物理第十六章 原子結構與原子核 第2講 原子核

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1、第2講原子核知識梳理知識梳理一、原子核的衰變一、原子核的衰變1.(1)衰變:原子核放出粒子或粒子,變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。衰變時通常伴隨著射線放出。(2)3種射線的比較種類本質(zhì)電離本領穿透本領射線He最強最強最弱最弱(只能在空氣中前進幾厘米,一張薄紙就能把它擋住)射線e較弱較弱較強較強(能穿透幾毫米的鋁板)射線光子最弱最弱最強最強(能穿透幾厘米的鉛板)42012.分類分類衰變XY+He衰變XY+e:AZ42AZ42:AZ1AZ013.半衰期半衰期: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,跟原子所處的物理物理、化學狀態(tài)無關。二、原子核的人工轉(zhuǎn)變和

2、核能的釋放二、原子核的人工轉(zhuǎn)變和核能的釋放1.人工轉(zhuǎn)變?nèi)斯まD(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,認識了原子結構。重要的核反應方程式有發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應方程:NHeOH(盧瑟福)。發(fā)現(xiàn)中子的核反應方程:BeHeCn(查德威克)。發(fā)現(xiàn)正電子的核反應方程:。14742178119442126102.重核裂變重核裂變重核裂變是重核分裂成中等質(zhì)量中等質(zhì)量的核的反應過程,如UnXeSr+1n。由于中子的增值使裂變反應能持續(xù)地進行的過程稱為鏈式鏈式反應。發(fā)生鏈式反應的條件是:裂變物質(zhì)的體積大于或等于大于或等于臨界體積。23592:10136549

3、0381003.輕核聚變輕核聚變輕核聚變是輕核輕核結合成質(zhì)量較大質(zhì)量較大的核的反應過程,如HHHen。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。21:3142104.質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損質(zhì)能方程、質(zhì)量虧損愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc2,核子在結合成原子核時出現(xiàn)質(zhì)量虧損,由質(zhì)量虧損可求出釋放的核能E=mc2;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、三種射線。下列說法正確的是()A.、三種射線分別是氦原子核、電子和中子B.三種射線中射線速度最快、射線電離作用最強、射線穿透能力最強C.射線轟擊氮原子核可以產(chǎn)生質(zhì)子,核反應方程為He+OHD.英國物理學家J.J.湯姆

4、孫最早用射線完成著名的“粒子散射實驗”并提出核式結構的原子模型4211答案答案C射線是高速光子流,A錯誤。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HeNOH,C正確。盧瑟福最早用射線完成著名的“粒子散射實驗”并提出原子核式結構模型,D錯誤。4214717811C2.下列核反應方程的說法中正確的是()ANHCHe是衰變方程BHHHe+是核裂變方程CUThHe是核聚變方程DHeAlPn是原子核人工轉(zhuǎn)變方程157.111264211.213223892.234904242.2713301510答案答案DNHCHe是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程,A錯誤HHHe+是核聚變方程,ThHe是衰變方程,B、C

5、均錯誤HeAlPn是原子核的人工轉(zhuǎn)變方程,D正確。157111264211;21322382349290 U 4242;2713301510D3.在一個質(zhì)子和一個中子結合成一個氘核的核反應過程中虧損的質(zhì)量為m,則此核反應過程中()A.向外界釋放的能量為mc2B.向外界釋放的能量為mcC.從外界吸收的能量為mc2D.從外界吸收的能量為mc答案答案AHnD,此過程為核聚變,有質(zhì)量虧損,釋放能量E=mc2,A正確。111021A深化拓展深化拓展考點一考點一衰變規(guī)律衰變規(guī)律考點二考點二核反應的四種類型核反應的四種類型考點三考點三質(zhì)能方程及核能的釋放質(zhì)能方程及核能的釋放考點四考點四運用愛因斯坦質(zhì)能方程運

6、用愛因斯坦質(zhì)能方程分析宇宙的演變分析宇宙的演變深化拓展深化拓展考點一衰變規(guī)律考點一衰變規(guī)律1.三種射線的本質(zhì)和特性三種射線的本質(zhì)和特性帶電性電離能力穿透能力構成速度實質(zhì)射線正強弱He0.1c氦核流射線負弱強e0.99c電子流射線中最弱極強光子c光子流42012.衰變和衰變和衰變的比較衰變的比較【情景素材情景素材教師備用教師備用】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,屬于衰變的是()ANHeOHBUThHeCHHHenDThPae147.421781123892.234904221.31421023490.2349101B答案答案BA項屬于原子核的人

7、工轉(zhuǎn)變,B項屬于衰變,C項屬于聚變反應,D項屬于衰變。1-2(2017北京昌平二模,18)圖為一放射源發(fā)出的、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)射線氦核4+20.1射線電子1/1840-10.99射線光子001答案答案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為射線,b為射線,c不偏轉(zhuǎn),為射線。由左手定則可知磁場方向垂直紙面向里。2vRmvBqRRm v qm v q4 1840 0.1 11 0.99 2由此可知()A.磁場方向垂直紙面向里,a為射線,b為射線

8、B.磁場方向垂直紙面向里,a為射線,b為射線C.磁場方向垂直紙面向外,a為射線,b為射線D.磁場方向垂直紙面向外,b為射線,c為射線A考點二核反應的四種類型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()AHHHenBThPaeCUThHeDUnBaKr+n21.31421023490.234910123892.234904223592.10144568936103A答案答案AB為衰變,C為衰變,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239Pu)由鈾239U)經(jīng)過4次衰變而產(chǎn)生BU在中子轟擊下生成Sr和Xe的核反應前后

9、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23994(23992(23892.94381405423892答案答案D由鈾239U)經(jīng)過2次衰變即可得到钚239Pu),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;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。23992(23994(23892D考點三質(zhì)能方程及核能的釋放考點三質(zhì)能方程及核能的釋放1.質(zhì)能方程質(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

10、,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,E=mc2。3.核反應中釋放的核能的計算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,用核子結合成原子核時質(zhì)量虧損(m)乘以真空中光速的平方,即E=mc2。(2)根據(jù)1原子質(zhì)量單位(1u)相當于931.5MeV,用核子結合成原子核時質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5MeV,即E=m931.5MeV?！厩榫八夭那榫八夭慕處焸溆媒處焸溆谩亢朔磻咽疽鈭D3-1(2014北京理綜,14,6分

11、)質(zhì)子、中子和氘核的質(zhì)量分別為m1、m2和m3。當一個質(zhì)子和一個中子結合成氘核時,釋放的能量是(c表示真空中的光速)()A.(m1+m2-m3)cB.(m1-m2-m3)cC.(m1+m2-m3)c2D.(m1-m2-m3)c2答案答案C此核反應方程為HnH,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程得E=mc2=(m1+m2-m3)c2,C正確。111021C3-2(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)生了一次衰變。放射出的粒子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

12、表示,寫出該衰變的核反應方程。(2)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m。42(AZ答案答案見解析解析解析(1XYHe(2)設粒子的速度大小為v,由qvB=m,T=,得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mc2=Mv2+mv2AZ)A 4Z 2422vR2 Rv2 mqBqT22 mq B2vRqBRmmvMqBRM1212得m=說明:若利用M=m解答,亦可。22(Mm)(qBR

13、)2mMcA44考點四運用愛因斯坦質(zhì)能方程分析宇宙的演變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。【情景素材情景素材教師備用教師備用】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e,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E。(3)在t時間

14、內(nèi)參與上述熱核反應的質(zhì)子數(shù)目。11420111442012答案答案見解析解析解析(1)核反應方程式為H He+e+e(2)質(zhì)量虧損m=(4mp-mHe-2me),根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得E=mc2,核反應釋放的能量E=(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(e),

15、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=3.81017s,每秒鐘銀河系產(chǎn)生的能量約為11037J(即P=11037J/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(最后結果保留一位有效數(shù)字)。(3)根據(jù)你的估算結果,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=31041kg,原子質(zhì)量單位1u=1.6611420110-27kg,1u相當于1.510-10J的能量,電子質(zhì)量me=0.0005u,氦核質(zhì)量m=4.0026u,氫核質(zhì)量mp=1.0078u,中微子e質(zhì)量為零。)答案答案見解析解析解析(1)HHe+e+2em=4mp-m-2meE=mc2=4.1410-12J(2)m=m=6.11039kg氦的含量k=2%(3)由估算結果可知,k2%遠小于25%的實際值,所以銀河系中的氦主要是宇宙誕生后不久生成的。11442012PtEmM39416.1 103 10