【物理】2019届一轮复习人教版　核反应和核能学案

【物理】2019届一轮复习人教版　核反应和核能学案

第二节　核反应和核能 ‎(对应学生用书第219页)‎ ‎[教材知识速填]‎ 知识点1　原子核的组成　放射性及放射性同位素 ‎1．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X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数．‎ ‎2．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)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性．具有放射性的元素叫放射性元素．‎ ‎(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线．‎ ‎3．放射性同位素的应用与防护 ‎(1)同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核．‎ ‎(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两类，放射性同位素的化学性质相同．‎ ‎(3)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等．‎ ‎(4)防护：防止放射性对人体组织的伤害．‎ 易错判断 ‎(1)原子核是由质子、中子、电子组成的．(×)‎ ‎(2)α射线、β射线、γ射线的组成是三种不同的粒子．(×)‎ ‎(3)α、β、γ三种射线中，α射线的电离作用最强．(√)‎ 知识点2　原子核的衰变、半衰期 ‎1．原子核的衰变 ‎(1)定义：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化．‎ ‎(2)分类：α衰变：X→Y＋He β衰变：X→Y＋e γ辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生α衰变，有的发生β衰变，同时伴随着γ辐射．‎ ‎(3)两个典型的衰变方程：‎ ‎①α衰变：U→Th＋He；‎ ‎②β衰变：Th→Pa＋e.‎ ‎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．‎ 易错判断 ‎(1)半衰期与温度无关．(√)‎ ‎(2)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个．(×)‎ ‎(3)所有元素都可以发生衰变．(×)‎ 知识点3　核力　核反应和核能 ‎1．核力 ‎(1)定义：原子核内部核子间特有的相互作用力．‎ ‎(2)核力的特点：‎ ‎①是强相互作用的一种表现；‎ ‎②是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内；‎ ‎③每个核子只能与其相邻的核子发生核力作用．‎ ‎2．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，也称核能．‎ ‎3．比结合能 ‎(1)定义：原子核的结合能与核子数之比，称作比结合能，也叫平均结合能．‎ ‎(2)特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定．‎ ‎4．质能方程、质量亏损：爱因斯坦质能方程E＝mc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm，这就是质量亏损．由质量亏损可求出释放的核能ΔE＝Δmc2.‎ ‎5．核反应 在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程．在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒．‎ ‎6．重核裂变 ‎(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程．‎ ‎(2)典型的裂变反应方程：‎ U＋n―→Kr＋Ba＋3n.‎ ‎(3)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程．‎ ‎(4)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量．‎ ‎(5)裂变的应用：原子弹、核反应堆．‎ ‎(6)反应堆构造：核燃料、慢化剂、镉棒、防护层．‎ ‎7．轻核聚变 ‎(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程．轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应．‎ ‎(2)典型的聚变反应方程：‎ H＋H―→He＋n＋17.6 MeV 易错判断 ‎(1)重核裂变和轻核聚变都能释放核能．(√)‎ ‎(2)核反应中质量数守恒，故没有质量亏损．(×)‎ ‎(3)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量．(×)‎ ‎[教材习题回访]‎ 考查点：影响衰变的因素 ‎1．(粤教版选修3－5P97T2)用哪种方法可以减缓放射性元素的衰变速率？(　　)‎ A．把该元素放在低温阴凉处 B．把该元素密封在很厚的铅盒子里 C．把该元素同其他的稳定元素结合成化合物 D．上述各种方法都无法减缓放射性元素的衰变速率 ‎[答案]　D　‎ 考查点：半衰期的计算 ‎2．(沪科版选修3－5P75T4改编)已知铋210的半衰期是5.0天，8 g铋210经20天后还剩下(　　)‎ A．1 g　　　　　　　 B．0.2 g C．0.4 g D．0.5 g ‎[答案]　D　‎ 考查点：核反应方程及类型 ‎3．(粤教版选修3－5P97T3)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的是(　　)‎ A.U→Th＋He是α衰变 B.7N＋He→8O＋H是β衰变 C.H＋H→He＋n是轻核聚变 D.Se→Kr＋2e是重核裂变 ‎[答案]　AC　‎ 考查点：比结合能的计算 ‎4．(人教版选修3－5P81例题改编)(多选)已知中子的质量是mn＝1.674 9×10－27 kg，质子的质量是mp＝1.672 6×10－27 kg，氘核的质量是mD＝3.343 6×10－27 kg，则氘核的比结合能为(　　)‎ A．3.51×10－13 J　　　　　 B．1.10 MeV C．1.76×10－13 J D．2.19 MeV ‎[答案]　BC　‎ ‎(对应学生用书第221页)‎ 原子核的衰变及半衰期 ‎1．α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X→Y＋He X→　AZ＋1Y＋　0－1e 衰变实质 ‎2个质子和2个中子 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 ‎2H＋2n→He n→H＋　0－1e 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 ‎2.三种射线的成分和性质 名称 构成 符号 电荷量 质量 电离 作用 穿透 能力 α射线 氦核 He ‎＋2 e ‎4 u 最强 最弱 β射线 电子 e ‎－e u 较强 较强 γ射线 光子 γ ‎0‎ ‎0‎ 最弱 最强 ‎3. 衰变次数的计算方法 若X→Y＋nHe＋me 则A＝A′＋4n，Z＝Z′＋2n－m 解以上两式即可求出m和n.‎ ‎4．对半衰期的理解 ‎(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少量原子核，无半衰期可言．‎ ‎(2)根据半衰期的概念，可总结出公式N余＝N原，m余＝m原.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，τ表示半衰期．‎ ‎[题组通关]‎ ‎1．(2017·全国Ⅱ卷)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核，衰变方程为U→Th＋He.下列说法正确的是(　　)‎ A．衰变后钍核的动能等于α粒子的动能 B．衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小 C．铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间 D．衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量 B　[衰变过程遵守动量守恒定律，故选项A错，选项B对．‎ 根据半衰期的定义，可知选项C错．‎ α衰变释放核能，有质量亏损，故选项D错．]‎ ‎2.实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图1221所示，则(　　)‎ 图1221‎ A．轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外 B．轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外 C．轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里 D．轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里 D　[根据动量守恒定律，原子核发生β衰变后产生的新核与电子的动量大小相等，设为p.根据qvB＝，得轨道半径r＝＝，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1是电子的，轨迹2是新核的．根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里．选项D正确．]‎ ‎3．若元素A的半衰期为4天，元素B的半衰期为5天，则相同质量的A和B，经过20天后，剩下的质量之比mA∶mB为(　　) ‎ A．30∶31　　　　　　 B．31∶30‎ C．1∶2 D．2∶1‎ C　[由m＝m0有mA＝m0，‎ mB＝m0，得mA∶mB＝1∶2.C正确．]‎ 氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天.20克氡222经7.6天后还剩下(　　)‎ A．10 g　　　　　　　 B．5 g C．2.5 g D．1.25 g B　[设发生衰变的原子的质量为m0，经过t时间后，剩余的质量为m，则 m＝m0，‎ m＝m0＝20× g＝5 g．故B正确．]‎ ‎[反思总结]　(1)一个区别：,静止的原子核在磁场中发生α衰变和β衰变时的轨迹不同，分别为相外切圆和相内切圆.‎ (2)两个结论：,①原子核发生衰变时遵循电荷数守恒和质量数守恒.,②每发生一次α衰变，原子核的质量数减小“4”，每发生一次β衰变，原子核的质子数增大“1”.‎ 核反应类型及核反应方程式的书写 ‎1．核反应的四种类型 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 U→Th＋He β衰变 自发 Th→Pa＋e 人工转变 人工 控制 N＋He→O＋H ‎(卢瑟福发现质子)‎ He＋Be→C＋n ‎(查德威克发现中子)‎ Al＋He→P＋n ‎(约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)‎ P→Si＋　0＋1e 重核 裂变 比较容易进行人工控制 U＋n→Ba＋Kr＋3n U＋n→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 很难控制 H＋H→He＋n ‎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(H)、中子(n)，α粒子(He)、β粒子(e)、正电子(　0＋1e)、氘核(H)、氚核(H)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．‎ ‎[题组通关]‎ ‎4. 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(　　)‎ 图1222‎ A.H＋H→He＋n B.7N＋He→8O＋H C.He＋Al→P＋n D.92U＋n→56Ba＋Kr＋3n A　[A对：两个轻核结合成质量较大的原子核．‎ B错：原子核的人工转变．‎ C错：原子核的人工转变．‎ D错：重核裂变．]‎ ‎5．(多选)(2016·全国Ⅲ卷改编)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0×107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*.下列说法正确的是(　　)‎ A．核反应方程为p＋Al→Si*‎ B．核反应过程中系统动量守恒 C．核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和 D．硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致 ABD　[核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为p＋Al→Si*，说法A正确．核反应过程中遵从动量守恒和能量守恒，说法B正确．核反应中发生质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量之和，说法C错误．根据动量守恒定律有mpvp＝mSivSi，碰撞后硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度方向一致，说法D正确．]‎ ‎6．(2018·德州模拟)放射性元素钋(Po)发生衰变时，会产生He和一种未知粒子，并放出γ射线，其核反应方程为Po→ y82X＋He＋γ.下列说法正确的是(　　) ‎ A．He的穿透能力比γ射线强 B．y＝206‎ C．X核的中子个数为126‎ D．这种核反应为β衰变 B　[He的穿透能力比γ射线弱，选项A错误；y＝210－4＝206，选项B正确；X核的中子个数为206－82＝124，选项C错误；题中的核反应为α衰变，选项D错误．]‎ ‎(多选)下列说法正确的是(　　)‎ A.7N＋H→6C＋He是α衰变方程 B.H＋H→He＋γ是核聚变反应方程 C.92U→90Th＋He是核裂变反应方程 D.He＋Al→P＋n是原子核的人工转变方程 BD　[核反应类型分四种，核反应的方程特点各有不同．衰变方程的左边只有一个原子核，右边出现α或β粒子．聚变方程的左边是两个轻核，右边是中等原子核．裂变方程的左边是重核与中子，右边是中等原子核．人工核转变方程的左边是氦核与常见元素的原子核，右边也是常见元素的原子核，由此可知B、D正确．]‎ ‎[反思总结]　两点提醒 (1)核反应方程一定满足质量数守恒和电荷数守恒.‎ (2)在确定生成物是哪种元素时应先由电荷数守恒确定生成物的核电荷数.‎ 核能的产生和计算 ‎1．对质能方程的理解 ‎(1)方程E＝mc2的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少．‎ ‎(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE＝Δmc2.‎ ‎(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Δm，吸收的能量为ΔE＝Δmc2.‎ ‎2．核能的计算方法 ‎(1)根据ΔE＝Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”．‎ ‎(2)根据ΔE＝Δm×931.5 MeV计算．因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”．‎ ‎(3)根据核子比结合能来计算核能：‎ 原子核的结合能＝核子比结合能×核子数．‎ ‎[题组通关]‎ ‎7．(2017·全国Ⅰ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：H＋H→He＋n.已知H的质量为2.013 6 u，He的质量为3.015 0 u，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．2.7 MeV D．0.93 MeV B　[在核反应方程H＋H→He＋n中，‎ 反应前物质的质量m1＝2×2.013 6 u＝4．027 2 u，‎ 反应后物质的质量m2＝3.015 0 u＋1.008 7 u＝4.023 7 u，‎ 质量亏损Δm＝m1－m2＝0.003 5 u.‎ 则氘核聚变释放的核能为 E＝931×0.003 5 MeV≈3.3 MeV，选项B正确．]‎ ‎8. (多选)原子核的比结合能曲线如图1223所示．根据该曲线，下列判断正确的有(　　)‎ 图1223‎ A.He核的结合能约为14 MeV B.He核比Li核更稳定 C．两个H核结合成He核时释放能量 D.92U核中核子的平均结合能比Kr核中的大 BC　[He核有4个核子，由比结合能图线可知，He核的结合能约为28 MeV，A错．‎ 比结合能越大，原子核越稳定，B对．‎ 两个H核结合成He核时，核子的比结合能变大，结合时要放出能量，C对．‎ 由比结合能图线知，92U核中核子平均结合能比Kr核中的小，D错．]‎ ‎9．在磁感应强度为B的匀强磁场中，一个静止的放射性原子核发生了一次α衰变．放射出的α粒子(He)在与磁场垂直的平面内做圆周运动，其轨道半径为R.以m、q分别表示α粒子的质量和电荷量．‎ ‎(1)放射性原子核用X表示，新核的元素符号用Y表示，写出该α衰变的核反应方程．‎ ‎(2)α粒子的圆周运动可以等效成一个环形电流，求圆周运动的周期和环形电流大小．‎ ‎(3)设该衰变过程释放的核能都转化为α粒子和新核的动能，新核的质量为M，求衰变过程的质量亏损Δm. ‎ ‎ [解析](1)X→Y＋He.‎ ‎(2)设α粒子的速度大小为v，‎ 由qvB＝m，T＝，得 α粒子在磁场中运动周期T＝ 环形电流大小I＝＝.‎ ‎(3)由qvB＝m，‎ 得v＝ 设衰变后新核Y的速度大小为v′，系统动量守恒 Mv′－mv＝0‎ v′＝＝ 由Δmc2＝Mv′2＋mv2‎ 得Δm＝ 说明：若利用M＝m解答，亦可．‎ ‎[答案](1)X→Y＋He　(2)　　(3) ‎[反思总结]　核能求解的思路与方法 ‎(1)应用质能方程解题的流程图：‎ ‎(2)在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示．‎ ‎(3)核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能．‎