（新課標）河南省2015高考物理總復習講義 第13章 第3講 核反應和核能

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1、 第3講　核反應和核能 知識一　天然放射現(xiàn)象和衰變 1．天然放射現(xiàn)象 (1)天然放射現(xiàn)象 元素自發(fā)地放出射線的現(xiàn)象，首先由貝可勒爾發(fā)現(xiàn)．天然放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明原子核具有復雜的結構． (2)三種射線：放射性元素放射出的射線共有三種，分別是α射線、β射線、γ射線． 2．原子核的衰變 (1)原子核放出α粒子或β粒子，變成另一種原子核的變化稱為原子核的衰變． (2)分類 α衰變：X→Y＋He β衰變：X→Y＋e (3)半衰期：放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變所需的時間．半衰期由原子核內部的因素決定，跟原子所處的物理、化學狀態(tài)無關． 知識二　核反應和核能 1．核反應

2、 在核物理學中，原子核在其他粒子的轟擊下產生新原子核的過程．在核反應中，質量數(shù)守恒，電荷數(shù)守恒． 2．核力 核子間的作用力．核力是短程力，作用范圍在1.5×10－15 m之內，只在相鄰的核子間發(fā)生作用． 3．核能 核子結合為原子核時釋放的能量或原子核分解為核子時吸收的能量，叫做原子核的結合能，亦稱核能． 4．質能方程、質量虧損 愛因斯坦質能方程E＝mc2，原子核的質量必然比組成它的核子的質量和要小Δm，這就是質量虧損．由質量虧損可求出釋放的核能ΔE＝Δmc2. 考點一　衰變和半衰期 一、原子核衰變規(guī)律 衰變類型 α衰變 β衰變 衰變方程 X→Y＋He

3、 AZX→Y＋e 1 / 7 衰變實質 2個質子和2個中子結合成一個整體拋射出 中子轉化為質子和電子 2H＋2n→He n→H＋e 衰變規(guī)律 電荷數(shù)守恒、質量數(shù)守恒、動量守恒 二、對半衰期的理解 1．根據(jù)半衰期的概念，可總結出公式 N余＝N原()t/τ，m余＝m原()t/τ 式中N原、m原表示衰變前的放射性元素的原子核數(shù)和質量，N余、m余表示衰變后尚未發(fā)生衰變的放射性元素的原子核數(shù)和質量，t表示衰變時間，τ表示半衰期． 2．影響因素：放射性元素衰變的快慢是由原子核內部因素決定的，跟原子所處的物理狀態(tài)(如溫度、壓強)或化學狀態(tài)(如單質、化合物)無關． ————

4、——[1個示范例]—————— 　(2012·大綱全國高考)U經過m次α衰變和n次β衰變，變成Pb，則(　　) A．m＝7，n＝3　　　　　　　 B．m＝7，n＝4 C．m＝14，n＝9 D．m＝14，n＝18 【解析】　核反應的基本規(guī)律是質量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒，即235＝4m＋207,92＝2m＋82－n，解得m＝7，n＝4. 【答案】　B ——————[1個預測例]—————— 　約里奧—居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性元素而獲得了1935年的諾貝爾化學獎，他們發(fā)現(xiàn)的放射性元素P衰變成Si的同時放出另一種粒子，這種粒子是________.P是P的同位素，被廣泛應用于生物

5、示蹤技術，1 mg P隨時間衰變的關系如圖13－3－1所示，請估算4 mg的P經多少天的衰變后還剩0.25 mg? 圖13－3－1 【解析】　寫出衰變方程P→Si＋e，故這種粒子為e(正電子)，由m－t圖象知P的半衰期為14天，由m余＝m原()得0.25 mg＝4 mg×()，故t＝56天． 【答案】　e(正電子)　56天 考點二　核反應方程的書寫 一、類型對比 類型 可控性 核反應方程典例 衰變 α衰變 自發(fā) 92U→90Th＋He β衰變 自發(fā) 90Th→91Pa＋　0－1e 人工轉變 人工控制 7N＋He→8O＋H (盧瑟福發(fā)現(xiàn)質子)

6、 He＋Be→6C＋n (查德威克發(fā)現(xiàn)中子) Al＋He→P＋n 約里奧—居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性同位素，同時發(fā)現(xiàn)正電子 P→Si＋　0＋1e 重核裂變 比較容易 進行人工控制 92U＋n→56Ba＋Kr＋3n 92U＋n→54Xe＋Sr＋10n 輕核聚變 目前無法控制 H＋H→He＋n 二、注意問題 1．核反應過程一般都是不可逆的，所以核反應方程只能用單向箭頭表示反應方向，不能用等號連接． 2．核反應的生成物一定要以實驗為基礎，不能憑空只依據(jù)兩個守恒規(guī)律杜撰出生成物來寫核反應方程． 3．核反應遵循質量數(shù)守恒而不是質量守恒；遵循電荷數(shù)守恒．

7、　(2013·上海高考)放射性元素PO衰變?yōu)镻b，此衰變過程的核反應方程是________；用此衰變過程中發(fā)出的射線轟擊F，可得到質量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應過程的方程是________． 【解析】　根據(jù)衰變規(guī)律，此衰變過程的核反應方程是PO→Pb＋He.用α射線轟擊F，可得到質量數(shù)為22的氖(Ne)元素和另一種粒子，此核反應過程的方程是：He＋F→Ne＋H. 【答案】　PO→Pb＋He　He＋F→Ne＋H 考點三　核能的產生和計算 一、獲得核能的途徑 1．重核裂變：重核俘獲一個中子后分裂成為兩個中等質量的核的反應過程．重核裂變的同時放出幾個中子，并釋

8、放出大量核能．為了使鈾235裂變時發(fā)生鏈式反應，鈾塊的體積應大于它的臨界體積． 2．輕核聚變：某些輕核結合成質量較大的核的反應過程，同時釋放出大量的核能，要想使氘核和氚核合成氦核，必須達到幾百萬度以上的高溫，因此聚變反應又叫熱核反應． 二、核能的計算方法 1．應用ΔE＝Δmc2：先計算質量虧損Δm，注意Δm的單位1 u＝1.66×10－27 kg,1 u相當于931.5 MeV的能量，u是原子質量單位． 2．核反應遵守動量守恒和能量守恒定律，因此我們可以結合動量守恒和能量守恒定律來計算核能． ——————[1個示范例]—————— 　太陽內部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個質子(H)

9、聚變?yōu)?個氦核(He)的熱核反應，核反應方程是4H→He＋2X，這個核反應釋放出大量核能．已知質子、氦核、X的質量分別為m1、m2、m3，真空中的光速為c.下列說法中正確的是(　　) A．方程中的X表示中子(n) B．方程中的X表示電子(e) C．這個核反應中質量虧損Δm＝4m1－m2 D．這個核反應中釋放的核能ΔE＝(4m1－m2－2m3)c2 【解析】　由核質量數(shù)守恒、電荷數(shù)守恒可推斷出X為e，A、B錯；質量虧損為Δm＝4m1－m2－2m3，釋放的核能為ΔE＝Δmc2＝(4m1－m2－2m3)c2，C錯，D對． 【答案】　D ——————[1個預測例]—————— 　191

10、9年，盧瑟福用α粒子轟擊氮核發(fā)現(xiàn)質子．科學研究表明其核反應過程是：α粒子轟擊靜止的氮核后形成了不穩(wěn)定的復核，復核發(fā)生衰變放出質子，變成氧核．設α粒子質量為m1，初速度為v0，氮核質量為m2，質子質量為m0，氧核的質量為m3，不考慮相對論效應． (1)α粒子轟擊氮核形成不穩(wěn)定復核的瞬間，復核的速度為多大？ (2)求此過程中釋放的核能． 【解析】　設復核的速度為v，由動量守恒定律得m1v0＝(m1＋m2)v 解得v＝. (2)核反應過程中的質量虧損Δm＝m1＋m2－m0－m3 反應過程中釋放的核能ΔE＝Δm·c2＝(m1＋m2－m0－m3)c2. 【答案】　(1)

11、v＝　(2)(m1＋m2－m0－m3)c2 1．(2011·浙江高考)關于天然放射現(xiàn)象，下列說法正確的是(　　) A．α射線是由氦原子核衰變產生 B．β射線是由原子核外電子電離產生 C．γ射線是由原子核外的內層電子躍遷產生 D．通過化學反應不能改變物質的放射性 【解析】　α射線是氦核流，A錯；β射線是原子核內的一個中子變成一個質子而放出的，B錯；γ射線是原子核受激發(fā)而產生的，C錯；物質的放射性和半衰期與溫度以及化學狀態(tài)等無關，由核本身的性質決定，故D項正確． 【答案】　D 2．(多選)原子核X經β衰變(一次)變成原子核Y，原子核Y再經一次α衰變變成原子核Z，則下列

12、說法中正確的是(　　) A．核X的中子數(shù)減核Z的中子數(shù)等于2 B．核X的質子數(shù)減核Z的質子數(shù)等于5 C．核Z的質子數(shù)比核X的質子數(shù)少1 D．原子核X的中性原子的電子數(shù)比原子核Y的中性原子的電子數(shù)少1 【解析】　由題意可知X→Y＋e， Y→Z＋He，由此可判斷A、B錯誤，C、D正確． 【答案】　CD 3．用中子轟擊氧原子核的核反應方程式為8O＋n―→N＋X，對式中X、a、b的判斷正確的是(　　) A．X代表中子，a＝17，b＝1 B．X代表正電子，a＝17，b＝－1 C．X代表正電子，a＝17，b＝1 D．X代表質子，a＝17，b＝1 【解析】　根據(jù)質量數(shù)、電荷數(shù)守恒可

13、知a＝17，b＝8＋0－7＝1，因此X可表示為e，即正電子，故C項正確，A、B、D三項錯． 【答案】　C 4．(2013·上海高考)在一個U原子核衰變?yōu)橐粋€Pb原子核的過程中，發(fā)生β衰變的次數(shù)為(　　) A．6次　　　　　　　　 B．10次 C．22次 D．32次 【解析】　一個U原子核衰變?yōu)橐粋€Pb原子核的過程中，發(fā)生α衰變的次數(shù)為(238－206)÷4＝8次，發(fā)生β衰變的次數(shù)為2×8－(92－82)＝6次，選項A正確． 【答案】　A 5．(多選)(2013·廣東高考)鈾核裂變是核電站核能的重要來源，其一種裂變反應式是U＋n→Ba＋K

14、r＋3n.下列說法正確的有(　　) A．上述裂變反應中伴隨著中子放出 B．鈾塊體積對鏈式反應的發(fā)生無影響 C．鈾核的鏈式反應可人工控制 D．鈾核的半衰期會受到環(huán)境溫度的影響 【解析】　根據(jù)裂變反應的規(guī)律和影響半衰期的因素解決問題．裂變反應式中的n為中子，鈾塊體積大于臨界體積，才能發(fā)生鏈式反應，且鈾核的鏈式反應是可控的，選項A、C正確，選項B錯誤；放射性元素的半衰期不受外界壓強、溫度的影響，選項D錯誤． 【答案】　AC 6．(多選)(2013·新課標全國卷Ⅱ)關于原子核的結合能，下列說法正確的是(　　) A．原子核的結合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量

15、 B．一重原子核衰變成α粒子和另一原子核，衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能 C．銫原子核(Cs)的結合能小于鉛原子核(Pb)的結合能 D．比結合能越大，原子核越不穩(wěn)定 E．自由核子組成原子核時，其質量虧損所對應的能量大于該原子核的結合能 【解析】　原子核分解成自由核子時，需要的最小能量就是原子核的結合能，選項A正確．重核衰變時釋放能量，衰變產物更穩(wěn)定，即衰變產物的比結合能更大，衰變前后核子數(shù)不變，所以衰變產物的結合能之和一定大于原來重核的結合能，選項B正確．銫核的核子數(shù)比鉛核的核子數(shù)少，其結合能也小，選項C正確．比結合能越大，原子核越穩(wěn)定，選項D錯誤．自由核子組成原子核時

16、，需放出能量，因此質量虧損產生的能量小于原子核的結合能，選項E錯誤． 【答案】　ABC 7．(2013·重慶高考)鈾是常用的一種核燃料，若它的原子核發(fā)生了如下的裂變反應： U＋n→a＋b＋2n 則a＋b可能是(　　) A.Xe＋Kr　　　　　　　 B.Ba＋Kr C.Ba＋Sr D.Xe＋Sr 【解析】　利用質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可以判斷出可能的核反應方程．選項A不滿足電荷數(shù)守恒也不滿足質量數(shù)守恒，選項C不滿足電荷數(shù)守恒；選項B不滿足質量數(shù)守恒；只有選項D正確． 【答案】　D 8．(多選)(2012·廣東高考)能源是社會發(fā)展的基礎，發(fā)展核能是解決能源問

17、題的途徑之一．下列釋放核能的反應方程，表述正確的有(　　) A.H＋H→He＋n是核聚變反應 B.H＋H→He＋n是β衰變 C.U＋n→Ba＋Kr＋3n是核裂變反應 D.U＋n→Xe＋Sr＋2n是α衰變 【解析】　β衰變時釋放出電子(e)，α衰變時釋放出氦原子核(He)，可知選項B、D錯誤；選項A中一個氚核和一個氘核結合成一個氦核并釋放出一個中子是典型的核聚變反應；選項C中一個U 235原子核吸收一個中子，生成一個Ba原子核和一個Kr原子核并釋放出三個中子是核裂變反應． 【答案】　AC 9．(2013·山東高考)恒星向外輻射的能量來自于其內部發(fā)生的各種熱核反應，當溫度達

18、到108 K時，可以發(fā)生“氦燃燒”． (1)完成“氦燃燒”的核反應方程：He＋________→Be＋γ. (2)Be是一種不穩(wěn)定的粒子，其半衰期為2.6×10－16s.一定質量的Be，經7.8×10－16s后所剩Be占開始時的________． 【解析】　(1)根據(jù)核反應方程和電荷守恒定律可知，He＋He→Be＋γ. (2)Be的半衰期為2.6×10－18 s，經過7.8×10－18 s后，也就是經過3個半衰期后剩余的質量為m′＝()nm＝()3m， 所剩Be占開始時的. 【答案】　(1)He(或α)　(2)(或12.5%) 10

19、．(2012·新課標全國高考)氘核和氚核可發(fā)生熱核聚變而釋放出巨大的能量，該反應方程為：H＋H→He＋x，式中x是某種粒子． 已知：H、H、He和粒子x的質量分別為2.014 1u、3.016 1u、4.002 6u和1.008 7u；1u＝931.5 MeV/c2，c是真空中的光速．由上述反應方程和數(shù)據(jù)可知，粒子x是________，該反應釋放出的能量為________MeV(結果保留3位有效數(shù)字)． 【解析】　由質量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒可知，粒子x是中子．由質能方程可得ΔE＝Δmc2＝Δm×931.5 MeV/u＝17.6 MeV 【答案】　n(或中子)　17.6 希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！