1、北 京 四 中 编稿老师：龙 涛 审稿老师：唐 挈 责 编：郭金娟原子核反应 一、天然放射现象 1、放射现象 1896 年，法国物理学家贝克勒耳发现天然放射现象。物质发射射线的性质叫做放射性，具有放射性的元素叫做放射性元素。能自发地放出射线的现象叫做天然放射现象。例：铀或含铀的矿物质，钋镭等都是天然放射性物质。注意：天然放射性并不是少数元素才具有的，原子序数大于 83 的天然元素都具有放射性，原子序数小于 83 的天然元素，也有一些具有放射性。例： Na， P 等。天然放射性现象的发现，打开了人们认识原子核内部世界的窗口，它不仅使人类认识到原子核也是具有结构的，而且，告诉人们原子核可以自发地转
2、变为另一种原子核。2、三种射线的本质和特性：名 称 本 质 速 度 贯穿本领 电离作用射线 He，粒子流 很 小 很强，使照相底片感光很强射线 e，电子流 接近于 c 很 大 较 弱射线 电磁波 等于 c 最 大 很 小注意：当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核中有的放射 射线，有的放射 射线，同时伴随 射线，这时在放射性中就会同时有 、 三种射线。、 粒子都是从原子核里放射出来的，但不能认为这三种粒子就是原子核的组成部分。3、放射性元素的衰变衰变：原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫原子核的衰变。三个守恒：衰变过程遵守质量数守恒、电荷数守恒和能量守恒的规律。 衰变： X Y+ He
3、衰变： X Y+ e4、半衰期：（）半衰期：是放射性元素的原子核有半数发生衰变的时间。公式：N=N 0( )n， 或 m=m0( )n， N(m)为放射性元素在几个半衰期后的原于核个数(质量)。N 0(m0)为放射性元素的初始原子核数(质量) ，n 为半衰期的倍数。注意：放射性元素衰变的速率是由核内部本身的因素决定的，而跟原子所处的物理状态(温度、压强、速度、受力等)和化学状态(单质、化合物等)无关。放射性元素的衰变规律是统计规律，只适用于含有大量原子的样品(对有限数核不适用，不能由半衰期推算放射性样品完全衰变的寿命期)。二、探测放射线的方法(简介)1、云室(威尔逊)2、计数器(盖革)3、乳胶
4、照相三、原子核的人工转变1、质子的发现：早在 1915 年，卢瑟福的学生马斯登就观察到了用 粒子轰击空气时会产生不寻长的长射程粒子，一种可能的解释是这种粒子是氢核，因为这里是用 粒子轰击氢时常常出现的现象。卢瑟福没有轻易作出结论，而是耐心地进行实验研究，以便弄清楚那些粒子到底是氮核、氦核还是氢核，实验要在荧光屏前观察和设计微弱的闪烁，条件是相当艰苦的，经过了三年多的时间，在 1919 年夏，他才总结了 粒子与氮原子的碰撞现象，对氮原子核的人工转变作了无可置疑的结论。其核反应方程是： N+ He O+ H2、中子的发现：1920 年，卢瑟福预言：可能有一种质量与质子相近的不带电的中性粒子存在，他
5、把这种粒子叫中子。在中子发现之前，摆在物理学家们面前的问题是：要么 粒子轰击铍发出的是 光子，它在跟质子的碰撞中能量和动量不再守恒；要么 粒子轰击铍发出的射线不是 光子而是一种新粒子。在约里奥居里夫妇的实验中，中子已经出现了，但他们不能识别它，一项划时代的发现，就这样从他们手中溜走了。查德威克运用了能量和动量守恒定律，科学地分析了实验结果，终于发现了中子。可见，能的转化和守恒定律在物理学发展中起着多么重要的作用。发现中子的核反应方程是： Be+ He C+ n。中子不带电荷，它与各种物质粒子不发生静电作用，很容易接近甚至打进原子核。3、原子核的组成：从 1911 年，卢瑟福提出的原子核式结构起
6、到 1932 年初步完成对原子核组成的正确认识，经历了 12 年，很多科学家为此付出了辛勤劳动，可见，确定原子核的组成并不是一件很容易的事情。原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子，质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的质子数和中子数的和。具有相同质子数的原子，它们核外的电子数也相同，因而有相同的化学性质，属于同一种元素，但它们的中子数可以是不同的，这些具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称为同位素。注意：质子数相同而中子数不同的原子互称同位素。同种元素的不同的同位素在元素周期表上具有
7、相同的位置(原子序数相同) ，他们的核电荷数相同，具有相同的化学性质。同种元素的各种同位素的中子数不同，因此，它们的物理性质有差异。同一种元素的多种同位素中，有稳定的，也有不稳定的，不稳定的同位素会自发地放出粒子或 粒子衰变为别种元素，这种不稳定的同位素就叫放射性同位素、四十多种元素具有天然放射性同位素，各种元素都有人工放射性同位素。四、放射性同位素及其应用1、用中子、质子、氚核、 粒子或 光子轰击原子核都可制取放射性同位素，氚核裂变的产物也有放射性同位素。例：用 粒子轰击铝 27：Al+ He P+ n 得到的磷 30 具有放射性P Si+ 放出正电子2、应用利用放射性同位素的射线a、探测物
8、体质量。b、电离空气使静电消失。c、治虫育种、医疗。把放射性同位素做为示踪原子进行监测五、原子核的结合能1、核力：在原子核内，把各种核子紧紧地拉在一起的力叫核力，其本质目前尚未完全清楚，但不是万有引力，不是电磁力。核力的特性有：核力比电磁力强 100 多倍；核力是短程力，只有距离接近到 10-15 米的数量级时才发生作用；每个核子只跟它相邻的核子间有核力的作用，而不是跟原子中所有的核子有核力的作用。2、结合能：核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，都叫原子核的结合能，其单位用兆电子伏。3、质能方程：爱因斯坦从相对论得出质量和能量的关系：Emc 2 E：物体的能量，m：物体
9、的质量，C：光在真空中的速度。注意：质能方程指出的是质量和能量之间的联系，即物体的质量和它具有的能量之间保持严格的正比关系。不能说：“质量就是能量”、 “质量可以变成能量”。物体质量不但会因为它吸收或放出能量而增减，还会由于机械运动状态的改变而发生变化，只不过由于 C2 是一个非常大的恒量，通常的能量变化只引起微不足道的质量变化。4、质量亏损：把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损：Emc 2u 表示原子质量单位：1u93l.5MeV 的物理意义：1 个原子质量单位所对应的能量是 931.5兆电子伏。5、平均结合能：用核子数去除核的结合能，就得到每个核子的平均结合能。注意：
10、平均结合能反映了核子结合成不同原子核时平均每个核子所释放的能量，即原子核结合能对每个核子的平均值；不同原子核的平均结合能不相同，平均结合能的大小表征原子核的稳定程度，平均结合能越大，原子核越稳定；轻核和重核的平均结合能都比较小，中等质量的原子核平均结合能较大，质量数为5060 的原子核平均结合能最大，表示这部分核最稳定。六、重核的裂变：1、铀核的裂变：重核的核子平均结合能小于中等质量的核子的平均结合能，因此重核分裂成中等质量的核(叫裂变) 时，会有一部分结合能放出来。这种由核结构发生变化而放出的能叫做核能，也叫原子能。铀核的裂变产物是多样的，在其裂变过程中可以得到多种放射性同位素：U+ n B
11、a+ Kr+3 n+201MeVXe Cs Ba La2、链式反应：使裂变反应不断地进行下去叫链式反应。3、核反应堆：(略)原子反应堆不仅可以提供强大的原子能，而且它产生的大量中子；还可以进行各种原子核物理实验，制造各种放射性同位素，利用反应堆还可以生产新的燃料。七、轻核的聚变：1、聚变：轻核的结合能更小，某些轻核结合成质量较大的核(叫聚变 )时，能释放出更多的结合能。例：H+ H He+ n+17.6MeVLi+ H2 He+22.4MeVH+ H He+19.2MeV轻核聚变时每个核子放出的能量比重核裂变时所释放的能还要大几倍。要使轻核接近到 10-15m，由于原子核都是带正电的，这样就必
12、须克服电荷之间很大的斥力作用，这就要核具有很大的动能，必须把它们加热到很高的温度(几百万度以上的温度) ，聚变反应也叫热核反应。2、爆炸式热核反应和可控热核反应爆炸式热核反应的利用为氢弹，可控热核反应尚在研究之中，可控热核反应的特点是：原料丰富；其释放出的能量，就每一个核子平均来说，比裂变反应要大好几倍；污染小，且容易处理；从热核反应中还可以得到大量有用的中子进行实验等。例题 ：例 1、用中子( n)轰击铝 27 后，产生一个 粒子和一个新核 X，X 具有 放射性，放出一个 粒子后生成一个新核 Y，求 Y 核中的质子数。分析与解答：关于原子核的这部分知识，主要理解和掌握两部分：其一是要知道人类
13、对原子核组成的认识过程，其二是根据核反应中的电荷数守恒、质量数守恒及能量守恒等解决有关核反应的问题。本题主要考查对原子核的组成及核反应规律的认识，先写出核反应方程。n+ A1 He+ XX e+ Y平衡核反应方程，设 X 核电荷数为 Z，质量数为 M，根据电荷数守恒可得 0+13=Z+2，所以 Z11：根据质量数守恒 1+274+M，所以 M24，可见 X 是钠 24，Y 是镁 24。这样上述核反应方程可明确的写为： n+ Al He+ Na Na e+ Mg再由质子中子说可得：X 核电荷数就等于质子数，因此 X 核中有 11 个质子，X 核中的中子数M-Z24-11=13；Y 核电荷数 12
14、，因此 Y 核中有 12 个质子，24-12=12 个中子。例 2、某原子核核 A 的衰变过程如下(符号 表示放射一个 粒子； 表示放出一个 粒子)；A B CA、核 A 的中子数减核 C 的中子数等于 2B、核 A 的质量数减核 C 的质量数等于 5C、原子核为 A 的中性原子的电子数比原子核为 B 的中性原子的电子数多 1D、核 C 的质子数比核 A 的质子数少 1解析：先写出题目中表述的核衰变过程，设核 A 的核电荷数为 x，质量数为 y，发生 衰变和 衰变后相继变为 B 核和 C 核，则有：A B+ e()B C+ He()由核方程可知：核 A 的中子数为(y-x)，核 C 的中子数为
15、 (y-4)-(x-1)=y-x-3，两核中子数之差：(y-x)-(y-x-3)=3，所以选项 A 是错误的。核 A 的质量数(y)减核 C 的质量数(y-4)应该是 y-(y-4)=4，而不是 5，故选项 B 也是错误的。核 A 的中性原子的电子数为 x，核 B 的中性原子的电子数为(x+1)，前者比后者少 1 个，所以选项 C 是错的。核 A 的质子数为 x，核 C 的质子数为(x-1)，可见 C 核的质子数较 A 核少一个，选项 D 正确。例 3、一个锂核( Li)受到一个质子的轰击，变成两个 粒子，这一过程的核反应方程是_。己知一氢原子的质量是 1.673610-27kg，一个锂原子的
16、质量是 11.650510-27kg，一个氦原子的质量是 6.646610-27kg，上述核反应所释放的能量等于_焦。( 最后结果取三位有效数字)解析：核反应方程为： Li+ H2 He在这一过程中质量亏损为：m=(m H+mLi)-2m=1.673610-27+11.650510-27-26.646610-27(kg)=0.030910-27(kg)根据爱因斯坦质能方程可知，这个核反应释放的能量为 E，则：E=c 2m (3.00108)20.031010-27=2.7810-12(J)巩固练习：1、钍( Tn)经过一系列 和 衰变后，变成铅 208( Pb)，则：( )A、铅核比钍核少 8
17、 个质子B、铅核比钍核少 16 个中子C、共经过 4 次 衰变和 6 次 衰变D、共经过 6 次 衰变和 4 次 衰变2、核反应方程甲是：铝 27 核俘获一个 粒子变成磷 30 核；核反应方程乙是磷 30 核又衰变成硅 30 核，下述论述中正确的是：( )A、核反应甲中还放出一个质子B、核反应甲中还放出一个电子C、核反应乙中还放出一个电子D、核反应乙中还放出一个正电子3、一个质子和一个中子结合成氘核，在这一过程中有 2.2 兆电子伏特的能量释放，这一核反应过程是_这个过程中质量亏损是_千克。4、质子的质量为 1.007276u，一个中子的质量为 1.008665u，4 个核子组成的氦核的质量为4.001509u，1u=1.6610 -27 千克，则可计算出核子组成氦核所释放的能量为_焦。5、某放射性元素 16 克，经过 24 天衰变了 12 克，则该元素的半衰期为_天，再经过 24 天，这种元素还剩_克。6、已知一个铍核( Be)和一个 粒子结合成一个碳核( C)，并放出 5.6 兆电子伏的能量。（1）写出核反应方程；（2）质量亏损共多少千克？答案1、ABD 2、D 3、( H+ n H+2.2Mev) (3.910 -30)4、4.510 -12J 5、12 天，1 克6、 （1） Be+ He C+ n+5.6Mev （2）1.010 -29kg
