第二十二講原子核

（優(yōu)選）第二十二講原子核目前一頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)【知識(shí)要點(diǎn)】

一、天然放射現(xiàn)象

1、天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾U和含鈾的礦物能發(fā)射某種看不見的射線，這種射線可以穿透黑紙使照像底片感光。像這樣物質(zhì)自發(fā)地發(fā)出射線的現(xiàn)象叫天然放射現(xiàn)象。物質(zhì)的這種性質(zhì)叫天然放射性，具有放射性的元素，叫放射性元素。后來居里夫婦又發(fā)現(xiàn)兩種放射性更強(qiáng)的新元素，叫做釙Po和鐳Ra。目前二頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)2、三種射線（1)射線：本質(zhì)是氦原子核流，符號(hào)是，帶電量為+2e，質(zhì)量為4u(1u=1.6610-27千克)，貫穿本領(lǐng)最弱，電離本領(lǐng)最強(qiáng)。（2）射線：本質(zhì)是電子流，符號(hào)是，帶電量為-e(1e=1.910-19庫侖)，質(zhì)量為，貫穿本領(lǐng)較強(qiáng)，電離本領(lǐng)較強(qiáng)。（3）γ射線：本質(zhì)是高能光子流，符號(hào)是γ，不帶電，靜止質(zhì)量為零，貫穿本領(lǐng)最強(qiáng)，電離本領(lǐng)最弱。目前三頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)3、放射性元素的衰變

原子核由于放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓凶鲈雍说乃プ儭Ｔ谒プ冎须姾蓴?shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。（1）α衰變：原子核放出一個(gè)α粒子，原子序數(shù)（核電荷數(shù)）就比原來少2，而質(zhì)量數(shù)少4。例如，寫成一般式為目前四頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)（2）β衰變：原子核放出一個(gè)β粒子，原子序數(shù)（核電荷數(shù)）就比原來多1，而質(zhì)量數(shù)不變。例如，

寫成一般式為

（3）γ衰變：要引起核的能量發(fā)生變化，而原子序數(shù)（核電荷數(shù)）和質(zhì)量數(shù)都不改變。目前五頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)4、半衰期

半衰期是放射性元素的大量原子核有半數(shù)發(fā)生衰變需要的時(shí)間。每一種放射性元素都有一定的半衰期，不同的放射性元素，半衰期不同。放射性元素半衰期的長(zhǎng)短是由原子核的內(nèi)部因素決定的，它不受外部因素的影響。例如溫度的高低，物態(tài)的變化，化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化等等，都不能改變它的半衰期。衰變公式，如果用N0表示原耒的原子核數(shù)，Nt表示t時(shí)刻還未衰變的原子核數(shù)，T表示半衰期，那么如果用M0表示原耒的原子的總重量，Mt表示t時(shí)刻還未變的原子的總質(zhì)量，那么目前六頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)二、原子核的人工轉(zhuǎn)變、原子核的組成

1、質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

1919年盧瑟福做了用α粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明α粒子擊中氮核后產(chǎn)生了新的粒子。后來測(cè)出了這種粒子的質(zhì)量和電量，確定它就是氫原子核，又叫做質(zhì)子，通常用或表示。質(zhì)子發(fā)現(xiàn)的核反應(yīng)方程是質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)表明，可以用人工的方法實(shí)現(xiàn)原子核轉(zhuǎn)變；還表明，質(zhì)子是原子核的組成部分。目前七頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)2、中子的發(fā)現(xiàn)

1930年發(fā)現(xiàn)用α射線轟擊鈹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種看不見的貫穿能力很強(qiáng)的不帶粒子。1932年用這種射線轟擊石蠟時(shí)，竟能從石蠟中打出質(zhì)子，如圖所示。目前八頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)查德威克經(jīng)過進(jìn)一步研究，證明放射性元素釙放出的α射線轟擊鈹時(shí)發(fā)出的貫穿力極強(qiáng)的射線，不是γ射線，而是一種質(zhì)量差不多與質(zhì)子相等的不帶電粒子，即中子。中子的質(zhì)量數(shù)是1，電荷數(shù)是零，用表示。發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程是實(shí)驗(yàn)證明，從許多原子核里都能打出中子來，可見中子也是原子核的組成部分。目前九頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)3、原子核的組成原子核是由質(zhì)子和中子組成的。質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。原子核的電荷數(shù)等于它的質(zhì)子數(shù)；原子核的質(zhì)量數(shù)就等于它的核子數(shù)，即質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的和。不論是原子核的衰變還是原子核的人工轉(zhuǎn)變，統(tǒng)稱為核反應(yīng)。在核反應(yīng)的過程中電荷數(shù)和質(zhì)量數(shù)都守恒。目前十頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)4、放射性同位素

同位數(shù)，具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的原子互稱同位素。（1）人工放射同位素的發(fā)現(xiàn)

1934年小居里夫婦用α粒子轟擊鋁核，發(fā)生了下面的核反應(yīng)，

核反應(yīng)生成物是磷的一種同位素它具有放射性，衰變時(shí)放出正電子，下面是它的反應(yīng)方程這是用人工方法得到的放射性同位素。目前十一頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)（2）放射性同位素的應(yīng)用：①利用它的射線探傷、消除靜電、育種、消毒、防腐等。②做為示蹤原子：把放射性同位素的原子攙到其它物質(zhì)中去，讓它們一起運(yùn)動(dòng)、遷移，再利用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤，就可以知道放射性原子通過什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，怎樣分布的，從而可以了解某些不容易察明的情況或規(guī)律。我們把這種用途的放射性同位素叫示蹤原子。目前十二頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)三、原子核能

1、原子核的結(jié)合能（1）核力：原子核內(nèi)的核子間有一種很強(qiáng)的力把它們結(jié)合在一起，這種力稱為核力。核力是強(qiáng)作用力。它與電荷無關(guān)，質(zhì)子與質(zhì)子、質(zhì)子與中子、中子與中子間都存在核力作用。它是短程力，只在2.010-15

米距離內(nèi)起作用，即使在半徑很小的原子核內(nèi)，每個(gè)核子也只跟與它相鄰的核子間才有核力的作用。（2）結(jié)合能：核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出一定的能量；原子核分解成核子時(shí)，要吸收同樣多的能量。這個(gè)能量叫做原子核的結(jié)合能。目前十三頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)（3）愛因斯坦質(zhì)能方程：這個(gè)方程是愛因斯坦從相對(duì)論得出的，它表明物體的質(zhì)量與它的能量間有一定的聯(lián)系。當(dāng)物體的能量增加（或減少）△E時(shí)，它的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增加(或減少)m，二者滿足的關(guān)系是E=mc2，式中c表示光在真空中的傳播速度。（在使用該公式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算時(shí)，要注意單位的統(tǒng)一，見下表。目前十四頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)

（4）質(zhì)量虧損：核子結(jié)合成原子核時(shí)要放出結(jié)合能，原子核的能量要比組成核的核子未組合成核時(shí)的能量小，所以原子核的質(zhì)量也要比組成核的核子的質(zhì)量小。我們把組成原子核的核子的質(zhì)量與原子核的質(zhì)量之差叫做核的質(zhì)量虧損。如果知道核的質(zhì)量虧損，根據(jù)質(zhì)能方程就可以求出原子核的結(jié)合能。（5）平均結(jié)合能：用核子數(shù)去除核的結(jié)合能，就得到每個(gè)核子的平均結(jié)合能。平均結(jié)合能是核子結(jié)合成原子核時(shí)每個(gè)核子平均放出的能量，也是把原子核分解成核子時(shí)每個(gè)核子平均吸收的能量。平均結(jié)合能越大，原子核就越難拆開。可見平均結(jié)合能的大小能夠反映核的穩(wěn)定程度。目前十五頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)如圖所示為核子的平均結(jié)合能隨原子核的質(zhì)量數(shù)變化規(guī)律的圖象。從圖中可以看出，質(zhì)量數(shù)較小的輕核和質(zhì)量數(shù)較大的重核，平均結(jié)合能都比較小。中等質(zhì)量數(shù)的原子核平均結(jié)合能大。目前十六頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)2、重核的裂變

重核的核子平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核的核子平均結(jié)合能小。因此，重核分裂成中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)有一部分結(jié)合能釋放出來。這種核反應(yīng)叫做裂變。（1）鈾核的裂變的核反應(yīng)方程裂變后：反應(yīng)過程中質(zhì)量減少△m=0.2153u，反應(yīng)中釋放的能量目前十七頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)（2）鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：鈾核裂變時(shí)，同時(shí)放出2~3個(gè)中子，如果這些中子再引起其它鈾核裂變，就可使裂變反應(yīng)不斷地進(jìn)行下去。這種反應(yīng)叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。鈾塊的體積對(duì)于產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也是重要因素。能夠發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鈾塊的最小體積叫做它的臨界體積。對(duì)于鈾塊如果超過了臨界體積，就會(huì)引起鈾核的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，發(fā)生猛烈的爆炸。目前十八頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)（3）核反應(yīng)堆：它是人工控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置，主要的構(gòu)成有做為核燃料的濃縮鈾，做為中子減速濟(jì)的石墨，起控制作用的鎘棒，起冷卻和輸出勢(shì)能作用的液體金屬鈉或水，以及防止射線對(duì)人體的危害而修建的水泥防護(hù)層。目前十九頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)3、輕核聚變輕核的結(jié)合能更小，某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核時(shí)，能釋放出更多的結(jié)合能。輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的重核叫聚變。輕核聚變的核反應(yīng)方程目前二十頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)使核發(fā)生聚變；必須使它們接邁到10-15米，也就是接近到核力能夠發(fā)生做用的范圍。由于原子核都帶正電，要使它們接近到這種程度，必須克服電荷之間的很大斥力作用，這就要使核具有很大的動(dòng)能。只有在幾百萬度的高溫以上，原子核才有足夠的動(dòng)能克服相互間的庫侖斥力，在碰撞中接近到可以發(fā)生聚變的程度。所以這種輕核聚變的反應(yīng)又叫做熱核反應(yīng)。和平利用核能則要求人們要實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷朔磻?yīng)，即用人工的方法，有控制地使氘核發(fā)生聚變反應(yīng)，緩慢而穩(wěn)定地釋放能量。目前二十一頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)【典型例題】例1：(釷)經(jīng)過一系列和衰變，成為(鉛)，下列說法正確的是A．鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子B、鉛核比釷核少16個(gè)中子C、共經(jīng)過4次α衰變和6次β衰變D、共經(jīng)過6次α衰變和4次β衰變分析：因?yàn)楹酥械腪是核的電荷數(shù)，實(shí)際上Z等于核中的質(zhì)子數(shù)，M是核的質(zhì)量數(shù)，實(shí)際上M等于核中的核子(即質(zhì)中和中子)數(shù)。在知道兩個(gè)核的質(zhì)子數(shù)之差后，可以用核子數(shù)差減于質(zhì)子數(shù)差，就是中子數(shù)差。所以從和可知，鉛核比釷核少8個(gè)質(zhì)子，鉛核比釷核少(232-208)-(90-82)=16個(gè)中子目前二十二頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)判斷α衰變和β衰變的次數(shù)有兩種方法。方法（1）設(shè)發(fā)生α衰變的次數(shù)為x，發(fā)生β衰變的次數(shù)為y。根據(jù)在衰變過程中電荷數(shù)守恒，質(zhì)量數(shù)守恒，所以

方法（2）考慮到α衰變會(huì)引起核的質(zhì)量數(shù)發(fā)生變化，而β衰變不會(huì)引起核的質(zhì)量數(shù)發(fā)生變化。因此可以根據(jù)釷和鉛的質(zhì)量數(shù)的變化判斷α衰變的次數(shù)是6。6次α衰變應(yīng)使核電荷數(shù)減少12，但上述兩核的電荷數(shù)只減少8，說明上述核衰變時(shí)，有(12-8)=4次β衰變。答：選項(xiàng)A、B、D正確。解得x=6，y=4。目前二十三頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)例2：若元素A的半衰期為4天，元素B的半衰期為5天，則相同質(zhì)量的A和B，經(jīng)過20天后，剩下的質(zhì)量之比，即mA

：mB

是

A、30∶31B、31∶30C、1∶2D、2∶1分析：放射性元素每經(jīng)過一個(gè)半衰期T，其質(zhì)量就衰變成原耒的1/2，經(jīng)過了N個(gè)半衰期，余下的質(zhì)量就是原耒質(zhì)量的。根據(jù)半衰期的這個(gè)定義，針對(duì)本題意列方程求解。解：因?yàn)門A=4天，TB=5天，t=20天。原耒A和B的質(zhì)量相等，用m表示，則答：選項(xiàng)C正確。目前二十四頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)

例3：一個(gè)鈾衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)α粒子，已知鈾核的質(zhì)量為千克，釷核的質(zhì)量為千克，粒子的質(zhì)量為千克，在這個(gè)衰變過種中釋放出的能量等于_________J（取2位有效數(shù)字）。寫出此衰變方程____________________。分析：原子核發(fā)生變化時(shí)如果質(zhì)量減?。p小的質(zhì)量稱為質(zhì)量虧損）m，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，可以算出核變釋放的能量△E。目前二十五頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)說明：本題沒給出鈾核的質(zhì)量數(shù)，所以用M表示鈾核的質(zhì)量數(shù)，這樣釷核的質(zhì)量數(shù)為M-4。另外衰變釋放的能表現(xiàn)為粒子的動(dòng)能E和釷核反沖運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能ETh，由于衰變過程動(dòng)量守恒，則答:衰變過程中釋放出的能量等于這個(gè)α衰變的方程為：這里的M是衰變前核的質(zhì)量數(shù)。因?yàn)镸>>4，所以E接質(zhì)E。由于能量守恒，則解這兩個(gè)方程可得α粒子的動(dòng)能目前二十六頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)【反饋練習(xí)】

1、某放射性元素的原子核發(fā)生2次α衰變和6次β衰變，關(guān)于它的原子核的變化，下列說法中正確的是

A、中子數(shù)減少8 B、質(zhì)子數(shù)減少2C、質(zhì)子數(shù)增加2 D、核子數(shù)減少10答案:C目前二十七頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)2、放射性元素的半衰期決定于A．放射性元素質(zhì)量的多少B、放射性元素所處的物理狀態(tài)C、放射性元素外界的化學(xué)條件D、由核本身內(nèi)部因素決定，跟原子所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無關(guān)答案:D目前二十八頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)3、放射性無素經(jīng)過2h后有半數(shù)原子核發(fā)生了衰變，若再經(jīng)過2h未衰變?cè)雍说臄?shù)目將是最初的答案:B目前二十九頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)4、天然放射性現(xiàn)象中發(fā)生衰變后變成。已知、和粒子的質(zhì)量分別是m1、m2和m3，它們之間應(yīng)滿足答案:B目前三十頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)5、太陽輻射能量主要來自太陽內(nèi)部的A、化學(xué)反應(yīng) B、放射性衰變C、裂變反應(yīng) D、熱核反應(yīng)答案:D目前三十一頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)6、以下幾個(gè)原子核反應(yīng)式中，X代表α粒子的反應(yīng)式是答案:C目前三十二頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)7、用中子轟擊硼()核發(fā)生的核反應(yīng)是：其中的X粒子應(yīng)是A、α粒子 B、β粒子C、質(zhì)子 D、中子答案:A目前三十三頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)8、鈾235的原子核符號(hào)常寫成，由此可知A．鈾235的原子核中有質(zhì)子92個(gè)B、鈾235的原子核中有電子92個(gè)C、鈾235的原子核中有中子235個(gè)D、鈾235的原子核中有中子143個(gè)答案:AD目前三十四頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)

9、關(guān)于原子核的能，下面說法正確的是

A．只指原子核分解為核子時(shí)放出的能量

B、只指核子結(jié)合為原子核時(shí)需要供給的能量

C、核子結(jié)合成原子核時(shí)吸收的能量或原子核分解為核子時(shí)放出的能量

D、核子結(jié)合成原子核時(shí)放出的能量或原子核分解為核子時(shí)吸收的能量答案:D目前三十五頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)

10、在垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一原來靜止的原子核，該核衰變后，放出的帶電粒子和反沖核的運(yùn)動(dòng)軌跡分別如圖中的a、b所示，由圖可以判定

A．該核發(fā)生的是α衰變

B、該核發(fā)生的是β衰變

C、磁場(chǎng)方向一定垂直紙面向里

D、磁場(chǎng)方向向里還是向外不能判定答案:BD目前三十六頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)【課后練習(xí)】

一、填空題1．鈾核經(jīng)過_______次衰變和_______次衰變后變成穩(wěn)定的鉛2、放射性元素經(jīng)過2h，只剩1/2的核沒有衰變?cè)俳?jīng)過_______h，將只剩下1/8的核沒有衰變。答案:6答案:8；6目前三十七頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)3、在中子、質(zhì)子、電子、正電子和α粒子中選出一個(gè)適當(dāng)?shù)牧Ｗ樱謩e填在下列核反應(yīng)式的橫線上：答案:目前三十八頁\總數(shù)四十四頁\編于五點(diǎn)4、一個(gè)鈾核衰變?yōu)殁Q核時(shí)釋放出一個(gè)粒子。已知:鈾核的質(zhì)量為粒子的質(zhì)量為釷核的質(zhì)量為這個(gè)衰變過程中釋放出的能量等于__________J。（保留二位有效數(shù)字）答案:8.710