高中物理 第四章 原子核 核能

知识梳理一、原子核的组成1．⑴卢瑟福用α射线实验发现了质子，并预言中子的存在；⑵查德威克发现了中子⑶汤姆生发现了电子2．核子：组成原子核的中子和质子的统称。一、天然放射现象1.天然放射现象⑴放射性与放射性元素：物质发射射线的性质称为放射性．具有放射性的元素称为放射性元素．⑵天然放射现象原子序数大于82的元素都有放射性．天然放射性元素的种类很多，但它们在地球上的含量很少．原子序数小于83的元素，有的也具有放射性．元素这种自发地放出射线的现象称为天然放射现象。2.三种射线⑴放射性物质放出的射线有三种：α射线、β射线、γ射线．⑵三种射线的成分和性质名称构成符号电量质量电离能力贯穿本领α射线氦核+2e4u最强最弱β射线电子-e0较强较强γ射线光子γ00最弱最强二、衰变1.原子核的衰变：放射性元素的原子核放出某种粒子后变成新的原子核的变化．2.两种衰变：α衰变、β衰变．铀238（）的α衰变钍234（）的β衰变3.衰变规律：原子核衰变时电荷数和质量数都守恒．4.实质：α衰变β衰变5.γ衰变α衰变或β衰变后产生的新核往往处于高能级，不稳定，要向低能级跃迁．放出γ光子．γ射线是伴随着α射线和β射线产生的．放射性物质发生衰变时，有的发生α衰，有的发生β衰变，同时伴随γ射线．这时三种射线都有．例：写出镭226、钋210的一次α衰变方程。铜66、磷32的一次β衰变方程。α衰变、β衰变表示了原子核是可以变化的．每一种元素的衰变快慢一样吗?衰变快慢有什么规律?如何描述这一变化规律?三、半衰期1. 半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间．符号Ｔ．2. 半衰期反映了放射性元素衰变的速率．每种放射性元素都有一定的半衰期．氡222衰变为钋218的半衰期为3.8天，镭226衰变为氡222的半衰期为1620年，铀238衰变为钍234的半衰期为4.5×109年.3. 放射性元素的半衰期的大小是由核内部本身的因素决定的，与它所处物理状态或化学状态无关．四、人工转变：(发现质子的核反应)(卢瑟福)用α粒子轰击氮核,并预言中子的存在(发现中子的核反应)(查德威克)钋产生的α射线轰击铍(人工制造放射性同位素)正电子的发现(约里奥居里和伊丽芙居里夫妇)α粒子轰击铝箔五、放射性同位素的应用1. 利用其射线：α射线电离性强,用于使空气电离,将静电泄出,从而消除有害静电。γ射线贯穿性强,可用于金属探伤,也可用于治疗恶性肿瘤。各种射线均可使DNA发生突变,可用于生物工程，基因工程。2. 作为示踪原子。用于研究农作物化肥需求情况，诊断甲状腺疾病的类型，研究生物大分子结构及其功能。3. 进行考古研究。利用放射性同位素碳14，判定出土木质文物的产生年代。一般都使用人工制造的放射性同位素（种类齐全，各种元素都有人工制造的放射性同位。半衰期短，废料容易处理。可制成各种形状，强度容易控制）。六、核力与结合能（一） 核力及其性质1．核力的定义：组成原子核的核子之间有很强的相互作用力，使核子能够克服库仑斥力而紧密地结合在一起，这种力称2．核力有着完全不同于静电力和万有引力的一些性质．(1)核力是一种强力，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多（2）核力是短程力，作用范围在1.5×10－15m之内，核力在大于0.8×10－15m时表现为吸引力，且随距离增大而减小，超过1.5×10－15m，核力急剧下降几乎消失；而在距离小于0.8×10－15m时，核力表现为斥力，因此核子不会融合在一起。（3）每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性。（二） 重核与轻核1．重核：排在元素周期表比较靠后的元素对应的原子核2．轻核：排在元素周期表比较靠前的元素对应的原子核3．轻核的质子数和中子数一般相等，比较稳定．但大多数重核中子数多于质子数，并且不稳定．排在 83 号以后的原子核都不稳定，它们能自动分解或衰变成更轻的原子核．(三)结合能1．结合能：由于核子之间存在着强大的核力，要把原子核拆成核子，需要克服核力做功，也就是说需要提供一定的能量．反过来，根据能量守恒，核子结合成原子核时，也会放出一定能量，我们把这个能量叫做结合能．结合能越大，将原子核拆散需要的能量越多，说明原子核越稳定．2．平均结合能：原子核的结合能与其核子数之比，称为平均结合能．平均结合能与原子核的稳定性结合能并不是由于核子结合成原子核具有的能量，而是把核子分开所需要的能量．(1)平均结合能的大小能够反映核的稳定程度，平均结合能越大，原子核越难拆开，表示该核越稳定．(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核，平均结合能比较小，中等核子数（如铁）的原子核，平均结合能较大．(3)当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能比较大的原子核时，就释放核能．六、核反应1. 原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程，称为核反应。2. 原子核的人工转变（1）1919年，卢瑟福发现质子核反应方程（2）查德威克发现中子核反应方程3. 核反应规律：在核反应中，质量数和电荷数都守恒居里夫妇发现正电子七、质能方程1.核反应伴随着能量变化核反应中放出的能量称为核能。一个质子和一个中子结合成氘核，放出2.2Mev能量2.质量亏损组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差(或者参加核反应的原子核总质量与生成新原子核的总质量之差)叫质量亏损.3.质能方程爱因斯坦质能方程质量亏损放出能量和结合成核放出能量2.22Mev4.原子质量单位u 1u＝１.6606×10－27kg 相当于931.5Mev的能量八、裂变重核分裂成质量较小的核释放出核能的反应,称为裂变铀核的裂变1. 铀核裂变的一种典型反应1939年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，铀核发生了裂变，铀核裂变的产物是多种多样的，其中一种典型的反应是2. 裂变反应中的能量的计算以上述典型反应为例：裂变前的总质量，裂变后的质量，，质量亏损释放的能量1kg铀235含有的铀原子核数为1kg铀235完全反应释放的总能量为九、聚变l. 聚变反应由轻原子核聚合成较重原子核的反应称聚变.2．聚变反应的特点聚变反应的特点主要有3个⑴和裂变相比，聚变反应释放的能量更多。例如，一个氘核和一个氚核发生聚变，其核反应方程是根据已知的数据氘核的质量：mD=2.014102u 氚核的质量：mT=3.016.050u氦核的质量：mα=4.002603u 中子的质量：mn=1008665u该反应释放能量为平均每个核子放出的能量为3.3MeV⑵聚变材料丰富1L海水中大约有0．03g氘，如果发生聚变，放出的能量相当于燃烧300L汽油．常见的聚变反应在这两个反应中，前一反应的材料是氘，后一反应的材料是氘和氚，而氚又是前一反应的产物．所以氘是实现这两个反应的原始材料，而氘是重水的组成成分，在覆盖地球表面三分之二的海水中是取之不尽的．⑶安全、无污染。聚变产物基本上是稳定氦核，没有放射性，不污染周围环境．而裂变产物一般都有放射性，容易引起环境污染．可见，轻核的聚变是一种理想的解决能源问题的途径．那么，是不是任意的核聚在一起就释放能量呢?不是．由爱因斯坦质能方程可知，只有在反应中出现质量亏损，即生成物的总质量小于反应物的总质量时，才能放出能量．题型讲解1. 放射性元素衰变时放出三种射线，按穿透能力由强到弱的排列顺序是（ ）A．a射线，b射线，g射线 B．g射线，b射线，a射线，C．g射线，a射线，b射线 D．b射线，a射线，g射线2.放射性元素的原子核在a衰变或b衰变生成新原子核时，往往会同时伴随着___________辐射。已知A、B两种放射性元素的半衰期分别为T1和T2，t＝T1·T2时间测得这两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比mA:mB＝_________。，原子核质量/u1.00783.01604.002612.000013.005715.0001下列判断正确的是(　　)A．X是，Q2>Q1 B．X是，Q2>Q1 C．X是，Q2<Q1 D．X是，Q2<Q1参考答案1． 【答案】B2．【解析】放射性元素的原子核在α衰变或β衰变生成新原子核时，往往以γ光子的形式释放能量，即伴随γ辐射；根据半衰期的定义，经过t＝T1·T2时间后剩下的放射性元素的质量相同，则 ，故3．【答案】①②3③C点评：①原子核自发地放出某种粒子成为新的原子核，叫做衰变；原子序数较大的重核分裂成原子序数较小的原子核，叫做重核裂变；原子序数很小的原子核聚合成原子序数较大的原子核，叫做轻核聚变．②所有核反应都遵循质量数和电荷数守恒的规律，情况复杂时可列方程组求解．4．【解析】核反应方程：＋→中的质量亏损为：Δm1＝1.0078 u＋12.0000 u－13.0057 u＝0.0021 u根据电荷数守恒、质量数守恒可知：＋→＋其质量亏损为：Δm2＝1.0078 u＋15.0001 u－12.0000 u－4.0026 u＝0.0053 u根据爱因斯坦质能方程得：Q1＝Δm1c2，Q2＝Δm2c2故Q1＜Q2．【答案】　B点评:要注意u为质量单位，并不是能量单位，其中1 u＝1.6606×10－27 kg,1 uc2＝931.5 MeV．