高考物理 第16章 第2講 放射性元素的衰變 核能知識研習(xí) 新人教版

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1、 1天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象揭開了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕通過對無數(shù)放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)：原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也有放射性，它們放射出來的射線共有3種貝可勒爾貝可勒爾(2)3種射線：射線：速度為光速1/10的，貫穿作用，電離作用射線：速度約為光速99%的，貫穿作用，電離作用射線：速度為光速的 (波長極短的電磁波)，貫穿作用，電離作用氦核流氦核流弱弱很強很強電子流電子流很強很強較弱較弱光子流光子流最強最強很弱很弱 2原子核的人工轉(zhuǎn)變 用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程，即：ZAXxZAYy. 其

2、中ZAX是靶核的符號，x為入射粒子，ZAY是新核，y是放射出的粒子的符號 原子核的人工轉(zhuǎn)變使人們推知原子核的組成：由質(zhì)子和中子組成核電荷數(shù)質(zhì)子數(shù)，質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)原子核反應(yīng)遵守 和守恒質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)電荷數(shù) 3原子核的衰變 (1)原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓兴プ?、衰變和衰?(2)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放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的或無關(guān)物理狀態(tài)物理狀態(tài)化學(xué)狀態(tài)化學(xué)狀態(tài)4核能(1)核力：核子之間的作用力(2)核能：由于原子核中的核子間存在強大的核力，使得原子核成為一個堅固的集合體要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做

3、巨大的功反之，要把核子集合成一個原子核，就要放出巨大的能量單個核子結(jié)合成原子核或原子核分裂成單個核子，放出或吸收的能量叫做原子核的 相鄰相鄰結(jié)合能結(jié)合能 (3)質(zhì)能方程： 質(zhì)量虧損：組成原子核的核子的質(zhì)量和與原子核的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損 質(zhì)能方程：一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的能量和它的質(zhì)量成正比，即 . (4)核能的計算：根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于 能量，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931.5 MeV，即Em931.5 MeV.注意：該式中m的單位是u，E的單位是MeV.Emc2931.5 MeV(5)核能的利用途徑：重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個(或多

4、個) 核的反應(yīng)過程重核裂變的同時放出幾個中子，并釋放出大量核能為了使鈾235裂變時發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積，如 92235U01n3692Kr 56141Ba301n.輕核聚變：某些輕核結(jié)合成的核，同時釋放出大量核能的反應(yīng)過程要想使氘核和氘核結(jié)合成氦核，必須達到幾百萬度以上的高溫因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)，如：12H13H24He01n.中等質(zhì)量中等質(zhì)量質(zhì)量較大質(zhì)量較大(即時鞏固解析為教師用書獨有)考點一核反應(yīng)的4種類型類型類型可控性可控性核反應(yīng)方程典例核反應(yīng)方程典例衰變衰變衰變衰變自發(fā)自發(fā) 92238U 90234Th24He衰變衰變自發(fā)自發(fā) 90234Th 91234Pa

5、10e人工人工轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂迫斯た刂?714N24He 817O11H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)24He49Be 612C01n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子查德威克發(fā)現(xiàn)中子)1327Al24He1530P01n約里奧約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子1530P1430Si10e重核重核裂變裂變比較容易進比較容易進行人工控制行人工控制 92235U01n 56144Ba3689Kr301n 92235U01n 54136Xe3890Sr1001n輕核輕核聚變聚變除氫彈外無除氫彈外無法控制法控制12H13H24He01n【技巧提示】書寫原子核的衰變

6、方程時應(yīng)注意：(1)核反應(yīng)過程一般都不是可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號連接(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實驗為基礎(chǔ)，不能只依據(jù)兩個守恒規(guī)律憑空杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程(3)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會發(fā)生變化(質(zhì)量虧損)且釋放出核能(4)核反應(yīng)遵循電荷數(shù)守恒(5)當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生連續(xù)衰變時，原子核中有的發(fā)生衰變，有的不發(fā)生衰變， 同時伴隨著輻射【案例1】現(xiàn)有5個核反應(yīng)：A12H13H24He01nB. 92235U01nX3894Sr201nC1124Na1224Mg10e D. 88220Ra 86216Rn24HeE2

7、4He1327Al1530P01n(1)_是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，_是研究兩彈的基本核反應(yīng)方程(2)求B項反應(yīng)中X的質(zhì)量數(shù)和中子數(shù)(3)判斷以上五個核反應(yīng)的反應(yīng)類型【解析】根據(jù)核反應(yīng)方程遵循的基本規(guī)律，正確書寫方程，還要注意衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變的區(qū)別(1)E是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，A是氫彈的核反應(yīng)方程，B是原子彈的核反應(yīng)方程(2)由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可以判定X質(zhì)量數(shù)為140，電荷數(shù)為54.所以，中子數(shù)為：1405486.(3)衰變是原子核自發(fā)地放出粒子或粒子的反應(yīng)，C是衰變，D是衰變，E是人工控制的原子核的變化，屬人工轉(zhuǎn)變裂變是重核吸收中子后分裂成幾個中等質(zhì)量的核的反應(yīng)，B

8、是裂變；聚變是幾個輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核的反應(yīng)，A是聚變【答案】(1)EA、B(2)14086(3)見解析【即時鞏固1】(2010廣東理綜)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有()A. 92238U 90234Th24He 是衰變B. 714N24He 817O11H 是衰變C12H13H24He01n 是輕核聚變D3482Se3682Kr210e 是重核裂變【解析】衰變是放射出氦核的天然放射現(xiàn)象，A正確；衰變是放射出電子的天然放射現(xiàn)象，而B項是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的原子核人工轉(zhuǎn)變，故B錯；C項是輕核的聚變，D項是衰變現(xiàn)象，故C對，D錯【答案】A、C 考點二半衰期 確定衰變次數(shù)的方法：設(shè)放射性元素Z

9、AX經(jīng)過n次衰變和m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素ZAY，則表示該核反應(yīng)的方程為：ZAXZAYn24Hem10e. 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量守恒可列方程： AA4n，ZZ2nm. 由此可見，確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個二元一次方程組【技巧提示】(1)半衰期是大量原子核衰變時的統(tǒng)計規(guī)律，個別原子核經(jīng)多長時間衰變無法預(yù)測對個別或極少數(shù)原子核，無半衰期可言(2)確定衰變次數(shù)，往往先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù)，因為衰變對質(zhì)量數(shù)無影響，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)這樣做比較簡捷【案例2】(2010福建理綜)14C測年法是利用14C衰變規(guī)律對古生物進行年代測定的方法若以橫坐標(biāo)t表示時間，縱坐標(biāo)m表示任意時刻1

10、4C的質(zhì)量，m0為t0時14C的質(zhì)量 下 面 四 幅 圖 中 能 正 確 反 映1 4C 衰 變 規(guī) 律 的 是_(填選項前的字母)【解析】本題意在考查衰變規(guī)律、半衰期等知識點，意在考查學(xué)生的圖象表達能力.14C衰變過程中每經(jīng)過一個半衰期，質(zhì)量減少為原來的一半，故其質(zhì)量減少得越來越慢，且衰變是時刻都在發(fā)生的，故C項正確【答案】C【誤區(qū)警示】(1)半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變，變成新核，并不是原子核的數(shù)量、質(zhì)量減少一半【即時鞏固2】某放射性元素原為8 g，經(jīng)6天時間已有6 g發(fā)生了衰變，此后再衰變1 g還需要幾天？【解析】 【答案】3天考點三核能1質(zhì)能方程一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能

11、量和它的質(zhì)量成正比，即Emc2.方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量存在簡單的正比關(guān)系：物體的能量增大，質(zhì)量也增大；物體的能量減少，質(zhì)量也減小(1)核子在結(jié)合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損m，其能量也要相應(yīng)減少，即Emc2.(2)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加m，吸收的能量為Emc2.2獲得方式核能的重核裂變和輕核聚變聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個核子放出的能量要大34倍【技巧提示】(1)核能的計算方法：根據(jù)Emc2計算，計算時m的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，E的單位是“J”根據(jù)Em931.5 MeV計算根據(jù)平均結(jié)合能來計算核能原子核的結(jié)合能核子平均結(jié)合能核子數(shù)(2)利用質(zhì)

12、能方程計算核能時，不能用質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量進行計算【案例3】(2009海南高考)钚的放射性同位素 94239Pu靜止時衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài) 92235U和粒子，而鈾核激發(fā)態(tài) 92235U立即衰變?yōu)殁櫤?92235U，并放出能量為0.097 MeV的光子已知： 94239Pu、 92235U和粒子的質(zhì)量分別為mPu239.052 l u、mu235.043 9 u和m4.002 6 u，l u931.5 MeV/c2.(1)寫出衰變方程；(2)已知衰變放出的光子的動量可忽略，求粒子的動能【解析】(1)衰變方程為： 94239Pu 92235U， 92235U 92235U.或合起來有 94239Pu 9

13、2235U.(2)上述衰變過程的質(zhì)量虧損為mmPumUm.放出的能量為Ec2m.這能量是鈾核 92235U的動能EU、粒子的動能E和光子的能量E之和，即EEUEE.由式得EUE(mPumUm)c2E.設(shè)衰變后的鈾核和粒子的速度分別為vU和v，則由動量守恒有mUvUmv.【即時鞏固3】某些建筑材料可產(chǎn)生放射性氣體氡，氡可以發(fā)生或衰變，如果人長期生活在氡濃度過高的環(huán)境中，那么，氡經(jīng)過人的呼吸道沉積在肺部，并大量放出射線，從而危害人體健康原來靜止的質(zhì)量為M的氡核( 86222Rn)發(fā)生一次衰變生成新核釙(Po)已知衰變后的粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q、速度為v，并假設(shè)衰變過程中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為粒子和新核的動能(注：涉及動量問題時，虧損的質(zhì)量可忽略不計)(1)寫出衰變方程；(2)求出衰變過程中的質(zhì)量虧損【解析】(1) 86222Rn 84218Po24He.(2)設(shè)新核釙的速度為v