2014年一轮复习：选修3-5.2.2放射性元素的衰变-核能解析

第2讲放射性元素的衰变核能考点1三种射线、两种衰变1.自然放射现象(1)自然放射现象.元素_____地放出射线的现象，首先由贝可勒尔觉察.自然放射现象的觉察，说明_______具有简洁的构造.自发原子核(2)放射性和放射性元素.物质放射某种看不见的射线的性质叫_______.具有放射性的元素叫_______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_______、______、_______.(4)放射性同位素的应用与防护.①放射性同位素：有_____放射性同位素和_____放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质一样.②应用：消退静电、工业探伤、作_________等.③防护：防止放射性对人体组织的损害.放射性放射性α射线β射线γ射线自然人工示踪原子2.原子核的衰变(1)原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种_______的变化称为_______的衰变.(2)分类.α衰变：___β衰变：___(3)半衰期：放射性元素的原子核有_____发生衰变所需的时间.半衰期由原子核内部的因素预备，跟原子所处的_______________无关.原子核原子核半数物理、化学状态1.三种射线的比较射线名称比较工程α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流〔高频电磁波〕带电量2e-e0质量4mp

静止质量为零符号γ射线名称比较工程α射线β射线γ射线速度可达0.1c可达0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转状况偏转偏转不偏转贯穿本事最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱2.α衰变、β衰变的比较衰变类型α衰变β衰变衰变方程衰变实质2个质子和2个中子结合成一个整体射出1个中子转化为1个质子和1个电子匀强磁场中轨迹外形衰变规律

电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒3.对半衰期的两点说明(1)依据半衰期的概念,可总结出公式.式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ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预备的,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.考点2核反响的四种类型核反响的四种类型比较类型可控性核反响方程典例衰变α衰变自发β衰变自发人工转变人工把握〔约里奥—居里夫妇觉察放射性同位素及正电子〕重核裂变

比较简洁进展人工把握轻核聚变除氢弹外无法把握类型可控性核反响方程典例关于核反响的三点说明(1)核反响过程一般都是不行逆的，所以核反响方程只能用单向箭头表示反响方向，不能用等号连接.(2)核反响的生成物确定要以试验为根底，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰诞生成物来写核反响方程.(3)核反响遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒.考点3核能1.核力核子间的作用力.核力是_____力，作用范围在1.5×10-15m之内，只在相邻的核子间发生作用.2.核能核子结合为原子核时_____的能量或原子核分解为核子时_____的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.短程释放吸取3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=____，原子核的质量必定比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE=______.mc2Δmc21.对核力的三点说明(1)核力是强相互作用的一种表现；(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内；(3)每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用.2.结合能与比结合能(1)结合能：把构成原子核的结合在一起的核子分开所需的能量.(2)比结合能：①定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能.②特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越坚固，原子核越稳定.3.获得核能的两种途径(1)重核裂变.①定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程.②特点.a.裂变过程中能够放出巨大的能量;b.裂变的同时能够放出2～3(或更多)个中子;c.裂变的产物不是惟一的.对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小.③典型的分裂方程:(2)轻核聚变.①定义：某些轻核结合成质量数较大的原子核的反响过程.②特点:a.聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量,比裂变反响中每个核子放出的能量大3至4倍.b.聚变反响比裂变反响更猛烈.c.对环境污染较少.d.自然界中聚变反响原料丰富.③典型的聚变方程:衰变与其射线【例证1】(2023·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β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γ射线.以下说法正确的选项是()A.碘131释放的β射线由氦核组成B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量C.与铯137相比，碘131衰变更慢D.铯133和铯137含有一样的质子数【解题指南】解答此题时要把握以下三点：(1)半衰期的长短代表了衰变的快慢.(2)光子能量大小由频率凹凸预备.(3)同位素的核电荷数一样.【自主解答】选D.β射线是高速运动的电子流，不是氦原子核，A错误；γ射线的频率大于可见光的频率，依据E=hv可知，γ射线光子能量大于可见光光子能量，B错误；半衰期越短，衰变越快，C错误；铯133和铯137都是铯元素，是质子数相同而中子数不同的同位素，所以D正确.【总结提升】解答此题关键在于搞清三种射线的性质，以及半衰期及同位素的概念.对易错选项及错误缘由具体分析如下：易错角度错误原因易错选A分不清α、β、γ射线的性质，实际上α射线为高速氦核流，β射线为高速电子流，γ射线为光子流易错选B误认为γ射线的频率小于可见光的频率，而实际上γ射线的频率大于可见光的频率核反响类型与核反响方程【例证2】(2023·北京高考)表示放射性元素碘衰变的方程是()A.B.C.D.【解题指南】解答此题时要把握以下两点：(1)在原子核衰变过程中，质量数守恒，电荷数守恒.(2)β衰变是原子核放出高速电子流.【自主解答】选B.碘的原子核内一个中子放出一个电子，变成一个质子，质量数没有发生变化，核电荷数增加1，所以生成54号元素放出一个电子.B选项正确.【总结提升】核反响方程的书写方法(1)熟记常见根本粒子的符号，是正确书写核反响方程的根底.如质子中子α粒子β粒子正电子氘核氚核等.(2)把握核反响方程遵守的规律，是正确书写核反响方程或推断某个核反响方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律.(3)生疏核反响的四种根本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反响方程.与核能相关的综合问题【例证3】(12分)钚的放射性同位素静止时衰变为铀核激发态α粒子,而铀核激发态马上衰变为铀核并放出能量为0.097MeV的γ光子.:和α粒子的质量分别为mPu=239.0521u、mU=235.0439u和mα=4.0026u,1u=931.5MeV/c2.(1)写出衰变方程;(2)衰变放出的光子的动量可无视,求α粒子的动能.【解题指南】解答此题时可按以下思路分析:计算质量亏损

计算核能ΔE=Δmc2

由动量守恒、能量守恒求氦核动能【标准解答】(1)衰变方程为①(1分)②(1分)或合起来有③(2)上述衰变过程的质量亏损为Δm=mPu-mU-mα④(1分)放出的能量为ΔE=Δm·c2⑤(1分)ΔE是铀核的动能EU、α粒子的动能Eα和γ光子的能量Eγ之和，ΔE=EU+Eα+Eγ⑥(1分)可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ⑦(1分)设衰变后的铀核和α粒子的速度分别为vU和vα,则由动量守恒有mUvU=mαvα⑧(1分)又由动能的定义知⑨(2分)由⑧⑨式得⑩(1分)由⑦⑩式得代入题给数据得Eα=5.034MeV(2分)【总结提升】计算核能的几种方法(1)依据ΔE=Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”.(2)依据ΔE=Δm×931.5MeV计算.因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”.(3)依据平均结合能来计算核能原子核的结合能＝平均结合能×核子数.(4)有时可结合动量守恒和能量守恒进展分析计算，此时应留意动量、动能关系式p2=2mEk的应用.1.(2023·浙江高考)关于自然放射现象，以下说法正确的选项是()A.α射线是由氦原子核衰变产生B.β射线是由原子核外电子电离产生C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D.通过化学反响不能转变物质的放射性【解题指南】解答此题时应留意理解：(1)自然放射现象中三种射线的产生气理.(2)影响自然放射现象的因素.【解析】选D.α射线是在α衰变中产生的，本质是氦核，A错误；β射线是在β衰变中产生的，本质是高速电子束，B错误；γ射线是发生α衰变和β衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波，C错误；物质的放射性由原子核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关,D正确.2.(2023·上海高考)自然放射性元素放出的三种射线的穿透力气试验结果如以以下图，由此可推知()A.②来自于原子核外的电子B.①的电离作用最强，是一种电磁波C.③的电离作用较强，是一种电磁波D.③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子【解析】选D.从穿透力气上看，③能穿透铝板进入铅板，③必然是γ射线，γ射线是原子核内发出的高频光子，属于电磁波，电离作用弱，故D正确，C错误；②能穿透纸板进入铝板，②必定是β射线，是原子核内放射出的电子流，A错误；纸板能够拦住①，则①是α射线，它的电离作用最强，但它是氦原子核，不是电磁波，B错误.3.14C测年法是利用14C衰变规律对古生物进展年月测定的方法，假设以横坐标t表示时间，纵坐标m表示任意时刻14C的质量，m0为t=0时14C的质量.下面四幅图中能正确反映14C衰变规律的是()【解析】选C.由公式并结合数学学问可知C正确.4.原子核与氘核反响生成一个α粒子和一个质子.由此可知()A.A=2,Z=1B.A=2,Z=2C.A=3,Z=3D.A=3,Z=2【解析】选D.写出核反响方程：由质量数守恒和电荷数守恒，列方程：A+2=4+1,Z+1=2+1,解得:A=3,Z=2,故选项D正确.5.(2023·孝感模拟)(1)关于核衰变和核反响的类型，以下表述正确的有()A.是α衰变B.是β衰变C.是轻核聚变D.是重核裂变(2)中国第三代核电自主化依托工程——山东海阳核电站一期工程，已于2023年12月正式开工.在核电站中，核反响堆释放的核能转化为电能.核反响堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反响，释放出大量核能.核反响方程式是反响堆中发生的很多核反响中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为_______，a=_______.以mU、mBa、mKr分别表示核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为真空中的光速，则在上述核反响过程中放出的核能ΔE=________.【解析】(1)选A、C.衰变是原子核自发地放出α或β粒子的核反响，衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核，箭头的右边消逝α或β粒子；聚变反响的特点是箭头的左边是两个轻核，箭头的右边是较大质量的原子核；裂变方程的特点是箭头的左边是重核与中子反响，箭头右边是中等质量的原子核.综上所述，A、C正确.(2)依据核反响过程中质量数守恒和电荷数守恒可以确定，X为中子，a=3.由爱因斯坦质能方程可得，核反响过程中放出的核能ΔE=(mU-mBa-mKr-2mn)c2.答案：(1)A、C(2)中子3(mU-mBa-mKr-2mn)c26.(1)(钍)经过一系列α衰变和β衰变,变成(铅).以下说法正确的选项是()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α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变(2)约里奥—居里夫妇觉察放射性元素衰变成的同时放出另一种粒子,这种粒子是______.是的同位素,被广泛应用于生物示踪技术,1mg的随时间衰变的关系如图所示,请估算4mg的经多少天的衰变后还剩0.25mg?【解析】(1)选A、B、D.设α衰变次数为x,β衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x，90=82+2x-y,解得x=6,y=4,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)写出衰变方程为故这种粒子为(正电子)由m-t图知的半衰期为14天,由得0.25mg=4mg×故t=56天.答案：(1)A、B、D(2)正电子56天【总结提升】衰变次数确实定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反响的方程为：依据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A=A′+4nZ=Z′+2n-m由以上两式联立解得由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组.方法二：由于β衰变对质量数无影响，可先由质量数的转变确定α衰变的次数，然后再依据衰变规律确定β衰变的次数.7.(2023·江苏高考)(1)以下描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射试验规律的是()(2)依据玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量______(选填“越大”或“越小”).氢原子的基态能量为E1(E1<0)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸取一频率为v的光子被电离后，电子速度大小为______________(普朗克常量为h).(3)有些核反响过程是吸取能量的.例如，在中，核反响吸取的能量Q＝［(mO+mH)-(mX+mN)］c2.在该核反响方程中，X表示什么粒子？X粒子以动能Ek轰击静止的核，假设Ek＝Q，则该核反响能否发生？请简要说明理由.【解题指南】解答此题时留意理解以下三点：(1)黑体辐射强度随温度变化的特点；(2)玻尔理论内容；(3)核反