2020版新一線高考物理（新課標）一輪復習教學案：第12章第2節(jié)　核反應和核能

第2節(jié)　核反應和核能 知識點一| 原子核的組成　放射性同位素1．原子核的組成(1)原子核由質子和中子組成，質子和中子統(tǒng)稱為核子。質子帶正電，中子不帶電。(2)基本關系①核電荷數＝質子數(Z)＝元素的原子序數＝核外電子數。②質量數(A)＝核子數＝質子數＋中子數。(3)X元素的原子核的符號為X，其中A表示質量數，Z表示核電荷數。2．天然放射現象(1)天然放射現象：元素自發(fā)地放出射線的現象，首先由貝可勒爾發(fā)現。天然放射現象的發(fā)現，說明原子核具有復雜的結構。(2)放射性和放射性元素：物質發(fā)射某種看不見的射線的性質叫放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。(3)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線。3．放射性同位素的應用與防護(1)同位素：具有相同質子數和不同中子數的原子核。(2)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素兩類，放射性同位素的化學性質相同。(3)應用：消除靜電、工業(yè)探傷、作示蹤原子等。(4)防護：防止放射性對人體組織的傷害。(1)原子核是由質子、中子、電子組成的。 (×)(2)α射線、β射線、γ射線的組成是三種不同的粒子。 (×)(3)α、β、γ三種射線中，α射線的電離作用最強。 (√)1．(2019·上海檢測)人類認識到原子核的結構是復雜的，是從發(fā)現下列哪一現象開始的(　　)A．陰極射線　　　 B．光電效應C．天然放射性現象   D．發(fā)現質子C　[天然放射性現象是原子核內部變化產生的，人類認識原子核的復雜結構并進行研究是從發(fā)現天然放射性現象開始的，C正確。]2．(多選)關于天然放射性，下列說法正確的是(　　)A．所有元素都可能發(fā)生衰變B．放射性元素的半衰期與外界的溫度無關C．放射性元素與別的元素形成化合物時仍具有放射性D．一個原子核在一次衰變中可同時放出α、β和γ三種射線BC　[自然界中絕大部分元素沒有放射現象，選項A錯誤；放射性元素的半衰期只與原子核結構有關，與其他因素無關，選項B、C正確；原子核發(fā)生衰變時，不能同時發(fā)生α和β衰變，γ射線伴隨這兩種衰變產生，故選項D錯誤。]知識點二| 原子核的衰變和半衰期1．原子核的衰變(1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變。(2)分類：α衰變：X→Y＋He；β衰變：X→Y＋e。2．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)衰變規(guī)律：N＝N0、m＝m0。(3)影響因素：由原子核內部因素決定的，跟原子所處的物理化學狀態(tài)無關。(1)半衰期與溫度無關。 (√)(2)如果某放射性元素的原子核有100個，經過一個半衰期后還剩50個。 (×)(3)所有元素都可以發(fā)生衰變。 (×)考法1　原子核的衰變1.(2019·常德模擬)某一放射性物質發(fā)生衰變時放出α、β、γ三種射線，讓這三種射線進入磁場，運動情況如圖所示，下列說法正確的是(　　)A．該放射性物質的半衰期隨溫度的升高會增大B．C粒子是原子核的重要組成部分C．A粒子一定帶正電D．B粒子的穿透性最弱C　[半衰期由原子核本身決定，與外界因素無關，故A錯誤；由題圖可知C粒子為電子，而原子核帶正電，故B錯誤；由左手定則可知，A粒子一定帶正電，故C正確；B粒子為γ射線，穿透性最強，故D錯誤。]2.Th(釷)經過一系列α衰變和β衰變，變成Pb(鉛)。以下說法中錯誤的是(　　)A．鉛核比釷核少8個質子B．鉛核比釷核少16個中子C．共經過4次α衰變和6次β衰變D．共經過6次α衰變和4次β衰變C　[設α衰變次數為x，β衰變次數為y，由質量數守恒和電荷數守恒得232＝208＋4x,90＝82＋2x－y，解得x＝6，y＝4，C錯誤，D正確；鉛核、釷核的質子數分別為82、90，故A正確；鉛核、釷核的中子數分別為126、142，故B正確。]3.實驗觀察到，靜止在勻強磁場中A點的原子核發(fā)生β衰變，衰變產生的新核與電子恰在紙面內做勻速圓周運動，運動方向和軌跡示意圖如圖所示，則(　　)A．軌跡1是電子的，磁場方向垂直紙面向外B．軌跡2是電子的，磁場方向垂直紙面向外C．軌跡1是新核的，磁場方向垂直紙面向里D．軌跡2是新核的，磁場方向垂直紙面向里D　[根據動量守恒定律，原子核發(fā)生β衰變后產生的新核與電子的動量大小相等，設為p。根據qvB＝，得軌道半徑r＝＝，故電子的軌跡半徑較大，即軌跡1是電子的，軌跡2是新核的。根據左手定則，可知磁場方向垂直紙面向里。選項D正確。][考法指導]　(1)α衰變和β衰變的比較衰變類型α衰變β衰變衰變方程X→Y＋HeX→　AZ＋1Y＋　0－1e衰變實質2個質子和2個中子結合成一個整體射出中子轉化為質子和電子2H＋2n→Hen→H＋　0－1e勻強磁場中軌跡形狀衰變規(guī)律電荷數守恒、質量數守恒(2)γ射線：γ射線經常是伴隨著α衰變或β衰變同時產生的。其實質是放射性原子核在發(fā)生α衰變或β衰變的過程中，產生的新核由于具有過多的能量(原子核處于激發(fā)態(tài))而輻射出光子。考法2　半衰期的理解與計算4．若元素A的半衰期為4天，元素B的半衰期為5天，則相同質量的A和B，經過20天后，剩下的質量之比mA∶mB為(　　)A．30∶31　　　　　　B．31∶30C．1∶2              D．2∶1C　[由m＝m0有mA＝m0，mB＝m0，得mA∶mB＝1∶2。C正確。]5．(多選)(2019·南通模擬)釷Th具有放射性，它能放出一個新的粒子而變?yōu)殓hPa，同時伴隨有γ射線產生，其方程為Th→Pa＋X，釷的半衰期為24天。則下列說法中正確的是(　　)A．X為質子B．X是釷核中的一個中子轉化成一個質子時產生的C．γ射線是鏷原子核放出的D．1 g釷Th經過120天后還剩0.312 5 gBC　[根據電荷數和質量數守恒知，釷核衰變過程中放出了一個電子，即X為電子，故A錯誤；發(fā)生β衰變時釋放的電子是由核內一個中子轉化成一個質子時產生的，故B正確；γ射線是鏷原子核放出的，故C正確；釷的半衰期為24天，1 g釷Th經過120天即經過5個半衰期，故經過120天后還剩0.031 25 g，故D錯誤。]考法3　衰變中的動量守恒6．(多選)靜止的鋁原子核Al俘獲一速度為2.8×107 m/s的質子p后，變?yōu)樘幱诩ぐl(fā)態(tài)的硅原子核Si。下列說法正確的是(　　)A．核反應過程中系統(tǒng)動量守恒B．俘獲前質子的動能等于俘獲后硅原子核的動能C．硅原子核的速度為1.0×106 m/sD．硅原子核處于靜止狀態(tài)AC　[質子與鋁原子核碰撞滿足動量守恒，由動量守恒有27m×0＋m×2.8×107＝28mv，得碰后硅原子核速度v＝1.0×106 m/s，碰撞是一個完全非彈性碰撞，機械能不守恒，A、C正確，B、D錯誤。]7.實驗觀察到靜止在勻強磁場中A點的原子核U發(fā)生α衰變，衰變方程為U→Th＋He，兩個新核的運動軌跡如圖所示。則下列說法正確的是(　　)A．釷核與α粒子半徑之比是1∶45B．釷核與α粒子半徑之比是45∶1C．釷核與α粒子半徑之比是1∶46D．兩原子核的運動軌跡應是兩圓內切A　[上述核反應滿足動量守恒，即p1＝p2＝p，由半徑公式：R＝＝知，釷核與α粒子半徑之比等于其電量的倒數比，即R1∶R2＝2∶90＝1∶45，同種電荷軌跡為外切，故A對，B、C、D錯。]知識點三| 核反應與核能1．核力(1)定義：原子核內部核子間特有的相互作用力。(2)核力的特點①是強相互作用的一種表現；②是短程力，作用范圍在1.5×10－15 m之內；③每個核子只能與其相鄰的核子發(fā)生核力作用。2．結合能核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫作原子核的結合能，也稱核能。3．比結合能(1)定義：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。(2)特點：不同原子核的比結合能不同，原子核的比結合能越大，表示原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩(wěn)定。4．質能方程、質量虧損愛因斯坦質能方程E＝mc2，原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小Δm，這就是質量虧損。由質量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2。5．核反應在核物理學中，原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程。在核反應中，質量數守恒，電荷數守恒。6．重核裂變(1)定義：質量數較大的原子核受到高能粒子的轟擊而分裂成幾個質量數較小的原子核的過程。(2)典型的裂變反應方程：U＋n→Kr＋Ba＋3n(3)鏈式反應：由重核裂變產生的中子使裂變反應一代接一代繼續(xù)下去的過程。(4)臨界體積和臨界質量：裂變物質能夠發(fā)生鏈式反應的最小體積及其相應的質量。(5)裂變的應用：原子彈、核反應堆。(6)反應堆構造：核燃料、慢化劑、鎘棒、防護層。7．輕核聚變(1)定義：兩輕核結合成質量較大的核的反應過程。輕核聚變反應必須在高溫下進行，因此又叫熱核反應。(2)典型的聚變反應方程：H＋H→He＋n＋17.6 MeV(1)重核裂變和輕核聚變都能釋放核能。 (√)(2)核反應中質量數守恒，故沒有質量虧損。 (×)(3)質能方程表明在一定條件下，質量可以轉化為能量。 (×)考法1　四類核反應1．(多選)關于核衰變和核反應的類型，下列表述正確的有(　　)A．U→Th＋He是α衰變B．N＋He→O＋H是β衰變C.H＋H→He＋n是輕核聚變D.Se→Kr＋2e是重核裂變AC　[α衰變是放射出氦核的天然放射現象，A正確；β衰變是放射出電子的天然放射現象，而B項是發(fā)現質子的原子核人工轉變，故B錯誤；C項是輕核的聚變，D項是β衰變現象，故C正確，D錯誤。]2.(2018·全國卷Ⅲ)1934年，約里奧·居里夫婦用α粒子轟擊鋁核Al，產生了第一個人工放射性核素X：α＋Al→n＋X。X的原子序數和質量數分別為(　　)A．15和28　　　 B．15和30C．16和30   D．17和31B　[據α粒子和中子的質量數和電荷數寫出核反應方程：He＋Al→n＋X，結合質量數守恒和電荷數守恒得，A＝4＋27－1＝30，Z＝2＋13－0＝15，原子序數等于核電荷數，故B正確。][考法指導]　核反應的四種類型類型可控性核反應方程典例衰變α衰變自發(fā)U→Th＋Heβ衰變自發(fā)Th→Pa＋e人工轉變人工控制N＋He→O＋H(盧瑟福發(fā)現質子)He＋Be→C＋n(查德威克發(fā)現中子)Al＋He→P＋n(約里奧·居里夫婦發(fā)現放射性同位素，同時發(fā)現正電子)P→Si＋　0＋1e重核裂變比較容易進行人工控制U＋n→Ba＋Kr＋3nU＋n→Xe＋Sr＋10n輕核聚變很難控制H＋H→He＋n 考法2　結合能與比結合能的理解3.(多選)原子核的比結合能曲線如圖所示。根據該曲線，下列判斷正確的有(　　)A．He核的結合能約為14 MeVB．He核比Li核更穩(wěn)定C．兩個H核結合成He核時釋放能量D.92U核中核子的平均結合能比Kr核中的大BC　[He核有4個核子，由比結合能圖線可知，He核的結合能約為28 MeV，A錯。比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，B對。兩個H核結合成He核時，核子的比結合能變大，結合時要放出能量，C對。由比結合能圖線知，U核中核子平均結合能比Kr核中的小，D錯。]4．(2019·廣元模擬)一靜止原子核A衰變?yōu)?/span>2個靜止原子核B和6個電子并釋放熱量E，其中A的核子比結合能為E1，B的比結合能為E2，釋放時一個電子的初動能為E3，則下列說法正確的是(　　)A．放出的B粒子為BB．E2－E1＝E3＋EC．比結合能E1小于比結合能E2D．該反應過程質量一定增加C　[A衰變?yōu)?/span>2個靜止原子核B和6個電子，則B的質量數2m′＝m，所以m′＝，B的電荷數2n′＝n＋6，所以n′＝＋3，則B粒子為B，A錯誤。A的結合能為m·E1，B的結合能為m·E2，根據能量守恒可得m·E2－m·E1＝E＋6E3，B錯誤。核反應的過程中釋放熱量，可知比結合能E1小于比結合能E2，C正確。該反應的過程中釋放熱量，由質能方程可知，一定有質量虧損，D錯誤。]考法3　質量虧損　核能的計算5.(2017·全國卷Ⅱ)一靜止的鈾核放出一個α粒子衰變成釷核，衰變方程為U→Th＋He。下列說法正確的是(　　)A．衰變后釷核的動能等于α粒子的動能B．衰變后釷核的動量大小等于α粒子的動量大小C．鈾核的半衰期等于其放出一個α粒子所經歷的時間D．衰變后α粒子與釷核的質量之和等于衰變前鈾核的質量B　[衰變過程遵守動量守恒定律，故選項A錯，選項B對。根據半衰期的定義，可知選項C錯。α衰變釋放核能，有質量虧損，故選項D錯。]6.(2017·全國卷Ⅰ)大科學工程“人造太陽”主要是將氘核聚變反應釋放的能量用來發(fā)電。氘核聚變反應方程是：H＋H→He＋n。已知H的質量為2.013 6 u，He的質量為3.015 0 u，n的質量為1.008 7 u,1 u＝931 MeV/c2。氘核聚變反應中釋放的核能約為(　　)A．3.7 MeV　　　 B．3.3 MeVC．2.7 MeV   D．0.93 MeVB　[在核反應方程H＋H→He＋n中，反應前物質的質量m1＝2×2.013 6 u＝4.027 2 u，反應后物質的質量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，質量虧損Δm＝m1－m2＝0.003 5 u。則氘核聚變釋放的核能為E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，選項B正確。][考法指導]　1．核能(1)核子在結合成原子核時出現質量虧損Δm，其能量也要相應減少，即ΔE＝Δmc2。(2)原子核分解成核子時要吸收一定的能量，相應的質量增加Δm，吸收的能量為ΔE＝Δmc2。2．核能的計算方法(1)利用質能方程計算核能→→①根據ΔE＝Δmc2計算。計算時Δm的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，ΔE的單位是“J”。②根據ΔE＝Δm×931.5 MeV計算。因1原子質量單位“u”相當于931.5 MeV的能量，所以計算時Δm的單位是“u”，ΔE的單位是“MeV”。(2)利用比結合能計算核能原子核的結合能＝核子的比結合能×核子數。核反應中反應前系統(tǒng)內所有原子核的總結合能與反應后生成的所有新核的總結合能之差，就是該核反應所釋放(或吸收)的核能。