第13章.第3课时--放射性元素的衰变、核能.ppt

1、第3课时 放射性元素的衰变 核能 考点自清 一、天然放射现象 1.放射性元素 发出射线的现象,叫做天然 放射现象,1896年由法国物理学家 发现. 2.放射性说明原子核内部是有结构的 (1)1919年,卢瑟福用粒子轰击氮原子核,发现 了 ,并猜想原子核内还存在 ,1932年, 他的学生查德威克通过实验证实了 的存在. (2)原子核是由质子和中子组成的.常用符号 X 表示,X为元素符号,A表示核的 ,Z表示核 的 .,自发地,贝克勒尔,质子,中子,中子,质量数,电荷数,二、原子核的衰变 1.原子核放出粒子或粒子,变成另一种原子核 的变化称为原子核的衰变. 2.分类 衰变: 衰变: 3.半衰期:放

2、射性元素的原子核有 发生衰变 所需的时间.半衰期由 的因素决定, 跟原子所处的 无关.,半数,核内部本身,物理或化学状态,三、放射性同位素及应用1.同位素 具有相同 而 不同的原子核,在元 素周期表中处于同一位置,互称 . 有些同位素具有放射性,叫做放射性同位素.天 然放射性同位素不过四十多种,而人工制造的放 射性同位素已达1 000多种. 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.,质子数,中子数,同位素,四、核力与核能 1.核力:组成原子核的核子之间有很强的相互作用 力,使核子能克服库仑力而紧密地结合在一起, 这种力称为核力.

3、其特点为: (1)核力是强相互作用的一种表现,在原子核的 尺度内,核力比库仑力大得多. (2)核力是短程力,作用范围在1.510-15 m之内. (3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用,这 种性质称为核力的饱和性.,2.原子核是核子结合在一起构成的,要把它们分开, 需要能量,这就是原子核的 . 3.质量亏损:原子核的质量小于组成它的核子的质 量之和,这个现象叫做质量亏损. 4.爱因斯坦质能方程为 ,若核反应中的质量 亏损为m,释放的核能E= .,结合能,E=mc2,mc2,特别提示 (1)根据E=mc2计算核能时,质量亏损m是 质量不是质量数,其单位是“kg”,c的单位是 “m/s”,E的单

4、位是“J”. (2)根据E=m931.5 MeV计算核能时.因一 原子质量单位(u)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”.,五、重核的裂变与轻核的聚变 1.裂变:重核分裂成质量较小的核的反应.如: 2.聚变:轻核结合成质量较大的核的反应.如: 3.重核裂变和轻核聚变过程中都释放出 .,核能,热点聚焦 热点一 三种射线的比较,特别提示 (1)自然界中原子序数大于或等于83的所有元素, 都能自发地放出射线;原子序数小于83的元素, 有的也具有放射性. (2)天然放射现象说明原子核是有内部结构的. 元素的放射性不受单质和化合物存在形式的 影响.,热点二

5、 衰变和衰变的实质 放射性物质放射出来的射线和射线是原子 核内的质子和中子结合转化而成的.射线是原 子核内的两个质子和两个中子结合在一起发射 出来的;射线是原子核内的中子转化为质子时 发射出来的. 在原子核衰变的过程中处于激发态的原子核向 低能级跃迁时,以光子的形式放出能量,形成 射线.当放射性物质连续发生衰变时,原子核 中有的发生衰变,有的发生衰变,同时就会 伴随着辐射.这时,放射性物质发出的射线中 就会同时具有、和三种射线.,热点三 对半衰期的理解 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

6、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.,特别提示 (1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律,个 别原子核经多长时间衰变无法预测;对个别或极 少数原子核,无半衰期可言. (2)原子核衰变时质量数守恒,但并非质量守恒; 核反应过程前、后质量发生变化(质量亏损)而 释放出核能,质量与能量相联系.,热点四 核反应的四种类型,(卢瑟福发现质子),(查德威克发现质子),特别提示 (1)核反应过程一般都是不可逆的,所以核反应 方

7、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.,题型探究 题型1 核反应方程及反应类型 【例1】现有五个核反应: A. B. C. D. E.,(1) 是发现中子的核反应方程, 是 研究两弹的基本核反应方程式. (2)求B项中X的质量数和中子数. (3)判断以上五个核反应的反应类型. 思路点拨 根据核反应方程式遵循的基本规律,正确书写方 程式,还要注意衰变、人工转变、裂变、聚变的 区别.,解析 (1)E是查德威克发现中子的核反应方程

8、, A是氢弹,B是原子核的核反应方程. (2)由电荷数守恒和质量数守恒可以判定X质量 数为140,电荷数为54,所以中子数为:140-54=86. (3)衰变是原子核自发地放出粒子或粒子的 反应,C是衰变,D是衰变,E是人工控制的原 子核的变化,属人工转变,裂变是重核吸收中子 后分裂成几个中等质量的核的反应,B是裂变,聚 变是几个轻核结合成较大质量的核的反应,A是 聚变. 答案 (1)E AB (2)140 86 (3)A.聚变 B.裂变 C.衰变 D.衰变 E. 人工转变,方法归纳 1.电荷数守恒和质量数守恒是正确书写核反应 方程式的关键. 2.熟记几种核反应类型的基本概念.,变式练习1 下

9、面列出的是一些核反应方程 其中 ( ) A.X是质子,Y是中子,Z是正电子 B.X是正电子,Y是质子,Z是中子 C.X是中子,Y是正电子,Z是质子 D.X是正电子,Y是中子,Z是质子,解析 根据核反应前后的电荷数守恒和质量数 守恒可知X为 (正电子),Y为 n(中子),Z为 H(质子).解题时由第一式得出X为正电子,可 立即将选项A、C排除;由Y为中子,可判断选项D 对,B错;由Z为质子,可进一步确定选项D正确. 本题采用排除法可迅速获得正确结果. 答案 D,题型2 半衰期的理解与计算 【例2】(1)关于放射性元素的半衰期,下列说法正 确的有 ( ) A.是原子核质量减少一半所需的时间 B.是

10、原子核有半数发生衰变所需的时间 C.把放射性元素放在密封的容器中,可以减慢放 射性元素的半衰期 D.可以用于测定地质年代、生物年代等 (2)某考古队发现一古生物骸骨.考古专家根据 骸骨中 C的含量推断出了该生物死亡的年代, 已知此骸骨中 C的含量为活着的生物体中 C 的1/4, C的半衰期为5 730年.该生物死亡时距 今约 年.,思路点拨,解析 (1)原子核衰变后变成新核,新核与未衰变 的核在一起,故半衰期并不是原子核的数量、质量 减少一半,A错B对;衰变快慢由原子核内部因素决 定,与原子所处的物理状态或化学状态无关,常用 其测定地质年代、生物年代等,故C错D对. (2)根据公式m=m0 (

11、其中m、m0分别是现在与 原来的质量,t为距今的时间,为半衰期) 得 所以t=11 460(年) 答案 (1)BD (2)11 460,变式练习2 约里奥居里夫妇因发现人工放射性 而获得了1935年的诺贝尔化学奖,他们发现的放 射性元素 P衰变成 Si的同时放出另一种粒子, 这种粒子是 . P是 P的同位素,被广泛 应用于生物示踪技术.1 mg P随时间衰变的关 系如图1所示,请估算4 mg的 P经多少天的衰变 后还剩0.25 mg？,图1,解析 衰变方程为 P Si+ e,这种粒子是 正电子.由图象可以看出 P的半衰期为14天左 右,则4 =0.25,得t=56天. 答案 正电子 56天,题

12、型3 核能的计算 【例3】某些建筑材料可产生放射性气体氡,氡可 以发生或衰变.如果人长期生活在氡浓度过 高的环境中,那么，氡经过人的呼吸道沉积在肺 部,并放出大量射线,从而危害人体健康.静止质 量为M的氡核( Rn)发生一次衰变生成新核 钋(Po).已知衰变后所得粒子的质量为m、电 荷量为q、速度为v,并假高衰变过程中释放的核 能全部转化为粒子和新核钋的动能.(注:涉及 动量问题时,亏损的质量可忽略不计) (1)写出衰变方程. (2)求出衰变过程中的质量亏损.,解析 (1)衰变方程为: (2)设新核钋的速度为v,由动量守恒定律得 mv=(M-m)v 解得v= 衰变过程中释放的核能为E= 由爱因

13、斯坦质能方程得E=mc2 解得m= 答案 (1) (2),方法归纳 写核反应方程注意电荷数守恒和质量数守恒.求 解质量亏损应先求出核反应放出的能量,核反应 放出的能量等于粒子和新核的动能之和,然后 根据质能方程求出质量亏损.,变式练习3 静止的锂核( Li)俘获一个速度为 7.7106 m/s的中子,发生核反应后若只产生了 两个新粒子,其中一个粒子为氦核( He),它的 速度大小是8106 m/s,方向与反应前中子的速 度方向相同. (1)写出此核反应的方程式. (2)求反应后产生的另一个粒子的速度大小及 方向. (3)通过计算说明此反应过程中是否发生了质量 亏损.,解析 (1)核反应的方程式

14、为: (2)用m1、m2和m3分别表示中子( n)、氦核( He) 和氚核( H)的质量,用v1、v2和v3分别表示中子、 氦核和氚核的速度,由动量守恒定律得 m1v1=m2v2+m3v3 代入数值解得v3=-8.1106 m/s 即反应后生成的氚核的速度大小为8.1106 m/s, 方向与反应前中子的速度方向相反.,(3)反应前的总动能为E1= m1v12 反应后的总动能为E2= m2v22+ m3v32 经计算可得E2E1 故可知反应中发生了质量亏损. 答案 (1) (2)8.1106 m/s,方向与反应前中子的速度方 向相反 (3)发生了质量亏损,【例4】原来静止的铀 U和钍234同时在

15、同一匀强 磁场中,由于衰变而开始做匀速圆周运动.铀238 发生了一次衰变,钍234发生了一次衰变. (1)试画出铀238发生一次衰变时所产生的新 核及粒子在磁场中运动轨迹的示意图. (2)试画出钍234发生一次衰变时所产生的新 核及粒子在磁场中的运动轨迹的示意图.,解析 (1)铀238发生衰变时,由于放出粒子而 产生了新核,根据动量守恒定律,它们的总动量 为零,即: m1v1-m2v2=0 因为它们都带正电,衰变后的速 度正好相反,所以，受到的洛伦 兹力方向也相反,因而决定了它 们做圆周运动的轨迹圆是外切的.它们做匀速圆 周运动的向心力由洛伦兹力提供.即:m =Bqv. 所以R= .又因为m1

16、v1=m2v2.所以 ,由于q1= 2,q2=92-2=90,因而 .如上图所示,其中轨 道a为粒子的径迹,轨道半径为R1,轨道b为新 核的径迹,其轨道半径为R2.(R1R2).,(2)同理,钍234发生一次衰变放出的粒子与 产生的新核的动量大小相等,方向相反,即总动 量为零.可是,粒子带负电,新核带正电,它们 衰变后的速度方向相反,但受的洛伦兹力方向相 同,所以,它们的两个轨迹圆是内切 的，且粒子的轨道半径大于新核 的轨道半径,它们的轨迹示意图如 右图所示,其中,c为粒子的径迹, d为新核的径迹. 答案 见解析,【评分标准】 本题共12分.其中(1)问6分,正确说明粒子径 迹半径大于新核半径

17、给3分,图正确给3分.(2)问 6分,正确说明粒子轨道半径大于新核轨道半 径给3分,图正确给3分. 【名师导析】 孤立的原子核在衰变时遵从动量守恒.由于原子 核衰变后都带电,故在匀强磁场中都可做匀速圆 周运动.而衰变产生的新核和粒子运动方向相反, 所以如果是衰变,则衰变瞬间新核和粒子受 洛伦兹力的方向相反,形成的两个轨迹圆外切; 而衰变新核的轨迹圆与粒子的轨迹圆内切.,自我批阅 (15分)一个原来静止的锂核(Li)俘获一个速 度为7.7104 m/s的中子后,生成一个氚核和一 个氦核,已知氚核的速度大小为1.0103 m/s,方 向与中子的运动方向相反. (1)试写出核反应方程. (2)求出氦

18、核的速度. (3)若让一个氘核和一个氚核发生聚变时,可产 生一个氦核同时放出一个中子,求这个核反应释 放出的能量.(已知氘核质量为mD=2.014 102 u, 氚核质量为mT=3.016 050 u,氦核的质量mHe= 4.002 603 u,中子质量mn=1.008 665 u, 1 u=1.660 610-27 kg),解析 (1) (4分) (2)由动量守恒定律 mnv0=-mTv1+mHev2 (3分) v2= = m/s =2104 m/s (2分) (3)质量亏损为 m=mD+mT-mHe-mn =(2.014 102+3.016 050-4.002 603-1.008 665)

19、u,=0.018 884 u=3.13610-29 kg (3分) 根据爱因斯坦质能方程 E=mc2=3.13610-29(3108)2 J =2.8210-12 J (3分) 答案 (1) (2)2104 m/s (3)2.8210-12 J,素能提升 1.下列说法正确的是 ( ) A.质子和中子的质量不等,但质量数相等 B.质子和中子构成原子核,原子核的质量数等于 质子和中子的质量总和 C.同一种元素的原子核有相同的质量数,但中子 数可以不同 D.中子不带电,所以原子核的总电量等于质子和 电子的总电量之和,解析 原子和中子的质量不同,但质量数相同, A对.质子和中子构成原子核,原子核的质量

20、数等 于质子和中子的质量数之和,B错.同一种元素的 原子核有相同的质子数,但中子数可以不同,C错. 中子不带电,所以原子核的总电量等于质子的总 电量之和,D错. 答案 A,2.下列关于放射性现象的说法中,正确的是 ( ) A.原子核发生衰变时,生成核与原来的原子核 相比,中子数减少了4 B.原子核发生衰变时,生成核与粒子的总质 量等于原来的原子核的质量 C.原子核发生衰变时,生成核的质量数比原来 的原子核的质量数多1 D.单质的铀238与化合物中的铀238的半衰期是 相同的,解析 原子核发生衰变时,生成核与原来的原 子核相比,中子数减少了2,A错误;生成核与粒 子的总质量小于原来的原子核的质量

21、,B错误;原 子核发生衰变时,生成核的质量数与原来的原 子核的质量数相同,C错误;放射性元素的半衰期 由原子核的内部因素决定,跟元素的化学状态无 关,所以单质的铀238与化合物中的铀238的半衰 期是相同的,D正确. 答案 D,3.原子核E经衰变成为F,再经衰变成为G,再经 衰变成为H.上述系列衰变可记为下式: 另一系列衰变如下: 已知P是F的同位素,则 ( ) A.Q是G的同位素,R是H的同位素 B.R是E的同位素,S是F的同位素 C.R是G的同位素,S是H的同位素 D.Q是E的同位素,R是F的同位素,解析 同位素是具有相同的质子数和不同的中子数,由 核反应方程式中各原子核的上下标可得到R是E 的同位素,S是F的同位素,所以B选项正确. 答案 B,4.氘核、氚核、氦核和中子的质量分别为m1、m2、 m3和m4,当氘核与氚核结合为氦核并同时放出中子 时,下列说法中正确的是(已知c为光在真空中的 速度) ( ) A.这是轻核聚变,放出的能量为(m1+m2-m3-m4)c2 B.这是轻核聚变,放出的能量为m4c2 C.这是轻核聚变,吸收的能量为(m1+m2-m3)c2 D.这是轻核裂变,吸收的能量为(m3+m4)c2 解析 核反应的质量亏损为:m=(m1+m2-m3-m4), 放出的能量为E=mc2=