第2講原子核一、原子核的組成、放射性元素的衰變1．天然放射現象元素自發地放出射線的現象，首先由貝克勒爾發現。天然放射現象的發現，說明原子核具有復雜的結構。2．原子核的組成：原子核是由質子和中子組成的，原子核的電荷數等于核內的質子數。3．原子核的衰變(1)衰變：原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化。(2)分類(3)半衰期：放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間。半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態無關。4．放射性同位素的應用與防護(1)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。(2)應用：消除靜電、工業探傷、作示蹤原子等。(3)防護：防止放射性對人體組織的傷害。思考辨析1．原子核的電荷數就是核內的質子數，也就是這種元素的原子序數。 (√)2．β射線是高速電子流，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。 (√)3．半衰期可以通過人工進行控制。 (×)4．某放射性元素的半衰期為4天，若有100個這樣的原子核，經過4天后還剩50個。這種說法對嗎？提示：半衰期是大量放射性元素的原子核衰變時所遵循的統計規律，不能用于少量的原子核發生衰變的情況，因此，經過4天后，100個原子核有多少發生衰變是不能確定的，所以這種說法不對。核反應方程：質量數守恒、電荷數守恒，但不是總質量守恒。二、核力與結合能核裂變與核聚變1．核力和核能(1)核力：原子核內部，鄰近核子間所特有的相互作用力。(2)核子在結合成原子核時出現質量虧損Δm，其對應的能量ΔE＝Δmc2。(3)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。2．裂變反應和聚變反應(1)重核裂變①定義：質量數較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數較小的原子核的過程。②典型的裂變反應方程：eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n。③鏈式反應：重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續下去的過程。④臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。⑤裂變的應用：原子彈、核反應堆。⑥反應堆構造：核燃料、慢化劑、控制棒、防護層。(2)輕核聚變①定義：兩個輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。②典型的聚變反應方程：eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV。思考辨析1．核力是強相互作用，在任何情況下都比庫侖力大。 (×)2．鈾核裂變時會吸收大量的能量。 (×)3．核聚變中平均每個核子放出的能量，比裂變反應中平均每個核子放出的能量大。 (√)4．有人認為質量虧損就是核子的個數變少了，這種認識對不對？提示：不對。在核反應中質量數守恒，即核子的個數不變，只是核子組成原子核時，仿佛變“輕”了一些，原子核的質量總是小于其全部核子質量之和，即發生了質量虧損，核子的個數并沒有變化。5．2023年12月3日，“嫦娥五號”從月球上帶回的eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He是未來核聚變最理想的原料，eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He聚變產生的是eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He和質子，不會產生中子，請嘗試寫出其核反應方程式。提示：2eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H。(1)核子數越多，結合能越大，比結合能不一定越大。(2)質能方程表明質量和能量有著緊密聯系，但不能相互轉化。考點1原子核的組成(基礎考點)1．關于原子核內部的信息，最早來自天然放射現象。人們從破解天然放射現象入手，一步步揭開了原子核的秘密。下列說法正確的是()A.法國物理學家貝克勒爾發現了X射線B.德國物理學家倫琴發現，鈾和含鈾的礦物能夠發出α射線C.盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，發現了質子D.居里夫婦通過實驗發現了中子C解析：法國物理學家貝克勒爾發現了鈾和含鈾的礦物能夠發出射線，A錯誤；德國物理學家倫琴，發現了倫琴射線，又叫X射線，B錯誤；盧瑟福用α粒子轟擊氮原子核，發現了質子，并預言了中子的存在，C正確；查德威克通過實驗發現了中子，D錯誤。2．(多選)下列說法正確的是()A.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X與eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m－1))Y互為同位素B.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X與eq\o\al(\s\up1(n－1),\s\do1(m))Y互為同位素C.eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X與eq\o\al(\s\up1(n－2),\s\do1(m－2))Y的中子數相同D.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核內有92個質子，235個中子BC解析：A選項中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核與eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m－1))Y核的質子數不同，不是同位素，A錯誤；B選項中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核與eq\o\al(\s\up1(n－1),\s\do1(m))Y核的質子數都為m，而質量數不同，則中子數不同，所以互為同位素，B正確；C選項中，eq\o\al(\s\up1(n),\s\do1(m))X核內的中子數為n－m，eq\o\al(\s\up1(n－2),\s\do1(m－2))Y核內的中子數為(n－2)－(m－2)＝n－m，所以中子數相同，C正確；eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核內有143個中子，而不是235個中子，D錯誤。原子核的“數”與“量”的辨析(1)核電荷數與原子核的電荷量是不同的，組成原子核的質子的電荷量都是相同的，所以原子核的電荷量一定是質子電荷量的整數倍，我們把核內的質子數叫核電荷數，而這些質子所帶電荷量的總和才是原子核的電荷量。(1)原子核的質量數與質量是不同的，也與元素的原子量不同。原子核內質子和中子的總數叫作原子核的質量數，原子核的質量等于質子和中子質量的總和。考點2放射性元素的衰變(基礎考點)1．(2023·山東高考)氚核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H發生β衰變成為氦核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(2))He。假設含氚材料中eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H發生β衰變產生的電子可以全部定向移動，在×104s時間內形成的平均電流為×10－8A。已知電子的電荷量為×10－19C，在這段時間內發生β衰變的氚核eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H的個數為()A.×1014 B.×1016C.×1016 D.×1018B解析：根據I＝eq\f(q,t)＝eq\f(ne,t)，可得產生的電子數為n＝eq\f(It,e)＝eq\f×10－8××104,×10－19)個＝1016個，因在β衰變中，一個氚核產生一個電子，可知氚核的個數為×1016個。故選B。2．如圖所示，把放射源鈾、釙或鐳放入用鉛做成的容器中，射線從小孔射出。在射線經過的空間施加磁場(垂直紙面向里)，發現射線分裂成三束，下列關于這三束射線的說法正確的是()A.射線①中每顆粒子的質量是射線③中每顆粒子質量的4倍B.射線②的電離能力最強C.若加熱鉛盒，則單位時間內射出的粒子數會增加D.盧瑟福用射線①轟擊氮原子核發現了質子D解析：根據左手定則可知，①帶正電，是α射線(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核)，②是γ射線，③是β射線(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e)，而α粒子的質量遠大于電子的質量，選項A錯誤；射線①即α射線的電離能力最強，選項B錯誤；放射性元素的半衰期與外界條件無關，若加熱鉛盒，則單位時間內發生衰變的原子核數不變，射出的粒子數不變，選項C錯誤；盧瑟福用α射線轟擊氮原子核發現了質子，選項D正確。3．(2023·銀川模擬)自然界中存在的放射性元素的原子核并非只發生一次衰變就達到穩定狀態，而是要發生一系列連續的衰變，最終達到穩定狀態。某些原子核的衰變情況如圖所示(N表示中子數，Z表示質子數)，則下列說法正確的是()A.由eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra到eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(89))Ac的衰變是α衰變B.已知eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra的半衰期是T，則8個eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra原子核經過2T時間后還剩2個C.從eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(90))Th到eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb共發生5次α衰變和2次β衰變D.圖中發生的α衰變和β衰變分別只能產生α和β射線C解析：由eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(88))Ra到eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(89))Ac放出電子，則此衰變是β衰變，選項A錯誤；半衰期是大量原子核衰變遵循的統計規律，對少量的原子核不適用，選項B錯誤；eq\o\al(\s\up1(228),\s\do1(90))Th變為eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb，質量數減少20，則發生了5次α衰變，根據5×2－x＝8得，x＝2，知發生了2次β衰變，故C正確；題圖中發生的α衰變和β衰變，往往伴隨γ射線產生，選項D錯誤。1．衰變規律及實質(1)α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變β衰變衰變方程eq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z))X→eq\o\al(\s\up1(A－4),\s\do1(Z－2))Y＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z))X→eq\o\al(\s\up1(A),\s\do1(Z＋1))Y＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e衰變實質2個質子和2個中子結合成一個整體射出中子轉化為質子和電子2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heeq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e勻強磁場中運動軌跡的形狀αβ衰變規律電荷數守恒、質量數守恒、動量守恒(2)γ射線：經常伴隨著α衰變或β衰變同時產生。實質是放射性原子核在發生α衰變或β衰變過程中輻射出的光子。2．三種射線的成分和性質名稱構成符號電荷量質量電離能力貫穿本領α射線氦核eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2e4u最強最弱β射線電子eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(－1))e－eeq\f(1,1837)u較強較強γ射線光子γ00最弱最強3.半衰期的理解半衰期的公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(eq\s\up6(\f(t,τ)))，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(eq\s\up6(\f(t,τ)))。式中的N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數和質量，N余、m余表示衰變后尚未發生衰變的放射性元素的原子數和質量，t表示衰變時間，τ表示半衰期。(2)對于發生α衰變和β衰變的原子核，設發生α衰變和β衰變的次數分別為n、m，根據電荷數和質量數守恒列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m。兩式聯立解得n＝eq\f(A－A′,4)，m＝eq\f(A－A′,2)＋Z′－Z。考點3核力與結合能(基礎考點)1．在自然界穩定的原子核中，中子數(N)和質子數(Z)之間的關系如圖所示。根據圖中所提供的信息及原子核的有關知識，對于在自然界中穩定的原子核，下列說法正確的是()A.較輕的原子核，質子數和中子數大致相等B.較重的原子核，質子數大于中子數C.越重的原子核，質子數和中子數的差值越小D.在很大的原子核中，可以有質子數和中子數相等的情況A解析：根據題中給出的中子數(N)和質子數(Z)的關系圖像可知，較輕的原子核，質子數和中子數大致相等，而較重的原子核，中子數明顯大于質子數，A正確，B錯誤；由題圖可知，越重的原子核，中子數和質子數的差值越大，C錯誤；在很大的原子核中，由于核力明顯減弱，質子和質子間的排斥作用，導致質子結合到原子核的數目越來越少，不可能出現質子數和中子數相等的情況，D錯誤。2．(多選)原子核的比結合能曲線如圖所示。根據該曲線，下列判斷正確的有()A.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核的結合能約為14MeVB.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核比eq\o\al(\s\up1(6),\s\do1(3))Li核更穩定C.兩個eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H核結合成eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核時釋放能量D.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核中核子的平均結合能比eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr核中的大BC解析：由題圖可知，eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核的比結合能約為7MeV，因此它的結合能約為7MeV×4＝28MeV，A項錯誤；比結合能越大，表明原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定，結合題圖可知B項正確；兩個比結合能小的eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H核結合成比結合能大的eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He核時，會釋放能量，C項正確；由題圖可知，eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U核的比結合能(即平均結合能)比eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr核的小，D項錯誤。3．(2023·全國卷Ⅱ)氘核eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H可通過一系列聚變反應釋放能量，其總效果可用反應式6eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H→2eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV表示。海水中富含氘，已知1kg海水中含有的氘核約為×1022個，若全都發生聚變反應，其釋放的能量與質量為M的標準煤燃燒時釋放的熱量相等；已知1kg標準煤燃燒釋放的熱量約為×107J，1MeV＝×10－13J，則M約為()A.40kg B.100kgC.400kg D.1000kgC解析：氘核eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H可通過一系列聚變反應釋放能量，其總效果可用反應式6eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H→2eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H＋2eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n＋MeV表示，則平均每個氘核聚變釋放的能量為ε＝eq\f(E,6)＝eq\f,6)MeV，1kg海水中含有的氘核約為×1022個，可以放出的總能量為E0＝Nε，由Q＝mq可得，要釋放相同的熱量，需要燃燒標準煤的質量m＝eq\f(Q,q)＝eq\f(E0,q)＝397kg。故選C。1．核反應方程式的書寫(1)熟記常見基本粒子的符號，是正確書寫核反應方程的基礎。如質子(eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H)、中子(eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n)、α粒子(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He)、β粒子(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(-1))e)、正電子(eq\o\al(\s\up1(0),\s\do1(1))e)、氘核(eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H)、氚核(eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H)等。(2)掌握核反應方程遵守的規律，是正確書寫核反應方程或判斷某個核反應方程是否正確的依據。由于核反應不可逆，所以書寫核反應方程式時只能用“→”表示反應方向。(3)核反應過程中質量數守恒，電荷數守恒。2．核能的計算方法eq\x(\a\al(書寫核反,應方程))→eq\x(\a\al(計算質量,虧損Δm))→eq\x(\a\al(利用ΔE＝Δmc2,計算釋放的核能))(1)根據ΔE＝Δmc2計算時，Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。(2)根據ΔE＝Δm×MeV計算時，Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(3)根據核子的比結合能來計算核能：原子核的結合能＝核子的比結合能×核子數。考點4核裂變與核聚變(基礎考點)1．(2023·遼寧模考)中科院近代物理研究所利用蘭州重離子加速器(HIRFL)通過“熔合蒸發”反應合成超重核eq\o\al(\s\up1(271),\s\do1(110))Ds并輻射出中子。下列可能合成該超重核的原子核組合是()A.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(208),\s\do1(82))Pb B.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(209),\s\do1(83))BiC.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(207),\s\do1(82))Pb D.eq\o\al(\s\up1(64),\s\do1(28))Ni，eq\o\al(\s\up1(210),\s\do1(83))BiA解析：根據電荷數守恒和質量數守恒有Z1＋Z2＝110，A1＋A2＝271＋1＝272，將選項代入檢驗得只有選項A符合。2．(2023·浙江高考)(多選)太陽輻射的總功率約為4×1026W，其輻射的能量來自于聚變反應。在聚變反應中，一個質量為1MeV/c2(c為真空中的光速)的氘核(eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H)和一個質量為2MeV/c2的氚核(eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H)結合為一個質量為3MeV/c2的氦核(eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He)，并放出一個X粒子，同時釋放大約MeV的能量。下列說法正確的是()A.X粒子是質子B.X粒子的質量為MeV/c2C.太陽每秒因為輻射損失的質量約為×109kgD.太陽每秒因為輻射損失的質量約為MeV/c2BC解析：由質量數和電荷數守恒可知，X的質量數為1，電荷數為0，則X為中子，選項A錯誤；根據能量關系可知mn＝(1＋2－3MeV/c2－eq\fMeV,c2)，解得mn＝MeV/c2，選項B正確；太陽每秒放出的能量E＝Pt＝4×1026J，損失的質量Δm＝eq\f(E,c2)＝eq\f(4×1026,9×1016)kg＝×109kg，選項C正確；因為E＝4×1026J＝eq\f(4×1026,×10－19)eV＝×1045eV＝×1039MeV，則太陽每秒因為輻射損失的質量為Δm＝eq\f(E,c2)＝×1039MeV/c2，選項D錯誤。3．(2023·湖南模考)2023年12月4日，新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置(HL-2M)在成都建成并首次實現利用核聚變放電。下列方程屬于正確的核聚變反應方程的是()A.eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nB.eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))HeC.eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nD.eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(27),\s\do1(13))Al→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))nA解析：核聚變反應是兩輕核反應變成中等質量的核。eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H＋eq\o\al(\s\up1(3),\s\do1(1))H→eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，是輕核聚變，故A正確；eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He，此核反應中反應物只有一個原子核且生成物有氦核，屬于α衰變，故B錯誤；eq\o\al(\s\up1(235),\s\do1(92))U＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n→eq\o\al(\s\up1(144),\s\do1(56))Ba＋eq\o\al(\s\up1(89),\s\do1(36))Kr＋3eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，此核反應中反應物和生成物都有中子，構成鏈式反應，且生成物至少有兩個中等質量的核，故屬于重核裂變，故C錯誤；eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))He＋eq\o\al(\s\up1(27),\s\do1(13))Al→eq\o\al(\s\up1(30),\s\do1(15))P＋eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(0))n，此核反應是用α粒子轟擊鋁核生成了同位素磷，是人工核轉變，故D錯誤。1．核反應的四種類型類型可控性核反應方程典例衰變α衰變自發eq\o\al(\s\up1(238),\s\do1(92))U→eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th＋eq\o\al(\s\up1(4),\s\do1(2))Heβ衰變自發eq\o\al(\s\up1(234),\s\do1(90))Th→eq