选修3-5.3.2放射性元素的衰变--核能

1、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.天然放射现象 (1)天然放射现象. 元素_地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.天然放 射现象的发现，说明_具有复杂的结构. (2)放射性和放射性元素. 物质发射某种看不见的射线的性质叫_.具有放射性的元 素叫_元素.,自发,原子核,放射性,放射性,(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. 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相同. 应用：消除静电、工业探伤、作_等. 防护：防止放射性对人体组织的伤害. 2.原子核的衰变 (1)原

2、子核放出粒子或粒子，变成另一种_的变化称 为_的衰变.,射线,射线,射线,天然,人工,示踪原子,原子核,原子核,(2)分类. (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决定，跟原子所处的 _无关.,半数,物理、化学状态,42He,0-1e,物理、化学状态,2.衰变、衰变的比较,3.对半衰期的两点说明 (1)根据半衰期的概念,可总结出公式. N余=N原( )t/，m余=m原( )t/.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，表示半衰期. (2)影响因素:放射性元素衰变的

3、快慢是由原子核内部因素决定的,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 核反应的四种类型 核反应的四种类型比较,42He,0-1e,11H,10n,10n,01e,310n,1010n,10n,关于核反应的三点说明 (1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接. (2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程. (3)核反应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.核力是短程力，作用范围在 _m之内，只在相邻的核子间发生

4、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. 3.质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程E=_，原子核的质量必然比组成它的核 子的质量和要小m,这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的 核能E=_.,1.510-15,释放,吸收,mc2,mc2,1.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1.510-15 m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：定义：原子核的结合能与核子数之比

5、，称做比结合能，也叫平均结合能.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牢固，原子核越稳定.,3.获得核能的两种途径 (1)重核裂变：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. 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23(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. 典型的分裂方程:,(2)轻核聚变. 定义：某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程. 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,比裂变反应中每个核

6、子放出的能量大3至4倍. b.聚变反应比裂变反应更剧烈.c.对环境污染较少. d.自然界中聚变反应原料丰富. 典型的聚变方程:,衰变与其射线 【例证1】(2011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，发生衰变时会辐射射线.下列说法正确的是( ) A.碘131释放的射线由氦核组成 B.铯137衰变时辐射出的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含有相同的质子数,【解题指南】解答本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

7、量大小由频率高低决定.(3)同位素的核电荷数相同. 【自主解答】选D.射线是高速运动的电子流，不是氦原子核，A错误；射线的频率大于可见光的频率，根据E=h可知，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】解答本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.对易错选项及错误原因具体分析如下：,核反应类型与核反应方程 【例证2】(2011北京高考)表示放射性元素碘 衰变的方程是( ),【解题指南】解答本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.

8、 (2) 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】核反应方程的书写方法 (2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应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)熟悉核反应的四种基本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反应方程.,与核能相关的综合问题 【例证3】(11分)钚的放射性同位素23994Pu静止时衰变为铀核激发态23592U*、粒子,而铀核激发态23592U*立

9、即衰变为铀核23592U,并放出能量为0.097 MeV的光子.已知:23994Pu、23592U和粒子的质量分别为mPu=239.052 1 u、mU=235.043 9 u和m= 4.002 6 u,1 u=931.5 MeV/c2. (1)写出衰变方程; (2)已知衰变放出的光子的动量可忽略,求粒子的动能.,【解题指南】解答本题时可按以下思路分析: 【规范解答】(1)衰变方程为23994Pu 23592U*+ (1分) 23592U* 23592U+ (1分) 或合起来有23994Pu 23592U+ (2)上述衰变过程的质量亏损为 m=mPu-mU-m (1分),放出的能量为E=mc2

10、 (1分) E是铀核23592U的动能EU、粒子的动能E和光子的能量E 之和，E=EU+E+E (1分) 可得EU+E=(mPu-mU-m)c2-E (1分) 设衰变后的铀核和粒子的速度分别为vU和v,则由动量守恒有 mUvU=mv (1分) 又由动能的定义知 EU= mUvU2,E= mv2 (1分) 由式得 (1分) 由式得E= (mPu-mU-m)c2-E 代入题给数据得E=5.034 MeV (2分),【总结提升】计算核能的四种方法 (1)根据E=mc2计算，计算时m的单位是“kg”,c的单位是“m/s”，E的单位是“J”. (2)根据E=m931.5 MeV计算.因1原子质量单位(u

11、)相当于931.5 MeV的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”. (3)根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行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用.,1.(2011浙江高考)关于天然放射现象，下列说法正确的是 ( ) A.射线是由氦原子核衰变产生 B.射线是由原子核外电子电离产生 C.射线是由原子核外的内层电子跃迁产生 D.通过化学反应不能改变物质的放射性 【解题指南】解答本题时应注意理解： (1)天然放射现象中三种射线的产生机理. (2)影响天然放射现象的因素.,【解析】选D.射线是在衰变中产

12、生的，本质是氦核，A错误；射线是在衰变中产生的，本质是高速电子束，B错误； 射线是发生衰变和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.(2011上海高考)天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知( ) A.来自于原子核外的电子 B.的电离作用最强，是一种电磁波 C.的电离作用较强，是一种电磁波 D.的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子,【解析】选D.从穿透能力上看，能穿透铝板进入铅板，必然是射线，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；能穿

13、透纸板进入铝板，必然是射线，是原子核内发射出的电子流，A错误；纸板能够挡住，则是射线，它的电离作用最强，但它是氦原子核，不是电磁波，B错误.,3.(多选)(2011常州模拟)据2011年3月14日法新社报道，日本核 泄漏事故正在加剧！福岛第一核电站3号机组不排除像1号机组一 样发生爆炸.而2号反应堆可能正发生泄漏，两个反应堆可能已经 出现“熔毁”现象.福岛第一核电站3号机组所用核燃料为铀23892U 和钚23994Pu，下列关于该核泄漏事件的分析正确的是( ) A.铀238俘获中子后形成铀239，再经一次衰变，可成为原子反 应堆中的燃料钚239，由于二者都是反应堆的核燃料，所以这样的 反应堆称

14、之为增值反应堆 B.钚的半衰期为24 100年，则大约7.2万年以后泄漏的物质中钚原 子的总数将降低为原来的,C.23994Pu衰变，放出的射线比射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄 D.原子反应堆中Pu裂变的方程可以写为23994Pu+10n 8738Sr+13756Ba+1510n,【解析】选B、C.由23892U和23994Pu质子数差距可知铀238俘获中 子后形成铀239，需要经两次衰变，可成为原子反应堆中的燃 料钚239,A错；7.2万年以后泄漏的物质中钚原子的总数为原来 的 B对；射线比射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材 料较薄，C对；原子反应堆中Pu的反应方程为：23994Pu+10

15、n8738Sr+13756Ba+1610n，D错，故选B、C.,4.原子核AZX与氘核21H反应生成一个粒子和一个质子.由此可知( ) A.A=2,Z=1 B.A=2,Z=2 C.A=3,Z=3 D.A=3,Z=2 【解析】选D.写出核反应方程：AZX+21H42He+11H，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.(1)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有( ) A.23892U23490Th+42He 是衰变 B.147N+42He178O+11H 是衰变 C.21H+31H42He+10n 是轻核聚变 D.

16、8234Se8236Kr+20-1e 是重核裂变,(2)现有四个核反应： A.21H+31H42He+10n B.23592U+10nX+8936Kr+310n C.2411Na2412Mg+0-1e D.42He+94Be126C+10n,_是发现中子的核反应方程，_是研究原子弹的基本核反应方程，_是研究氢弹的基本核反应方程. 求B中X的质量数和中子数. 【解题指南】弄清衰变、人工转变、裂变、聚变的区别并熟记典型的核反应方程，在此基础上求解此题.,【解析】(1)选A、C.衰变是原子核自发地放出或粒子的核反应，衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核，箭头的右边出现或粒子；聚变反应的特点是箭头

17、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应，箭头右边是中等质量的原子核.综上所述，A、C正确.,(2)人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核.箭头的右边也是常见元素的原子核.D是查德威克发现中子的核反应方程，B是裂变反应，是研究原子弹的核反应方程.A是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程. 由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X质量数为144，电荷数为56，所以中子数为144-5688. 答案：(1)A、C (2)D B A 见解析,6.(1)(多选)23290Th(钍)经过一系列衰变和衰变,变成20882Pb(铅).以下说法正确的是(

18、 ) 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次衰变和6次衰变 D.共经过6次衰变和4次衰变 (2)约里奥居里夫妇发现放射性元素3015P衰变成3014Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是_.,【解析】(1)选A、B、D.设衰变次数为x,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3015P 3014Si+01e,故这种粒子为01e(正电子). 答案：(1)A、B、D (2)正电子,

19、【总结提升】衰变次数的两种确定方法 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AZX经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素AZY，则表示该核反应的方程为：AZXAZY+n42He+m0-1e 根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程 A=A+4n Z=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：因为衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变的次数，然后再根据衰变规律确定衰变的次数.,7.(2012南通模拟)一个钚的同位素23994Pu的原子核静止在匀强磁场中.某时刻该原子核垂直于磁场方向放射出一个粒子，变成铀的同位素，同时辐

20、射出能量为E=0.09 MeV的光子.已知钚原子核的质量M0=238.999 655 u，粒子的质量m=4.001 509 u，反冲核的质量M=234.993 470 u.取1 uc2=931 MeV. (1)写出衰变的核反应方程. (2)粒子和反冲核的动能各是多少？ (3)画出粒子和反冲核在垂直于纸面向里的匀强磁场中运动轨迹的示意图.,【解析】(1)由题意根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为23994Pu23592U+42He+E. (2)设衰变后粒子的速度为v，反冲核的速度为v,根据动量守恒和能量守恒，有mv=Mv,(M0-M-m)c2-E=Ek+EkU 4.26 MeV 由 可整理得,(3)如图所示. 答案：(1)23994Pu23592U+42He+E (2)4.19 M