专题07原子核模型（原卷版）

专题07原子核模型一、天然放射现象及三种射线1．天然放射现象(1)1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质具有放射性。(2)①放射性：物质发射射线的性质。②放射性元素：具有放射性的元素。③天然放射现象：放射性元素自发地发出射线的现象。(3)原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也能放出射线。(4)玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔·居里发现了两种放射性更强的新元素，命名为钋(Po)和镭(Ra)。2．三种射线(1)α射线：实际上就是氦原子核，速度可达到光速的eq\f(1,10)，其电离能力强，穿透能力较差，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。(2)β射线：是高速电子流，它速度很大，可达光速的99%，它的穿透能力较强，电离能力较弱，很容易穿透黑纸，也能穿透几毫米厚的铝板。(3)γ射线：呈电中性，是能量很高的电磁波，波长很短，在10－10m以下，它的电离作用更小，但穿透能力更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土。说明：元素的放射性与它以单质还是化合物的形式存在无关，且天然放射现象不受任何物理变化、化学变化的影响。二、原子核的组成1．质子的发现(如图所示)2．中子的发现(如图所示)3．原子核的组成由质子和中子组成，它们统称为核子。4．原子核的符号5．同位素具有相同质子数而中子数不同的原子核，在元素周期表中处于同一位置，它们互称同位素。例如，氢有三种同位素分别为eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。说明：同位素的化学性质相同，物理性质一般不同。三、原子核的衰变1．定义原子核自发地放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在元素周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。我们把这种变化称为原子核的衰变。2．衰变分类(1)α衰变：放出α粒子的衰变。(2)β衰变：放出β粒子的衰变。3．衰变过程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He。eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e。4．衰变规律(1)原子核衰变时电荷数和质量数都守恒。(2)任何一种放射性元素只有一种放射性，不能同时既有α放射性又有β放射性，而γ射线伴随α衰变或β衰变产生。说明：原子核衰变时质量数守恒，但不是质量守恒，有质量减少(也叫质量亏损)。四、半衰期与核反应1．半衰期(1)定义放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。(2)决定因素放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。不同的放射性元素，半衰期不同。(3)应用利用半衰期非常稳定这一特点，可以测量其衰变程度、推断时间。2．核反应(1)人工核转变：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H。(2)定义：原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程。(3)特点：在核反应中，质量数守恒、电荷数守恒。说明：半衰期是大量原子核衰变的统计规律，只对大量原子核有意义，对少数原子核没有意义。五、放射性同位素的应用与安全1．放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它们被称为放射性同位素。2．放射性同位素的应用：(1)射线测厚仪。(2)放射治疗。(3)培优、保鲜。(4)示踪原子：一种元素的各种同位素具有相同的化学性质，用放射性同位素替换非放射性的同位素后，可以探测出原子到达的位置。3．辐射与安全：人类一直生活在放射性的环境中，过量的射线对人体组织有破坏作用。要防止放射性物质对水源、空气、用具等的污染。说明：一般放射性同位素半衰期短，而且强度容易控制，使用更广泛。六、核力与四种基本相互作用1．强相互作用(1)定义：原子核中的核子之间存在一种很强的相互作用，即存在一种核力，它使得核子紧密地结合在一起，形成稳定的原子核，这种作用称为强相互作用。(2)特点：①核力是强相互作用的一种表现，在原子核内，核力比库仑力大得多。②是短程力，作用范围只有约10－15m。2．弱相互作用(1)定义：在某些放射现象中起作用的还有另一种基本相互作用，称为弱相互作用。(2)也是短程力，作用范围只有10－18m。3．四种基本相互作用说明：强相互作用是短程力，每个核子只跟相邻的核子发生作用，也叫核力的饱和性。七、结合能和质量亏损1．结合能原子核是核子凭借核力结合在一起构成的，要把它们分开，也需要能量，这就是原子核的结合能。2．比结合能原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能。比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定。中等大小的核的比结合能最大，最稳定。3．质能方程物体的能量与它们质量的关系是：E＝mc2。4．质量亏损原子核的质量小于组成它的核子的质量之和的现象。注意：原子核的核子结合成原子核释放的能量与把它们分开需要的能量相等。八、核裂变1．核裂变的发现(1)核裂变重核被中子轰击后分裂成两个质量差不多的新原子核，并放出核能的过程。(2)铀核裂变用中子轰击铀核时，铀核发生裂变，其产物是多种多样的，其中一种典型的反应是eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)n。(3)链式反应当一个中子引起一个重核裂变后，裂变释放的中子再引起其他重核裂变，且能不断继续下去，这种由重核裂变产生的中子使核裂变反应一代一代继续下去的过程，叫作核裂变的链式反应。(4)链式反应的条件发生裂变物质的体积大于临界体积或裂变物质的质量大于临界质量。2．反应堆与核电站(1)核能释放的控制通过可控制的链式反应实现核能释放的装置称为核反应堆。(2)慢化剂反应堆中，为了使裂变产生的快中子减速，在铀棒周围要放“慢化剂”，常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。(3)控制棒为了控制反应速度，还需要在铀棒之间插进一些镉棒，它吸收中子的能力很强，反应过于激烈时，可将其插入深一些，多吸收一些中子，链式反应的速度就会慢一些，这种镉棒叫作控制棒。(4)能量输出核燃料裂变释放的能量使反应区温度升高，水或液态的金属钠等流体在反应堆外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电。说明：核裂变是可以控制的，如核电站的建立和应用。九、核聚变1．定义两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变。2．举例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．条件(1)轻核的距离要达到10－15m以内。(2)需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应。4．优点(1)轻核聚变产能效率高。(2)地球上聚变燃料的储量丰富。(3)轻核聚变更为安全、清洁。5．约束方法磁约束和惯性约束。【模型演练1】(多选)如图所示，铅盒A中装有天然放射性物质，放射线从其右端小孔中水平向右射出，在小孔和荧光屏之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，则下列说法中正确的有()A．打在图中a、b、c三点的依次是α射线、γ射线和β射线B．α射线和β射线的轨迹是抛物线C．α射线和β射线的轨迹是圆弧D．如果在铅盒和荧光屏间再加一竖直向下的匀强电场，则屏上的亮斑可能只剩下b【规律总结】三种射线的比较方法(1)知道三种射线带电的性质，α射线带正电、β射线带负电、γ射线不带电。α、β是实物粒子，而γ射线是光子流，属于电磁波的一种。(2)在电场或磁场中，通过其受力及运动轨迹半径的大小来判断α和β射线，由于γ射线不带电，故运动轨迹仍为直线。(3)α射线穿透能力较弱，β射线穿透能力较强，γ射线穿透能力最强。【模型演练2】eq\o\al(238,92)U核经一系列的衰变后变为eq\o\al(206,82)Pb核，问：(1)一共经过几次α衰变和几次β衰变？(2)eq\o\al(206,82)Pb与eq\o\al(238,92)U相比，质子数和中子数各少了多少？(3)综合写出这一衰变过程的方程。【规律总结】衰变次数的判断方法(1)衰变过程遵循质量数守恒和电荷数守恒。(2)每发生一次α衰变，质子数、中子数均减少2。(3)每发生一次β衰变，中子数减少1，质子数增加1。【模型演练3】关于原子核中质子和中子的说法，正确的是()A．原子核中质子数和中子数一定相等B．稳定的重原子核里，质子数比中子数多C．原子核都是非常稳定的D．由于核力的作用范围是有限的，核力具有饱和性，不可能无节制地增大原子核而仍稳定存在【规律方法】(1)核力是强相互作用力，只存在于相邻核子之间。(2)核力的存在与核子是否带电及电性无关。(3)原子核的稳定性与核力和库仑力的大小关系有关。【模型演练4】取质子的质量mp＝1.6726×10－27kg，中子的质量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的质量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。请计算α粒子的结合能。(计算结果保留两位有效数字)【规律总结】核能的两种单位(1)若以kg为质量亏损Δm的单位，则计算时应用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子单位“u”为质量亏损单位，则ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)两种方法计算的核能的单位分别为“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J。【模型演练5】(多选)2017年11月17日，“中国核潜艇之父”——黄旭华获评全国道德模范。下列有关核反应的说法正确的是()A．目前核潜艇是利用重核裂变提供动力B．重核裂变反应前后一定有质量亏损C．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)U＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝1D．铀核裂变后的新核比铀核的比结合能小【规律总结】对重核裂变的两点理解(1)重核裂变是中子轰击质量数较大的原子核，使之分裂成中等质量的原子核，同时释放大量的能量，放出更多的中子的过程。(2)重核的裂变是放能核反应，原因是核反应前后质量有亏损，根本原因是重核的比结合能相比中等质量的核的比结合能要小。所以在重核分解为两个中等质量核的过程中要释放能量，而且释放的能量远大于它俘获中子时得到的能量。【模型演练6】氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)结合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反应方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(1)这个核反应称为________。(2)要发生这样的核反应，需要将反应物质的温度加热到几百万开尔文。式中17.6MeV是核反应中________(选填“放出”或“吸收”)的能量，核反应后生成物的总质量比核反应前物质的总质量________(选填“增加”或“减少”)了________kg(保留一位有效数字)。【规律总结】(1)核聚变反应和一般的核反应一样，也遵循电荷数和质量数守恒，这是书写核反应方程式的重要依据。(2)核能的计算关键是要求出核反应过程中的质量亏损，然后代入ΔE＝Δmc2进行计算。一、单选题1．（2025·河南安阳·一模）中国环流器二号M是我国新一代研究核聚变的磁约束实验装置，采用更先进的结构与控制方式，使等离子体的体积提高了2倍，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体温度达到1.5亿度，是聚变核能开发跨越式发展的重要依托装置，其核聚变方程为，下面说法正确的是（）A．X为正电子B．该核反应电荷数守恒，但质量数不守恒C．的结合能大于的结合能D．的比结合能小于的比结合能2．（2024·甘肃·模拟预测）恒星内部发生着各种热核反应，其中“氦燃烧”的核反应方程为，是不稳定的粒子，其半衰期为T，则下列说法正确的是（）A．的衰变需要外部作用激发才能发生B．经过两个半衰期T，剩下的粒子占开始时的C．核反应的过程中质量数守恒，可知D．“氦燃烧”的核反应是聚变反应，反应过程中没有质量亏损3．（2425高三上·河北张家口·期末）放射性同位素电池具有工作时间长、可靠性高和体积小等优点，是航天、深海、医学等领域的重要新型电源，也是我国近年重点科研攻关项目。是制造电池的一种放射性同位素，已知的衰变方程为，式中的X为（）A． B． C． D．4．（2425高三上·甘肃临夏·期末）甘肃省文物考古研究所蜀道考古研究项目（甘肃段）涉及羊马城遗址和圣寿院遗址考古勘探。考古学家们利用放射性元素的半衰期可以确定文物的年代，衰变方程为，的半衰期是5730年，下列说法中正确的是（

）A．80个经过11460年后，还剩下20个B．衰变的实质是核内的一个中子转变为一个质子，并放出一个电子C．从比结合能大的核向比结合能小的核转变，这种核反应才能自发地发生D．衰变过程由于发生了质量亏损，会吸收能量5．（2425高三上·江苏·期末）2024年10月中国科学院近代物理研究所的研究团队合成新核素钚227，并测量了它的半衰期。已知钚227的衰变方程为，则其中X是（）A．α粒子 B．β粒子 C．质子 D．中子6．（2425高三上·天津河北·期末）2024年10月11日，中国散裂中子源（CSNS）打靶束流功率达到170kW并实现稳定供束运行，超过设计指标70%。下列核反应中放出的粒子为中子的是（）A．俘获一个粒子，产生并放出一个粒子B．俘获一个粒子，产生并放出一个粒子C．俘获一个质子，产生并放出一个粒子D．俘获一个质子，产生并放出一个粒子7．（甘肃省武威市20242025学年高三上学期期末联考物理试卷）贝克勒尔是最早发现衰变的科学家，在衰变过程中往往能放出、、三种射线，下列关于三种射线的说法正确的是（

）A．射线的穿透性最弱 B．射线的电离能力最强C．射线带负电 D．三种射线均来自核外电子的跃迁8．太阳内部发生的核反应主要是核聚变，太阳中存在的主要元素是氢，氢核的核聚变反应可以看做是4个氢核（H）结合成1个氦核（He）。表中列出了部分粒子的质量（1u相当于931.5MeV的能量），以下说法中不正确的是（）粒子名称质子pα粒子电子e中子n质量/u1.00734.00150.000551.0087A．核反应方程式为4H→He＋2eB．核反应方程式为4H→He＋2eC．4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损为0.0266uD．聚变反应过程中释放的能量约为24.8MeV9．放射性元素经过多次α衰变和β衰变才能变成稳定的，下列说法正确的是（）A．发生β衰变时，释放出电子，说明原子核内有电子存在B．衰变中产生的α射线比β射线穿透能力强C．每次衰变都会有核子从原子核里放出D．上述过程的衰变方程为10．（2024·河北邯郸·模拟预测）2024年6月25日，嫦娥六号携带着从月球背面采来的样品成功返回地球，这标志着我国的嫦娥探月工程又向前迈出了一大步。比嫦娥六号先行着陆月球的嫦娥四号，其上装有核电池，可在月夜低温环境下采集温度信息。核电池将衰变释放核能的一部分转换成电能，的衰变方程为，下列说法正确的是（）A．衰变方程中的x等于3B．由组成的射线的电离能力比射线的强C．的比结合能比的比结合能大D．的中子数为9211．（2024·云南·一模）下列说法正确的是（

）A．放射性元素的半衰期由原子所处的温度决定B．放射性元素的半衰期由原子所处的化学状态决定C．卢瑟福通过α粒子散射实验提出了原子核式结构模型D．一个氘核（）与一个氚核（）聚变生成一个氢核（）的同时，放出一个质子12．（2425高三上·河北·期末）香烟中含有多种放射性物质，其中以钋（）最为危险，是吸烟者罹患肺癌的原因之一。钋（）可以放出射线，衰变成稳定的铅，半衰期为138天。下列说法正确的是（）A．香烟燃烧时，由于高温的衰变将变快B．1000个原子核经过276天，将有750个原子核发生衰变C．衰变生成的铅原子核内的中子数为124D．衰变产物的结合能之和比的结合能小13．（2425高三上·安徽·阶段练习）钚的放射性同位素衰变为激发态铀核和粒子X，而激发态铀核又立即衰变为铀核，该过程的衰变方程为。已知的半衰期约为87年，下列说法正确的是（）A．粒子X是质子B．该过程发生的是衰变C．一个钚核的质量等于一个铀核和一个粒子X的质量之和D．经过87年，钚的质量数变为11914．一物理学习小组研究可作为核电池材料的衰变为的过程，根据测量数据，用横坐标表示时间，用纵坐标表示任意时刻的质量m与初始时刻（时）的质量的比值，得出的图像如图所示。下列说法正确的是（

）A．衰变为释放的α射线电离作用很弱B．衰变为释放的α射线在电场中不会偏转C．图像中的D．图像中的15．（2425高三上·江苏·阶段练习）碳14能够自发地进行衰变：。碳14的半衰期为5730年。在考古和经济建设中可用碳14测定年代。以下说法正确的是（）A．X射线是一种穿透能力极强的高频电磁波B．碳14的衰变方程为C．温度升高，碳14的半衰期会变长D．衰变后X与氮核的质量之和等于衰变前碳核的质量16．（2025·全国·模拟预测）具有放射性的元素作为示踪剂，可以用来医学成像与疾病诊断。示踪剂可以由高速质子轰击得到，核反应方程为①。后续的核反应方程为②，为质量非常轻、不带电的中微子。下列说法正确的是（

）A．X为中子，Y为负电子B．反应②存在质量亏损，的比结合能大于的比结合能C．反应①为人工核转变，反应②为核裂变D．反应②中，粒子的动量与的动量大小相等17．（2024·湖北·一模）2024年位于上海的聚变能源商业公司能量奇点宣布，由能量奇点设计、研发和建造的洪荒70装置成功实现等离子体放电。这是全球首台由商业公司研发建设的超导托卡马克装置。若该装置热核反应方程为、，下列说法正确的是（

）A．核反应方程中的X为中子 B．核反应方程中的Y为电子C．核反应过程中满足质量守恒 D．的比结合能大于的比结合能二、多选题18．（2425高三上·甘肃白银·期末）1919年，卢瑟福用镭放射出的α粒子（）轰击氮原子核（），从氮原子核中打出了质子（），并得到氧原子核，如图所示。下列说法正确的是（）A．该氧原子核的电荷数为7 B．该氧原子核的中子数为9C．该氧原子核的质量数为17 D．该氧原子核的质量数为1819．下列说法中正确的是（）A．原子核发生一次β衰变，该原子外层就一定失去一个电子B．核泄漏事故污染物Cs会产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为，可以判断X为电子C．某种钚同位素的半衰期为88年，1g钚经过440年后还剩0.2gD．质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c220．质子数与中子数互换的核互为镜像核，例如是的镜像核，同样也是的镜像核。下列说法正确的是（）A．和互为镜像核B．和互为镜像核C．和互为镜像核D．互为镜像核的两个核质量数相同21．下列说法中正确的是（）A．原子核发生一次β衰变，该原子外层就一定失去一个电子B．核泄漏事故污染物Cs会产生对人体有害的辐射，其核反应方程式为，可以判断X为电子C．某种钍同位素的半衰期为24天，1g钍经过120天后还剩0.2gD．质子、中子、α粒子的质量分别是m1、m2、m3，质子和中子结合成一个α粒子，释放的能量是（2m1＋2m2－m3）c222．（2024·浙江·模拟预测）核发生衰变的核反应式为，衰变过程发射出γ光子，并伴随产生中微子。该γ光子照射到逸出功为W0的金属上，打出的光电子速度为v。已知光电子的质量为m，真空中的光速为c，普朗克常量为h，则（）A．该衰变过程中Pa核内一个质子转化为中子，这与弱相互作用力有关B．中微子和电子均属于轻子C．光电子的物质波波长为D．核反应中产生的γ光子频率为23．（2425高三上·广东·阶段练习）太阳能量的来源主要通过质子质子链反应（简称PP链），太阳产生的能量约来自该链反应。科学研究发现，该链反应主要通过如下方程发生：①，②，其中为正电子，为太阳中微子，下列说法正确的是（）A．方程式中X为，Y为 B．方程式中X为，Y为C．反应①属于核聚变反应 D．Y的比结合能大于X的比结合能24．（2025·广东·模拟预测）太阳能量的来源主要通过质子一质子链反应（简称PP链），太阳产生的能量约99%来自该链反应。科学研究发现，该链反应主要通过如下方程发生：①；②，其中为正电子，为太阳中微子，下列说法正确的是（）A．方程式中X为，Y为B．方程式中X为，Y为C．反应①属于核聚变反应D．Y的比结合能大于X的比结合能25．空间中有如图所示的匀强电场，刚放入O点可视为静止的原子核立刻发生衰变。之后衰变产物