專題07原子核模型一、天然放射現象及三種射線1．天然放射現象(1)1896年，法國物理學家貝克勒爾發現某些物質具有放射性。(2)①放射性：物質發射射線的性質。②放射性元素：具有放射性的元素。③天然放射現象：放射性元素自發地發出射線的現象。(3)原子序數大于或等于83的元素，都能自發地發出射線，原子序數小于83的元素，有的也能放出射線。(4)瑪麗·居里和她的丈夫皮埃爾·居里發現了兩種放射性更強的新元素，命名為釙(Po)和鐳(Ra)。2．三種射線(1)α射線：實際上就是氦原子核，速度可達到光速的eq\f(1,10)，其電離能力強，穿透能力較差，在空氣中只能前進幾厘米，用一張紙就能把它擋住。(2)β射線：是高速電子流，它速度很大，可達光速的99%，它的穿透能力較強，電離能力較弱，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。(3)γ射線：呈電中性，是能量很高的電磁波，波長很短，在10－10m以下，它的電離作用更小，但穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板或幾十厘米厚的混凝土。說明：元素的放射性與它以單質還是化合物的形式存在無關，且天然放射現象不受任何物理變化、化學變化的影響。二、原子核的組成1．質子的發現(如圖所示)2．中子的發現(如圖所示)3．原子核的組成由質子和中子組成，它們統稱為核子。4．原子核的符號5．同位素具有相同質子數而中子數不同的原子核，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱同位素。例如，氫有三種同位素分別為eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。說明：同位素的化學性質相同，物理性質一般不同。三、原子核的衰變1．定義原子核自發地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變。2．衰變分類(1)α衰變：放出α粒子的衰變。(2)β衰變：放出β粒子的衰變。3．衰變過程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．衰變規律(1)原子核衰變時電荷數和質量數都守恒。(2)任何一種放射性元素只有一種放射性，不能同時既有α放射性又有β放射性，而γ射線伴隨α衰變或β衰變產生。說明：原子核衰變時質量數守恒，但不是質量守恒，有質量減少(也叫質量虧損)。四、半衰期與核反應1．半衰期(1)定義放射性元素的原子核有半數發生衰變所需的時間。(2)決定因素放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態和外部條件沒有關系。不同的放射性元素，半衰期不同。(3)應用利用半衰期非常穩定這一特點，可以測量其衰變程度、推斷時間。2．核反應(1)人工核轉變：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)定義：原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程。(3)特點：在核反應中，質量數守恒、電荷數守恒。說明：半衰期是大量原子核衰變的統計規律，只對大量原子核有意義，對少數原子核沒有意義。五、放射性同位素的應用與安全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，它們被稱為放射性同位素。2．放射性同位素的應用：(1)射線測厚儀。(2)放射治療。(3)培優、保鮮。(4)示蹤原子：一種元素的各種同位素具有相同的化學性質，用放射性同位素替換非放射性的同位素后，可以探測出原子到達的位置。3．輻射與安全：人類一直生活在放射性的環境中，過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止放射性物質對水源、空氣、用具等的污染。說明：一般放射性同位素半衰期短，而且強度容易控制，使用更廣泛。六、核力與四種基本相互作用1．強相互作用(1)定義：原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結合在一起，形成穩定的原子核，這種作用稱為強相互作用。(2)特點：①核力是強相互作用的一種表現，在原子核內，核力比庫侖力大得多。②是短程力，作用范圍只有約10－15m。2．弱相互作用(1)定義：在某些放射現象中起作用的還有另一種基本相互作用，稱為弱相互作用。(2)也是短程力，作用范圍只有10－18m。3．四種基本相互作用說明：強相互作用是短程力，每個核子只跟相鄰的核子發生作用，也叫核力的飽和性。七、結合能和質量虧損1．結合能原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。2．比結合能原子核的結合能與核子數之比，稱作比結合能，也叫平均結合能。比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。中等大小的核的比結合能最大，最穩定。3．質能方程物體的能量與它們質量的關系是：E＝mc2。4．質量虧損原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現象。注意：原子核的核子結合成原子核釋放的能量與把它們分開需要的能量相等。八、核裂變1．核裂變的發現(1)核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出核能的過程。(2)鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是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)鏈式反應當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續下去，這種由重核裂變產生的中子使核裂變反應一代一代繼續下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應。(4)鏈式反應的條件發生裂變物質的體積大于臨界體積或裂變物質的質量大于臨界質量。2．反應堆與核電站(1)核能釋放的控制通過可控制的鏈式反應實現核能釋放的裝置稱為核反應堆。(2)慢化劑反應堆中，為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水(也叫輕水)。(3)控制棒為了控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，反應過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。(4)能量輸出核燃料裂變釋放的能量使反應區溫度升高，水或液態的金屬鈉等流體在反應堆外循環流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發電。說明：核裂變是可以控制的，如核電站的建立和應用。九、核聚變1．定義兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。2．舉例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．條件(1)輕核的距離要達到10－15m以內。(2)需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應。4．優點(1)輕核聚變產能效率高。(2)地球上聚變燃料的儲量豐富。(3)輕核聚變更為安全、清潔。5．約束方法磁約束和慣性約束。【模型演練1】(多選)如圖所示，鉛盒A中裝有天然放射性物質，放射線從其右端小孔中水平向右射出，在小孔和熒光屏之間有垂直于紙面向里的勻強磁場，則下列說法中正確的有()A．打在圖中a、b、c三點的依次是α射線、γ射線和β射線B．α射線和β射線的軌跡是拋物線C．α射線和β射線的軌跡是圓弧D．如果在鉛盒和熒光屏間再加一豎直向下的勻強電場，則屏上的亮斑可能只剩下b【規律總結】三種射線的比較方法(1)知道三種射線帶電的性質，α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電。α、β是實物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種。(2)在電場或磁場中，通過其受力及運動軌跡半徑的大小來判斷α和β射線，由于γ射線不帶電，故運動軌跡仍為直線。(3)α射線穿透能力較弱，β射線穿透能力較強，γ射線穿透能力最強。【模型演練2】eq\o\al(238,92)U核經一系列的衰變后變為eq\o\al(206,82)Pb核，問：(1)一共經過幾次α衰變和幾次β衰變？(2)eq\o\al(206,82)Pb與eq\o\al(238,92)U相比，質子數和中子數各少了多少？(3)綜合寫出這一衰變過程的方程。【規律總結】衰變次數的判斷方法(1)衰變過程遵循質量數守恒和電荷數守恒。(2)每發生一次α衰變，質子數、中子數均減少2。(3)每發生一次β衰變，中子數減少1，質子數增加1。【模型演練3】關于原子核中質子和中子的說法，正確的是()A．原子核中質子數和中子數一定相等B．穩定的重原子核里，質子數比中子數多C．原子核都是非常穩定的D．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不可能無節制地增大原子核而仍穩定存在【規律方法】(1)核力是強相互作用力，只存在于相鄰核子之間。(2)核力的存在與核子是否帶電及電性無關。(3)原子核的穩定性與核力和庫侖力的大小關系有關。【模型演練4】取質子的質量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。請計算α粒子的結合能。(計算結果保留兩位有效數字)【規律總結】核能的兩種單位(1)若以kg為質量虧損Δm的單位，則計算時應用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子單位“u”為質量虧損單位，則ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J。【模型演練5】(多選)2017年11月17日，“中國核潛艇之父”——黃旭華獲評全國道德模范。下列有關核反應的說法正確的是()A．目前核潛艇是利用重核裂變提供動力B．重核裂變反應前后一定有質量虧損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．鈾核裂變后的新核比鈾核的比結合能小【規律總結】對重核裂變的兩點理解(1)重核裂變是中子轟擊質量數較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。(2)重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后質量有虧損，根本原因是重核的比結合能相比中等質量的核的比結合能要小。所以在重核分解為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量。【模型演練6】氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應方程如下：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)這個核反應稱為________。(2)要發生這樣的核反應，需要將反應物質的溫度加熱到幾百萬開爾文。式中17.6MeV是核反應中________(選填“放出”或“吸收”)的能量，核反應后生成物的總質量比核反應前物質的總質量________(選填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數字)。【規律總結】(1)核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據。(2)核能的計算關鍵是要求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。一、單選題1．（2025·河南安陽·一模）中國環流器二號M是我國新一代研究核聚變的磁約束實驗裝置，采用更先進的結構與控制方式，使等離子體的體積提高了2倍，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體溫度達到1.5億度，是聚變核能開發跨越式發展的重要依托裝置，其核聚變方程為，下面說法正確的是（）A．X為正電子B．該核反應電荷數守恒，但質量數不守恒C．的結合能大于的結合能D．的比結合能小于的比結合能2．（2024·甘肅·模擬預測）恒星內部發生著各種熱核反應，其中“氦燃燒”的核反應方程為，是不穩定的粒子，其半衰期為T，則下列說法正確的是（）A．的衰變需要外部作用激發才能發生B．經過兩個半衰期T，剩下的粒子占開始時的C．核反應的過程中質量數守恒，可知D．“氦燃燒”的核反應是聚變反應，反應過程中沒有質量虧損3．（2425高三上·河北張家口·期末）放射性同位素電池具有工作時間長、可靠性高和體積小等優點，是航天、深海、醫學等領域的重要新型電源，也是我國近年重點科研攻關項目。是制造電池的一種放射性同位素，已知的衰變方程為，式中的X為（）A． B． C． D．4．（2425高三上·甘肅臨夏·期末）甘肅省文物考古研究所蜀道考古研究項目（甘肅段）涉及羊馬城遺址和圣壽院遺址考古勘探。考古學家們利用放射性元素的半衰期可以確定文物的年代，衰變方程為，的半衰期是5730年，下列說法中正確的是（

）A．80個經過11460年后，還剩下20個B．衰變的實質是核內的一個中子轉變為一個質子，并放出一個電子C．從比結合能大的核向比結合能小的核轉變，這種核反應才能自發地發生D．衰變過程由于發生了質量虧損，會吸收能量5．（2425高三上·江蘇·期末）2024年10月中國科學院近代物理研究所的研究團隊合成新核素钚227，并測量了它的半衰期。已知钚227的衰變方程為，則其中X是（）A．α粒子 B．β粒子 C．質子 D．中子6．（2425高三上·天津河北·期末）2024年10月11日，中國散裂中子源（CSNS）打靶束流功率達到170kW并實現穩定供束運行，超過設計指標70%。下列核反應中放出的粒子為中子的是（）A．俘獲一個粒子，產生并放出一個粒子B．俘獲一個粒子，產生并放出一個粒子C．俘獲一個質子，產生并放出一個粒子D．俘獲一個質子，產生并放出一個粒子7．（甘肅省武威市20242025學年高三上學期期末聯考物理試卷）貝克勒爾是最早發現衰變的科學家，在衰變過程中往往能放出、、三種射線，下列關于三種射線的說法正確的是（

）A．射線的穿透性最弱 B．射線的電離能力最強C．射線帶負電 D．三種射線均來自核外電子的躍遷8．太陽內部發生的核反應主要是核聚變，太陽中存在的主要元素是氫，氫核的核聚變反應可以看做是4個氫核（H）結合成1個氦核（He）。表中列出了部分粒子的質量（1u相當于931.5MeV的能量），以下說法中不正確的是（）粒子名稱質子pα粒子電子e中子n質量/u1.00734.00150.000551.0087A．核反應方程式為4H→He＋2eB．核反應方程式為4H→He＋2eC．4個氫核結合成1個氦核時的質量虧損為0.0266uD．聚變反應過程中釋放的能量約為24.8MeV9．放射性元素經過多次α衰變和β衰變才能變成穩定的，下列說法正確的是（）A．發生β衰變時，釋放出電子，說明原子核內有電子存在B．衰變中產生的α射線比β射線穿透能力強C．每次衰變都會有核子從原子核里放出D．上述過程的衰變方程為10．（2024·河北邯鄲·模擬預測）2024年6月25日，嫦娥六號攜帶著從月球背面采來的樣品成功返回地球，這標志著我國的嫦娥探月工程又向前邁出了一大步。比嫦娥六號先行著陸月球的嫦娥四號，其上裝有核電池，可在月夜低溫環境下采集溫度信息。核電池將衰變釋放核能的一部分轉換成電能，的衰變方程為，下列說法正確的是（）A．衰變方程中的x等于3B．由組成的射線的電離能力比射線的強C．的比結合能比的比結合能大D．的中子數為9211．（2024·云南·一模）下列說法正確的是（

）A．放射性元素的半衰期由原子所處的溫度決定B．放射性元素的半衰期由原子所處的化學狀態決定C．盧瑟福通過α粒子散射實驗提出了原子核式結構模型D．一個氘核（）與一個氚核（）聚變生成一個氫核（）的同時，放出一個質子12．（2425高三上·河北·期末）香煙中含有多種放射性物質，其中以釙（）最為危險，是吸煙者罹患肺癌的原因之一。釙（）可以放出射線，衰變成穩定的鉛，半衰期為138天。下列說法正確的是（）A．香煙燃燒時，由于高溫的衰變將變快B．1000個原子核經過276天，將有750個原子核發生衰變C．衰變生成的鉛原子核內的中子數為124D．衰變產物的結合能之和比的結合能小13．（2425高三上·安徽·階段練習）钚的放射性同位素衰變為激發態鈾核和粒子X，而激發態鈾核又立即衰變為鈾核，該過程的衰變方程為。已知的半衰期約為87年，下列說法正確的是（）A．粒子X是質子B．該過程發生的是衰變C．一個钚核的質量等于一個鈾核和一個粒子X的質量之和D．經過87年，钚的質量數變為11914．一物理學習小組研究可作為核電池材料的衰變為的過程，根據測量數據，用橫坐標表示時間，用縱坐標表示任意時刻的質量m與初始時刻（時）的質量的比值，得出的圖像如圖所示。下列說法正確的是（

）A．衰變為釋放的α射線電離作用很弱B．衰變為釋放的α射線在電場中不會偏轉C．圖像中的D．圖像中的15．（2425高三上·江蘇·階段練習）碳14能夠自發地進行衰變：。碳14的半衰期為5730年。在考古和經濟建設中可用碳14測定年代。以下說法正確的是（）A．X射線是一種穿透能力極強的高頻電磁波B．碳14的衰變方程為C．溫度升高，碳14的半衰期會變長D．衰變后X與氮核的質量之和等于衰變前碳核的質量16．（2025·全國·模擬預測）具有放射性的元素作為示蹤劑，可以用來醫學成像與疾病診斷。示蹤劑可以由高速質子轟擊得到，核反應方程為①。后續的核反應方程為②，為質量非常輕、不帶電的中微子。下列說法正確的是（

）A．X為中子，Y為負電子B．反應②存在質量虧損，的比結合能大于的比結合能C．反應①為人工核轉變，反應②為核裂變D．反應②中，粒子的動量與的動量大小相等17．（2024·湖北·一模）2024年位于上海的聚變能源商業公司能量奇點宣布，由能量奇點設計、研發和建造的洪荒70裝置成功實現等離子體放電。這是全球首臺由商業公司研發建設的超導托卡馬克裝置。若該裝置熱核反應方程為、，下列說法正確的是（

）A．核反應方程中的X為中子 B．核反應方程中的Y為電子C．核反應過程中滿足質量守恒 D．的比結合能大于的比結合能二、多選題18．（2425高三上·甘肅白銀·期末）1919年，盧瑟福用鐳放射出的α粒子（）轟擊氮原子核（），從氮原子核中打出了質子（），并得到氧原子核，如圖所示。下列說法正確的是（）A．該氧原子核的電荷數為7 B．該氧原子核的中子數為9C．該氧原子核的質量數為17 D．該氧原子核的質量數為1819．下列說法中正確的是（）A．原子核發生一次β衰變，該原子外層就一定失去一個電子B．核泄漏事故污染物Cs會產生對人體有害的輻射，其核反應方程式為，可以判斷X為電子C．某種钚同位素的半衰期為88年，1g钚經過440年后還剩0.2gD．質子、中子、α粒子的質量分別是m1、m2、m3，質子和中子結合成一個α粒子，釋放的能量是（2m1＋2m2－m3）c220．質子數與中子數互換的核互為鏡像核，例如是的鏡像核，同樣也是的鏡像核。下列說法正確的是（）A．和互為鏡像核B．和互為鏡像核C．和互為鏡像核D．互為鏡像核的兩個核質量數相同21．下列說法中正確的是（）A．原子核發生一次β衰變，該原子外層就一定失去一個電子B．核泄漏事故污染物Cs會產生對人體有害的輻射，其核反應方程式為，可以判斷X為電子C．某種釷同位素的半衰期為24天，1g釷經過120天后還剩0.2gD．質子、中子、α粒子的質量分別是m1、m2、m3，質子和中子結合成一個α粒子，釋放的能量是（2m1＋2m2－m3）c222．（2024·浙江·模擬預測）核發生衰變的核反應式為，衰變過程發射出γ光子，并伴隨產生中微子。該γ光子照射到逸出功為W0的金屬上，打出的光電子速度為v。已知光電子的質量為m，真空中的光速為c，普朗克常量為h，則（）A．該衰變過程中Pa核內一個質子轉化為中子，這與弱相互作用力有關B．中微子和電子均屬于輕子C．光電子的物質波波長為D．核反應中產生的γ光子頻率為23．（2425高三上·廣東·階段練習）太陽能量的來源主要通過質子質子鏈反應（簡稱PP鏈），太陽產生的能量約來自該鏈反應。科學研究發現，該鏈反應主要通過如下方程發生：①，②，其中為正電子，為太陽中微子，下列說法正確的是（）A．方程式中X為，Y為 B．方程式中X為，Y為C．反應①屬于核聚變反應 D．Y的比結合能大于X的比結合能24．（2025·廣東·模擬預測）太陽能量的來源主要通過質子一質子鏈反應（簡稱PP鏈），太陽產生的能量約99%來自該鏈反應。科學研究發現，該鏈反應主要通過如下方程發生：①；②，其中為正電子，為太陽中微子，下列說法正確的是（）A．方程式中X為，Y為B．方程式中X為，Y為C．反應①屬于核聚變反應D．Y的比結合能大于X的比結合能25．空間中有如圖所示的勻強電場，剛放入O點可視為靜止的原子核立刻發生衰變。之后衰變產物