2020年高考物理一轮复习课件：专题十二 第2讲 原子核.ppt

第 2 讲　原子核 考点 1 天然放射现象、原子核的组成 1. 天然放射现象 (1) 天然放射现象 自发 贝克勒尔 原子核 元素 ________ 放出射线的现象，首先由 __________ 发现 . 天 然放射现象的发现，说明 ________ 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 ________. 具有放射性的元素叫 ________ 元素 . 放射性 (3) 三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是 ________ 射线、 ________ 射线、 ________ 射线 . 放射性 α β γ 2. 原子核 质子 中子 核子 (1) 原子核的组成 ① 原子核由 ________ 和 ________ 组成，质子和中子统称为 ________. 质子 质子数 中子数 ② 原子核的核电荷数＝ ________ 数，原子核的质量数＝ ________ ＋ ________. (2) 同位素：具有相同 ________ 、不同 ________ 的原子，在 元素周期表中的 _________ 相同 . 同位素具有相同的 __________ 性质 . 质子数 中子数 位置 化学 考点 2 原子核的衰变和半衰期 1. 原子核的衰变 (1) 原子核放出 ________ 粒子或 ________ 粒子，变成另一种 原子核的变化称为原子核的衰变 . (2) 分类 α β 2. 半衰期 (1) 定义：放射性元素的原子核有 ________ 发生衰变所需的 时间 . 半数 (2) 衰变规律： N ＝ N 0 ________ 、 m ＝ m 0 ________ (3)影响因素：由______________因素决定，跟原子所处的 物理化学状态无关 . 原子核内部 考点 3 核力、核能、质能方程、质量亏损、核反应 1. 核力 (1) 定义：原子核内部， ________ 间所特有的相互作用力 . (2) 特点： ① 核力是强相互作用的一种表现 . 核子 ② 核力是短程力，作用范围在 1.5×10 － 15 m 之内 . ③ 每个核子只跟它的相邻核子间有核力作用 . 2. 核能 (1) 结合能 放出 吸收 核子数 核子结合为原子核时 _________ 的能量或原子核分解为核 子时 _________ 的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能 . (2) 比结合能 大 牢固 稳定 ① 定义：原子核的结合能与 ________ 之比，叫做比结合能， 也叫做平均结合能 . ② 特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能 越 __________ ，表示原子核中核子结合得越 _________ ，原子核 越 _________. 3. 质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程 E ＝ ________ ，原子核的质量必然比组 成它的核子的质量和要小 Δ m ，这就是质量亏损 . 由质量亏损可求 出释放的核能 Δ E ＝ ________. 4. 原子核 的人工转变 (1) 质子的发现 mc 2 Δ mc 2 质子 (2) 中子的发现 中子 5. 重核的裂变 (1) 重核是指 ________ 很大的原子核 . (2) 重核俘获一个中子后分裂为两个或几个中等质量数的 原子核的反应叫做重核的裂变 . 在裂变的同时，还会放出几个中 子和大量能量 . 铀 235 裂变时，同时放出 2 ～ 3 个中子，如果这些中子再引 起其他铀 235 核裂变，就可使裂变反应不断地进行下去， 这种 反应叫 ________ 反应 . 铀 235 能够发生链式反应的铀块的最小体 积叫做它的 ________ 体积 . 质量数 链式 临界 6. 轻核的聚变 (1) 轻核是指质量数 ________ 的原子核，如氢核、氦核等 . (2) 某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程叫做 轻核的 ________ ，同时放出大量的能量 . 轻核聚变只能发生在超高温条件 下，故轻核聚变也叫做 ________ 反应 . 很小 聚变 热核 【 基础自测 】 ) 1. 下列核反应方程中，属于 α 衰变的是 ( 答案： B ) 2.( 多选 ) 下列核反应方程及其表述完全正确的是 ( 答案： AC 3.( 多选 ) 下列关于放射性元素 发出的三种射线的说法正确 的是 ( ) A.α 粒子就是氢原子核，它的穿透本领和电离本领都很强 B.β 射线是电子流，其速度接近光速 C.γ 射线是一种频率很高的电磁波，它可以穿过几厘米厚的 铅板 D. 以上三种射线都是从原子核里放射出来的，所有放射性 元素都能同时 释放三种射线 解析： α 粒子是 氦原子核，它的穿透本领很弱而电离本领很 强， A 错误； β 射线是电子流，其速度接近光速， B 正确； γ 射 线的穿透能力很强，可以穿透几厘米厚的铅板， C 正确； α 衰变 或 β 衰变有时伴随着 γ 辐射，而三种射 线并不是同时放出的， D 错误 .B 、 C 正确 . 答案： BC A. 反应过程中的质量亏损是 0.007 8 u B. 反应过程中的质量亏损是 1.29×10 － 29 kg C. 反应过程中释放的能量是 7.27 M eV D. 反应过程中释放的能量是 1.16 × 10 － 19 J 答案： ABC 种类 α 射线 β 射线 γ 射线 组成 高速氦核流 高速电子流 光子流 ( 高频电 磁波 ) 带电荷量 2e － e 0 热点 1 考向 1 原子核的衰变规律 三种射线 [ 热点归纳 ] (1) 三种射线的比较： 种类 α 射线 β 射线 γ 射线 质量 4 m p ， m p ＝ 1.67 × 10 － 27 kg 静止质量为零 速度 0.1 c 0.99 c c ( 光速 ) 在电磁场中 偏转 与 α 射 线反向偏转 不偏转 贯穿本领 最弱，用纸能 挡住 较强，能穿透几毫 米的铝板 最强，能穿透 几厘米的铅板 对空气的电 离作用 很强 较弱 很弱 ( 续表 ) 衰变类型 α 衰变 β 衰变 衰变方程 衰变实质 2 个质子和 2 个中子结合成一 个整体射出 中子转化为质子和 电子 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 (2)α 衰变、 β 衰变的 比较： 【 典题 1 】 研究某未知元素放射性的实验装置如图 12-2-1 所示，实验开始时在薄铝片和荧光屏之间有图示方向的匀强电 场 E ，通过显微镜可以观察到，在荧光屏的某一位置上每分钟 闪烁的亮 点数 . 若撤去电场后继续观察，发现每分钟闪烁的亮点 数没有变化；如果再将 薄铝片移开，观察到每分钟闪烁的亮点 ) 数大大增加，由此可以判断，放射源发出的射线可能为 ( A.β 射线和 γ 射线 B.α 射线和 β 射线 C.β 射线和 X 射线 D.α 射线和 γ 射线 图 12-2-1 解析： 放射性元素放射出的射线为 α 射线、 β 射线和 γ 射线， α 射线贯穿能力弱，一张薄纸就可挡住， β 射线贯穿能力较强， 可贯穿铝片， γ 射线贯穿能力极强 .α 射线带正电， β 射线带负电， 在电场中偏转， γ 射线不带电 . 由此可知，放射源发出的射线可 能为 α 射线和 γ 射线 .D 正确 . 答案： D 考向 2 衰变次数的确定方法 [ 热点归纳 ] 由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方 程组 . 方法二：因为 β 衰变对质量数 无影响，可先由质量数的改变 确定 α 衰变的次数，然后根据衰变规律确定 β 衰变的次数 . A. 铅核比钍核少 8 个质子 B. 铅核比钍核少 16 个中子 C. 共经过 4 次 α 衰变和 6 次 β 衰变 D. 共经过 6 次 α 衰变和 4 次 β 衰变 答案： ABD 热点 2 半衰期 [ 热点归纳 ] 1. 半衰期公式： 2. 半衰期的物理意义： 半衰期是表示放射性元素衰变快慢的物理量，同一放射性 元素具有的衰变速率一定，不同的放射性元素半衰期不同，有 的差别很大 . 3. 半衰期的适用条件： 半衰期是一个统计规律，是对大量的原子核衰变规律的总 结，对于一个特定的原子核，无法确定何时发生衰变 . 【 典题 3 】 ( 多选 ) 14 C 发生放射性衰变成为 14 N ，半衰期约 5700 年 . 已知植物存活期间，其体内 14 C 与 12 C 的比例不变；生 命活动结束后， 14 C 的比例持续减小 . 现通过测量得知，某古木 样品中 14 C 的比例正好是现代植物所制样品的二分之一 . 下列说 法正确的是 ( ) A. 该古木的年代距今约 5700 年 B. 12 C 、 13 C 、 14 C 具有相同的中子数 C. 14 C 衰变为 14 N 的过程中放出 β 射线 D. 增加样品测量环境的压强将加速 14 C 的衰变 解析： 古木样品中 14 C 的比例是现代植物所制样品的二分 之一，根据半衰期的定义知该古木的年代距今约 5700 年， A 正 确 . 同位素具有相同的质子数，不同的中子数， B 错误 . 14 C 的衰 放射性元素的半衰期与核内部自身因素有关，与原子所处的化 学状态和外部 条件无关， D 错误 . 答案： AC 热点 3 考向 1 核反应方程 核反应的四种类型 [ 热点归纳 ] ( 续表 ) 【 典题 4 】 (2018 届山西省六校联合考试 ) 下列关于核反应 方程及描述正确的是 ( ) 解析： α 衰变放出氦原子核， A 错误；轻核聚变是把轻核结 合成质量较大的核，释放出核能的反应称聚变反应， B 错误； C 项是居里夫妇发现人工放射性的核反应方程， C 正确； D 项 是卢瑟福发现质子的核反应方程， D 错误 . 答案： C 考向 2 核反应方程式的书写 [ 热点归纳 ] 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 . 3. 核反应过程中质量数守恒，电荷数守恒 . A.15 和 28 B.15 和 30 C.16 和 30 D.17 和 31 解析： 根据核反应遵循的质量数守恒和电荷数守恒可知， X 的电荷数为 2 ＋ 13 ＝ 15 ，质量数为 4 ＋ 27 － 1 ＝ 30 ，根据原子 核的电荷数等于原子序数，可知 X 的原子序数为 15 ，质量数为 30 ， B 正确 . 答案： B 【 迁移拓展 】 (2018 年天津卷 ) 国家大科学过程 —— 中国散 裂中子源 (CSNS) 于 2017 年 8 月 28 日首次打靶成功，获得中子 束流，可以为诸多领域的研究和 工业应用提供先进的研究平台， ) 下列核反应中放出的粒子为中子的是 ( 图 12-2-2 答案： B 热点 4 质能方 程与核能的计算 [ 热点归纳 ] 1. 对质能方程的理解： (1) 一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的 质量成正比，即 E ＝ mc 2 . 方程的含义：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 Δ m ，其能量也要相 应减少，即 Δ E ＝ Δ mc 2 . (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 Δ m ，吸收的能量为 Δ E ＝ Δ mc 2 . 2. 核能的计算方法： (1) 根据 Δ E ＝ Δ mc 2 计算，计算时 Δ m 的单位是“ kg” ， c 的 单位是“ m/s” ， Δ E 的单位是“ J”. (2) 根据 Δ E ＝ Δ m ×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 Δ m 的单位是“ u” ， Δ E 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 . 考向 1 核能的理解 【 典题 6 】 (2018 届安徽江南十校质检 ) 我国正在自主研发 新型聚变 — 裂变混合反应堆项目 . 如果此项目得以研究开发并 付诸实现，有可能使核 资源寿命延长数倍 . 关于聚变和裂变，下 列看法正确的是 ( ) B. 聚变和裂变反应中 都存在质量亏损 C. 裂变反应以释放核能为主，聚变反应以吸 收核能为主 D. 核越重，比结合能越大 裂变反应都释放能量，所以都存在质量的亏损， B 正确； C 错 误；组成原子核的核子越多，它的结合能就越高，结合能与核 子数之比，称为比结合能，比结合能与质量数的关系如图 D70 所示，可知，中等大小的原子核比结合能较大， D 错误 . 图 D70 答案： B 考向 2 核能的计算 B.3.3 MeV D.0.93 MeV A.3.7 MeV C.2.7 MeV 答案： B 核反应与动量守恒定律的综合模型 模型一 原子核衰变后在磁场中的运动轨迹问题 [ 热点归纳 ] 静止核在磁场中自发衰变，其轨迹为两相切圆， α 衰变时 两 知，半径小的为新核，半径大的为 α 粒子或 β 粒子，其特点对比 如下表： 【典题 8 】 在匀强磁场中，一 个原来静止的原子核，由于 放出一个 α 粒子，结果得到一张两个相切圆的径迹照片(如图 1223 所示 ) ，今测得两个相切圆半径之比 r 1 ∶ r 2 ＝ 1 ∶ 44. 则： (1) 图中哪一个圆是 α 粒子的径迹？ ( 说明理由 ) (2) 这个原子核原来所含的质 子数是多少？ 图 12-2-3 又由于衰变过程中遵循动量守恒定律，则 m 1 v 1 ＝ m 2 v 2 ， 以上三式联立解得 q ＝ 90e. 即这个原子核原来所含的质子数为 90. 答案： (1) 圆轨道 2 是 α 粒子的径迹，理由 见解析 (2)90 【 触类旁通 】 在垂直于纸面的匀强磁场中，有一原来静止 的原子核，该核衰变后，放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹 ) 分别如图 12-2-4 中 a 、 b 所示，由图可以判定 ( A. 该核发生的是 α 衰变 B. 该核发生的是 β 衰变 C. 磁场方向一定 垂直纸面向里 D. 磁场方向一定垂直纸面向外 图 12-2-4 解析： 本题考查对 α 粒子 及 β 粒子的性质的了解，对动量守 恒定律以及左手定则的应用能力 . 原来静止的核，放出粒子后， 总动量守恒，所以粒子和反冲核的速度方向一定相反，根据图 示，它们在同一磁场中是向同一侧偏转的，由左手定则可知它 们必带异种电荷，故应为 β 衰变；由于不知它们的旋转方向，因 而无法判定磁场是向里还是向外，即都有可能 . 答案： B 规律总结： 由以上两例解答过程可知，当静止的原子核在 匀强磁场中发生衰变时，大圆轨道一定是释放出的带电粒子 (α 粒子或 β 粒子 ) 的，小圆轨道一定是反冲核的 .α 衰变时两圆外切， β 衰变时两圆内切 . 如果已知磁场方向，还可根据左手定则判断 绕行方向是顺时针还是逆时针 . 模型二 核反应中的动量与能量综合问题 [ 热点归纳 ] 解决核反应与动量及能量守恒定律综合的问题时，首先应 用质能方程求出核反应释放出的核能，其次根据动量守恒定律 和能量守恒定律列出相应的方程，最后联立求解 .