1、第3节 原子核及核反应 -2- 知识梳理 考点自诊 一、原子核的组成 1.原子核由质子和中子组成,质子和中子统称为 核子 。质子 带正电,中子不带电。 2.基本关系 (1)核电荷数=质子数(Z)=元素的原子序数= 核外电子数 。 (2)质量数(A)= 核子数 =质子数+中子数。 3.X元素的原子核的符号为 ,其中A表示 质量数 ,Z表示核电 荷数。 X -3- 知识梳理 考点自诊 二、天然放射现象 1.天然放射现象 元素 自发 地放出射线的现象,首先由 贝可勒尔 发现。天然 放射现象的发现,说明原子核具有 复杂 的结构。 2.放射性同位素的应用与防护 (1)放射性同位素:有 天然 放射性同位素
2、和 人工 放射性同位 素两类,放射性同位素的化学性质相同。 (2)应用:消除静电、工业探伤、做 示踪原子 等。 (3)防护:防止放射性对人体组织的伤害。 -4- 知识梳理 考点自诊 三、原子核的衰变、半衰期 1.原子核的衰变 (1)原子核放出粒子或粒子,变成另一种 原子核 的变化称为 原子核的衰变。 (2)分类 衰变: X-2-4Y+ 2 4 He 衰变: X+1 Y+ -1 0 e 衰变:当放射性物质连续发生衰变时,原子核中有的发生衰变, 有的发生衰变,同时伴随着辐射。 (3)两个典型的衰变方程 衰变:92 238U90234Th+24He 衰变:90 234Th91234Pa+-1 0e
3、-5- 知识梳理 考点自诊 2.半衰期 (1)定义:放射性元素的原子核有 半数 发生衰变所需的时间。 (2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由核 内部 自身的因素 决定的,跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系。 -6- 知识梳理 考点自诊 四、核力和核能 1.原子核内部, 核子间 所特有的相互作用力,叫核力。 2.核子在结合成原子核时出现质量亏损m,其对应的能量E= mc2 。 3.原子核分解成核子时要吸收一定的能量,相应的质量增加m, 吸收的能量为E= mc2 。 4.结合能和比结合能 (1)结合能:核子结合为原子核时 释放 的能量或原子核分解为 核子时 吸收 的能量,叫作原子核的结合能,
4、亦称核能。 (2)比结合能:原子核的结合能与 核子数 之比,称做比结合能,也 叫平均结合能。 -7- 知识梳理 考点自诊 1.物理学重视逻辑,崇尚理性,其理论总是建立在对事实观 察的基础上。下列说法正确的是( ) A.天然放射现象说明原子核内部是有结构的 B.电子的发现使人们认识到原子具有核式结构 C.粒子散射实验的重要发现是电荷量是量子化的 D.密立根油滴实验表明核外电子的轨道是不连续的 答案 解析 解析 关闭 天然放射现象中释放出了其他粒子,说明原子核内部具有一定的结构,A正 确;电子的发现使人们认识到,原子是可以分割的,是由更小的微粒组成 的,B错误;粒子散射实验否定了汤姆孙提出的枣糕式
5、原子模型,建立了核 式结构模型,C错误;密立根油滴实验测定了电子的电荷量,D错误。 答案 解析 关闭 A -8- 知识梳理 考点自诊 2.下列核反应方程中,属于衰变的是( ) A.7 14N+24He817O+11H B.92 238U90234Th+24He C.1 2H+13H24He+01n D.90 234Th91234Pa+-1 0e 答案 解析 解析 关闭 衰变是重核自发地放出 粒子的天然放射现象,粒子就是 2 4 He, 所以 B正确;A为原子核的人工转变,C 为轻核的聚变,D 是 衰变, 故 A、C、D 皆错误。 答案 解析 关闭 B -9- 知识梳理 考点自诊 3.雷蒙德 戴
6、维斯因研究来自太阳的电子中微子(c)而获得诺贝尔 物理学奖。他探测中微子所用的探测器的主体是一个贮满615 t四 氯乙烯(C2Cl4)溶液的巨桶。电子中微子可以将一个氯核转变为一 个氩核,其核反应方程式为 c+17 37Cl1837Ar+-1 0e。已知氯原子核 17 37 Cl 的质量为 36.956 58 u,氩原子核 18 37 Ar 的质量为 36.956 91 u,-1 0e 的质量为 0.000 55 u,1 u 质量对应的能量为 931.5 MeV。根据 以上数据,可以判断参与上述反应的电子中微子的最小能量为 ( ) A.0.82 MeV B.0.31 MeV C.1.33 Me
7、V D.0.51 MeV 答案 解析 解析 关闭 最小质量对应着最小能量,中微子的最小质量应为36.956 91 u+0.000 55 u- 36.956 58 u=0.000 88 u,根据质能方程E=mc2,可知中微子最小能量是 E=0.000 88931.5 MeV=0.820 MeV,选项A正确。 答案 解析 关闭 A -10- 命题点一 命题点二 命题点三 原子核的衰变原子核的衰变 半衰期半衰期 1.衰变规律及实质 (1)衰变、衰变的比较 衰变类型 衰变 衰变 衰变方程 Z A XZ-2 A-4Y+24He Z A XZ+1 A Y+-1 0e 衰变 实质 2 个质子和 2 个中子
8、结合成一个整体射出 1 个中子转化为 1 个质子 和 1 个电子 21 1H+201n24He 0 1 n1 1H+-1 0e 匀强磁场中 轨迹形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 -11- 命题点一 命题点二 命题点三 (2)射线:射线经常是伴随着衰变或衰变同时产生的。其实质 是放射性原子核在发生衰变或衰变的过程中,产生的新核由于具 有过多的能量(原子核处于激发态)而辐射出光子。 -12- 命题点一 命题点二 命题点三 2.三种射线的成分和性质 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离 能力 贯穿 本领 射线 氦核 2 4 He +2e 4u 最强 最弱 射线 电子 -1 0 e -
9、e 1 1 837 u 较强 较强 射线 光子 0 0 最弱 最强 3.半衰期的理解 半衰期的公式:N余=N原 1 2 ,m 余=m原 1 2 。式中 N原、m原表示 衰变前的放射性元素的原子数和质量,N余、m余表示衰变后尚未发 生衰变的放射性元素的原子数和质量,t表示衰变时间,表示半衰期。 -13- 命题点一 命题点二 命题点三 例1(多选)(2017 广东梅州一模)关于天然放射现象,以下叙述正确 的是( ) A.若使某放射性物质的温度升高,其半衰期将变短 B.衰变所释放的电子是原子核外的电子电离形成的 C.在、这三种射线中,射线的穿透能力最强,射线的电离 能力最强 D.铀核(92 238U
10、)衰变为铅核( 82 206 Pb)的过程中,要经过 8 次 衰变和 6 次 衰变 答案 解析 解析 关闭 半衰期是放射性元素有半数发生衰变的时间,由原子核的种类决定, 与温度等外界因素无关,故 A 错误; 衰变的实质是原子核中的中子 转变成质子和电子,即电子来源于原子核,故 B错误;在 、 这三 种射线中, 射线是波长很短的电磁波,其穿透能力最强, 射线是 He 原子核,带正电,故其电离能力最强,故 C正确;铀核(92 238U)衰变为铅核 (82 206Pb)的过程的方程为 92 238 U82 206Pb+824He+6 -1 0e,即每次 衰变放 出一个 粒子,每次 衰变放出一个电子,
11、故 D 正确。 答案 解析 关闭 CD -14- 命题点一 命题点二 命题点三 确定衰变次数的方法 设放射性元素 Z A X 经过 n 次 衰变和 m 次 衰变后,变成稳定的新 元素 Z AY。 (1)反应方程: Z AZA Y+n2 4He+m-1 0e。 (2)根据电荷数和质量数守恒列方程 A=A+4n,Z=Z+2n-m。两式联 立解得:n=A-A 4 ,m=A-A 2 +Z-Z。 注意为了确定衰变次数,一般是由质量数的改变先确定衰变的 次数,这是因为衰变的次数的多少对质量数没有影响,然后再根据 衰变规律确定衰变的次数。 -15- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 1.(20
12、17 重庆期末)放射源放入铅制容器中,射线只能从容器的小孔 射出,成为细细的一束。在射线经过的空间施加磁场,发现射线分 成三束,如图所示。关于这三种射线及其性质,下列说法正确的是 ( ) A.射线a的电离本领最弱 B.射线b是高速中子流,速度可达光速 C.射线c是原子的核外电子电离产生的 D.若将放射源置于高温高压环境中, 射线强度将不变化 答案 解析 解析 关闭 根据射线的偏转情况可知:a为射线,b为射线,c为射线,由三种射线的特 性可判选项A、B、C均错;放射性与元素存在的物理、化学状态无关,选 项D正确。 答案 解析 关闭 D -16- 命题点一 命题点二 命题点三 2.(1)(多选)9
13、0 232Th(钍)经过一系列 衰变和 衰变,变成 82 208 Pb(铅),下 列说法正确的是( ) A.铅核比钍核少8个质子 B.铅核比钍核少16个中子 C.共经过4次衰变和6次衰变 D.共经过6次衰变和4次衰变 -17- 命题点一 命题点二 命题点三 (2)约里奥 居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺 贝尔化学奖。他们发现的放射性元素 15 30 P 衰变成 14 30 Si 的同时放出 另一种粒子,这种粒子是 。 15 32 P 是 15 30 P 的同位素,被广泛应用于生物示踪技术。1 mg 的 15 32 P 随 时间衰变的关系如图所示,请估算 4 mg 的 15 3
14、2 P 经多少天的衰变后还 剩 0.25 mg? 答案 解析 解析 关闭 写出衰变方程 15 30 P14 30Si+1 0e,故这种粒子为 +1 0e(正电子) 由 m-t 图知 15 30P 的半衰期为 14 天, 由 m余=m原 1 2 得,0.25 mg=4 mg 1 2 14 ,故 t=56 天。 答案 解析 关闭 (1)ABD (2)正电子(+1 0e) 56 天 -18- 命题点一 命题点二 命题点三 核反应方程及核反应类型核反应方程及核反应类型 1.核反应的四种类型 类 型 可控性 核反应方程典例 衰变 衰变 自发 92 238 U90 234Th+24He 衰变 自发 90
15、234 Th91 234Pa+-1 0e 人工 转变 人工 控制 7 14 N+2 4He817O+11H(卢瑟福发现质子) 2 4 He+4 9Be 612 C+0 1n(查德威克发现中子) 13 27 Al+2 4He1530P+01n 约里奥 居里夫妇发现 放射性同位素,同时发 现正电子 15 30 P14 30Si+1 0e -19- 命题点一 命题点二 命题点三 类 型 可控性 核反应方程典例 重核 裂变 容易 控制 92 235 U+0 1n56144Ba+3689Kr+301n 92 235 U+0 1n54136Xe+3890Sr+1001n 轻核 聚变 很难 控制 1 2 H
16、+1 3H24He+01n -20- 命题点一 命题点二 命题点三 2.核反应方程式的书写 (1)熟记常见基本粒子的符号,是正确书写核反应方程的基础。如 质子(1 1H)、中子( 0 1n)、粒子( 2 4He)、粒子( -1 0e)、正电子( +1 0e)、氘 核(1 2H)、氚核( 1 3H)等。 (2)掌握核反应方程遵守的规律,是正确书写核反应方程或判断某 个核反应方程是否正确的依据,由于核反应不可逆,所以书写核反 应方程式时只能用“”表示反应方向。 (3)核反应过程中质量数守恒,电荷数守恒。 -21- 命题点一 命题点二 命题点三 例2(2017 江苏徐州期末)(1)关于核衰变和核反应
17、的类型,下列表 述正确的有 。 A.92 238U90234Th+24He 是重核裂变 B.7 14N+24He817O+11H 是轻核聚变 C.1 2H+13H24He+01n 是 衰变 D.34 82Se3682Kr+2-1 0e 是 衰变 (2)现有四个核反应: A.1 2H+13H24He+01n B.92 235U+01nX+3689Kr+301n C.11 24Na1224Mg+-1 0e D.2 4He+49Be612C+01n 是发现中子的核反应方程, 是研究原子弹的 基本核反应方程, 是研究氢弹的基本核反应方程。 B项中X的质量数为 ,中子数为 。 答案 解析 解析 关闭 (
18、1)A为衰变,B为原子核的人工转变,C为轻核聚变,D为衰变,故只有D正 确。 (2)D为查德威克发现中子的核反应方程;B是研究原子弹的基本核反应 方程;A是研究氢弹的基本核反应方程;C是一种衰变反应。 X的质量数为(235+1)-(89+3)=144 X的质子数为92-36=56 X的中子数为144-56=88。 答案 解析 关闭 (1)D (2)D B A 144 88 -22- 命题点一 命题点二 命题点三 1.核反应的四种类型:衰变、人工转变、裂变和聚变。 2.核反应过程一般是不可逆的,所以核反应方程只能用单向箭头连 接并表示反应方向,不能用等号连接。 3.核反应的生成物一定要以实验为基
19、础,不能只依据两个守恒规律 凭空杜撰。 4.核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒,核反应前后的总质量一 般会发生变化。 -23- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 3.(2017 天津卷)我国自主研发制造的国际热核聚变核心部件在国 际上率先通过权威机构认证,这是我国对国际热核聚变项目的重大 贡献。下列核反应方程中属于聚变反应的是( ) “人造太阳”核心部件首获国际认证 A.1 2H+13H24He+01n B.7 14N+24He817O+11H C.2 4He+1327Al1530P+01n D.92 235U+01n56144Ba+3689Kr+301n 答案 解析 解析 关闭
20、 核聚变是指质量小的原子核,比如氘和氚,在一定条件下互相聚合,生成新 的质量更大的原子核,故A正确。B、C项,属于发现质子、中子的人工转 变方程,D项属于重核裂变方程,故B、C、D错。 答案 解析 关闭 A -24- 命题点一 命题点二 命题点三 4.(2016 江苏卷)贝可勒尔在120年前首先发现了天然放射现象,如 今原子核的放射性在众多领域中有着广泛应用。下列属于放射性 衰变的是( ) A.6 14C714N+-1 0e B.92 235U+01n53139I+3995Y+201n C.1 2H+13H24He+01n D.2 4He+1327Al1530P+01n 答案 解析 解析 关闭
21、 在自发状态下放出粒子或电子的核反应为衰变,故A项正确;B项为铀核 裂变反应;C项为轻核聚变反应,D项为原子核的人工转变,故A选项正确。 答案 解析 关闭 A -25- 命题点一 命题点二 命题点三 5.(2016 全国卷)在下列描述核过程的方程中,属于衰变的 是 ,属于衰变的是 ,属于裂变的是 ,属 于聚变的是 。(填正确答案标号) A.6 14C714N+-1 0e B.15 32P1632S+-1 0e C.92 238U90234Th+24He D.7 14N+24He817O+11H E.92 235U+01n54140Xe+3894Sr+201n F.1 3H+12H24He+01
22、n 答案 解析 解析 关闭 衰变放出粒子,C为衰变;衰变放出电子,A、B都属于衰变;裂变指一 个较大的原子核裂变成两个大小差不多的原子核,E属于裂变;聚变是指两 个较小原子核聚变成一个较大原子核的过程,F属于聚变。 答案 解析 关闭 C AB E F -26- 命题点一 命题点二 命题点三 核力与核能核力与核能 1.应用质能方程解题的流程图 书写核反应方程计算质量亏损m利用E=mc2计算释放的 核能 (1)根据E=mc2计算时,m的单位是“kg”,c的单位是“ m/s”,E 的单位是“J”。 (2)根据E=m931.5 MeV计算时m的单位是“u”,E的单位是 “MeV”。 2.根据比结合能来
23、计算核能:原子核的结合能=比结合能核子 数。 -27- 命题点一 命题点二 命题点三 同时放出能量为E=0.09 MeV的光子。假设放出的核能完全转变为 钋核与粒子的动能,不计光子的动量。已知m氡=222.086 63 u、 m=4.002 6 u、m钋=218.076 6 u,1 u相当于931.5 MeV的能量。 (1)写出上述核反应方程; (2)求出发生上述核反应放出的能量; (3)确定钋核与粒子的动能。 例 3 一个静止的氡核 86 222 Rn 放出一个 粒子后衰变为钋核 84 218 Po, 答案:(1)86 222Rn 84 218Po+24He+ (2)6.92 MeV (3)
24、0.12 MeV 6.71 MeV -28- 命题点一 命题点二 命题点三 解析:(1)86 222Rn 84 218Po+24He+ (2)质量亏损m=222.086 63 u-4.002 6 u-218.076 6 u=0.007 43 u E=mc2=0.007 43931.5 MeV =6.92 MeV。 (3)设粒子、钋核的动能分别为Ek、Ek钋,动量分别为p、p钋,由 能量守恒定律得E=Ek+Ek钋+E 不计光子的动量,由动量守恒定律得: 0=p+p钋 又 Ek= 2 2,故 EkEk 钋=2184 联立解得Ek钋=0.12 MeV,Ek=6.71 MeV。 -29- 命题点一 命
25、题点二 命题点三 思维点拨(1)质量亏损放出的能量等于新核动能、粒子动能与 光子能量之和。 (2)不计光子的动量,新核与粒子总动量等于衰变前氡核的动量。 -30- 命题点一 命题点二 命题点三 即学即练即学即练 6.(2017 全国卷)大科学工程“人造太阳”主要是将氘核聚变反应 释放的能量用来发电。氘核聚变反应方程是:1 2H+12H23He+01n,已 知 1 2 H 的质量为 2.013 6 u,2 3He 的质量为 3.015 0 u, 0 1 n 的质量为 1.008 7 u,1 u=931 MeV/c2。氘核聚变反应中释放的核能约为( ) A.3.7 MeV B.3.3 MeV C.
26、2.7 MeV D.0.93 MeV 答案 解析 解析 关闭 由方程 1 2 H+1 2H23He+01n 得,质量亏损为 m=22.013 6 u-3.015 0 u-1.008 7 u=0.003 5 u,由 E=mc2得,E=0.003 5931 MeV3.3 MeV,故选 B。 答案 解析 关闭 B -31- 命题点一 命题点二 命题点三 7.(多选)(2017 广东肇庆三模)已知氘核的平均结合能是1.09 MeV, 氚核的平均结合能是2.78 MeV,氦核的平均结合能是7.03 MeV。在 某次核反应中,1个氘核和1个氚核结合生成1个氦核和一个中子,并 放出17.6 MeV的能量,下
27、列说法正确的是( ) A.这是一个裂变反应 B.核反应方程为 1 2H+ 1 3H24He+01n C.目前核电站都采用上述核反应发电 D.该核反应会有质量亏损 答案 解析 解析 关闭 核反应方程如B所述,不是裂变反应,故A错误,B正确。该反应释放能量,故 有质量亏损,D正确。目前核电站利用的是核裂变,故C错误。 答案 解析 关闭 BD -32- 命题点一 命题点二 命题点三 8.1930年英国物理学家考克饶夫和瓦尔顿建造了世界上第一台粒 子加速器,他们获得了高速运动的质子,用来轰击静止的锂7 原 子核,形成一个不稳定的复合核后又分解成两个相同的原子核。 (1)写出核反应方程式; (2)已知质
28、子的质量为m,初速度为v0,反应后产生的一个原子核速度 大小为 v0,方向与质子运动方向相反,求反应后产生的另一个原子 核的速度以及反应过程中释放的核能(设反应过程释放的核能全部 转变为原子核的动能)。 (3 7Li) 3 4 -33- 命题点一 命题点二 命题点三 答案:(1)3 7Li+ 1 1H224He (2)v0 21 8 0 2 解析:(1)根据题意和核反应规律,则有 3 7Li+ 1 1H224He。 (2)由动量守恒定律得 mv0=-3 4v04m+4mv,解得 v=v0 释放的核能为 E=1 2(4m)v 2+1 24m 3 4 0 2 1 2 0 2 解得 E=21 8 0 2。
