2019-2020年新課標(biāo)粵教版3-5選修三4.2《核衰變與核反應(yīng)方程》WORD教案2.doc

2019-2020年新課標(biāo)粵教版3-5選修三4.2核衰變與核反應(yīng)方程WORD教案2原子和原子核的知識在新課程改革中被安排在選修3-5模塊當(dāng)中，這部分內(nèi)容雖要求不高，難度不大，但由于其能緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活和現(xiàn)代科研的實際，因而也是高考選做題部分命題的熱點問題之一。這部分考題常以科學(xué)研究中的具體事例為背景，選取其中高中能討論的一些局部問題進行考查，有時還在題中給出一些新的知識、信息、成為信息題。其中以原子核的衰變過程為知識背景，可將粒子的運動，粒子能量和粒子動量等知識融合一體，實現(xiàn)考查學(xué)生綜合能力的目的。如在xx年江蘇首屆新高考的物理卷中第28題就考查了學(xué)生對動量守恒條件的掌握情況。因而，我們很有必要將此類問題做點歸類和分析，以便同學(xué)們掌握和靈活運用。一粒子的能量和動量在近代物理領(lǐng)域，牛頓運動定律等一些經(jīng)典物理的規(guī)律將不再適用，而動量守恒定律、核能的轉(zhuǎn)化和守恒定律仍可適用，且包括這兩個守恒定律在內(nèi)的一些守恒規(guī)律成為近代物理研究中的重要理論依據(jù)。只是各種守恒定律的應(yīng)用對象由經(jīng)典物理中的低速宏觀物體變成了微觀粒子，因此關(guān)于能量和動量的觀念，與在宏觀低速領(lǐng)域中相比應(yīng)有所拓展。在應(yīng)用能量守恒時，涉及的能量除動能、電勢能外，還有與質(zhì)量對應(yīng)的總能量mc2，如果是光子，則是由頻率決定的能量 。在應(yīng)用動量守恒定律時，要注意除了實物粒子有動量mv外，光子也有動量，光子在與其他粒子相互作用時，其行為與實物粒子類似。【例題1】在X射線管中，由陰極發(fā)射的電子被加速后打到陽極，回產(chǎn)生包括X光在內(nèi)的各種能量的光子，其中光子能量的最大值等于電子的動能。已知陰極與陽極之間的電勢差U普朗克常數(shù)h、電子電量e和光速c，則可知該X射線管發(fā)出X光的（ ）(A) 最短波長為(B) 最長波長為(C) 最小頻率為(D) 最大頻率為二衰變中三個要點1三種射線和兩種衰變在放射性原子核發(fā)生衰變的過程會伴隨有、三種射線發(fā)出。這三種射線的本質(zhì)、電性電量速率和性質(zhì)各不一樣，我們可用下表來比較。射線名稱實質(zhì)粒子帶電量運行速率電離作用穿透本領(lǐng)氦核2e0.1c強弱電子e0.9c較強較弱光子不帶電c弱強雖然射線有三種，但衰變形式卻只有兩種，衰變和衰變，沒有衰變。射線是伴隨與衰變和衰變中產(chǎn)生的一種能量，它是高頻率的電磁波。2粒子的來源原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子所組成，它的內(nèi)部并不存在帶負(fù)電的電子，那么，在衰變?yōu)槭裁磿a(chǎn)生帶負(fù)電的電子呢？對于放射性原子核，其內(nèi)部的質(zhì)子和中子是可以相互轉(zhuǎn)化的。如：一個中子可轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子，同時還將產(chǎn)生一個電子（核反應(yīng)方程為）。實際上，衰變的過程就是原子核內(nèi)的中子在向質(zhì)子轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的負(fù)電子從原子核中分裂出來的過程。3衰變過程中的核子數(shù)變化特點 不論衰變還是衰變，組成原子核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)雖可改變，但核子的總數(shù)卻是不變的，這就是質(zhì)量數(shù)守恒定律。對于衰變和衰變過程，質(zhì)子和中子的變化規(guī)律也各不相同。每發(fā)生一次衰變，原子核中就減少2個質(zhì)子和2個中子；而每發(fā)生一次衰變，卻只減少1個中子，質(zhì)子反而增加1個，這就造成了原來的原子核與新原子核質(zhì)量數(shù)相同的特殊現(xiàn)象?！纠}2 】（2000年全國高考卷）.最近幾年，原子核科學(xué)家在超重元素島的探測方面取得重大進展，1996年科學(xué)家們在研究某兩個重離子結(jié)合成超重元素的反應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)生成的超重元素的核經(jīng)過6次衰變后的產(chǎn)物是。由此，可以判定生成的超重元素的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)分別是（ ）（A）124、259 （B）124、265 （C）112、265 （D）112、277【點撥解疑】 根據(jù)題意可寫出核反應(yīng)方程由質(zhì)量數(shù)守恒，有 A=253+64=277由電荷數(shù)守恒，有 Z=100+62=112 可見 D對。三衰變過程中的動量守恒對于放射性原子核在衰變的過程，實質(zhì)上就原子核在受到某種原因的激發(fā)下，將自身分裂為兩部分的過程，在此瞬間過程中，內(nèi)力作用遠(yuǎn)大于外力作用，故原子核在衰變前后的總動量保持不變，即動量守恒。同時在此過程中，原子核的核子平均質(zhì)量會發(fā)生變化，造成質(zhì)量虧損，釋放出核能，并將其中的一部分轉(zhuǎn)化為新原子核、或粒子動能，另一部分以射線的形式向周圍輻射?！纠}3 】1923年康普頓研究X射線經(jīng)物質(zhì)散射的實驗，進一步證實了愛因斯坦的光子概念?？灯疹D讓一束X射線投射到一塊石墨上發(fā)生散射，測定不同散射方向上X射線的波長情況。結(jié)果在散射的各個方向上測到了波長比原來更長的X射線。這種改變波長的散射實驗被稱為康普頓效應(yīng)。試用光子的概念和能量守恒的概念解釋這種波長變長的現(xiàn)象。1234BA【點撥解疑】根據(jù)光子理論運用能量守恒和動量守恒解釋康普頓效應(yīng)不僅有力的驗證了光子理論，而且也證實了微觀領(lǐng)域的現(xiàn)象也嚴(yán)格遵循能量守恒和動量守恒定律。X射線投射到石墨上，X射線的光子和石墨中的實物粒子（如自由電子、原子等）發(fā)生碰撞，碰撞后，光子將沿某一方向散射，同時把一部分能量傳給實物粒子，根據(jù)能量守恒的原理，散射光子的能量就比入射光子的能量低，根據(jù)光子理論知光子能量為，所以散射光的頻率比入射光的頻率小，即散射光的波長較長?！纠}4】A、B兩原子核靜止在同一勻強磁場中，一個放出粒子，另一個放出粒子，運動方向均與磁場垂直，他們在磁場中的運動徑跡及兩個反沖核的運動徑跡如圖所示。則可以判定徑跡 是粒子的，徑跡 是粒子的?！军c撥解疑】在衰變過程中，動量守恒，故反沖核和放出的粒子的動量必大小相等，方向相反。徑跡1和2相外切，徑跡3和4相內(nèi)切，根據(jù)洛侖茲力提供各自的向心力，即可判定1和2必為帶同種電荷的粒子的徑跡；3和4為帶異種電荷的粒子徑跡。所以A發(fā)生了衰變；B發(fā)生了衰變。又根據(jù)半徑公式知，在動量大小相同時，r與電荷量q成反比。綜上所述，2為粒子的徑跡，4為粒子的徑跡。【例題5】云室處在磁感強度為B的勻強磁場中，一靜止的質(zhì)量為M的原子核在云室中發(fā)生一次衰變， 粒子的質(zhì)量為m，電量為q，其運動軌跡在與磁場垂直的平面內(nèi)?，F(xiàn)測得 粒子運動的軌道半徑為R，求在衰變過程中的質(zhì)量虧損。（注：涉及動量問題時，虧損的質(zhì)量可忽略不計）【點撥解疑】 由于衰變放出粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，由牛頓第二定律和洛侖茲力可知，洛侖茲力提供粒子圓周運動的向心力即： 核衰變過程中動量守恒，得： 又衰變過程中能量來自質(zhì)量虧損，即 聯(lián)立 式可解得: 【例題6】在核反應(yīng)堆里，用石墨作減速劑，使鈾核裂變所產(chǎn)生的快中子通過與碳核不斷的碰撞而被減速。假設(shè)中子與碳核發(fā)生的是彈性正碰，且碰撞前碳核是靜止的。已知碳核的質(zhì)量近似為中子質(zhì)量的12倍，中子原來的動能為E0，試求：（1）經(jīng)過一次碰撞后中子的能量變?yōu)槎嗌?？?）若E0=1.76MeV，則經(jīng)過多少次后，中子的能量才可減少到0.025eV。【點撥解疑】按彈性正碰的規(guī)律可求出每次碰撞后中子的速度變?yōu)槎嗌?，對?yīng)的動能也就可以求解；在根據(jù)每次碰撞前后的動能之比與需要減少到0.025eV與原動能E0的比值關(guān)系，取對數(shù)求出碰撞次數(shù)（必須進位取整）。（1） 彈性正碰遵循動量守恒和能量守恒兩個規(guī)律。設(shè)中子的質(zhì)量m，碳核的質(zhì)量M。有： 由上述兩式整理得 則經(jīng)過一次碰撞后中子剩余的動能 同理可得經(jīng)過第二次碰撞后中子剩余的動能為 則經(jīng)過n次碰撞后中子剩余的動能為 由題意可知：經(jīng)過n次碰撞，中子的動能減少為0.025eV，即En=0.025eV，E0=1.75MeV。解式得 n54