阳演化进程,需知道目前太阳的质量 M.已知地球半径 R6.4 10 6 m,地球质量 m 6.0 10 24 kg,日地中心的距离 r1.5 10 11 m,地球表面处的重力加速度 g10m/s 2 ,1 年约为 3.2 10 7 秒,试估算目前太阳的质量 M . 4（2）已知质子质量 m p1.6726 10 27 kg, He 质量 m6.6458 1027 kg,电子质量 me0.9 1030 kg,光速 c3 10 8 m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能 . （3）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上,每秒通过的太阳辐射能 w1.3

23、5 10W/m 2.试估算太阳连续保持在主序星阶段仍有多少年的寿命 .（估算结果只要求一位有效数字 .）答案：（1）2 1030 kg （2）4.2 10-12 J （3）1 百亿年【解析】（1）要估算太阳的质量M,讨论绕太阳运动的任一颗行星的公转均可,现取地球为讨论对象 .设 T 为地球绕日心运动的周期,就由万有引力定律和牛顿定律可知GmMm 22rgGmr2T地球表面处的重力加速度R2得Mm 22r3TR2g以题给数值代入,得 M 2 1030 kg （2）依据质量亏损和质能公式,该核反应每发生一次释放的核能为 E（ 4mp2m em）c2代入数值,得E4.2 10-12 J （3）依据题给假设,在太阳连续保持在主序星阶段的时间内,发生题中所述的核聚变反应的次数为NMp10%4r2w4m因此,太阳总共辐射出的能量为EN E设太阳辐射是各向同性的,就每秒内太阳向外放出的辐射能为所以太阳连续保持在主星序的时间为tE由以上各式