高考物理 第16章 第2講 放射性元素的衰變 核能知識(shí)研習(xí) 新人教版

1天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象揭開(kāi)了人類研究原子核結(jié)構(gòu)的序幕通過(guò)對(duì)無(wú)數(shù)放射現(xiàn)象的研究，人們發(fā)現(xiàn)：原子序數(shù)大于83的所有天然存在的元素都有放射性，原子序數(shù)小于83的天然存在的元素有些也有放射性，它們放射出來(lái)的射線共有3種貝可勒爾貝可勒爾(2)3種射線：射線：速度為光速1/10的，貫穿作用，電離作用射線：速度約為光速99%的，貫穿作用，電離作用射線：速度為光速的 (波長(zhǎng)極短的電磁波)，貫穿作用，電離作用氦核流氦核流弱弱很強(qiáng)很強(qiáng)電子流電子流很強(qiáng)很強(qiáng)較弱較弱光子流光子流最強(qiáng)最強(qiáng)很弱很弱 2原子核的人工轉(zhuǎn)變 用高能粒子轟擊靶核，產(chǎn)生另一種新核的反應(yīng)過(guò)程，即：ZAXxZAYy. 其中ZAX是靶核的符號(hào)，x為入射粒子，ZAY是新核，y是放射出的粒子的符號(hào) 原子核的人工轉(zhuǎn)變使人們推知原子核的組成：由質(zhì)子和中子組成核電荷數(shù)質(zhì)子數(shù)，質(zhì)量數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)原子核反應(yīng)遵守 和守恒質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)電荷數(shù)電荷數(shù) 3原子核的衰變 (1)原子核自發(fā)地放出某種粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)樾潞说淖兓兴プ?、衰變和衰?(2)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時(shí)間半衰期由放射性元素的原子核內(nèi)部本身的因素決定，跟原子所處的或無(wú)關(guān)物理狀態(tài)物理狀態(tài)化學(xué)狀態(tài)化學(xué)狀態(tài)4核能(1)核力：核子之間的作用力(2)核能：由于原子核中的核子間存在強(qiáng)大的核力，使得原子核成為一個(gè)堅(jiān)固的集合體要把原子核中的核子拆散，就得克服核力而做巨大的功反之，要把核子集合成一個(gè)原子核，就要放出巨大的能量單個(gè)核子結(jié)合成原子核或原子核分裂成單個(gè)核子，放出或吸收的能量叫做原子核的 相鄰相鄰結(jié)合能結(jié)合能 (3)質(zhì)能方程： 質(zhì)量虧損：組成原子核的核子的質(zhì)量和與原子核的質(zhì)量之差叫質(zhì)量虧損 質(zhì)能方程：一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的能量和它的質(zhì)量成正比，即 . (4)核能的計(jì)算：根據(jù)1原子質(zhì)量單位(u)相當(dāng)于 能量，用核子結(jié)合成原子核時(shí)質(zhì)量虧損的原子質(zhì)量單位數(shù)乘以931.5 MeV，即Em931.5 MeV.注意：該式中m的單位是u，E的單位是MeV.Emc2931.5 MeV(5)核能的利用途徑：重核裂變：重核俘獲一個(gè)中子后分裂成為兩個(gè)(或多個(gè)) 核的反應(yīng)過(guò)程重核裂變的同時(shí)放出幾個(gè)中子，并釋放出大量核能為了使鈾235裂變時(shí)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，鈾塊的體積應(yīng)大于它的臨界體積，如 92235U01n3692Kr 56141Ba301n.輕核聚變：某些輕核結(jié)合成的核，同時(shí)釋放出大量核能的反應(yīng)過(guò)程要想使氘核和氘核結(jié)合成氦核，必須達(dá)到幾百萬(wàn)度以上的高溫因此，聚變反應(yīng)又叫熱核反應(yīng)，如：12H13H24He01n.中等質(zhì)量中等質(zhì)量質(zhì)量較大質(zhì)量較大(即時(shí)鞏固解析為教師用書獨(dú)有)考點(diǎn)一核反應(yīng)的4種類型類型類型可控性可控性核反應(yīng)方程典例核反應(yīng)方程典例衰變衰變衰變衰變自發(fā)自發(fā) 92238U 90234Th24He衰變衰變自發(fā)自發(fā) 90234Th 91234Pa10e人工人工轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?nèi)斯た刂迫斯た刂?714N24He 817O11H(盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子)24He49Be 612C01n(查德威克發(fā)現(xiàn)中子查德威克發(fā)現(xiàn)中子)1327Al24He1530P01n約里奧約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子同位素，同時(shí)發(fā)現(xiàn)正電子1530P1430Si10e重核重核裂變裂變比較容易進(jìn)比較容易進(jìn)行人工控制行人工控制 92235U01n 56144Ba3689Kr301n 92235U01n 54136Xe3890Sr1001n輕核輕核聚變聚變除氫彈外無(wú)除氫彈外無(wú)法控制法控制12H13H24He01n【技巧提示】書寫原子核的衰變方程時(shí)應(yīng)注意：(1)核反應(yīng)過(guò)程一般都不是可逆的，所以核反應(yīng)方程只能用單向箭頭表示反應(yīng)方向，不能用等號(hào)連接(2)核反應(yīng)的生成物一定要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不能只依據(jù)兩個(gè)守恒規(guī)律憑空杜撰出生成物來(lái)寫核反應(yīng)方程(3)核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒，核反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)前后的總質(zhì)量一般會(huì)發(fā)生變化(質(zhì)量虧損)且釋放出核能(4)核反應(yīng)遵循電荷數(shù)守恒(5)當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生連續(xù)衰變時(shí)，原子核中有的發(fā)生衰變，有的不發(fā)生衰變， 同時(shí)伴隨著輻射【案例1】現(xiàn)有5個(gè)核反應(yīng)：A12H13H24He01nB. 92235U01nX3894Sr201nC1124Na1224Mg10e D. 88220Ra 86216Rn24HeE24He1327Al1530P01n(1)_是發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，_是研究?jī)蓮椀幕竞朔磻?yīng)方程(2)求B項(xiàng)反應(yīng)中X的質(zhì)量數(shù)和中子數(shù)(3)判斷以上五個(gè)核反應(yīng)的反應(yīng)類型【解析】根據(jù)核反應(yīng)方程遵循的基本規(guī)律，正確書寫方程，還要注意衰變、人工轉(zhuǎn)變、裂變、聚變的區(qū)別(1)E是查德威克發(fā)現(xiàn)中子的核反應(yīng)方程，A是氫彈的核反應(yīng)方程，B是原子彈的核反應(yīng)方程(2)由電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒，可以判定X質(zhì)量數(shù)為140，電荷數(shù)為54.所以，中子數(shù)為：1405486.(3)衰變是原子核自發(fā)地放出粒子或粒子的反應(yīng)，C是衰變，D是衰變，E是人工控制的原子核的變化，屬人工轉(zhuǎn)變裂變是重核吸收中子后分裂成幾個(gè)中等質(zhì)量的核的反應(yīng)，B是裂變；聚變是幾個(gè)輕核結(jié)合成較大質(zhì)量的核的反應(yīng)，A是聚變【答案】(1)EA、B(2)14086(3)見(jiàn)解析【即時(shí)鞏固1】(2010廣東理綜)關(guān)于核衰變和核反應(yīng)的類型，下列表述正確的有()A. 92238U 90234Th24He 是衰變B. 714N24He 817O11H 是衰變C12H13H24He01n 是輕核聚變D3482Se3682Kr210e 是重核裂變【解析】衰變是放射出氦核的天然放射現(xiàn)象，A正確；衰變是放射出電子的天然放射現(xiàn)象，而B項(xiàng)是發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的原子核人工轉(zhuǎn)變，故B錯(cuò)；C項(xiàng)是輕核的聚變，D項(xiàng)是衰變現(xiàn)象，故C對(duì)，D錯(cuò)【答案】A、C 考點(diǎn)二半衰期 確定衰變次數(shù)的方法：設(shè)放射性元素ZAX經(jīng)過(guò)n次衰變和m次衰變后，變成穩(wěn)定的新元素ZAY，則表示該核反應(yīng)的方程為：ZAXZAYn24Hem10e. 根據(jù)電荷數(shù)守恒和質(zhì)量守恒可列方程： AA4n，ZZ2nm. 由此可見(jiàn)，確定衰變次數(shù)可歸結(jié)為解一個(gè)二元一次方程組【技巧提示】(1)半衰期是大量原子核衰變時(shí)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，個(gè)別原子核經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間衰變無(wú)法預(yù)測(cè)對(duì)個(gè)別或極少數(shù)原子核，無(wú)半衰期可言(2)確定衰變次數(shù)，往往先由質(zhì)量數(shù)的改變確定衰變的次數(shù)，因?yàn)樗プ儗?duì)質(zhì)量數(shù)無(wú)影響，然后再根據(jù)衰變規(guī)律確定衰變的次數(shù)這樣做比較簡(jiǎn)捷【案例2】(2010福建理綜)14C測(cè)年法是利用14C衰變規(guī)律對(duì)古生物進(jìn)行年代測(cè)定的方法若以橫坐標(biāo)t表示時(shí)間，縱坐標(biāo)m表示任意時(shí)刻14C的質(zhì)量，m0為t0時(shí)14C的質(zhì)量 下 面 四 幅 圖 中 能 正 確 反 映1 4C 衰 變 規(guī) 律 的 是_(填選項(xiàng)前的字母)【解析】本題意在考查衰變規(guī)律、半衰期等知識(shí)點(diǎn)，意在考查學(xué)生的圖象表達(dá)能力.14C衰變過(guò)程中每經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期，質(zhì)量減少為原來(lái)的一半，故其質(zhì)量減少得越來(lái)越慢，且衰變是時(shí)刻都在發(fā)生的，故C項(xiàng)正確【答案】C【誤區(qū)警示】(1)半衰期是原子核有半數(shù)發(fā)生衰變，變成新核，并不是原子核的數(shù)量、質(zhì)量減少一半【即時(shí)鞏固2】某放射性元素原為8 g，經(jīng)6天時(shí)間已有6 g發(fā)生了衰變，此后再衰變1 g還需要幾天？【解析】 【答案】3天考點(diǎn)三核能1質(zhì)能方程一定的能量和一定的質(zhì)量相聯(lián)系，物體的總能量和它的質(zhì)量成正比，即Emc2.方程的含義是：物體具有的能量與它的質(zhì)量存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系：物體的能量增大，質(zhì)量也增大；物體的能量減少，質(zhì)量也減小(1)核子在結(jié)合成原子核時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量虧損m，其能量也要相應(yīng)減少，即Emc2.(2)原子核分解成核子時(shí)要吸收一定的能量，相應(yīng)的質(zhì)量增加m，吸收的能量為Emc2.2獲得方式核能的重核裂變和輕核聚變聚變反應(yīng)比裂變反應(yīng)平均每個(gè)核子放出的能量要大34倍【技巧提示】(1)核能的計(jì)算方法：根據(jù)Emc2計(jì)算，計(jì)算時(shí)m的單位是“kg”，c的單位是“m/s”，E的單位是“J”根據(jù)Em931.5 MeV計(jì)算根據(jù)平均結(jié)合能來(lái)計(jì)算核能原子核的結(jié)合能核子平均結(jié)合能核子數(shù)(2)利用質(zhì)能方程計(jì)算核能時(shí)，不能用質(zhì)量數(shù)代替質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算【案例3】(2009海南高考)钚的放射性同位素 94239Pu靜止時(shí)衰變?yōu)殁櫤思ぐl(fā)態(tài) 92235U和粒子，而鈾核激發(fā)態(tài) 92235U立即衰變?yōu)殁櫤?92235U，并放出能量為0.097 MeV的光子已知： 94239Pu、 92235U和粒子的質(zhì)量分別為mPu239.052 l u、mu235.043 9 u和m4.002 6 u，l u931.5 MeV/c2.(1)寫出衰變方程；(2)已知衰變放出的光子的動(dòng)量可忽略，求粒子的動(dòng)能【解析】(1)衰變方程為： 94239Pu 92235U， 92235U 92235U.或合起來(lái)有 94239Pu 92235U.(2)上述衰變過(guò)程的質(zhì)量虧損為mmPumUm.放出的能量為Ec2m.這能量是鈾核 92235U的動(dòng)能EU、粒子的動(dòng)能E和光子的能量E之和，即EEUEE.由式得EUE(mPumUm)c2E.設(shè)衰變后的鈾核和粒子的速度分別為vU和v，則由動(dòng)量守恒有mUvUmv.【即時(shí)鞏固3】某些建筑材料可產(chǎn)生放射性氣體氡，氡可以發(fā)生或衰變，如果人長(zhǎng)期生活在氡濃度過(guò)高的環(huán)境中，那么，氡經(jīng)過(guò)人的呼吸道沉積在肺部，并大量放出射線，從而危害人體健康原來(lái)靜止的質(zhì)量為M的氡核( 86222Rn)發(fā)生一次衰變生成新核釙(Po)已知衰變后的粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q、速度為v，并假設(shè)衰變過(guò)程中釋放的核能全部轉(zhuǎn)化為粒子和新核的動(dòng)能(注：涉及動(dòng)量問(wèn)題時(shí)，虧損的質(zhì)量可忽略不計(jì))(1)寫出衰變方程；(2)求出衰變過(guò)程中的質(zhì)量虧損【解析】(1) 86222Rn 84218Po24He.(2)設(shè)新核釙的速度為v