1、第 2 讲 天然放射现象 衰变 核能一、考情直播1考纲解读考纲内容 能力要求 考向定位1.氢原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期2.放射性同位素3. 核力、核反应方程4. 结合能、质量亏损5. 裂变反应和聚变反应、裂变反应堆6. 放射性的防护1.知道原子核的组成，三种射线及性质，衰变规律2.了解放辐射性同位素及应用3.知道书写核反应方程时要注意质量数守恒、核电荷数守恒4.知道爱因斯坦质能联系方程，会计算核能5.知道释放核能的两种方式：聚变与裂变6.了解放射性防护考纲对这一部分知识均是级要求本部分高考的热点是核反应方程，三种射线的比较，质子、中子以及正电子的发现，爱因斯坦质能联系方程，高考
2、中以选择题的形式出现2考点整合考点一：天然放射现象及三种放射线的比较1、 天然放射现象的发现1896 年， 在铀矿石中发现未知的射线，把这些射线称为 射线、 射线、 射线，这就是天然放射现象的发现.天然放射现象的发现，说明原子核 .2、 三种射线的比较名称产生 本质 电离作用 穿透能力射线射线射线 射线的作用：工业探伤、 刀、除静电、消毒杀菌、育种保鲜等3、三种射线在匀强电场和匀强磁场中的偏转（在射线旁写明射线的种类）三种射线在电场中偏转 图 7 三种射线在磁场中偏转特别提醒三种射线均来自原子核内部，说明原子核具有复杂结构 射线是氦的原子核， 射线是电子流， 射线是光子4.天然放射现象的发现说
3、明原子核具有复杂结构天然放射现象中的三种射线均来自于 ，这就充分说明了原子核具有复杂结构.例题 1 如图 8 所示，x 为一未知放射源，P 为薄铝箔，当 x 放射源稳定时，计数器的计数率（单位时间内接受射线的次数）稳定.现在将磁场移开，发现计数器的计数率没有什么变化，然后抽走P，则计数器的计数率大幅上升，说明 x 为A纯 粒子放射源 B. 纯 粒子放射源C 粒子和 粒子的混合放射源 D. 粒子和 粒子的混合放射源答案：D解析：薄铝箔完全可以阻挡 粒子，所以能进入计数器的一定没有 粒子； 粒子和 粒子都可以穿透薄铝箔，但由于 粒子是电子，在磁场的作用下会发生偏转，将磁场移开，发现计数器的计数率没
4、有什么变化，说明一定没有 粒子；抽走 P，则计数器的计数率大幅上升，说明一定有其它的粒子进入了计数器，而这种粒子一定不是 粒子，只能是 粒子，所以 D 正确【规律总结】 粒子穿透本领最弱， 粒子穿透本领最强 粒子、 粒子在磁场中会受到洛伦兹力作用而发生偏转， 粒子是光子，无论在电场中还是在磁场中，都不会发生偏转考点二：原子核的半衰期1.半衰期： .2.半衰期由放射性元素的原子核内部因素决定，与原子核所处的 无关.3.衰变公式为 特别提醒：半衰期与原子核多少无关，半衰期是一个统计性的概念，只有对大量的原子核才成立，对少量的或是几个原子核谈半衰期无意义.【例题 2】若元素的半衰期为天，元素的半衰期
5、为天，则相同质量的和，经过天后，剩下两元素的质量之比 m :m 为.30 ：31 .31：20 . ： .：答案：C【解析】根据半衰期公式，易得 A 经历 5 个半衰期，B 经历 4 个半衰期，所以剩余质量之比为 1:2，C 正确【规律总结】放射性元素的半衰期计算公式为 或Ttm210TtN210考点三： 、 衰变规律图 81. 衰变规律衰变方程： _234908ThU衰变规律： 2. 衰变规律衰变方程： _234910PaTh衰变规律： 3.正电子衰变规律正电子衰变方程： _30145Si正电子衰变规律：特别提醒：书写核反应方程要注意质量数守恒和核电荷数守恒；衰变方程的特点是反应前只有一个核
6、，是释放核能的核反应例题 3 下面对某原子核衰变的描述，哪个是不对的？.放出一个 粒子后，原子核的中子数减，原子序数少.放出一个 粒子后，原子核的质量数少，核电荷数少.放出一个 粒子后，原子核的质量数不变，核电荷数加. 经过次 衰变和次 衰变后变成Ra268 Pb2068答案：BCD【解析】 衰变衰变规律为核电荷数增加 1，质量数不变， A 错 C 正确； 衰变规律：核电 荷数减少 2，质量数减少 4，B 正确； 经过次 衰变和次 衰变后，质量数减少Ra26820，核电荷数先减少 10 在增加 4，一共增加 6，变为 ，D 正确Pb2068【规律总结】发生 衰变无中子损失，每发生一次 衰变将有
7、一个中子转化为一个质子，这一点是解决选项 D 的关键.考点四：原子核的人工转变与核反应方程1. 质子的发现卢瑟福用 粒子轰击 7 号元素 ，发现了 .N147核反应方程为： _8421CHe2.中子的发现查德威克用 粒子轰击 4 号元素 ，发现了 B94核反应方程为： _1269e3.放射性同位素的人工合成伊丽芙居里和约里奥居里用 粒子轰击 13 号元素 ，人工合成了 Al2713核反应方程为： nHeAl1042713_4.放辐射性同位素的应用 特别提醒：无论是质子的发现还是中子的发现，这一类方程都属于核的人工转变，是吸收能量的在核反应中质量数和电荷数都守恒【例题 4】用中子（ ）轰击铝 2
8、7( )，产生钠 24（ ）和 X，钠 24 具有放射性10n2713Al241Na它衰变后变成镁 24（ ）和 Y.则 X 和 Y 分别是24MgA 粒子和电子 B 粒子和正电子C电子和 粒子 D质子和正电答案：A【解析】写出核反应方程： 和 ，显然 X 是 粒子，HeNanAl42102713eMga01241Y 是电子.A 正确.【规律总结】熟练的写出核反应方程是关键，当然也要记忆一些常见的粒子的名称和书写，在核反应中质量数和电荷数都守恒.【例题 5】在下列四个核反应中， X 表示了质子的是哪些A OHeN1784217B ；Pl301513C ；Xe422D nSrU101365490
9、83592答案：A【解析】根据核反应中质量数和电荷数都守恒，A 中是质子；B、C、D 中均为中子.【规律总结】核反应中质量数和电荷数都守恒，从而确定粒子的种类.考点五：核力与核能1.核力与核能核力：相邻的 间有强大的核力作用，是一种短程力，其作用距离不超过 10-15m.核能：核反应中 称为核能.特别提醒：将一个原子核分离成核子，需要克服核力做功，吸收能量；核子结合成原子核，核力做正功，释放核能.2.爱因斯坦质能联系方程 3.核能质量亏损： 叫质量亏损.在衰变、裂变和聚变中存在质量亏损.特别提醒：计算质量亏损的方法： 反 应 后反 应 前 mm对质能联系方程的理解：并不是指质量的消失，只是在核
10、反应的过程中以辐射能量的形式体现了相应部分的质量； 不能理解为质量为 的物质可以转化为 的能2cE 2mc量，这只是反应了质量与能量间的密切联系，在计算核能时应用 来计算E4. 结合能结合能： ，叫做原子核的结合能.特别提醒：对结合能的理解质量 m 与能量 E 符合爱因斯坦的质能方程 ，这里 c 是真空中的光2mE速. 根据质能方程，当能量增加了E ，那么它的质量也相应地增加m，反过来也一样.E 和m 间符合下述质能方程 .2c核子结合成原子核时放出结合能，因此核的质量和组成它的核子的质量比较起来就要小些，这叫做核的质量亏损，知道了核的质量亏损，就可以根据质能方程求出原子核的结合能.用核子数去
11、除原子核的结合能，就得到每个核子的平均结合能.质量数为 5060 的原子核平均结合能最大，约为 8.6MeV，质量数较小的轻核和质量数较大的重核，平均结合能都比较小.例题 6 （原子量为 232.0372）衰变为 （原子量为 228.0287）时，释放出 粒子U239 Th2890（ 的原子量为 4.0026） ，写出核反应方程，并求出衰变过程中释放出多少能量. He42答案： ；eTh428903 +5.5MeV.【解析】 HeThU4289023 +衰变过程中的质量亏损 m=232.0372u-(228.0787u+4.0026u)=0.0059u衰变过程中释放的能量 =mC =0.005
12、9931.5MeV=5.5MeV【规律总结】用 计算核能时有两种方法：2cE1.在公式 中均取国际单位.2.在公式= m931.5 中 m 的单位是 u，的单位是eV， .MeVu5.931相 当 于二、高考热点探究一、 衰变与带电粒子在磁场中的运动静止的原子核发生 、 衰变时，动量守恒、能量守恒，同时存在质量亏损，释放核能.在电场、磁场中 、 粒子因为带电而发生偏转或是做圆周运动 .【真题】 （2008 年广东高考） （1 ）放射性物质 和 的核衰变方程为：Po21084C627， 方程1Xb260287XNio中的 X1 代表的是_ ，X 2 代表的是_.如图所示，铅盒内装有能释放 、 和
13、 射线的放射性物质，在靠近铅盒的顶部加上电场 E 或磁场 B，在图 17(a)、(b)中分别画出射线运动轨迹的示意图.（在所画的轨迹上须标明是 、 和 中的哪种射线）【解析】 （1）第一个核反应方程为 衰变，所以 X1 代表 ；第二个核反应方程为 衰变，X 2 代表 ；He42 e01（2）在图（a）中， 射线不偏转， 射线向右偏转， 射线向左偏转；在图（b）中， 射线不偏转， 射线向左偏转， 射线向右偏转.答案：（1） ， ；（ 2）画出射线运动轨迹的示意图：略e4201【名师指引】在电场中： 射线是氦的原子核，带正电，质量数较大，加速度较小，偏转不明显； 射线是电子，带负电，质量数为零（不
14、到一个原子质量单位 u）加速度很大，偏转明显，在画图时，这一点要体现出来.【新题导练 1】在匀强磁场区域中有一个静止的 分裂为 和 ，若分裂后速度方U2389He42Th3490向与磁场垂直，求两核在磁场中运动的半径之比.二半衰期半衰期是一个统计概念，只有对大量的原子核才成立，对几个原子核，则不存在半衰期的概念. 半衰期的长短与所处的物理状态和化学状态无关【真题】 （2008 年上海高考）放射性元素的原子核在 衰变或 衰变生成新原子核时，往往会同时伴随辐射.已知 A、B 两种放射性元素的半衰期分别为 T1 和 T2，经过tT 1T2 时间后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
15、图（a） 图（b）图 17mA： mB.答案：见解析【解析】放射性元素的原子核在 衰变或 衰变生成新原子核时，新原子核往往有多余的能量，亦即新原子核处于激发态，这些能量再以 光的形式放出，这就是 衰变， 衰变总是伴随着 衰变或 衰变.根据衰变公式： Ttm)21(0有： 又因为 所以 mA：m B ：21)()2(TtBTtA 21t2T1【名师指引】根据 ，有： ，Ttm)(0 21)()(TtBTtA得到： 在理解衰变公式的基础上，指数运算出现错误.加强数学运算能2112)(TtBA力，别让数学扯了物理的后腿.【新题导练 2】关于半衰期，以下说法正确的是：A同种放射性元素在化合物中的半衰期
16、比单质中长.B升高温度可以使半衰期缩短.C氡的半衰期为 3.8 天，若有四个氡原子核，经过 7.6 天就只剩下一个.D氡的半衰期为 3.8 天，4 克氡原子核，经过 7.6 天就只剩下 1 克.三核电站、热核反应与恒星发光热核反应：聚变必须在轻核间的距离十分接近，即达到 10-15m 时才能进行.在极高温度下，原子核可以获得足够的动能克服库仑斥力而发生聚变，这种聚变反应叫做热核反应.目前已实现的人工热核反应是氢弹的爆炸，恒星的内部进行着这种反应.核电站：重核的裂变提供能量.反应堆的构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层.【真题】 （2002 年广东高考）如下一系列核反应是在恒星内部发生的：NCp1
17、3726ve1371476O58ve1758CNp26其中 为质子， 为 粒子， 为正电子， 为一种中微子.已知质子的质量为ev， 粒子的质量为 ，正电子的质量为kgmp2704. kgm2710649，中微子的质量可忽略不计，真空中的光速 ，试计e319 smc/.38算该系列核反应完成后释放的能量.答案： JE25.【解析】题中 6 个方程可等效为下面一个方程： 24ep质量亏损为 epm4根据爱因斯坦质能方程 可算出整个过程释放的能量.2mcE【名师指引】想办法计算出这一系列核反应的质量亏损是解决本题的关键，将这 6 个核反应方程等效为 ，才能正确算出质量亏损.不能对这 6 个方程进行等
18、效，从而4ep不能算出质量亏损，是解决本题失败的主要原因.【新题导练 3】 （1）在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势 .在核电站中，核反应堆释放的核能被转化成电能.核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量的核能. 以上的核反应方程是反应堆中发生的许多核XKrBanU9236145259反应中的一种，n 为中子，X 为待求粒子， 为 X 的个数，则 X 为_， =_.以 m1、 m2、 m3 分别表示 U、 Ba、 Kr 核的质量，m 4、 m5 分别表示中子、质子的质量，c 为光在真空中传播的速度，则上述核反应过程中放出的核能E=_（2 ）有一座发电能力为
19、 P=1.00106kw 的核电站，核能转化为电能的效率=40%.假定反应堆中发生的裂变反应全是（1 ）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能E=2.781011J， 核的质量 m1=3901027kg，求每年（1 年=3.1510 7s）消耗的 的质U235 U235量为多少？四：热核反应与恒星寿命恒星的能量来与其内部的热核反应，在恒星的内部，核聚变反应的种类有很多，最关键的是找到最后的等效核反应，以便于计算质量亏损.恒星释放的核能向宇宙的四面八方均匀辐射，在以恒星为球心的球面上，能量均匀分布.当恒星内部的聚变材料小于某个临界值时，核反应就会停止，恒星步入死亡期.【真题】 （2001 年全
20、国高考）太阳现正处于主序星演化阶段.它主要是由电子和 、 等H1e42原子核组成.维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是 释放的e21核能，这些核能最后转化为辐射能.根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的 核数目从现有数减少 10，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段 .为了简H1化，假定目前太阳全部由电子和 核组成.H1（1 ）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量 M.已知地球半径 R6.410 6 m，地球质量 m6.010 24 kg，日地中心的距离 r1.510 11 m，地球表面处的重力加速度g10m/s 2 ，1 年约为 3.2107 秒，试估
21、算目前太阳的质量 M.（2 ）已知质子质量 mp1.672610 27 kg， 质量 m6.645810 27 kg，电子质量 e42 me0.910 30 kg，光速 c310 8 m/s.求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能.（3 ）又知地球上与太阳垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能 w1.3510 3 W/m2.试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命.（估算结果只要求一位有效数字.）答案：（1）210 30 kg（2）4.210 -12 J（3）1 百亿年【解析】 （1）要估算太阳的质量 M，研究绕太阳运动的任一颗行星的公转均可，现取地球为研究对象.设 T 为地球
22、绕日心运动的周期，则由万有引力定律和牛顿定律可知rmrMG22)(地球表面处的重力加速度 2RmGg得 rT23)(以题给数值代入，得 M210 30 kg （2 ）根据质量亏损和质能公式，该核反应每发生一次释放的核能为E（4 mp2m em ）c 2 代入数值，得E4.210 -12 J （3 ）根据题给假设，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为 %104pN因此，太阳总共辐射出的能量为 ENE设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为 4r 2w 所以太阳继续保持在主星序的时间为 t由以上各式解得 wrmcMtpe224)(1.0以题给数据代入，
23、并以年为单位，可得 t110 10 年1 百亿年 【名师指引】该题是信息题，关键是在大量的信息中选取有用的信息，而不被其他信息所干扰.如第（1）小题，实际上是万有引力定律在天文学上的应用，与原子核的知识无关.第（3 ）题，需要构建出太阳各向同性地向周围空间辐射核能（辐向能量流）的物理模型，是考查空间想象能力和建模能力的好题.【新题导练 4】用质子轰击锂核（ Li）生成两个 a 粒子已知质子质量 Mp=1.0078 ，锂核质量为 ，质子的初动能是 E1=0.6MeV求：016.7LiM（1 ）写出核反应方程式；（2 ）核反应前后发生的质量亏损；（3 ）核反应过程中释放的能量E；（4 ）核反应释放
24、的能量全部用来增加两个 a 粒子的动能，则核反应后两个 a 粒子具有总能量是多少？五核反应方程【真题】 （200 年高考广东）铝箔被 粒子轰击后发生了以下核反应： .nXHeAl1042713下列判断正确的是A 是质子n10B 是中子n10C X 是 的同位素Si2814DX 是 的同位素P35答案：BD【解析】根据和反映方程的质量数守恒和核电荷数守恒，可知 X 是 ，D 正确； 是中子，P315n10B 正确【名师指引】要熟记质子、中子、 粒子的符号，书写核反应方程要注意两个守恒【新题导练 5】一个 原子核在中子的轰击下发生一种可能的裂变反应，其裂变方程为U2359，则下列说法正确的是 23514190380 rA.X 的原子核中含有 86 个中子B.X 的原子核中含有 141 个核子C.因为裂变释放能量，出现质量亏损，所以裂变后的总质量数减少D. 是天然放射性元素，它的半衰期约为 7 亿年，随着地球环境的不断变化，半衰期2359可能变短也可能变长
