第2講原子核知識梳理

一、原子核的衰變1.(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稱為原

子核的衰變。衰變時通常伴隨著γ射線放出。(2)3種射線的比較種類本質(zhì)電離本領(lǐng)穿透本領(lǐng)α射線?He①最強

②最弱

(只能在空氣中前進

幾厘米,一張薄紙就能把它擋住)β射線?e③較弱

④較強

(能穿透幾毫米的鋁

板)γ射線光子⑤最弱

⑥最強

(能穿透幾厘米的鉛

板)2.分類α衰變

X

Y+⑦

He

β衰變

X

Y+⑧

e

3.半衰期:放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間。半衰期由

原子核內(nèi)部的因素決定,跟原子所處的⑩物理

、化學狀態(tài)無關(guān)。二、原子核的人工轉(zhuǎn)變和核能的釋放1.人工轉(zhuǎn)變一種原子核在其他粒子作用下變成另一種原子核的變化稱為人工轉(zhuǎn)

變。利用人工轉(zhuǎn)變,人們發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子,認識了原子結(jié)構(gòu)。重要的核反應方程式有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應方程:①

N

He

O

H

(盧瑟福)。發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程:②

Be

He

C

n

(查德威克)。發(fā)現(xiàn)正電子的核反應方程:③

。2.重核裂變重核裂變是重核分裂成④中等質(zhì)量

的核的反應過程,如

U

n

Xe

Sr+1

n。由于中子的增值使裂變反應能持續(xù)地進行的過程稱為⑤鏈式

反

應。發(fā)生鏈式反應的條件是:裂變物質(zhì)的體積⑥大于或等于

臨界體

積。3.輕核聚變輕核聚變是⑦輕核

結(jié)合成⑧質(zhì)量較大

的核的反應過程,如

H

H

He

n。發(fā)生聚變反應的條件是:超高溫(幾百萬攝氏度以上)——熱核反應。4.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E=⑨mc2

,核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損,

由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能ΔE=⑩

Δmc2

;反之,由核能也可求出

反應過程的質(zhì)量虧損。

1.已知天然放射現(xiàn)象放出α、β、γ三種射線。下列說法正確的是

(

)A.α、β、γ三種射線分別是氦原子核、電子和中子B.三種射線中α射線速度最快、β射線電離作用最強、γ射線穿透能力

最強C.α射線轟擊氮原子核可以產(chǎn)生質(zhì)子,核反應方程為

He+

O

HD.英國物理學家J.J.湯姆孫最早用α射線完成著名的“α粒子散射實

驗”并提出核式結(jié)構(gòu)的原子模型答案

C

γ射線是高速光子流,A錯誤。α射線電離作用最強,B錯誤。

發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應方程是

He

N

O

H,C正確。盧瑟福最早用α射線完成著名的“α粒子散射實驗”并提出原子核式結(jié)構(gòu)模型,D錯誤。C2.下列核反應方程的說法中正確的是

()A

N

H

C

He是α衰變方程B

H

H

He+γ是核裂變方程C

U

Th

He是核聚變方程D

He

Al

P

n是原子核人工轉(zhuǎn)變方程答案

D

N

H

C

He是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程,A錯誤

H

H

He+γ是核聚變方程,

Th

He是α衰變方程,B、C均錯誤

He

Al

P

n是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程,D正確。D3.在一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成一個氘核的核反應過程中虧損的質(zhì)量

為Δm,則此核反應過程中

()A.向外界釋放的能量為Δmc2B.向外界釋放的能量為ΔmcC.從外界吸收的能量為Δmc2D.從外界吸收的能量為Δmc答案

A

H

n

D,此過程為核聚變,有質(zhì)量虧損,釋放能量ΔE=Δmc2,A正確。A深化拓展考點一衰變規(guī)律考點二核反應的四種類型考點三質(zhì)能方程及核能的釋放考點四運用愛因斯坦質(zhì)能方程分析宇宙的演變深化拓展考點一衰變規(guī)律1.三種射線的本質(zhì)和特性

帶電性電離能力穿透能力構(gòu)成速度實質(zhì)α射線正強弱?He0.1c氦核流β射線負弱強?e0.99c電子流γ射線中最弱極強光子c光子流2.α衰變和β衰變的比較【情景素材·教師備用】三種射線的穿透能力

1-1

(2015北京理綜,14,6分,0.89)下列核反應方程中,屬于α衰變的是

()A

N

He

O

H

B

U

Th

HeC

H

H

He

n

D

Th

Pa

eB答案

B

A項屬于原子核的人工轉(zhuǎn)變,B項屬于α衰變,C項屬于聚變反應,D項屬于β衰變。1-2

(2017北京昌平二模,18)圖為一放射源發(fā)出的α、β、γ射線進入同

一勻強磁場(磁場未畫出)中的徑跡。表中列出了三種射線的本質(zhì)和特

性。

種類本質(zhì)質(zhì)量(u)電荷(e)速度(c)α射線氦核4+20.1β射線電子1/1840-10.99γ射線光子001答案

A帶電粒子垂直于磁場方向進入磁場,做勻速圓周運動,Bqv=m

,R=

,

=

=

>1,圖中a的軌跡半徑大,a為α射線,b為β射線,c不偏轉(zhuǎn),為γ射線。由左手定則可知磁場方向垂直紙面向

里。由此可知

()A.磁場方向垂直紙面向里,a為α射線,b為β射線B.磁場方向垂直紙面向里,a為β射線,b為α射線C.磁場方向垂直紙面向外,a為β射線,b為α射線D.磁場方向垂直紙面向外,b為α射線,c為γ射線A考點二核反應的四種類型

2-1

(2017北京西城一模,14)下列核反應方程中,屬于核聚變的是

(

)A

H

H

He

n

B

Th

Pa

eC

U

Th

He

D

U

n

Ba

Kr+

n

A答案

A

B為β衰變,C為α衰變,D為核裂變,A為核聚變。2-2下列說法正確的是

()A.研制核武器的钚239

Pu)由鈾239

U)經(jīng)過4次β衰變而產(chǎn)生B

U在中子轟擊下生成

Sr和

Xe的核反應前后核子總數(shù)減少C.20g的

U經(jīng)過兩個半衰期后未衰變的鈾核質(zhì)量變?yōu)?5gD.用γ射線治療腫瘤時一定要嚴格控制劑量,以免對人體正常組織造成

太大的危害答案

D由鈾239

U)經(jīng)過2次β衰變即可得到钚239

Pu),A錯誤;核反應過程中核子數(shù)是守恒的,故B錯誤;20g的

U經(jīng)過兩個半衰期后未衰變的鈾核質(zhì)量應為5g,C錯誤;γ射線是一種放射性射線,超劑量使用對

人體是有害的,D正確。D考點三質(zhì)能方程及核能的釋放1.質(zhì)能方程愛因斯坦的相對論指出,物體的質(zhì)量和能量存在著密切聯(lián)系,即E=mc2,

這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程。2.質(zhì)能方程的理解質(zhì)能方程告訴我們質(zhì)量和能量之間存在著簡單的正比關(guān)系,物體的能量

增大了,質(zhì)量也增大;能量減小了,質(zhì)量也減小。且核反應中釋放的能量

與質(zhì)量虧損成正比,ΔE=Δmc2。3.核反應中釋放的核能的計算(1)根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程,用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)量虧損(Δm)乘以

真空中光速的平方,即ΔE=Δmc2。(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(1u)相當于931.5MeV,用核子結(jié)合成原子核時質(zhì)

量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV,即ΔE=Δm×931.5MeV。【情景素材·教師備用】

核反應堆示意圖

3-1

(2014北京理綜,14,6分)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和

m3。當一個質(zhì)子和一個中子結(jié)合成氘核時,釋放的能量是(c表示真空中

的光速)

()A.(m1+m2-m3)c

B.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2

D.(m1-m2-m3)c2

答案

C此核反應方程為

H

n

H,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程得ΔE=Δm·c2=(m1+m2-m3)c2,C正確。C3-2

(2017北京理綜,23,18分)在磁感應強度為B的勻強磁場中,一個靜

止的放射性原子核發(fā)生了一次α衰變。放射出的α粒子

He)在與磁場垂直的平面內(nèi)做圓周運動,其軌道半徑為R。以m、q分別表示α粒子的質(zhì)

量和電荷量。(1)放射性原子核用

X表示,新核的元素符號用Y表示,寫出該α衰變的核反應方程。(2)α粒子的圓周運動可以等效成一個環(huán)形電流,求圓周運動的周期和環(huán)

形電流大小。(3)設該衰變過程釋放的核能都轉(zhuǎn)化為α粒子和新核的動能,新核的質(zhì)量

為M,求衰變過程的質(zhì)量虧損Δm。

答案見解析

解析(1

X

Y

He(2)設α粒子的速度大小為v,由qvB=m

,T=

,得α粒子在磁場中運動周期T=

環(huán)形電流大小I=

=

(3)由qvB=m

,得v=

設衰變后新核Y的速度大小為v',系統(tǒng)動量守恒Mv'-mv=0v'=

=

由Δmc2=

Mv'2+

mv2得Δm=

說明:若利用M=

m解答,亦可。考點四運用愛因斯坦質(zhì)能方程分析宇宙的演變在宇宙中存在許許多多熱核反應,也是宇宙星體演變的主要形式和

規(guī)律,故愛因斯坦質(zhì)能方程應用到宇宙天體中,就成為人類探究宇宙奧

秘的主要方法,也是高考命題的常用手法。【情景素材·教師備用】太陽內(nèi)部時刻發(fā)生著核聚變

4-1太陽的能量來自下面的反應:四個質(zhì)子(氫核)聚變成一個α粒子,同

時發(fā)射兩個正電子和兩個沒有靜止質(zhì)量的中微子νe,若太陽輻射能量的

總功率為P,質(zhì)子

H、氦核

He、正電子

e的質(zhì)量分別為mp、mHe、me,真空中的光速為c,求:(1)寫出核反應方程式。(2)核反應所釋放的能量ΔE。(3)在t時間內(nèi)參與上述熱核反應的質(zhì)子數(shù)目。

答案見解析解析(1)核反應方程式為?H?He+?e+νe(2)質(zhì)量虧損Δm=(4mp-mHe-2me),根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE=Δmc2,核反應釋放的能量ΔE=(4mp-mHe-2me)c2(3)設時間t內(nèi)參與熱核反應的質(zhì)子數(shù)為N依據(jù)能量關(guān)系Pt=N

,得N=

。4-2天文學家測得銀河系中氦的含量約為25%。有關(guān)研究表明,宇宙

中氦生成的途徑有兩條:一是在宇宙誕生后3分鐘左右生成的;二是在宇

宙演化到恒星誕生后,由恒星內(nèi)部的氫核聚變反應生成的。(1)把氫核聚變反應簡化為4個氫核(

H)聚變成氦核(

He),同時放出2個正電子(

e)和2個中微子(νe),請寫出該氫核聚變反應的方程,并計算一次反應釋放的能量。(2)研究表明,銀河系的年齡約為t=3.8×1017s,每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量

約為1×1037J(即P=1×1037J/s)。現(xiàn)假定該能量全部來自上述氫核聚變反

應,試估算銀河系中氦的含量(最后結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。(3)根據(jù)你的估算結(jié)果,對銀河系中氦的主要生成途徑作出判斷。(可能用到的數(shù)據(jù):銀河系質(zhì)量約為M=3×1041kg,原子質(zhì)量單位1u=1.66×10-27kg,1u相當于1.5×10