專題06 原子核模型（原卷版）-【模型與方法】2023-2024學年高二物理同步模型易點通人教版2019選擇性必修第三冊

專題06原子核模型一、天然放射現象及三種射線1．天然放射現象(1)1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現某些物質具有放射性。(2)①放射性：物質發(fā)射射線的性質。②放射性元素：具有放射性的元素。③天然放射現象：放射性元素自發(fā)地發(fā)出射線的現象。(3)原子序數大于或等于83的元素，都能自發(fā)地發(fā)出射線，原子序數小于83的元素，有的也能放出射線。(4)瑪麗·居里和她的丈夫皮埃爾·居里發(fā)現了兩種放射性更強的新元素，命名為釙(Po)和鐳(Ra)。2．三種射線(1)α射線：實際上就是氦原子核，速度可達到光速的eq\f(1,10)，其電離能力強，穿透能力較差，在空氣中只能前進幾厘米，用一張紙就能把它擋住。(2)β射線：是高速電子流，它速度很大，可達光速的99%，它的穿透能力較強，電離能力較弱，很容易穿透黑紙，也能穿透幾毫米厚的鋁板。(3)γ射線：呈電中性，是能量很高的電磁波，波長很短，在10－10m以下，它的電離作用更小，但穿透能力更強，甚至能穿透幾厘米厚的鉛板或幾十厘米厚的混凝土。說明：元素的放射性與它以單質還是化合物的形式存在無關，且天然放射現象不受任何物理變化、化學變化的影響。二、原子核的組成1．質子的發(fā)現(如圖所示)2．中子的發(fā)現(如圖所示)3．原子核的組成由質子和中子組成，它們統(tǒng)稱為核子。4．原子核的符號5．同位素具有相同質子數而中子數不同的原子核，在元素周期表中處于同一位置，它們互稱同位素。例如，氫有三種同位素分別為eq\o\al(1,1)H、eq\o\al(2,1)H、eq\o\al(3,1)H。說明：同位素的化學性質相同，物理性質一般不同。三、原子核的衰變1．定義原子核自發(fā)地放出α粒子或β粒子，由于核電荷數變了，它在元素周期表中的位置就變了，變成另一種原子核。我們把這種變化稱為原子核的衰變。2．衰變分類(1)α衰變：放出α粒子的衰變。(2)β衰變：放出β粒子的衰變。3．衰變過程eq\o\al(238,92)U→eq\o\al(234,90)Th＋eq\o\al(4,2)He。eq\o\al(234,90)Th→eq\o\al(234,91)Pa＋eq\o\al(0,－1)e。4．衰變規(guī)律(1)原子核衰變時電荷數和質量數都守恒。(2)任何一種放射性元素只有一種放射性，不能同時既有α放射性又有β放射性，而γ射線伴隨α衰變或β衰變產生。說明：原子核衰變時質量數守恒，但不是質量守恒，有質量減少(也叫質量虧損)。四、半衰期與核反應1．半衰期(1)定義放射性元素的原子核有半數發(fā)生衰變所需的時間。(2)決定因素放射性元素衰變的快慢是由核內部自身的因素決定的，跟原子所處的化學狀態(tài)和外部條件沒有關系。不同的放射性元素，半衰期不同。(3)應用利用半衰期非常穩(wěn)定這一特點，可以測量其衰變程度、推斷時間。2．核反應(1)人工核轉變：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)定義：原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程。(3)特點：在核反應中，質量數守恒、電荷數守恒。說明：半衰期是大量原子核衰變的統(tǒng)計規(guī)律，只對大量原子核有意義，對少數原子核沒有意義。五、放射性同位素的應用與安全1．放射性同位素：很多元素都存在一些具有放射性的同位素，它們被稱為放射性同位素。2．放射性同位素的應用：(1)射線測厚儀。(2)放射治療。(3)培優(yōu)、保鮮。(4)示蹤原子：一種元素的各種同位素具有相同的化學性質，用放射性同位素替換非放射性的同位素后，可以探測出原子到達的位置。3．輻射與安全：人類一直生活在放射性的環(huán)境中，過量的射線對人體組織有破壞作用。要防止放射性物質對水源、空氣、用具等的污染。說明：一般放射性同位素半衰期短，而且強度容易控制，使用更廣泛。六、核力與四種基本相互作用1．強相互作用(1)定義：原子核中的核子之間存在一種很強的相互作用，即存在一種核力，它使得核子緊密地結合在一起，形成穩(wěn)定的原子核，這種作用稱為強相互作用。(2)特點：①核力是強相互作用的一種表現，在原子核內，核力比庫侖力大得多。②是短程力，作用范圍只有約10－15m。2．弱相互作用(1)定義：在某些放射現象中起作用的還有另一種基本相互作用，稱為弱相互作用。(2)也是短程力，作用范圍只有10－18m。3．四種基本相互作用說明：強相互作用是短程力，每個核子只跟相鄰的核子發(fā)生作用，也叫核力的飽和性。七、結合能和質量虧損1．結合能原子核是核子憑借核力結合在一起構成的，要把它們分開，也需要能量，這就是原子核的結合能。2．比結合能原子核的結合能與核子數之比，稱作比結合能，也叫平均結合能。比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。中等大小的核的比結合能最大，最穩(wěn)定。3．質能方程物體的能量與它們質量的關系是：E＝mc2。4．質量虧損原子核的質量小于組成它的核子的質量之和的現象。注意：原子核的核子結合成原子核釋放的能量與把它們分開需要的能量相等。八、核裂變1．核裂變的發(fā)現(1)核裂變重核被中子轟擊后分裂成兩個質量差不多的新原子核，并放出核能的過程。(2)鈾核裂變用中子轟擊鈾核時，鈾核發(fā)生裂變，其產物是多種多樣的，其中一種典型的反應是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)n。(3)鏈式反應當一個中子引起一個重核裂變后，裂變釋放的中子再引起其他重核裂變，且能不斷繼續(xù)下去，這種由重核裂變產生的中子使核裂變反應一代一代繼續(xù)下去的過程，叫作核裂變的鏈式反應。(4)鏈式反應的條件發(fā)生裂變物質的體積大于臨界體積或裂變物質的質量大于臨界質量。2．反應堆與核電站(1)核能釋放的控制通過可控制的鏈式反應實現核能釋放的裝置稱為核反應堆。(2)慢化劑反應堆中，為了使裂變產生的快中子減速，在鈾棒周圍要放“慢化劑”，常用的慢化劑有石墨、重水和普通水(也叫輕水)。(3)控制棒為了控制反應速度，還需要在鈾棒之間插進一些鎘棒，它吸收中子的能力很強，反應過于激烈時，可將其插入深一些，多吸收一些中子，鏈式反應的速度就會慢一些，這種鎘棒叫作控制棒。(4)能量輸出核燃料裂變釋放的能量使反應區(qū)溫度升高，水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應堆外循環(huán)流動，把反應堆內的熱量傳輸出去，用于發(fā)電。說明：核裂變是可以控制的，如核電站的建立和應用。九、核聚變1．定義兩個輕核結合成質量較大的核，這樣的核反應叫作核聚變。2．舉例eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV。3．條件(1)輕核的距離要達到10－15m以內。(2)需要加熱到很高的溫度，因此又叫熱核反應。4．優(yōu)點(1)輕核聚變產能效率高。(2)地球上聚變燃料的儲量豐富。(3)輕核聚變更為安全、清潔。5．約束方法磁約束和慣性約束。【模型演練1】(多選)如圖所示，鉛盒A中裝有天然放射性物質，放射線從其右端小孔中水平向右射出，在小孔和熒光屏之間有垂直于紙面向里的勻強磁場，則下列說法中正確的有()A．打在圖中a、b、c三點的依次是α射線、γ射線和β射線B．α射線和β射線的軌跡是拋物線C．α射線和β射線的軌跡是圓弧D．如果在鉛盒和熒光屏間再加一豎直向下的勻強電場，則屏上的亮斑可能只剩下b【規(guī)律總結】三種射線的比較方法(1)知道三種射線帶電的性質，α射線帶正電、β射線帶負電、γ射線不帶電。α、β是實物粒子，而γ射線是光子流，屬于電磁波的一種。(2)在電場或磁場中，通過其受力及運動軌跡半徑的大小來判斷α和β射線，由于γ射線不帶電，故運動軌跡仍為直線。(3)α射線穿透能力較弱，β射線穿透能力較強，γ射線穿透能力最強?！灸Ｐ脱菥?】eq\o\al(238,92)U核經一系列的衰變后變?yōu)閑q\o\al(206,82)Pb核，問：(1)一共經過幾次α衰變和幾次β衰變？(2)eq\o\al(206,82)Pb與eq\o\al(238,92)U相比，質子數和中子數各少了多少？(3)綜合寫出這一衰變過程的方程?！疽?guī)律總結】衰變次數的判斷方法(1)衰變過程遵循質量數守恒和電荷數守恒。(2)每發(fā)生一次α衰變，質子數、中子數均減少2。(3)每發(fā)生一次β衰變，中子數減少1，質子數增加1?！灸Ｐ脱菥?】關于原子核中質子和中子的說法，正確的是()A．原子核中質子數和中子數一定相等B．穩(wěn)定的重原子核里，質子數比中子數多C．原子核都是非常穩(wěn)定的D．由于核力的作用范圍是有限的，核力具有飽和性，不可能無節(jié)制地增大原子核而仍穩(wěn)定存在【規(guī)律方法】(1)核力是強相互作用力，只存在于相鄰核子之間。(2)核力的存在與核子是否帶電及電性無關。(3)原子核的穩(wěn)定性與核力和庫侖力的大小關系有關?！灸Ｐ脱菥?】取質子的質量mp＝1.6726×10－27kg，中子的質量mn＝1.6749×10－27kg，α粒子的質量mα＝6.6467×10－27kg，光速c＝3.0×108m/s。請計算α粒子的結合能。(計算結果保留兩位有效數字)【規(guī)律總結】核能的兩種單位(1)若以kg為質量虧損Δm的單位，則計算時應用公式ΔE＝Δmc2。(2)若以原子單位“u”為質量虧損單位，則ΔE＝Δm×931.5MeV。(3)兩種方法計算的核能的單位分別為“J”和“MeV”，1MeV＝1×106×1.6×10－19J＝1.6×10－13J?！灸Ｐ脱菥?】(多選)2017年11月17日，“中國核潛艇之父”——黃旭華獲評全國道德模范。下列有關核反應的說法正確的是()A．目前核潛艇是利用重核裂變提供動力B．重核裂變反應前后一定有質量虧損C．eq\o\al(235,92)U＋eq\o\al(1,0)n→eq\o\al(140,54)U＋eq\o\al(94,38)Sr＋deq\o\al(1,0)n式中d＝1D．鈾核裂變后的新核比鈾核的比結合能小【規(guī)律總結】對重核裂變的兩點理解(1)重核裂變是中子轟擊質量數較大的原子核，使之分裂成中等質量的原子核，同時釋放大量的能量，放出更多的中子的過程。(2)重核的裂變是放能核反應，原因是核反應前后質量有虧損，根本原因是重核的比結合能相比中等質量的核的比結合能要小。所以在重核分解為兩個中等質量核的過程中要釋放能量，而且釋放的能量遠大于它俘獲中子時得到的能量?！灸Ｐ脱菥?】氘核(eq\o\al(2,1)H)和氚核(eq\o\al(3,1)H)結合成氦核(eq\o\al(4,2)He)的核反應方程如下：eq\o\al(2,1)H＋eq\o\al(3,1)H→eq\o\al(4,2)He＋eq\o\al(1,0)n＋17.6MeV(1)這個核反應稱為________。(2)要發(fā)生這樣的核反應，需要將反應物質的溫度加熱到幾百萬開爾文。式中17.6MeV是核反應中________(選填“放出”或“吸收”)的能量，核反應后生成物的總質量比核反應前物質的總質量________(選填“增加”或“減少”)了________kg(保留一位有效數字)?！疽?guī)律總結】(1)核聚變反應和一般的核反應一樣，也遵循電荷數和質量數守恒，這是書寫核反應方程式的重要依據。(2)核能的計算關鍵是要求出核反應過程中的質量虧損，然后代入ΔE＝Δmc2進行計算。一、單選題1．（2024·浙江·模擬預測）將放射性同位素氟-18（）注入人體參與人體的代謝過程，如圖甲所示，氟-18在人體內衰變放出正電子，與人體內負電子相遇而湮滅并產生一對波長相等的光子，被探測器探測到，經計算機處理后產生清晰的醫(yī)學圖像。氟-18的衰變規(guī)律如圖乙所示，其中縱坐標表示任意時刻放射性元素的原子數與的原子數之比，設正、負電子的質量均為m，光速為c，普朗克常數為h。則（）A．氟-18衰變的方程為B．上述一對光子由氟-18直接產生并釋放C．上述一對光子波長為D．經5小時人體內氟-18的殘留量是初始時的33.3%2．（2024·河北·一模）研究表明原子核的質量雖然隨著原子序數的增大而增大，但是二者之間并不成正比關系，其核子的平均質量（原子核的質量除以核子數）與原子序數的關系如圖所示，一般認為大于鐵原子核質量數（56）的為重核，小于則為輕核，下列對該圖像的說法錯誤的是（）A．從圖中可以看出，Fe原子核最穩(wěn)定B．從圖中可以看出，重核A裂變成原子核B和C時，釋放核能C．從圖中可以看出，輕核D和E發(fā)生聚變生成原子核F時，釋放核能D．從圖中可以看出，重核隨原子序數的增加，其比結合能變大3．（2024·安徽·模擬預測）下列說法正確的是（）A．β衰變的電子來自原子核外B．太陽輻射的能量主要來自太陽內部的重核裂變反應C．原子核比結合能越大，表明原子核中核子結合得越牢固，原子核就越穩(wěn)定D．氫原子躍遷時核外電子從半徑較大的軌道躍遷到半徑較小的軌道，電子的動能減小，原子總能量減小4．（2024·廣西柳州·三模）日本核污染排海核污水中的屬于I類致癌物質，威脅著人類的安全。已知的衰變方程為，則下列說法中正確的是（

）A．該核反應中X為中子B．升高溫度會使的半衰期減小C．的比結合能大于的比結合能D．一個核的質量小于一個核和一個X核的質量之和5．（23-24高三下·湖北·階段練習）呼氣實驗可用于檢測胃部有無感染幽門螺桿菌，通過檢測呼吸呼出的CO2是否具有放射性即可診斷。已知發(fā)生衰變的半衰期為5730年，衰變方程為。下列說法正確的是（）A．X為B．射線比射線的穿透能力弱C．衰變產生的是核外電子被電離產生的D．一般服下藥物15分鐘后再檢測，是為了避免由于的衰變而明顯降低檢測準確性6．（2024·湖北·二模）原子核的比結合能曲線如圖所示，根據該曲線，下列判斷中正確的是（

）A．核的結合能約為64MeV B．核比核更穩(wěn)定C．兩個核結合成核時吸收能量 D．核中核子的平均結合能比核中的大7．（23-24高三下·重慶九龍坡·階段練習）某國政府不顧國際社會的反對，公然決定將大量核廢水排放到太平洋，引起了國際輿論的強烈譴責。核廢水主要包含63種放射性物質，其中以銫137、鍶90、氚、碳14等為主，下列說法正確的是（）A．銫137的半衰期是30年，60年后核廢水中的銫137全部衰減殆盡B．鍶90發(fā)生β衰變的衰變方程可能為C．氚具有放射性，是原子核外電子從高能級向低能級躍遷造成的D．碳14的半衰期為5730年，如果一塊古木中的碳14含量是現代植物的0.25倍，則古木的歷史約11460年8．（2024·四川·二模）科學史上，有一項發(fā)現的核反應方程是。如圖，讓核和X核從S點沿圖示垂直于磁場的方向進入有界勻強磁場區(qū)域，若僅考慮磁場對核的洛倫茲力，則在磁場中（

）A．核和X核的徑跡均在Ⅰ區(qū)B．核的徑跡在Ⅱ區(qū)，X核的徑跡在Ⅰ區(qū)C．核和X核運動的半徑之比一定為D．核和X核運動的周期之比一定為9．（2024·湖南岳陽·二模）現在地球上消耗的能量，追根溯源，絕大部分來自太陽，即太陽內部核聚變時釋放的核能。已知氘氚核聚變方程為，其中的比結合能為，的比結合能為，的比結合能為，則一個氘核與一個氚核發(fā)生這樣的核反應釋放的能量為（）A． B． C． D．10．（2024·北京平谷·模擬預測）2023年8月25日，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀錄。核聚變是一種核反應的形式。下列關于核反應的說法中正確的是（）A．要使輕核發(fā)生聚變，一種可行的方法是將物質加熱到幾百萬開爾文的高溫B．氘氚核聚變的核反應方程為C．相同質量的核燃料，重核裂變比輕核聚變釋放的核能更多D．核聚變反應過程中沒有質量虧損11．（2024·山東棗莊·一模）2023年8月24日，日本福島核電站啟動核污染水排海，核污染水里含高達64種核放射性元素，其中碘129的半衰期為1570萬年，其衰變方程為，下列說法正確的是（）A．核污染水被稀釋后碘129的半衰期變長 B．衰變生成了電子，說明原子核中存在電子C．X核內的中子數為76 D．的比結合能小于的比結合能12．（23-24高三下·河南·階段練習）貧鈾彈是以含有鈾238的硬質合金為主要原料制成的炮彈和槍彈，它利用貧鈾合金的高硬度、高比重和高熔點依靠動能來穿透目標，其多用來毀傷坦克等裝甲目標?？茖W研究發(fā)現，鈾238具有極大的危害性，它的半衰期為45億年，其衰變方程為，該衰變過程中產生的γ光子照射到逸出功為的金屬上，溢出光電子的最大初動能為。已知光電子的質量為m，光速為c，普朗克常量為h。下列說法正確的是（

）A．衰變產生的γ光子具有很強的電離能力 B．原子核中含有92個中子C．γ光子的波長為 D．100個經過90億年后一定剩余25個二、多選題13．（22-23高二下·湖北恩施·期末）下列說法正確的是（）A．氡的半衰期為3.8天，若有8個氡核，則經過7.6天后剩下2個氡核B．發(fā)生衰變時，生成的核與原來的核相比，中子數少1C．比結合能越大，原子核中核子結合得越緊密，原子核越穩(wěn)定D．核反應中的為氘核14．（2024·陜西西安·模擬預測）關于核反應方程，下列說法正確的是（）A．，該核反應是α衰變B．，該核反應是聚變C．該核反應是聚變D．該核反應是β衰變15．（23-24高三下·重慶·階段練習）2023年8月25日，“中國環(huán)流三號”托卡馬克裝置首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，是我國核能開發(fā)進程中的重要里程碑。該模式下的核反應方程之一為，反應中釋放出光子，下列說法正確的是（）A．該核反應屬于裂變反應B．該核反應方程中的X為質子C．的比結合能大于的比結合能D．光子的靜止質量為0，所以它的動量也為016．（2024·浙江·二模）2023年8月24日，日本政府不顧周邊國家的反對執(zhí)意向海洋排放福島第一核電站的核污水，核污水中的放射性物質會對海水產生長久的、風險不可控的污染。如核污水中的具有放射性，其發(fā)生衰變時的核反應方程為，該核反應過程中放出的能量為Q。設的結合能為，的結合能為，X的結合能為，已知光在真空中的傳播速度為c，則下列說法正確的是（）A．的比結合能大于的比結合能B．該核反應過程中放出的能量C．該核反應過程中的質量虧損可以表示為D．衰變過程中放出的光子是由新原子核從高能級向低能級躍遷產生的17．（