原子核 核能精讲

§15.2原子核核能一、α粒子散射实验、核式结构1．汤姆生通过对阴极射线的研究发现了电子，说明原子也是可分的．2．卢瑟福用α粒子轰击金箔，发现绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原方向前进，少数的α粒子发生较大角度偏转，极少数发生大角度偏转，个别的达到180°而反向弹回．3．卢瑟福提出原子核式结构学说：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核．它集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量．带负电的电子在核外绕核旋转．从α粒子散射实验可以估计出原子核直径的数量级为10－15m.二、天然放射现象1．天然放射现象．贝克勒尔发现天然放射现象，揭开了人类研究原子核结构的序幕．通过对无数放射现象的研究，人们发现了原子序数大于83的所有天然存在的元素都有放射性．原子序数小于83的天然存在的元素有些也有放射性，它们放射出来的射线共有三种．2．三种射线的本质和特性．(1)α射线：速度约为光速1/10的氦核流，贯穿能力弱，电离能力很强．(2)β射线：速度约为光速99%的电子流，贯穿能力较强，电离能力较弱．(3)γ射线：速度为光速的光子流(波长极短的电磁波)，贯穿能力最强，电离能力很弱．三、原子核的衰变原子核的衰变：原子核自发地放出某种粒子而转变为新核的变化．(1)α衰变：α衰变的实质是元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核)，211H＋201n―→24He.每发生一次α衰变，新元素与原元素比较，核电荷数减少2，质量数减少4，即ZAX―→Z－2A－4Y＋24He.(2)β衰变：β衰变的实质是元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子，01n―→－10e＋11H.每发生一次β衰变，新元素与原元素相比较，核电荷数增加1，质量数不变，即ZAX―→Z＋1

AY＋－10e.(3)γ衰变：γ衰变是伴随着α衰变和β衰变同时发生的，γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数．四、原子核的人工转变1．定义：用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程．2．典例．(1)卢瑟福发现质子的核反应方程：

714N＋24He―→11H＋

817O.(2)查德威克发现中子的核反应方程：49Be＋24He―→612C＋01n.3．原子核的构成．原子核由质子和中子构成，质子和中子统称为核子．原子核的核电荷数等于其中的质子数，原子核的质量数等于质子数和中子数之和，质子和中子都为一个单位质量．有些原子的核电荷数相同，但质量数不同，这样一些具有相同核电荷数和不同中子数的原子互称为同位素．4．放射性同位素．(1)放射性同位素：约里奥·居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程：1327Al＋24He―→1530P＋01n，1530P―→1430Si＋10e.(2)放射性同位素的应用．①放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、医疗等．②作示踪原子．五、核力与核能1．核力：核子之间的作用力．(1)核力与核子是否带电无关，质子与质子之间，质子和中子之间，中子和中子之间都可以有核力作用．(2)核力是短程力，只在2.0×10－15m的极短距离内有核力作用，超过这个距离，核力就迅速减小到零．由于质子和中子的半径约为0.8×10－15m，所以每个核子只能跟它相邻的核子间有力的作用．(3)核力是很强的力．2．核能．由于原子核中的核子间存在强大的核力，使得原子核成为一个坚固的集合体，要把原子核中的核子拆散，就得克服核力做巨大的功．反之，要把核子聚合成一个原子核，就要放出巨大的能量．单个核子结合成原子核或原子核分裂成单个核子，放出或吸收的能量叫原子核的结合能．3．质能方程．(1)质能方程：E＝mc2.m是物体的质量，c是真空中的光速．上述表明，物体的质量和能量间有一定联系，即物体具有的能量与其质量成正比，当物体的能量增加或减少ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，ΔE与Δm的关系是ΔE＝Δm·c2.(2)质量亏损：组成原子核的核子总质量与原子核的质量之差叫质量亏损．4．重核的裂变和轻核的聚变是获得核能的两个重要途径．(1)重核的裂变：重核俘获一个中子后分裂为两个(或多个)中等质量核的反应过程．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．临界体积：铀块的体积对于产生链式反应是一个重要因素，因为原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子从铀块中通过，可能还没有碰到铀核就跑到铀块外面去了．能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积．(2)轻核的聚变：某些轻核结合成较大的核的反应过程．轻核聚变的同时释放出大量的核能．要想使氘核和氚核结合成氦核必须达到几百万摄氏度的高温，因此，聚变反应又叫热核反应．(3)在裂变和聚变过程中释放的能量符合爱因斯坦质能方程．1．(2009·高考上海卷)放射性元素衰变时放出的三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是(

)A．α射线，β射线，γ射线B．γ射线，β射线，α射线C．γ射线，α射线，β射线D．β射线，α射线，γ射线解析：三种射线的能量不同，贯穿能力最强的是γ射线，β射线次之，α射线最弱，故答案选B.答案：B2．下列核反应或核衰变过程中，符号“X”表示中子的是(

)A．49Be＋24He―→612C＋XB.714N＋24He―→817O＋XC.80204Hg＋01n―→78202Pt＋211H＋XD.92239U―→93239Np＋X解析：由核反应满足的质量数守恒和电荷数守恒可知，A、C选项中X为中子，B选项中X为质子，D选项中X为电子．答案：AC3．关于天然放射现象，下列说法正确的是(

)A．放射性元素的原子核内的核子有半数发生变化所需的时间就是半衰期B．放射性物质放出的射线中，α粒子动能很大，因此贯穿物质的本领很强C．当放射性元素原子的核外电子具有较高能量时，将发生β衰变D．放射性的原子核发生衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，辐射出γ射线解析：半衰期是指放射性元素的原子核有半数发生衰变所用的时间，故A错；α、β、γ三种射线中，α粒子速度最小，其贯穿本领最小，故B错；β衰变的原因是原子核内部的中子转化为质子时产生了电子，故C错；衰变后产生的新核从高能级向低能级跃迁时，释放能量，辐射出γ射线，故D对．答案：D4．关于爱因斯坦质能方程的下列说法中正确的是(

)A．E＝mc2中的E是物体以光速c运动的动能B．E＝mc2是物体的核能C．E＝mc2是物体各种形式能的总称D．由ΔE＝Δmc2，在核反应中，亏损的质量Δm转化成能量ΔE放出E．ΔE＝Δmc2表明在核反应中亏损的静质量转化为动质量，被放出的能量带走解析：质能方程E＝mc2表明质量为m的物质，必然联系有mc2的能量；核反应中质量亏损，只是以另一种形态(场)的质量(动质量)释放出来，与这部分质量Δm相对应的能量为Δmc2，而绝不是质量转化为能量了．C、E正确．答案：CE疑难点一．核反应方程的书写．名师在线：1.必须遵守电荷数守恒和质量数守恒．有些核反应方程还要考虑到能量守恒及动量守恒(例如裂变和聚变方程常常含能量项)．2．核反应方程中的箭头“→”表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号．3．写核反应方程必须要有实验依据，绝不能毫无根据地编造．4．在写核反应方程时，应先将已知原子核和已知粒子的符号填入核反应方程一般形式的适当位置，然后根据质量数守恒和电荷数守恒规律计算出未知核(或未知粒子)的电荷数和质量数，最后根据未知核(或未知粒子)的电荷数确定它们是哪种元素(或哪种粒子)，并在核反应方程中的适当位置填写上它们的符号．疑难点二．核衰变次数的计算名师在线：原子核由质子和中子构成，它的原子序数就等于它的质子数；质子数和中子数总和(核子数)就等于它的质量数．可以用公式计算法确定衰变次数．设放射性元素ZAX经过n次α衰变和m次β衰变后，变为稳定的新元素Z′A′Y，则核反应的方程为：ZAX―→Z′A′Y＋n24He＋m－10e.根据电荷数守恒和质量数守恒可得方程：A＝A′＋4n①Z＝Z′＋2n－m②由以上①②式联立解得：n＝(A－A′)/4，m＝(A－A′)/2－Z＋Z′.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，有了这个方程组，确定衰变次数就十分方便了．实际确定方法是：根据β衰变不改变质量数，首先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后根据电荷数守恒确定β衰变的次数．疑难点三．α、β衰变过程与动量守恒及带电粒子在匀强磁场中运动的综合应用问题名师在线：α、β衰变过程中系统的动量守恒，若原子核是静止的，则有mvm＝m新·v新．由带电粒子在磁场中运动的轨道半径及旋转方向可判断α或β粒子的半径大，新核的半径小，两圆内切为β衰变，两圆外切为α衰变；由两圆半径关系可推知新核及原核的核电荷数．α、β衰变在匀强磁场中的轨迹如图15－2－1所示.α衰变β衰变

易错点不能对知识综合运用导致出错自我诊断静止在匀强磁场中的某放射性元素的原子核，当它放出一个α粒子后，其速度方向与磁场方向垂直，测得α粒子和反冲核轨道半径之比为44∶1，如图15－2－2所示，则(

)A．α粒子与反冲粒子的动量大小相等，方向相反B．原来放射性元素的原子核电荷数为90C．反冲核的核电荷数为88D．α粒子和反冲粒子的速度之比为1∶88解析：由于释放的α粒子和反冲核均在垂直于磁场的平面内，且在洛伦兹力作用下做圆周运动．答案：ABC题型一核反应方程的理解和应用【例1】

某原子核ZAX吸收一个中子后，放出一个电子，分裂为两个α粒子．由此可知(

)A．A＝7，Z＝3B．A＝7，Z＝4C．A＝8，Z＝3D．A＝8，Z＝4解析：其核反应方程为ZAX＋01n―→224He＋－10e，由核反应方程的质量数守恒和电荷数守恒可知：A＋1＝4×2，Z＝2×2－1，解得A＝7，Z＝3.答案：A方法总结：无论写哪种类型的核反应方程式，都应注意以下几点：(1)必须遵守电荷数守恒和质量数守恒规律，有的还要考虑能量守恒规律(如裂变和聚变方程常含能量项)．(2)核反应方程中的箭头“―→”表示反应进行的方向，不能把箭头写成等号．(3)写核反应方程必须要有实验依据，绝不能毫无根据地编造．创新预测1

原子核A经β衰变(一次)变成原子核B，原子核B再经α衰变(一次)变成原子核C，则下列说法中正确的是(

)A．核A的中子数减核C的中子数等于2B．核A的质子数减核C的质子数等于5C．原子核为A的中性原子中的电子数比原子核为B的中性原子中的电子数少1D．核C的质子数比核A的质子数少1答案：CD题型二质量亏损和核能的计算【例2】假设两个氘核在一直线上相碰发生聚变反应生成氦的同位素和中子，已知氘核的质量是2.0136u，中子的质量是1.0087u，氦核同位素的质量是3.0150u.(1)聚变的核反应方程式是__________，在聚变核反应中释放出的能量为__________MeV(保留两个有效数字)．(2)若氚核和氦核发生聚变生成锂核，反应方程式为13H＋24He―→37Li，已知各核子的比结合能分别为EH＝1.112MeV、EHe＝7.075MeV、ELi＝5.603MeV，试求此核反应过程中释放的核能．

解析：(1)根据题中条件，可知核反应方程式为12H＋12H―→23He＋01n.核反应过程中的质量亏损：Δm＝2mH－(mHe＋mn)＝2×2.0136u－(3.015＋1.0087)u＝3.5×10－3u.由于1u的质量与931.5MeV的能量相对应，所以氘核聚变时放出的能量：ΔE＝3.5×10－3×931.5MeV＝3.3MeV.(2)13H和24He分解成7个核子所需的能量为E1＝3×1.112MeV＋4×7.075MeV＝31.636MeV，7个核子结合成37Li，释放的能量为E2＝7×5.603MeV＝39.221MeV.所以此核反应过程中释放的核能为ΔE＝E2－E1＝39.221MeV－31.636MeV＝7.585MeV.答案：(1)12H＋12H―→23He＋01n

3.3

(2)7.585MeV方法总结：(1)核能的计算方法：①根据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根据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根据核子的比结合能来计算核能：原子核的结合能＝核子的比结合能×核子数．(2)利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替质量进行计算．创新预测2

如下一系列核反应是在恒星内部发生的：p＋

612C―→713N；

713N―→613C＋e＋＋ν；p＋

613C―→714N；p＋

714N―→815O；

815O―→715N＋e＋＋ν；p＋

715N―→612C＋α.其中p为质子，α为α粒子，e＋为正电子，ν为一种中微子．已知质子的质量为mp＝1.672648×10－27kg