2019届高中物理第十九章章末小结与测评讲义含解析 11页

章末小结与测评原子核原子核关于核反应方程1．几个重要的核反应方程核反应式与其相关的重要内容U→Th＋Heα衰变来源：2H＋2n→HeTh→Pa＋eβ衰变来源：n→H＋eN＋He→O＋H质子的发现(1919年)卢瑟福Be＋He→C＋n中子的发现(1932年)查德威克Al＋He→P＋n人工放射性同位素的发现(1934年)约里奥—居里夫妇P→Si＋　0＋1e正电子的发现约里奥—居里夫妇U＋n→Sr＋Xe＋10nU＋n→Ba＋Kr＋3n重核的裂变H＋H→He＋n轻核的聚变2．确定衰变次数的方法X→Y＋nHe＋me根据质量数、电荷数守恒得Z＝Z′＋2n－mnA＝A′＋4n二式联立求解得α衰变次数n，β衰变次数m。[典例1]　(多选)天然放射性元素Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变之后，变成Pb(铅)。下列判断中正确的是(　　)A．铅核比钍核少24个中子B．铅核比钍核少8个质子C．衰变过程中共有4次α衰变和8次β衰变D．衰变过程中共有6次α衰变和4次β衰变[解析]选BD　钍核Th比铅核Pb多90－82＝8个质子，质量数之差为232－208＝24，故Pb比Th少24－8＝16个中子，B对，A错；设从Th→Pb经过了n次α衰变和m次β衰变，则由质量数守恒和核电荷数守恒，可求出n、m的值。衰变方程为：Th→Pb＋nHe＋me。解得n＝6，m＝4，即经过6次α衰变和4次β衰变，选项D对，C错。三种射线性质和衰变规律α射线β射线γ射线组成高速氦核流高速电子流光子流(高频电磁波)电荷量2e－e0质量4mp(mp＝1.67×10－27kg)静止质量为零符号Heeγ速度0.1c0.99cc来源发生α衰变发生β衰变伴随α或β衰变产生产生机理2个质子和2个中子结为一整体从核中射出核内中子转化为质子时产生衰变(α或β)产生的新核处于激发态时，辐射γ光子回到基态衰变后电荷量变化少2e多1e不变衰变后质量变化少4mp不变不变n电磁场中偏转偏转不偏转穿透本领最弱较强最强电离作用很强较弱最弱径迹粗、短、直细、较长、曲折最长通过胶片感光感光感光应用原子核人工转变做“炮弹”；消除静电测量物体的厚度和密度等工业中可用来探伤或流水线的自动控制；医疗上用来治疗肿瘤[典例2]　(多选)下列说法正确的是(　　)A．α射线与γ射线都是电磁波B．原子核发生α衰变后，新核的质量数比原核的质量数减少4C．原子核内某个中子转化为质子和电子，产生的电子从核内发射出来，这就是β衰变D．放射性元素的原子核数量越多，半衰期就越长[解析]选BC　γ射线是电磁波，α射线不是电磁波，故选项A错误；α衰变是：X→Y＋He，故选项B正确；β衰变所释放的电子是原子核内的中子转化成质子和电子所产生的，故选项C正确；半衰期由原子核自身决定，与外界环境及物质形态无关，与放射性元素的原子核数量的多少无关，故选项D错误。四类核反应的比较衰变人工转变重核裂变轻核聚变典型反应方程U→Th＋HeTh→Pa＋eN＋He→O＋HBe＋He→C＋nU＋n→Ba＋Kr＋3nH＋H→He＋n产生条件所有原子序数大于83的元素及个别小于83的元素自发进行需要人工用高速粒子进行诱发需要中子的轰击和一定的临界体积需要极高温，核才能获得足够的动能克服库仑斥力意义拉开了人类研究原子核结构的序幕人类获得新能源的一种重要途径人类获得新能源的一种重要途径n发现了质子、中子、正电子等基本粒子和一些人工放射性同位素应用举例利用放射性元素的半衰期进行文物年代鉴定等得到人工放射性同位素、作示踪原子核电站、核潜艇、原子弹等氢弹、热核反应[典例3]　(多选)在下列四个核反应中，X表示中子的是哪些？________。在以下核反应中哪些属于原子核的人工转变？________。A.N＋He→O＋XB.Al＋He→P＋XC.H＋H→He＋XD.U＋X→Sr＋Xe＋10X[解析]　在核反应中，不管是什么类型的核反应，都遵守电荷数守恒和质量数守恒，据此，可以判断未知粒子属于什么粒子。在A中，未知粒子的质量数为：14＋4＝17＋x，x＝1，其电荷数为：7＋2＝8＋y，y＝1，即未知粒子是质子(H)；对B，未知粒子的质量数：27＋4＝30＋x，x＝1，其电荷数为：13＋2＝15＋y，y＝0，所以是中子(n)；对C，未知粒子的质量数为：2＋3＝4＋x，x＝1，电荷数为：1＋1＝2＋y，y＝0，也是中子(n)；对D，未知粒子质量数为235＋x＝90＋136＋10x，x＝1，电荷数为：92＋y＝38＋54＋10y，y＝0，也是中子(n)，故核反应X是中子的核反应为B、C、D。人工转变核反应的特点：有粒子作为“炮弹”轰击原子核，并且能够在实验室中进行。因此，A、B为原子核的人工转变。[答案]　BCD　AB核反应的守恒规律与核能的计算原子核的变化叫核反应，常见的核反应有：衰变、人工转变、裂变和聚变等几种类型。不论是哪种类型的核反应，都遵守质量数守恒和电荷数守恒，这是写核反应方程的重要依据。但是，写核反应方程时，应以实验事实为依据，而不能仅仅根据这两条守恒定律随意去写实际上不存在的核反应；需要特别注意的是，核反应通常是不可逆的，方程只能用箭头符号“→”来连接，并指示反应的方向，而不能用“===”连接核反应方程。同时，对核反应方程的理解和应用中还包含着质量守恒(“亏损质量”与释放的核能相当)；能量守恒；在衰变和人工转变等过程中遵从动量守恒定律。核反应过程通常伴有巨大的能量转化。为了使核能释放，主要的途径有：重核的裂变和轻核的聚变。n重核的裂变和轻核的聚变之所以都能释放能量，关键是因为反应中发生了质量亏损。研究表明：不同元素的原子核其核子的平均质量不同，其中以铁核的核子平均质量最小，以铁元素为基准，随元素的原子序数的增大或减小，其核子的平均质量都随之增大，这就是重核裂变成质量较小的核和轻核聚变成质量较大的核都要发生质量亏损的原因。爱因斯坦的质能方程E＝mc2，说明物体的质量和能量之间存在着一定关系。质量的变化必然引起能量的变化，即ΔE＝Δmc2。由于核反应中发生质量亏损，因此将伴随着能量释放，故根据ΔE＝Δmc2是计算释放核能的主要方法。需要明确的是：核反应中的质量亏损并不是核子个数的亏损，核子个数是守恒的，所谓质量亏损，也不是质量的消失，只是在核反应过程中伴随着能量的辐射所体现出相应部分的质量。如果在核反应中无光子辐射的情况下，核反应中释放的能量转化为生成的新核和新粒子的动能，因而在这种情况下，可利用力学中的动量守恒和能量守恒来处理有关问题。如果核反应处在某一电场或磁场中，反应后的带电粒子必然在电场或磁场中发生偏转，这样就会出现核反应与电场和磁场知识的综合，即带电粒子在电场、磁场中的运动，用前面所学知识、方法处理即可。[典例4]　曾落在日本广岛上爆炸的原子弹，相当于2万吨TNT炸药放出的能量。原子弹放出的能量约8.4×1013J，试问有多少个U原子核进行分裂？该原子弹中含铀U的质量最小限度为多少千克？(一个铀U原子核分裂时产生的能量约为200MeV，NA＝6.02×1023mol－1)[解析]　一个U原子核分裂时所产生的能量约为200MeV＝200×106eV＝2.0×108×1.6×10－19J＝3.2×10－11J。设共有n个U核发生裂变，则n＝≈2.6×1024(个)铀的质量m＝235×10－3×kg≈1.015kg。[答案]　2.6×1024个　1.015kg[专题训练]1．(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有(　　)A.U→Th＋He是α衰变B.N＋He→O＋H是β衰变C.H＋H→He＋n是轻核聚变D.Se→Kr＋2e是重核裂变解析：选AC　核反应U→Th＋He放出了α粒子，是α衰变，A正确；N＋nHe→O＋H是α粒子轰击氮核产生新核的反应，属于原子核的人工转变，B错误；H＋H→He＋n是氘、氚聚合成氦核的聚变反应，C正确；Se→Kr＋2e是β衰变，D错误。2．(多选)如图所示，国际原子能机构2007年2月15日公布核辐射警示新标志，新标志为黑框经底三角，内有一个辐射波标记、一个骷髅头标记和一个逃跑的人形。核辐射会向外释放三种射线：α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。现有甲、乙两个原子核原来都静止在同一匀强磁场中，其中一个核放出一个α粒子，另一个核放出一个β粒子，得出如图所示的四条径迹，则(　　)A．磁场的方向一定垂直于纸面向里B．甲核放出的是α粒子，乙核放出的是β粒子C．a为α粒子的径迹，d为β粒子的径迹D．b为α粒子的径迹，c为β粒子的径迹解析：选BD　衰变过程中满足动量守恒，释放粒子与新核的动量大小相等、方向相反，根据带电粒子在磁场中的运动可知：若轨迹为外切圆，则为α衰变；若轨迹为内切圆，则为β衰变。又由R＝知半径与电荷量成反比，可知答案为B、D项。3．完成下列四个核反应，并在方程式后面写出方程类型。(1)U＋n→Sr＋Xe＋____n　________(2)Po→Pb＋________　________(3)H＋H→He＋________　________(4)U→Np＋________　________解析：(1)U＋n→Sr＋Xe＋10n　裂变(2)Po→Pb＋He　α衰变(3)H＋H→He＋n　聚变(4)U→Np＋e　β衰变答案：见解析4．α衰变是指放射性元素的原子核自发地放出α射线的衰变。(1)设元素X是放射性元素，其质量数和核电荷数分别为A、Z，α衰变后的原子核是Y，写出核反应方程。(2)α衰变释放的能量称为α衰变能，用Q表示，设原子核X、Y和α粒子的质量分别是mX、mY、mα，求Q。n(3)若α衰变能是以反冲核和α粒子的动能的形式释放的，已知自发式α衰变多数发生在核质量数大于209的重核里，试证明α衰变能的98%以上表现为α粒子的动能。解析：(1)X→Y＋He。(2)Q＝(mX－mY－mα)c2。(3)放射性元素X可看做是静止的，由α衰变动量守恒知：mYvY＝mαvα；由能量守恒可得：Q＝＋；所以Q＝·mαv＝Ekα；变形得Ekα＝Q当mY取209时，Ekα＝Q，即Ekα≈98.12%Q。答案：(1)X→Y＋He(2)(mX－mY－mα)c2(3)见解析(时间：45分钟　满分：100分)一、单项选择题(本题共6小题，每小题4分，共24分)1．下列关于原子和原子核的说法正确的是(　　)A．β衰变现象说明：电子是原子核的组成部分B．玻尔理论的假设之一是原子能量的量子化C．放射性元素的半衰期随温度的升高而变短D．比结合能越小表示原子核中的核子结合得越牢固解析：选B　原子核是由质子和中子组成，β衰变是核内中子转变成为质子同时生成了电子，即β粒子，故A错；半衰期由原子核本身决定，与外界环境因素无关，C错；比结合能越大表示原子核中核子结合得越牢固，D错；玻尔提出的氢原子能级不连续就是原子能量量子化，B对。2.如图所示，天然放射性元素，放出α、β、γ三种射线同时射入互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，射入时速度方向和电场、磁场方向都垂直，进入场区后发现β射线和γ射线都沿直线前进，则α射线(　　)A．向右偏B．向左偏C．直线前进D．无法判断n解析：选A　γ射线不带电故在电磁场中不偏转，β射线不偏转是因为所受电场力与洛伦兹力是一对平衡力，故Eq＝Bqv即v＝，而α射线的速度远比β射线小，因此α射线进入场区后，受向右的电场力远大于向左的洛伦兹力，故α射线向右偏，A正确，B、C、D错。3．(北京高考)质子、中子和氘核的质量分别为m1、m2和m3。当一个质子和一个中子结合成氘核时，释放的能量是(c表示真空中的光速)(　　)A．(m＋m2－m3)cB．(m1－m2－m3)cC．(m1＋m2－m3)c2D．(m1－m2－m3)c2解析：选C　一个质子和一个中子结合成氘核时，质量亏损Δm＝m1＋m2－m3，根据质能方程，释放的能量ΔE＝Δmc2＝(m1＋m2－m3)c2，选项C正确，A、B、D错误。4．某放射性元素的原子核发生2次α衰变和6次β衰变，关于它的原子核的变化，下列说法中正确的是(　　)A．中子数减少8B．质子数减少2C．质子数增加2D．核子数减少10解析：选C　发生2次α衰变，质量数减少8，电荷数减少4，发生6次β衰变，质量数不变，电荷数增加6，最终质量数减少8，电荷数增加2。所以核子数减少8，质子数增加2，中子数减少10，选项C正确。5．(天津高考)下列说法正确的是(　　)A．原子核发生衰变时要遵守电荷守恒和质量守恒的规律B．α射线、β射线、γ射线都是高速运动的带电粒子流C．氢原子从激发态向基态跃迁只能辐射特定频率的光子D．发生光电效应时光电子的动能只与入射光的强度有关解析：选C　原子核发生衰变时，遵守质量数、电荷数守恒，而不是遵守电荷守恒和质量守恒的规律，A项错误；α射线、β射线是高速运动的带电粒子流，γ射线是不带电的光子，B项错误；氢原子从激发态向基态跃迁时，只能辐射能量等于两能级差的频率特定的光子，C项正确；由光电效应方程知，发生光电效应时，光电子的动能只与入射光的频率有关，D项错误。6．(重庆高考)碘131的半衰期约为8天。若某药物含有质量为m的碘131，经过32天后，该药物中碘131的含量大约还有A.B.C.D.解析：选C　经过32天即4个半衰期，碘131的含量变为m′＝＝，C项正确。n二、多项选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分)7．天然放射现象显示出(　　)A．原子不是单一的基本粒子B．原子核不是单一的基本粒子C．原子核具有复杂的结构D．原子内部大部分是空的解析：选BC　天然放射现象说明原子核具有复杂的结构，它是可分的，故不是单一的基本粒子。B、C正确。8．据新华社报道，由我国自行设计、研制的世界上第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳”)已完成了首次工程调试。下列关于“人造太阳”的说法正确的是(　　)A．“人造太阳”的核反应方程是H＋H―→He＋nB．“人造太阳”的核反应方程是U＋n―→Ba＋Kr＋3nC．“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2D．“人造太阳”核能大小的计算公式是E＝mc2解析：选AC　“人造太阳”发生的是氢核聚变，所以核反应方程式为H＋H―→He＋n，A正确；而B选项中的核反应是核裂变，故B错误；“人造太阳”释放的能量大小的计算公式是ΔE＝Δmc2，C正确；而核能大小的计算公式为E＝mc2，D错误。9．已知π＋介子、π－介子都是由一个夸克(夸克u或夸克d)和一个反夸克(反夸克或反夸克)组成的，它们的带电荷量如下表所示，表中e为元电荷。π＋π－ud带电量＋e－e＋e－e－e＋e下列说法正确的是(　　)A．π＋由u和组成　　　　B．π＋由d和组成C．π－由u和组成D．π－由d和组成解析：选AD　π＋带电量为＋e，u带电量为＋e,带电量为＋e，故π＋由u和组成，A对，B错；π－带电量为－e，d带电量为－e,带电量为－e，故π－由d和组成，D对，C错。10．2013年12月中旬，中国自行研制的“玉兔”号月球车，在38万千米之外的月球表面闲庭信步。月球的表面长期受到宇宙射线的照射，使得“月壤”中的He含量十分丰富，科学家认为He是发生核聚变的极好原料，将来He也许是人类重要的能源，所以探测月球意义十分重大。关于He，下列说法正确的是(　　)nA.He的原子核内有三个中子、两个质子B.He的原子核内有一个中子、两个质子C.He发生核聚变，放出能量，一定会发生质量亏损D.He原子核内的核子靠万有引力紧密结合在一起解析：选BC　He是氦元素的一种同位素，质量数是3，电荷数是2，原子核内有两个质子、一个中子，所以A错误，B正确；发生核聚变放出能量就会有质量亏损，C正确；原子核内的核子是靠核力紧密结合在一起的，而不是靠万有引力，D错误。三、非选择题(本题共5小题，共60分)11．(8分)一质子束入射到静止靶核Al上，产生如下核反应：p＋Al→X＋n，式中p代表质子，n代表中子，X代表核反应产生的新核。由反应式可知，新核X的质子数为________，中子数为________。解析：根据质量数守恒可知X的质量数为27，根据核电荷数守恒可知其质子数为14，所以中子数为13。答案：14　1312．(10分)放射性元素Po衰变为Pb，此衰变过程的核反应方程是__________________；用此衰变过程中发出的射线轰击F，可得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是__________________。解析：根据衰变规律，此衰变过程的核反应方程是Po→Pb＋He。用α射线轰击F，得到质量数为22的氖(Ne)元素和另一种粒子，此核反应过程的方程是：He＋F→Ne＋H。答案：Po→Pb＋HeHe＋F→Ne＋H13．(12分)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，当温度达到108K时，可以发生“氦燃烧”。(1)完成“氦燃烧”的核反应方程：He＋________→Be＋γ。(2)Be是一种不稳定的粒子，其半衰期为2.6×10－16s。一定质量的Be，经7.8×10－16s后所剩Be占开始时的________。解析：(1)根据质量数和电荷数守恒可知He＋He→Be＋γ。(2)经历半衰期的次数n＝＝＝3，故剩余的Be占开始时的3＝。答案：(1)He(或α)　(2)(或12.5%)n14．(15分)太阳内部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能量来源。(mp＝1.0073u，mHe＝4.0026u，me＝0.00055u)(1)写出这个核反应方程。(2)这一核反应能释放多少能量？(3)已知太阳每秒释放的能量为3.8×1026J，则太阳每秒减少的质量为多少千克？解析：(1)核反应方程是4H→He＋X，而X只能是2个正电子，因此核反应方程应是4H→He＋2　0＋1e。(2)反应前的总质量为m1＝4mp＝4×1.0073u＝4.0292u反应后的总质量为m2＝mHe＋2me＝4.0026u＋2×0.00055u＝4.0037u质量亏损为Δm＝m1－m2＝0.0255u根据爱因斯坦质能方程得释放的能量为ΔE＝0.0255×931.5MeV≈23.75MeV。(3)根据爱因斯坦质能方程得太阳每秒减少的质量为Δm′＝＝kg≈4.2×109kg。答案：(1)4H→He＋2　0＋1e(2)23.75MeV　(3)4.2×109kg15．(15分)三个α粒子结合成一个碳C，已知碳原子的质量为12.0000u，氦原子质量为4.0026u。(1)写出核反应方程；(2)这个核反应放出的能量是多少焦？(3)这个能量为多少MeV?解析：(1)3He→C＋ΔE。(2)Δm＝3×4.0026u－12.0000u＝0.0078u，Δm＝0.0078×1.66×10－27kg＝12.948×10－30kg，ΔE＝Δmc2≈1.165×10－12J。(3)ΔE＝eV≈7.28×106eV＝7.28MeV。答案：(1)3He→C＋ΔE　(2)1.165×10－12J(3)7.28MeV