1、第二单元放射性元素的衰变核能第二单元放射性元素的衰变核能1天然放射现象：某些元素天然放射现象：某些元素放射某些射线的放射某些射线的现象称为天然放射现象，这些元素称现象称为天然放射现象，这些元素称2三种射线的本质：三种射线的本质：射线是射线是 ，射线射线是是 ，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电磁波电磁波1定义：原子核自发地放出某种粒子而转变为定义：原子核自发地放出某种粒子而转变为 的变化叫原子核的的变化叫原子核的2分类分类新核新核衰变衰变3半衰期半衰期(1)定义：放射性元素的原子核定义：放射性元素的原子核 发生衰变需要发生衰变需要的时间的时间(2)半衰期的大
2、小由放射性元素的原子核内部本身的因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 (如单质或化合物如单质或化合物)无关无关有半数有半数物理状态物理状态化学状态化学状态4放射性同位素及应用放射性同位素及应用(1)同位素同位素有些原子的原子核电荷数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数和不同中子数的原子互称为同这样一些具有相同核电荷数和不同中子数的原子互称为同一位素一位素(2)放射性同位素的应用放射性同位素的应用放射性同位素放出的射线应用于工业、探伤、农业、放射性同位素放出的射线应用于工业、探
3、伤、农业、医疗等医疗等相同相同不同不同1核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰核反应：在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新击下产生新的过程的过程2原子核的人工转变：用原子核的人工转变：用轰击靶核，产生轰击靶核，产生另一种另一种的方法的方法如应用原子核的人工转变的三大发现的核反应如下：如应用原子核的人工转变的三大发现的核反应如下：原子核原子核高能粒子高能粒子新核新核(1)1919年卢瑟福用年卢瑟福用轰击氮原子核，产生了氧的轰击氮原子核，产生了氧的同位素，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质同位素，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子，其核子，其核粒子粒子1核力：核力：之间的
4、相互作用力叫核力，它是短之间的相互作用力叫核力，它是短程力程力2核能：由于原子核间存在核力，所以核子核能：由于原子核间存在核力，所以核子结合结合成成原子核或原子核原子核或原子核 为核子时均伴随着巨大的能量变化，为核子时均伴随着巨大的能量变化，这种能量称为核能这种能量称为核能3质能方程：质能方程：核子核子分裂分裂Emc2(Emc2)4质量亏损总是发生在系统向外辐射能量的情况下，质量亏损总是发生在系统向外辐射能量的情况下，系统能量减少了，质量自然也就减少了当系统的质量减系统能量减少了，质量自然也就减少了当系统的质量减少少m时，系统的能量就减少了时，系统的能量就减少了E，减少的能量向外辐射，减少的能
5、量向外辐射出去了减少的质量转化为光子的质量，减少的能量转化出去了减少的质量转化为光子的质量，减少的能量转化为光子的能量虽然光子的静止质量为零，但在光子的辐为光子的能量虽然光子的静止质量为零，但在光子的辐射过程中，具有能量射过程中，具有能量Eh，所以运动的光子具有一定的，所以运动的光子具有一定的质量光子运动的速度始终为质量光子运动的速度始终为c，Ehmc2，所以当一，所以当一个光子的频率为个光子的频率为时，它的质量为时，它的质量为m .2轻核的聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反轻核的聚变：某些轻核结合成质量较大的核的反应过程，同时释放出大量的核能要想使氘核和氚核结合应过程，同时释放出大量的核能
6、要想使氘核和氚核结合成氦核，必须达到成氦核，必须达到的高温，因此聚变反应的高温，因此聚变反应又叫又叫反应如：反应如：几百万度以上几百万度以上热核热核3裂变反应堆：又称核反应堆，简称反应堆反应裂变反应堆：又称核反应堆，简称反应堆反应堆主要由以下几部分组成：堆主要由以下几部分组成：；核燃料核燃料减速剂减速剂控制棒控制棒冷却剂冷却剂反射层反射层种类种类射线射线射线射线射线射线贯穿本领贯穿本领最弱最弱用纸能挡住用纸能挡住较强较强穿透几毫米穿透几毫米的铝板的铝板最强最强穿透几厘米穿透几厘米的铅板的铅板对空气的对空气的电离作用电离作用很强很强较弱较弱很弱很弱在空气中在空气中的径迹的径迹粗、短、直粗、短、直
7、细、较长、曲折细、较长、曲折最长最长通过胶片通过胶片感光感光感光感光感光感光产生机制产生机制核内两个中子和两核内两个中子和两个质子结合得比较个质子结合得比较紧密，有时会作为紧密，有时会作为一个整体从较大的一个整体从较大的原子核抛射出来原子核抛射出来核内的中子可以转核内的中子可以转化为一个质子和一化为一个质子和一个电子，产生的电个电子，产生的电子从核中发射出来子从核中发射出来放射性原子核在发放射性原子核在发生生 衰变、衰变、衰变后衰变后产生的新核往往处产生的新核往往处于高能级，当它向于高能级，当它向低能级跃迁时，辐低能级跃迁时，辐射射光子光子1衰变和衰变和衰变的比较衰变的比较由此可见确定衰变次数
8、可归结为求解一个二元一次方由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组有了这个方程组，确定衰变次数就十分方便程组有了这个方程组，确定衰变次数就十分方便实际确定方法是：根据实际确定方法是：根据衰变不改变质量数，首先由衰变不改变质量数，首先由质量数改变确定质量数改变确定衰变次数，然后根据核电荷数守恒确定衰变次数，然后根据核电荷数守恒确定衰变次数衰变次数(2)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接(3)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只核反应的生成物一定要
9、以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程(4)核反应方程遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循核反应方程遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒电荷数守恒 说明：说明：半衰期由放射性元素的原子核内部本身半衰期由放射性元素的原子核内部本身的因素决定，跟原子所处的物理状态的因素决定，跟原子所处的物理状态(如压强、温度如压强、温度等等)或化学状态或化学状态(如单质或化合物如单质或化合物)无关无关3衰变：衰变：衰变是伴随着衰变是伴随着衰变或衰变或衰变同时发生的，衰变同时发生的，衰变不改变原子核的电荷数和质量数其实质是放射性衰变不改变原
10、子核的电荷数和质量数其实质是放射性原子核在发生原子核在发生衰变或衰变或衰变过程中，产生的新核由于具有衰变过程中，产生的新核由于具有过多的能量过多的能量(核处于激发态核处于激发态)而辐射出光子而辐射出光子 4核反应四种类型比较核反应四种类型比较核能的计算方法：核能的计算方法：1根据爱因斯坦的质能方程，用核子结合成原子核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时质量亏损(m)的千克数乘以真空中光速的千克数乘以真空中光速(c3108m/s)的平方的平方即即Emc22根据根据1原子质量单位原子质量单位(u)相当于相当于931.5兆电子伏兆电子伏(MeV)能量，用核子结合成原子核时质量亏损的
11、原子质量单位乘能量，用核子结合成原子核时质量亏损的原子质量单位乘以以931.5 MeV，即，即Em931.5 MeV注意：注意：式中式中m的单位是千克的单位是千克(kg)，E的单位是焦的单位是焦耳耳(J)式中式中m的单位是指原子质量单位的单位是指原子质量单位u，(1 u1.6605661027 kg)，E的单位是兆电子伏的单位是兆电子伏(MeV)能能的转化和守恒定律的转化和守恒定律3核反应中释放的核能，在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能，在无光子辐射的情况下，将转化为生成的新核和新粒子的动能因此在此情况下可将转化为生成的新核和新粒子的动能因此在此情况下可应用动量守恒定律和能量守恒及转化定
12、律来计算核能应用动量守恒定律和能量守恒及转化定律来计算核能【例【例1】(1)关于放射性元素的半衰期，下列说法正关于放射性元素的半衰期，下列说法正确的有确的有()A是原子核质量减少一半所需的时间是原子核质量减少一半所需的时间B是原子核有半数发生衰变所需的时间是原子核有半数发生衰变所需的时间C把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射把放射性元素放在密封的容器中，可以减慢放射性元素的半衰期性元素的半衰期D可以用来测定地质年代、生物年代等可以用来测定地质年代、生物年代等(2)设镭设镭226的半衰期为的半衰期为1.6103年，质量为年，质量为100 g的镭的镭226经过经过4.8103年后，有多少克镭
13、发生衰变？若衰变后的年后，有多少克镭发生衰变？若衰变后的镭变为铅镭变为铅206，则此时镭铅质量之比为多少？，则此时镭铅质量之比为多少？答案：答案：(1)BD(2)87.5 g125 798 变式变式1：为测定水库的容量，将一瓶含有放射性同位为测定水库的容量，将一瓶含有放射性同位素的溶液倒入水库中，已知这瓶溶液每分钟衰变素的溶液倒入水库中，已知这瓶溶液每分钟衰变5.12108次，这种同位素的半衰期为次，这种同位素的半衰期为24小时，小时，5天以后从水库中取天以后从水库中取出出1 m3的水，并测得它每分钟衰变的水，并测得它每分钟衰变10次，试求水库的容次，试求水库的容量量解析：解析：可认为可认为5
14、天后放射性同位素均匀分布于水库中，天后放射性同位素均匀分布于水库中，5天后，水库的水中放射性同位素每分钟衰变的总次为天后，水库的水中放射性同位素每分钟衰变的总次为N 答案：答案：1.6106m3【例【例2】(2009年山东卷年山东卷)历史上第一次利用加速器实历史上第一次利用加速器实现的核反应，是用加速后动能为现的核反应，是用加速后动能为0.5 MeV的质子的质子H轰击静轰击静止的止的X，生成两个动能均为，生成两个动能均为8.9 MeV的的He.(1 MeV1.61013J)上述核反应方程为上述核反应方程为_质量亏损为质量亏损为_kg.高分通道高分通道质量亏损并不是质量的消失，并不与质量守恒定律
15、质量亏损并不是质量的消失，并不与质量守恒定律矛盾，而是亏损的质量以能量的形式辐射出去了矛盾，而是亏损的质量以能量的形式辐射出去了在核能问题的计算中，在核能问题的计算中，c的单位取国际单位中的单的单位取国际单位中的单位，此时若位，此时若m单位为千克，能量单位为焦耳如单位为千克，能量单位为焦耳如m的单的单位为位为u时，记住时，记住1u相当于相当于931.5 MeV的能量关系的能量关系分析：分析：根据问题，合理选择求核能的方法，求解时注根据问题，合理选择求核能的方法，求解时注意各量意各量解析：解析：核反应前的总质量：核反应前的总质量：m1(235.04391.0087)u236.0526 u核反应后
16、的总质量：核反应后的总质量：m2(138.917893.915431.0087)u235.8593 u质量亏损质量亏损mm1m20.1933 u因为因为1 u931.5 MeV所以所以E0.1933931.5 MeV1.8102 MeV.答案：答案：1.8102【例【例3】天文学家测得银河系中氦的含量约为】天文学家测得银河系中氦的含量约为25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两条：一是在宇宙诞生后二分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，诞生后二分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部的氢核聚变反应生成的由恒星内部的氢核聚
17、变反应生成的(1)把氢核聚变反应简化为把氢核聚变反应简化为4个氢核个氢核(H)聚变成氦核聚变成氦核(He)，同时放出同时放出2个正电子个正电子(e)和和2个中微子个中微子(ve)，请写出该氢核聚，请写出该氢核聚变反应的方程，并计算一次反应释放的能量变反应的方程，并计算一次反应释放的能量(2)研究表明，银河系的年龄约为研究表明，银河系的年龄约为t3.81017 s，每秒，每秒钟银河系产生的能量约为钟银河系产生的能量约为11037 J(即即P11037 J/s)现现假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中假定该能量全部来自上述氢核聚变反应，试估算银河系中氦的含量氦的含量(最后结果保留一位
18、有效数字最后结果保留一位有效数字)(3)根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断作出判断(可能用到的数据：银河系质量约为可能用到的数据：银河系质量约为M31041 kg，原子质量单位，原子质量单位1 u1.661027 kg,1 u相当于相当于1.51010 J的能量，电子质量的能量，电子质量m0.0005 u，氦核质量，氦核质量m4.0026 u，氢核质量，氢核质量mp1.0078 u，中微子，中微子ve质量为零质量为零)高分通道高分通道题目涉及了许多新的知识，解此类信息题必须将题目题目涉及了许多新的知识，解此类信息题必须将题目提供的规
19、律和物理基础知识，与已有的知识相结合并迁移提供的规律和物理基础知识，与已有的知识相结合并迁移到要回答的问题中，再列方程求解到要回答的问题中，再列方程求解【例【例4】原来静止的铀】原来静止的铀U和钍和钍234同时在同一匀强磁同时在同一匀强磁场中，由于衰变而开始做匀速圆周运动铀场中，由于衰变而开始做匀速圆周运动铀238发生了一发生了一次次衰变，钍衰变，钍234发生了一次发生了一次衰变衰变(1)试画出铀试画出铀238发生一次发生一次衰变时所产生的新核及衰变时所产生的新核及粒粒子在磁场中运动轨迹的示意图子在磁场中运动轨迹的示意图(2)试画出钍试画出钍234发生一次发生一次衰变时所产生的新核及衰变时所产
20、生的新核及粒粒子在磁场中的运动轨迹的示意图子在磁场中的运动轨迹的示意图解析：解析：(1)铀铀238发生衰变时，由于放出发生衰变时，由于放出粒子而产生了粒子而产生了新核，根据动量守恒定律，它们的总动量为零，即：新核，根据动量守恒定律，它们的总动量为零，即：m1v1m2v20因为它们都带正电，衰变后的速度正好相反，所以，因为它们都带正电，衰变后的速度正好相反，所以，受到的洛伦兹力方向也相反，因而决定了它们做圆周运动受到的洛伦兹力方向也相反，因而决定了它们做圆周运动的轨迹圆是外切的它们做匀速圆周运动的向心力由洛伦的轨迹圆是外切的它们做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供兹力提供(2)同理，钍同理，钍2
21、34发生一次发生一次衰变放出的衰变放出的粒子与产生的粒子与产生的新核的动量大小相等，方向相反，即总动量为零可是，新核的动量大小相等，方向相反，即总动量为零可是，粒子带负电，新核带正电，它们衰变后的速度方向相反，粒子带负电，新核带正电，它们衰变后的速度方向相反，但受的洛伦兹力方向相同，所以，它们的两个轨迹圆是内但受的洛伦兹力方向相同，所以，它们的两个轨迹圆是内切的，且切的，且粒子的轨道半径大于新核的轨道半径，它们的粒子的轨道半径大于新核的轨道半径，它们的轨迹示意图如图轨迹示意图如图2所示，其中，所示，其中，c为为粒子的径迹，粒子的径迹，d为新核为新核的径迹的径迹答案：答案：(1)如图如图1所示所
22、示(2)如图如图2所示所示高分通道高分通道孤立的原子核在衰变时遵从动量守恒由于原子核衰孤立的原子核在衰变时遵从动量守恒由于原子核衰变后都带电，故在匀强磁场中都可做匀速圆周运动而衰变后都带电，故在匀强磁场中都可做匀速圆周运动而衰变产生的新核和粒子运动方向相反，所以如果是变产生的新核和粒子运动方向相反，所以如果是衰变，衰变，则衰变瞬间新核和则衰变瞬间新核和粒子受洛伦兹力的方向相反，形成的粒子受洛伦兹力的方向相反，形成的两个轨迹圆外切；而两个轨迹圆外切；而衰变新核的轨迹圆与衰变新核的轨迹圆与粒子的轨迹圆粒子的轨迹圆内切内切 变式变式4：云室处在磁感应强度为云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一的匀强
23、磁场中，一静止的质量为静止的质量为M的原子核在云室中发生一次的原子核在云室中发生一次衰变，衰变，粒子粒子的质量为的质量为m，电荷量为，电荷量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内现测得内现测得粒子运动的轨道半径为粒子运动的轨道半径为R，试求在衰变过程中，试求在衰变过程中的质量亏损的质量亏损(涉及动量问题时，亏损的质量可以不计涉及动量问题时，亏损的质量可以不计)1(2009年上海卷年上海卷)放射性元素衰变时放出的三种射线，放射性元素衰变时放出的三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是按穿透能力由强到弱的排列顺序是()A射线，射线，射线，射线，射线射线B射线，射线，射线
24、，射线，射线射线C射线，射线，射线，射线，射线射线D射线，射线，射线，射线，射线射线解析：解析：由放射性元素衰变时产生的由放射性元素衰变时产生的射线、射线、射线、射线、射线的电离及穿透性质可知射线的电离及穿透性质可知B正确正确答案：答案：B2(2009年天津卷年天津卷)下列说法正确的是下列说法正确的是 ()解析：解析：核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不同，衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现同，衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现或或粒粒子聚变方程的左边是两个轻核反应，右边是中等原子子聚变方程的左边是两个轻核反应，右边是中等原子核裂变方程的左边
25、是重核与中子反应，右边是中等原子核裂变方程的左边是重核与中子反应，右边是中等原子核人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反核人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核反应，右边也是常见元素的原子核，由此可知应，右边也是常见元素的原子核，由此可知B、D两选项两选项正确正确答案：答案：BD3(2009年北京卷年北京卷)下列现象中，与原子核内部变化有下列现象中，与原子核内部变化有关的是关的是()A粒子散射现象粒子散射现象B天然放射现象天然放射现象C光电效应现象光电效应现象 D原子发光现象原子发光现象解析：解析：天然放射现象是放射性物质的原子核自发地放天然放射现象是放射性物质的原子核自发地放出
26、出、和和射线的现象，必然使原子核内部发生变化故射线的现象，必然使原子核内部发生变化故选选B.答案：答案：B答案：答案：9612245放射性元素的原子核在放射性元素的原子核在衰变或衰变或衰变生成新原子衰变生成新原子核时，往往会同时伴随核时，往往会同时伴随_辐射已知辐射已知A、B两种放两种放射性元素的半衰期分别为射性元素的半衰期分别为T1和和T2，经过，经过tT1T2时间后测时间后测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比比mA mB_.解析：解析：放射性元素的原子核在放射性元素的原子核在衰变或衰变或衰变时，出现衰变时，出现质量亏损，多
27、余的能量将以质量亏损，多余的能量将以光子的形式释放，因此伴随光子的形式释放，因此伴随辐射辐射 答案：答案：2T1 2T26在用在用粒子轰击静止的氮核的实验中，假设某次碰粒子轰击静止的氮核的实验中，假设某次碰撞恰好发生在同一条直线上已知撞恰好发生在同一条直线上已知粒子轰击前的速度为粒子轰击前的速度为v0，质量为，质量为m0，产生的氧核速度为，产生的氧核速度为v1，质量为，质量为m1，同向飞，同向飞出的质子出的质子H的质量为的质量为m2，设光速为，设光速为c，问：，问：(1)质子飞出的速度为多大？质子飞出的速度为多大？(2)已知生成物氧核和质子的总动能比入射的已知生成物氧核和质子的总动能比入射的粒子动粒子动能少了能少了Ek，若该反应引起的质量亏损中，伴随着飞出一，若该反应引起的质量亏损中，伴随着飞出一个光子，则该光子的能量个光子，则该光子的能量E多大？多大？
