1、原子结构原子结构原子核原子核（ 选 考 ）（ 选 考 ）原子核与放射性原子核与放射性核能波与粒子核能波与粒子第十五章一、天然放射现象一、天然放射现象1.天然放射现象：某些元素天然放射现象：某些元素放射放射某些射线的现象称为天然放射现象，这些元某些射线的现象称为天然放射现象，这些元素称素称.2.三种射线的本质：三种射线的本质：射线是射线是，射线是射线是，射线是射线是.自发地自发地放射性元素放射性元素氦核流氦核流电子流电子流光子流光子流二、原子核的衰变二、原子核的衰变1.定义：原子核自发地放出某种粒定义：原子核自发地放出某种粒子而转变为子而转变为的变化叫原子核的的变化叫原子核的.2.分类分类(1)
2、衰变：衰变：同时同时放出放出射线射线.(2)衰变：衰变：同时同时放出放出射线射线.新核新核衰变衰变XAZ42YAZ 42HeXAZ1YAZ 01e 3.半衰期半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有定义：放射性元素的原子核有发生发生衰变需要的时间衰变需要的时间.(2)半衰期的大小由放射性元素的原子核内半衰期的大小由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的部本身的因素决定，跟原子所处的. (如压强、温度等如压强、温度等)或或 (如单质或化合如单质或化合物物)无关无关.4.放射性同位素有些原子的原子核电荷数放射性同位素有些原子的原子核电荷数，但质量数，但质量数，这样一些具有相同核电荷，这样
3、一些具有相同核电荷数和不同中子数的原子互称为同位素数和不同中子数的原子互称为同位素.半数半数物理状态物理状态化学状态化学状态相同相同不同不同三、核能三、核能1.核力：核力：间的相互作用力叫做核力，间的相互作用力叫做核力，它是短程力它是短程力.2.质量亏损：原子核在核反应前后的质量亏损：原子核在核反应前后的.3.质能方程质能方程(1)方程：方程：.(2)物理意义：物体的质量和能量间有一定物理意义：物体的质量和能量间有一定联系，即物体具有的能量与其质量成正比联系，即物体具有的能量与其质量成正比.当物当物体的能量增加或减小体的能量增加或减小E,它的质量也会相应地减它的质量也会相应地减少或增加少或增加
4、m，E与与m的关系是的关系是E=mc2.核子核子质量之差质量之差E=mc24.获得核能的方式获得核能的方式(1)重核裂变：重核俘获一个中子后分裂重核裂变：重核俘获一个中子后分裂成两个成两个(或多个或多个)中等质量核的反应过程中等质量核的反应过程.重核重核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核裂变的同时放出几个中子，并释放出大量核能能.如：如： .应用：原子弹、原子核反应堆应用：原子弹、原子核反应堆14192156360BaKr 3 n 23592U 10n(2)轻核聚变：某些轻核结合成质量轻核聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能的核
5、能.要想使氘核和氚核结合成氦核，要想使氘核和氚核结合成氦核，必须达到几百万度以上的高温，因此裂必须达到几百万度以上的高温，因此裂变反应又叫变反应又叫反应反应.如：如： .应用：氢弹应用：氢弹热核热核2311HH 42He 10n四、光电效应四、光电效应1.金属在光金属在光(包括不可见光包括不可见光)的照射的照射下，发射出下，发射出的现象叫光电效应的现象叫光电效应.发射出来的电子叫光电子发射出来的电子叫光电子.2.光电效应规律光电效应规律(1)任何一种金属都有一个极限频率任何一种金属都有一个极限频率0，只有入射光的频率，只有入射光的频率0时，才能时，才能产生光电效应产生光电效应.电子电子大于大于
6、(2)光电子的最大初动能与入射光的光电子的最大初动能与入射光的强度强度，只随着入射光的频率增大，只随着入射光的频率增大而而.(3)入射光照到金属上时，光电子的入射光照到金属上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9s.(4)在发生光电效应时，光电流的强在发生光电效应时，光电流的强度与入射光的强度成正比度与入射光的强度成正比.无关无关增大增大五、康普顿效应五、康普顿效应X射线散射时，部分散射光的波长射线散射时，部分散射光的波长变长，波长改变的多少与散射角有关，变长，波长改变的多少与散射角有关，这种现象称为康普顿效应这种现象称为康普顿效应.六、波粒二象性六、波粒
7、二象性光具有波粒二象性，光子既有粒子光具有波粒二象性，光子既有粒子的特征，又有波的特征的特征，又有波的特征.实物粒子实物粒子(原子、原子、质子、中子、电子等质子、中子、电子等)也具有波粒二象也具有波粒二象性性.粒子能量粒子能量E=h.粒子动量粒子动量p= .h 应用质量数和电荷数守恒，应用质量数和电荷数守恒，进行核反应方程和核反应类型的判断进行核反应方程和核反应类型的判断在原子核的核反应过程中遵循质量在原子核的核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，在很多情况下，数守恒和电荷数守恒，在很多情况下，可以作为判断反应方程是否正确的依据可以作为判断反应方程是否正确的依据. 在匀强磁场中有一个原来静止
8、的放射在匀强磁场中有一个原来静止的放射性同位素，它所放射的粒子与反冲核的性同位素，它所放射的粒子与反冲核的径迹在磁场中是两个内切圆，圆的半径之比径迹在磁场中是两个内切圆，圆的半径之比是是7 1，如图，如图15-2-1所示，那么的衰变所示，那么的衰变方程是方程是( )A.B.C.D.图图15-2-114C146C41024HeBe 14051Be 146C146C146C14071Ne 13151BH 14C原来静止的放射性同位素，原来静止的放射性同位素，发生放射性衰变时所放射出的粒子与反发生放射性衰变时所放射出的粒子与反冲核的径迹在磁场中是两个内切圆，说冲核的径迹在磁场中是两个内切圆，说明放射
9、出的粒子与反冲核是异性的带电明放射出的粒子与反冲核是异性的带电粒子，由此可以判断所发生的衰变是放粒子，由此可以判断所发生的衰变是放出负粒子的衰变，轨道圆的半径为出负粒子的衰变，轨道圆的半径为r=，而静止的原子核衰变的过程中两个，而静止的原子核衰变的过程中两个粒子的动量大小相等，半径与带电量成粒子的动量大小相等，半径与带电量成反比，由此可以确定，本题的正确答案反比，由此可以确定，本题的正确答案为为C.14CmvqB 本题中根据两个内切圆来本题中根据两个内切圆来判断粒子的种类，要用到动量守恒定律判断粒子的种类，要用到动量守恒定律和判断洛伦兹力方向的左手定则，所以，和判断洛伦兹力方向的左手定则，所以
10、，在核反应中，有时也要综合利用其他部在核反应中，有时也要综合利用其他部分的物理知识进行求解分的物理知识进行求解. 变式训练变式训练1：原子序数大于原子序数大于83的所的所有元素，都能自发地放出射线，这些有元素，都能自发地放出射线，这些射线共有三种：射线共有三种：射线、射线、射线和射线和射线射线.下列说法中正确的是下列说法中正确的是( )A.原子核每放出一个原子核每放出一个粒子，原子粒子，原子序数减少序数减少4B.原子核每放出一个原子核每放出一个粒子，原子粒子，原子序数增加序数增加4C.原子核每放出一个原子核每放出一个粒子，原子粒子，原子序数减少序数减少1D.原子核每放出一个原子核每放出一个粒子
11、，原子粒子，原子序数增加序数增加1 解析：解析：由于由于a粒子是氦的原子核，内部有粒子是氦的原子核，内部有2个个质子和质子和2个中子，原子序数为个中子，原子序数为2，核子数为，核子数为4.而而b粒粒子是电子，质子数和中子数为子是电子，质子数和中子数为0，原子序数为，原子序数为0，所以，原子核每放出一个所以，原子核每放出一个a粒子，被粒子，被a粒子带走粒子带走2个质子，原子序数减少个质子，原子序数减少2, 而原子核每放出一个而原子核每放出一个b粒子，原子核内将有一个中子转化为一个质子并粒子，原子核内将有一个中子转化为一个质子并产生一个电子，产生的电子放出了，但原子核内产生一个电子，产生的电子放出
12、了，但原子核内增加了一个质子，原子序数增加增加了一个质子，原子序数增加1，正确答案为正确答案为D.近年来科学家在超重元素的探测方近年来科学家在超重元素的探测方面取得了重大进展面取得了重大进展.科学家们在观察某科学家们在观察某两个重离子结合成超重元素的反应时，两个重离子结合成超重元素的反应时，发现所生成的超重元素的核经过发现所生成的超重元素的核经过6次次衰变后成为，由此可以判定衰变后成为，由此可以判定该超重元素的原子序数和质量数依次是该超重元素的原子序数和质量数依次是()A.124，259B.124，265C.112，265D.112，277 AZX253100Fm直接利用核衰变过程中质量数直接
13、利用核衰变过程中质量数守恒和电荷数守恒来进行计算守恒和电荷数守恒来进行计算.核衰变核衰变方程为方程为Z=100+12=112，A=253+24=277，答案答案D正确正确. 这是一个多次衰变的问题，这是一个多次衰变的问题，反应物只能根据最后的产物和两个守恒反应物只能根据最后的产物和两个守恒定律来确定，注意：多次衰变问题可以定律来确定，注意：多次衰变问题可以在一个核反应方程中体现出来在一个核反应方程中体现出来. AZX425321006 HeFm 变式训练变式训练2：(2010. .全国卷全国卷)原子核原子核 经放经放射性衰变射性衰变变为原子核变为原子核 ，继而经放射性衰，继而经放射性衰变变变为
14、原子核变为原子核 ，再经放射性衰变，再经放射性衰变变为变为原子核原子核 .放射性衰变放射性衰变、和和依次为依次为( ) Aa a衰变、衰变、b b衰变和衰变和b b衰变衰变 Bb b衰变、衰变、b b衰变和衰变和a a衰变衰变 Cb b衰变、衰变、a a衰变和衰变和b b衰变衰变 Da a衰变、衰变、b b衰变和衰变和a a衰变衰变23892U23490Th23491Pa23492U 234238909223423491902342349291UThThPaPaU ，abb质质量少量少4 4，电电荷荷数数少少2 2，说说明明质质子加1，子加1，说说明明为为质质子加1，子加1，说说明明为为解解析
15、析：数数为为 衰衰变变数数衰衰变变，中中子子转转化化成成质质子子数数衰衰变变，中中子子转转化化成成质质子子答案：答案：A利用质能方程和质量亏损，计利用质能方程和质量亏损，计算核反应过程中释放核能的大小算核反应过程中释放核能的大小.根据不同的题设条件和不同的核反应特根据不同的题设条件和不同的核反应特征，归纳几种计算方法征，归纳几种计算方法.(1)根据爱因斯坦的质能方程，用核子结根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核时质量亏损合成原子核时质量亏损(m)的千克数乘以真的千克数乘以真空中光速的平方空中光速的平方(c=3108m/s),即即E=mc2.(2)根据根据1原子质量单位原子质量单位(u)相
16、当于相当于931.5兆兆电子伏电子伏(MeV)能量，用核子结合成原子核时能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以质量亏损的原子质量单位乘以931.5MeV.(3)能的转化和守恒定律能的转化和守恒定律.已知氘核质量为已知氘核质量为2.0136u,中子质量为中子质量为1.0087u, 核的质量为核的质量为3.0150u.(1)写出两氘核聚变成的核反应写出两氘核聚变成的核反应方程；方程；(2)计算上述核反应中释放的核能计算上述核反应中释放的核能;(3)若两氘核以相等的动能若两氘核以相等的动能0.35MeV做对心碰撞即可发生上述核反应，且释做对心碰撞即可发生上述核反应，且释放的核能全部转化
17、为机械能，则反应中放的核能全部转化为机械能，则反应中生成的核和中子的动能各是多少？生成的核和中子的动能各是多少？32He32He32He(1)应用质量数守恒和电荷数守恒应用质量数守恒和电荷数守恒不难写出核反应方程为不难写出核反应方程为(2)由题给条件可求出质量亏损为由题给条件可求出质量亏损为m=2.0136u2-(3.0150+1.0087)u=0.0035u所以释放的核能为所以释放的核能为E=931.50.0035MeV=3.26MeV2211HH 3120Hen (3)因为该反应中释放的核能全部转因为该反应中释放的核能全部转化为机械能化为机械能即转化为核和中子即转化为核和中子的动能的动能.
18、若设核和中子的质量分别若设核和中子的质量分别为为m1、m2，速度分别为，速度分别为v1、v2，则由动，则由动量守恒及能的转化和守恒定律，得量守恒及能的转化和守恒定律，得m1v1-m2v2=0,Ek1Ek2=2Ek0+E.32He32He解方程组，得解方程组，得Ek1= (2Ek0+E)= (20.35+3.26)MeV=0.99MeVEk2= (2Ek0+E)= (20.35+3.26)MeV=2.97MeV14343414变式训练变式训练3：一个铀核衰变为钍核一个铀核衰变为钍核时释放出一个时释放出一个粒子，已知铀核的质量粒子，已知铀核的质量为为3.85313110-25kg,钍核的质量为钍核
19、的质量为3.78656710-25kg,粒子的质量为粒子的质量为6.6467210-27kg,在这个衰变过程中释在这个衰变过程中释放的能量等于放的能量等于J(保留两位有保留两位有效数字效数字).解析：解析：质量亏损质量亏损m=mU-(mTh+m)根据爱因斯坦质能方程根据爱因斯坦质能方程E=mc2=mU-(mTh+m)c2=3.853131-(3.786567+0.0664672)10-25(3108)2J=8.710-13J 1.如图如图15-2-2所示，使某放射性元素发出所示，使某放射性元素发出的射线垂直进入匀强电场，按图中标号判的射线垂直进入匀强电场，按图中标号判断断( )A1的穿透本领最
20、强的穿透本领最强B3的速度最大的速度最大C3的电离本领最大的电离本领最大D1是由原子放出的，是由原子放出的，2、3不是不是 图1522 解析：解析：由图可知，射线由图可知，射线3带正电，是带正电，是a射线，其电离作用大而穿透能力弱，速度射线，其电离作用大而穿透能力弱，速度小；射线小；射线1带负电，是带负电，是b射线，是接近光速射线，是接近光速的电子流；射线的电子流；射线2不带电，是不带电，是射线，其穿射线，其穿透本领最强，而电离作用最弱，速度为光透本领最强，而电离作用最弱，速度为光速速答案：答案：C 2.放射性元素的原子核放射性元素的原子核X经经a衰变得到新核衰变得到新核Y，新核新核Y经经b衰
21、变得到另一个核衰变得到另一个核Z，则这三个原子核，则这三个原子核的有关说法中正确的是的有关说法中正确的是( ) A原子核原子核Z的中子数比核的中子数比核X少少2 B原子核原子核Z的质子数比核的质子数比核X少少1 C原子核原子核Z的中子数比核的中子数比核Y多多1 D原子核原子核Z的质子数比核的质子数比核Y少少1X2240441-1XYHeYZeZX ， BBBBAAAAAB设设 的的质质子子数数为为 ，质质量量数数为为 ，则则，由由此此可可知知：核核比比 核核质质子子数数少少1 1，中中子子数数少少3 3，故故选选 解解析析：项项B B正正确确B3.关于放射性元素的半衰期，下列说法中正确关于放射
22、性元素的半衰期，下列说法中正确的是的是( ) A放射性元素的半衰期越短，表明有半数原放射性元素的半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需要的时间越短，衰变速度越大子核发生衰变所需要的时间越短，衰变速度越大 B放射性元素的样品不断衰变，随着剩下的放射性元素的样品不断衰变，随着剩下的未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短未衰变的原子核的减少，元素的半衰期也变短 C把放射性元素放在密封的容器中，可以减把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素衰变的速度慢放射性元素衰变的速度 D降低或增大压强，让该元素与其他物质形降低或增大压强，让该元素与其他物质形成化合物，均可以减小衰变速度成化合物，均可以
23、减小衰变速度 解析：解析：放射性元素的半衰期能反映元放射性元素的半衰期能反映元素衰变的速度，半衰期越短，表明有半数素衰变的速度，半衰期越短，表明有半数原子核发生衰变所需要的时间越短，衰变原子核发生衰变所需要的时间越短，衰变速度越大，选项速度越大，选项A正确；半衰期由元素原正确；半衰期由元素原子核的结构决定，与外界因素无关，因此，子核的结构决定，与外界因素无关，因此，选项选项B、C、D均错均错答案：答案：A 4.1999年年12月月30日日，我国等离子物理研，我国等离子物理研究所承担的究所承担的“九五九五”重大科学工程重大科学工程HT7超超导托卡马克实验，获得稳定的准稳态等离子导托卡马克实验，获
24、得稳定的准稳态等离子体等离子体放电时间已超过体等离子体放电时间已超过10s，这是我国，这是我国可控核聚变研究的重大进展，标志着我国磁可控核聚变研究的重大进展，标志着我国磁约束核聚变研究已达到国际先进水平下列约束核聚变研究已达到国际先进水平下列属于核聚变的有属于核聚变的有( ) 23423409091123519013619203854023411120211110A.TPaeB.USr+Xe10C. H+ HHeD. HHhnnnn 解析：解析：A属于属于b b衰变，衰变，B属于重核的裂变，属于重核的裂变，D是人工核反应是人工核反应 答案：答案：C 5.下面说法中正确的是下面说法中正确的是(
25、) A用用a a粒子轰击铍核粒子轰击铍核 Be，铍核转变为，铍核转变为碳核碳核 C，同时放出，同时放出b b射线射线 Bb b射线是由原子核外电子受到激发而射线是由原子核外电子受到激发而产生的产生的 C射线是波长很短的电磁波，它的贯射线是波长很短的电磁波，它的贯穿能力很强穿能力很强 D利用利用射线的电离作用，可检查金属射线的电离作用，可检查金属内部有无沙眼和裂纹内部有无沙眼和裂纹94126 解析：解析：b b射线是原子核中一个中子转化为一射线是原子核中一个中子转化为一个质子时放出的，检查金属内部的裂纹是利用个质子时放出的，检查金属内部的裂纹是利用射线的穿透能力射线的穿透能力答案：答案：C 6.
26、(2010福建卷福建卷)14C测年法是利用测年法是利用14C衰 变 规 律 对 古 生 物 进 行 年 代 测 定 的 方衰 变 规 律 对 古 生 物 进 行 年 代 测 定 的 方法若以横坐标法若以横坐标t表示时间，纵坐标表示时间，纵坐标m表示表示任意时刻任意时刻14C的质量，的质量，m0为为t=0时时14C的质的质量下面四幅图中能正确反映量下面四幅图中能正确反映14C衰变规律衰变规律的是的是( )答案：答案：C 7.用某种单色光照射某种金属表面，用某种单色光照射某种金属表面，发生光电效应现将该单色光的光强减弱，发生光电效应现将该单色光的光强减弱，则则( ) A光电子的最大初动能增大光电子
27、的最大初动能增大 B光电子的最大初动能减少光电子的最大初动能减少 C单位时间内产生的光电子数减少单位时间内产生的光电子数减少 D可能不发生光电效应可能不发生光电效应 解析：解析：由光电效应方程由光电效应方程Ek=h-W知光电知光电子的最大初动能由入射光的频率决定，与入子的最大初动能由入射光的频率决定，与入射光的强度无关，射光的强度无关，A、B错由光子说知：当错由光子说知：当光强减弱时单位时间内入射到金属表面的光光强减弱时单位时间内入射到金属表面的光子减少，因而激发出的光电子也减少，子减少，因而激发出的光电子也减少，C对对答案：答案：C 8.中子中子n、质子、质子p、氘核、氘核D的质量分别为的质
28、量分别为mn、mp、mD，现用光子能量为，现用光子能量为E的的射线照射静止射线照射静止氘核使之分解，反应方程为氘核使之分解，反应方程为+Dp+n.若分若分解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子解后的中子、质子的动能可视为相等，则中子的动能是的动能是( ) A. (mD-mp-mn)c2-E B. (mp-mn-mD)c2+E C. (mD-mp-mn)c2+E D. (mp-mn-mD)c2-E12121212 解析：解析：此题关键在于根据能量守恒及质此题关键在于根据能量守恒及质能方程进行分析：由于该核反应是受光照射，能方程进行分析：由于该核反应是受光照射，因此实物粒子质量和增加而不是亏损，
29、即因此实物粒子质量和增加而不是亏损，即D Dm=mp+mn-mD；根据该反应能量守恒得：；根据该反应能量守恒得：E=D DE+2Ek，选项，选项C正确正确 答案：答案：C 9. U衰变为衰变为 Rn需经过需经过m次次a a衰变和衰变和n次次b b衰变，则衰变，则m，n分别为分别为( ) A2,4 B4,2 C4,6 D16,6 解析：解析：由质量数和核电荷数守恒得由质量数和核电荷数守恒得 238=222+4m,92=86+2m-n， 联立解得联立解得m=4，n=2.2389222286B 10.本题中用大写字母代表原子核本题中用大写字母代表原子核E经经a a衰变成为衰变成为F，再经，再经b b
30、衰变成为衰变成为G，再经，再经a a衰变成衰变成为为H.上述系列衰变可记为下式：上述系列衰变可记为下式： 另一系列衰变如下：另一系列衰变如下： 已知已知P是是F的同位素，则的同位素，则( ) EFGH PQRSAQ是是G的同位素，的同位素，R是是H的同位素的同位素BR是是E的同位素，的同位素，S是是F的同位素的同位素CR是是G的同位素，的同位素，S是是H的同位素的同位素DQ是是E的同位素，的同位素，R是是F的同位素的同位素 解析：解析：根据题意根据题意P、F是同位素，设它们是同位素，设它们的质子数为的质子数为A，在上述衰变式中由，在上述衰变式中由a a衰变质子衰变质子数减少数减少2和和b b衰变质子数增加衰变质子数增加1，推出各对应原，推出各对应原子核的质子数如下：子核的质子数如下： A+2E AF A+1G A-1H AP A+1Q A+2R AS 可见可见S、P、F是同位素，是同位素，R和和E是同位素，是同位素，Q和和G是同位素是同位素 答案：答案：B
