高考物理總復(fù)習(xí) 第64講 原子核講義-人教版高三物理試題

第64講原子核考情剖析考查內(nèi)容考綱要求考查年份考查詳情能力要求原子核的組成、原子核的衰變半衰期、放射性同位素放射性的應(yīng)用與防護(hù)、核力與結(jié)合能質(zhì)量虧損、核反應(yīng)方程、裂變反應(yīng)聚變反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Ⅰ14年T12C應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題15年T12CT12C推理、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題17年T12C理解弱項(xiàng)清單,核反應(yīng)方程的書寫沒有真正了解衰變的本質(zhì)特征，核反應(yīng)方程式書寫錯(cuò)誤，質(zhì)量虧損的方程ΔE＝Δmc2寫錯(cuò)，對(duì)核反應(yīng)中吸能和放能不理解．知識(shí)整合一、天然放射現(xiàn)象1．天然放射現(xiàn)象：某些元素________放射某些射線的現(xiàn)象稱為天然放射現(xiàn)象，這些元素稱為________．2．三種射線的實(shí)質(zhì)與對(duì)比種類α射線β射線γ射線組成高速______流高速______流電磁波電性________________質(zhì)量數(shù)________________微觀粒子符號(hào)________________速度可達(dá)______c可達(dá)______cc貫穿本領(lǐng)最弱用紙能擋住較強(qiáng)穿透幾毫米的鋁板最強(qiáng)穿透幾厘米的鉛板對(duì)空氣的電離作用很強(qiáng)較弱很弱3.原子核的組成(1)原子核：由________和________組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為________．(2)核電荷數(shù)(Z)：等于核內(nèi)____________，也等于核外____________，還等于元素周期表中的____________．(3)核質(zhì)量數(shù)(A)：等于核內(nèi)的________，即________與________之和．(4)原子核通常用eq\o\al(A,Z)X表示．具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子核，在元素周期表中處于同一位置，因而互稱________．有放射性的稱放射性________．二、原子核的衰變1．定義：原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)開_______的變化叫原子核的________．2．分類(1)α衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)He，同時(shí)放出γ射線；(2)β衰變：eq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e，同時(shí)放出γ射線．3．半衰期(1)定義：放射性元素的原子核________發(fā)生衰變需要的時(shí)間．(2)半衰期的大小由放射性元素的________決定，跟原子所處的外部條件(如壓強(qiáng)、溫度等)和化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)或化合物)無關(guān)．

三、放射性同位素及應(yīng)用1．放射性同位素放出的射線應(yīng)用于工業(yè)、探傷、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等．2．做示蹤原子．四、核反應(yīng)用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程．典型核反應(yīng)：1．盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的核反應(yīng)方程為：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H.2．查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程為：eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n.3．約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素和正電子的核反應(yīng)方程為：eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)n，eq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e.常見的核反應(yīng)有：________、________、________和________．五、核力與結(jié)合能1．核力和結(jié)合能由于原子核中的核子間存在強(qiáng)大的核力，使得原子核成為一個(gè)堅(jiān)固的集合體，要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功，反之，要把核子集合成一個(gè)原子核，就要放出巨大的能量．原子核是核子結(jié)合在一起的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結(jié)合能．原子核越大，結(jié)合能越________，因此有意義的是它的結(jié)合能與核子數(shù)之比，稱________，也叫平均結(jié)合能．平均結(jié)合能越________，表示原子核子核中核子結(jié)合的越牢固，原子核越穩(wěn)定．2．質(zhì)能方程(1)質(zhì)能方程：________，m是物體的質(zhì)量，c是真空中的光速．上述表明：物體的質(zhì)量和能量間有一定聯(lián)系，即物體具有的能量與其質(zhì)量成正比，當(dāng)物體的能量增加或減小ΔE，它的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)地增加或減少Δm，ΔE與Δm的關(guān)系是________．(2)質(zhì)量虧損核子結(jié)合成原子核時(shí)要釋放能量，按上述關(guān)系，原子核的質(zhì)量要________組成原子核的核子總質(zhì)量，這個(gè)質(zhì)量差異叫質(zhì)量虧損．3．獲得核能的途徑(1)重核裂變：重核俘獲一個(gè)中子后分裂成為兩個(gè)(或多個(gè))中等質(zhì)量核的反應(yīng)過程．重核裂變的同時(shí)放出幾個(gè)________，并釋放出大量核能．重核裂變時(shí)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的最小體積叫臨界體積．(2)輕核聚變：某些輕核結(jié)合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)過程，同時(shí)釋放出大量的核能，要想使氘和氚核合成氦核，必須達(dá)到幾百萬攝氏度以上的高溫，因此聚變反應(yīng)又叫________．方法技巧考點(diǎn)1原子核和原子核的衰變1．衰變規(guī)律及實(shí)質(zhì)(1)兩種衰變的比較衰變類型α衰變?chǔ)滤プ兯プ兎匠蘣q\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A－4,Z－2)Y＋eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(A,Z)X→eq\o\al(A,Z＋1)Y＋eq\o\al(0,－1)e衰變實(shí)質(zhì)2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子結(jié)合成一個(gè)整體射出中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子2eq\o\al(1,1)H＋2eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(4,2)Heeq\o\al(1,0)n→eq\o\al(1,1)H＋eq\o\al(0,－1)e衰變規(guī)律,電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒(2)γ射線：γ射線衰變規(guī)律經(jīng)常是伴隨著α衰變或β衰變同時(shí)產(chǎn)生的．其實(shí)質(zhì)是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中，產(chǎn)生的新核由于具有過多的能量(核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子．2．原子核的人工轉(zhuǎn)變用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過程．3．確定衰變次數(shù)的方法(1)設(shè)放射性元素X經(jīng)過n次α衰變和m次β衰變后，變成穩(wěn)定的新元素Y，則表示該核反應(yīng)的方程為eq\o\al(A,Z)X→A，Z，Y＋neq\o\al(4,2)He＋meq\o\al(0,－1)e根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒可列方程A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m.(2)確定衰變次數(shù)，因?yàn)棣滤プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無影響，先由質(zhì)量數(shù)的改變確定α衰變的次數(shù)，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定β衰變的次數(shù)．4．半衰期(1)公式：N余＝N原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\f(t,τ)，m余＝m原eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\f(t,τ).式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子數(shù)和質(zhì)量，t表示衰變時(shí)間，τ表示半衰期．(2)影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內(nèi)部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強(qiáng))或化學(xué)狀態(tài)(如單質(zhì)、化合物)無關(guān)．【典型例題1】(17年徐連宿三模)一靜止的鈾核eq\o\al(238,92)U發(fā)生α衰變后變?yōu)殁Q核Th，放出的α粒子速度為0.1c(c是光在真空中的速度)，不考慮相對(duì)論效應(yīng)．(1)試寫出該衰變的核反應(yīng)方程；(2)求釷核的速度大?。?.(17年鹽城三模)氡222經(jīng)過α衰變變成釙218，t＝0時(shí)氡的質(zhì)量為m0，任意時(shí)刻氡的質(zhì)量為m，下列四幅圖中周期的是()ABCD【學(xué)習(xí)建議】原子核衰變后剩余質(zhì)量與原質(zhì)量之間的關(guān)系式要熟悉．考點(diǎn)2核反應(yīng)類型及核反應(yīng)方程的書寫1．核反應(yīng)的四種類型類型可控性核反應(yīng)方程典例衰變?chǔ)了プ冏园l(fā)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)Heβ衰變自發(fā)eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e人工轉(zhuǎn)變,人工控制,eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)eq\o\al(9,4)Be＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(12,6)C＋eq\o\al(1,0)n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子)eq\o\al(27,13)Al＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(30,15)P＋eq\o\al(1,0)neq\o\al(30,15)P→eq\o\al(30,14)Si＋eq\o\al(0,1)e,約里奧·居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子重核裂變,比較容易進(jìn)行人工控制,eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(144,56)Ba＋eq\o\al(89,36)Kr＋3eq\o\al(1,0)neq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(136,54)Xe＋eq\o\al(90,38)Sr＋10eq\o\al(1,0)n輕核聚變,除氫彈外無法控制,eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n2.書寫核反應(yīng)方程的注意點(diǎn)(1)核反應(yīng)過程一般都是不可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號(hào)連接．(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不能憑空只依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應(yīng)方程．(3)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒．遵循核電荷數(shù)守恒．【典型例題2】(17年南京二模)一個(gè)靜止的氮核eq\o\al(14,7)N俘獲一個(gè)速度為1.1×107m/s的氦核變成B、C兩個(gè)新核，設(shè)B的速度方向與氦核速度方向相同、大小為4×106m(1)寫出核反應(yīng)方程；(2)估算C核的速度大?。緦W(xué)習(xí)建議】書寫衰變方程時(shí)，注意質(zhì)量數(shù)，電荷數(shù)守恒．2.(17年蘇北六市聯(lián)考)原子核的能量也是量子化的，釷核(eq\o\al(226,90)Th)的能級(jí)圖如圖所示.eq\o\al(226,89)Ac能發(fā)生β衰變產(chǎn)生釷核，釷核處于n＝3的能級(jí)．(1)寫出eq\o\al(226,89)Ac發(fā)生β衰變的方程；(2)發(fā)生上述衰變時(shí)，探測(cè)器能接收到γ射線譜線有幾條？求出波長(zhǎng)最長(zhǎng)γ光子的能量E.考點(diǎn)3關(guān)于核能的計(jì)算1．應(yīng)用質(zhì)能方程解題的流程圖(1)根據(jù)ΔE＝Δmc2計(jì)算，計(jì)算時(shí)Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”．(2)根據(jù)ΔE＝Δm×931.5MeV計(jì)算．因1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于931.5MeV的能量，所以計(jì)算時(shí)Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”．2．利用質(zhì)能方程計(jì)算核能時(shí)，不能用質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算．【典型例題3】(17年蘇錫常鎮(zhèn)二模)以一定速度運(yùn)動(dòng)的原子核eq\o\al(A,Z)X放出α粒子后變成靜止的原子核Y，若X、Y和α粒子的靜質(zhì)量分別是M、m1和m2，真空中光速為c，不考慮相對(duì)論效應(yīng)．求反應(yīng)過程中釋放的能量以及α粒子的動(dòng)能．【典型例題4】太陽能屋頂、太陽能幕墻、太陽能汽車、太陽能動(dòng)態(tài)景觀……科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)太陽發(fā)光是由于其內(nèi)部不斷發(fā)生從氫核到氦核的核聚變反應(yīng)，即在太陽內(nèi)部4個(gè)氫核(eq\o\al(1,1)H)轉(zhuǎn)化成一個(gè)氦核(eq\o\al(4,2)He)和兩個(gè)正電子(eq\o\al(0,1)e)并放出能量．已知質(zhì)子質(zhì)量mp＝1.0073u，α粒子的質(zhì)量mα＝4.0015u，電子的質(zhì)量me＝0.0005u，1u的質(zhì)量相當(dāng)于931.5MeV的能量．(1)寫出該熱核反應(yīng)方程；(2)一次這樣的熱核反應(yīng)過程中釋放出多少M(fèi)eV的能量？(結(jié)果保留四位有效數(shù)字)當(dāng)堂檢測(cè)1.(多選)科學(xué)家使用核反應(yīng)獲取氚，再利用氘和氚核反應(yīng)獲得能量，核反應(yīng)方程分別為X＋Y→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(3,1)H＋4.9MeV和eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋X＋17.6MeV，下列表述正確的有()A．X是中子B．Y的質(zhì)子數(shù)是3，中子數(shù)是6C．兩個(gè)核反應(yīng)都沒有質(zhì)量虧損D．氘和氚的核反應(yīng)是核聚變反應(yīng)2．(17年江蘇高考)(多選)原子核的比結(jié)合能曲線如圖所示，根據(jù)該曲線，下列判斷中正確的有()第2題圖A.eq\o\al(4,2)He核的結(jié)合能約為14MeVB.eq\o\al(4,2)He核比eq\o\al(6,3)Li核更穩(wěn)定C．兩個(gè)eq\o\al(2,1)H核結(jié)合成eq\o\al(4,2)He核時(shí)釋放能量D.eq\o\al(235,92)U核中核子的平均結(jié)合能比eq\o\al(89,36)Kr核中的大3．大科學(xué)工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應(yīng)釋放的能量用來發(fā)電．氘核聚變反應(yīng)方程是：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(2,1)H→eq\o\al(3,2)He＋eq\o\al(1,0)n.已知eq\o\al(2,1)H的質(zhì)量為2.0136u，eq\o\al(3,2)He的質(zhì)量為3.0150u，eq\o\al(1,0)n的質(zhì)量為1.0087u，1u＝931MeV/c2.氘核聚變反應(yīng)中釋放的核能約為()A．3.7MeVB．3.3MeVC．2.7MeVD．0.93MeV4．(17年常州一模)靜止的eq\o\al(6,3)Li原子核，俘獲一個(gè)速度為7.7×104m/s的中子而發(fā)生核反應(yīng)放出α粒子后變成一個(gè)新原子核，測(cè)得α粒子速度為2×104m(1)寫出核反應(yīng)方程式．(2)求生成的新核的速度大小．5．1926年美國(guó)波士頓的內(nèi)科醫(yī)生盧姆加特等首次應(yīng)用放射性氡研究人體動(dòng)、靜脈血管床之間的循環(huán)時(shí)間，被譽(yù)為“臨床核醫(yī)學(xué)之父”．氡的放射性同位素有27種，其中最常用的是eq\o\al(222,86)Rn.eq\o\al(222,86)Rn經(jīng)過m次α衰變和n次β衰變后變成穩(wěn)定的eq\o\al(206,82)Pb.(1)求m、n的值；(2)一個(gè)靜止的氡核(eq\o\al(222,86)Rn)放出一個(gè)α粒子后變成釙核(eq\o\al(218,84)Po)．已知釙核的速率v＝1×106m/s，求α粒子的速率．第64講原子核知識(shí)整合基礎(chǔ)自測(cè)一、1.自發(fā)地放射性元素2．氦核電子正負(fù)40eq\o\al(4,2)He0－1e0.10．993．(1)質(zhì)子中子核子(2)質(zhì)子數(shù)電子數(shù)原子序數(shù)(3)核子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)(4)同位素放射性同位素二、1.新核衰變3.(1)有半數(shù)(2)內(nèi)部自身的因素四、3.衰變?nèi)斯まD(zhuǎn)變裂變聚變五、1.大比結(jié)合能大2．(1)E＝mc2ΔE＝Δm·c2(2)小于3．(1)中子(2)熱核反應(yīng)方法技巧·典型例題1·(1)eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He(2)eq\f(1,585)c【解析】(1)質(zhì)量數(shù)與電荷數(shù)守恒得方程：eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He；(2)設(shè)釷核的質(zhì)量為M，反沖速度為v，由動(dòng)量守恒定律0＝m(0.1c)－Mv其中eq\f(m,M)＝eq\f(4,234)，得v＝eq\f(1,585)c.·變式訓(xùn)練1·B【解析】每經(jīng)過一個(gè)半衰期有一半質(zhì)量發(fā)生衰變，則剩余質(zhì)量m＝m0eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(\f(t,τ))，計(jì)算得出eq\f(m,m0)＝eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)))eq\s\up6(\f(t,τ))，τ為半衰期，可以知道eq\f(m,m0)與t成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，所以B選項(xiàng)是正確的．·典型例題2·(1)eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H(2)2.4×107m/s【解析】(1)根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒得，B、C電荷數(shù)之和為9，因?yàn)锽、C兩原子核的電荷數(shù)之比為8∶1.則C的電荷數(shù)為1，B、C質(zhì)量數(shù)之和為18.因?yàn)锽的質(zhì)量是中子的17倍，則B的質(zhì)量數(shù)為17，則C的質(zhì)量數(shù)為1，所以C為質(zhì)子；故核反應(yīng)方程為：eq\o\al(14,7)N＋eq\o\al(4,2)He→eq\o\al(17,8)O＋eq\o\al(1,1)H；(2)設(shè)氦核的速度方向?yàn)檎较?；根?jù)動(dòng)量守恒得，mHevHe＝mBvB＋mCvC，計(jì)算得出vC＝＋2．4×107·變式訓(xùn)練2·(1)eq\o\al(226,89)Ac→eq\o\al(226,90)Th＋eq\o\al(0,－1)e(2)3條0.0721MeV【解析】(1)根據(jù)電荷數(shù)守恒、質(zhì)量數(shù)守恒知，β衰變的方程為：eq\o\al(226,89)Ac→eq\o\al(226,90)Th＋eq\o\al(0,－1)e；(2)根據(jù)Ceq\o\al(2,3)＝3知，探測(cè)器能接收到γ射線譜線有3條.波長(zhǎng)最長(zhǎng)對(duì)應(yīng)能級(jí)差最小，則波長(zhǎng)最長(zhǎng)γ光子的能量E＝E2－E1＝0.0721MeV.·典型例題3·(M－m1－m2)c2eq\f(M,M－m2)(M－m1－m2)c2【解析】根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程得ΔE＝Δmc2＝(M－m1－m2)c2;因?yàn)榉磻?yīng)后存在質(zhì)量虧損，所以反應(yīng)前后總動(dòng)能之差等于質(zhì)量虧損而釋放的核能，則有：ΔEk＝eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,α)－eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,X)＝(M－m1－m2)c2；反應(yīng)過程中三個(gè)粒子組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，則有：MvX＝m2vα；聯(lián)立計(jì)算得出α粒子的動(dòng)能為Ek＝eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,α)＝eq\f(M,M－m2)(M－m1－m2)c2.·典型例題4·(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e(2)24.87MeV【解析】(1)4eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(4,2)He＋2eq\o\al(0,1)e；(2)Δm＝4mp－mα－2me＝4×1.0073u－4.0015u－2×0.0005u＝0.0267u，ΔE＝Δmc2＝0.0267×931.5MeV＝24.87MeV.當(dāng)堂檢測(cè)1．AD【解析】根據(jù)核反應(yīng)中質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)守恒，由eq\o\al(2,1)H＋