人教版高中物理一轮复习课件：选修3-5 放射性元素的衰变 核能 48页

第2讲放射性元素的衰变核能 考点1三种射线、两种衰变1.天然放射现象(1)天然放射现象.元素_______地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现.天然放射现象的发现，说明________具有复杂的结构.(2)放射性和放射性元素.物质发射某种看不见的射线的性质叫________.具有放射性的元素叫________元素.自发原子核放射性放射性 (3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是_________、___________、___________.(4)放射性同位素的应用与防护.①放射性同位素：有_________放射性同位素和_________放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同.②应用：消除静电、工业探伤、作__________等.③防护：防止放射性对人体组织的伤害.2.原子核的衰变(1)原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种________的变化称为__________的衰变.α射线β射线γ射线天然人工示踪原子原子核原子核 (2)分类.(3)半衰期：放射性元素的原子核有________发生衰变所需的时间.半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的_______________无关.半数物理、化学状态42He0-1e 物理、化学状态射线名称比较项目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)带电量2e-e0质量4mp静止质量为零符号γ 射线名称比较项目α射线β射线γ射线速度可达0.1c可达0.99cc垂直进入电场或磁场的偏转情况偏转偏转不偏转贯穿本领最弱较强最强对空气的电离作用很强较弱很弱 2.α衰变、β衰变的比较 3.对半衰期的两点说明(1)根据半衰期的概念,可总结出公式.N余=N原()t/τ，m余=m原()t/τ.式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，τ表示半衰期.(2)影响因素:放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的,跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关. 考点2核反应的四种类型核反应的四种类型比较类型可控性核反应方程典例衰变α衰变自发23892U→23490Th+_____β衰变自发23490Th→23491Pa+____人工转变人工控制147N+42He→178O+____(卢瑟福发现质子)42He+94Be→126C+____(查德威克发现中子)42He0-1e11H10n 类型可控性核反应方程典例人工转变人工控制2713Al+42He→3015P+___(约里奥—居里夫妇发现放射性同位素及正电子)3015P→3014Si+___重核裂变比较容易进行人工控制23592U+10n→14456Ba+8936Kr+_____23592U+10n→13654Xe+9038Sr+_____轻核聚变除氢弹外无法控制21H+31H→42He+____10n01e310n1010n10n 关于核反应的三点说明(1)核反应过程一般都是不可逆的，所以核反应方程只能用单向箭头表示反应方向，不能用等号连接.(2)核反应的生成物一定要以实验为基础，不能凭空只依据两个守恒规律杜撰出生成物来写核反应方程.(3)核反应遵循质量数守恒而不是质量守恒；遵循电荷数守恒. 考点3核能1.核力：核子间的作用力.核力是短程力，作用范围在___________m之内，只在相邻的核子间发生作用.2.核能：核子结合为原子核时_______的能量或原子核分解为核子时________的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能.3.质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程E=______，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小Δm,这就是质量亏损.由质量亏损可求出释放的核能ΔE=_______.1.5×10-15释放吸收mc2Δmc2 1.对核力的三点说明(1)核力是强相互作用的一种表现；(2)核力是短程力，作用范围在1.5×10-15m之内；(3)每个核子只跟它的相邻核子间才有核力作用.2.结合能与比结合能(1)结合能：把构成原子核的结合在一起的核子分开所需的能量.(2)比结合能：①定义：原子核的结合能与核子数之比，称做比结合能，也叫平均结合能.②特点：不同原子核的比结合能不同，原子核的比结合能越大，表示原子核中核子结合得越牢固，原子核越稳定. 3.获得核能的两种途径(1)重核裂变：①定义:质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程.②特点:a.裂变过程中能够放出巨大的能量;b.裂变的同时能够放出2～3(或更多)个中子;c.裂变的产物不是惟一的.对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式,但三分裂和四分裂概率比较小.③典型的分裂方程: (2)轻核聚变.①定义：某些轻核结合成质量数较大的原子核的反应过程.②特点:a.聚变过程放出大量的能量,平均每个核子放出的能量,比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍.b.聚变反应比裂变反应更剧烈.c.对环境污染较少.d.自然界中聚变反应原料丰富.③典型的聚变方程: 衰变与其射线【例证1】(2011·重庆高考)核电站核泄漏的污染物中含有碘131和铯137.碘131的半衰期约为8天，会释放β射线；铯137是铯133的同位素，半衰期约为30年，发生衰变时会辐射γ射线.下列说法正确的是()A.碘131释放的β射线由氦核组成B.铯137衰变时辐射出的γ光子能量小于可见光光子能量C.与铯137相比，碘131衰变更慢D.铯133和铯137含有相同的质子数 【解题指南】解答本题时要把握以下三点：(1)半衰期的长短代表了衰变的快慢.(2)光子能量大小由频率高低决定.(3)同位素的核电荷数相同.【自主解答】选D.β射线是高速运动的电子流，不是氦原子核，A错误；γ射线的频率大于可见光的频率，根据E=hν可知，γ射线光子能量大于可见光光子能量，B错误；半衰期越短，衰变越快，C错误；铯133和铯137都是铯元素，是质子数相同而中子数不同的同位素，所以D正确. 【总结提升】解答本题关键在于搞清三种射线的性质，以及半衰期及同位素的概念.对易错选项及错误原因具体分析如下：易错角度错误原因易错选A分不清α、β、γ射线的性质，实际上α射线为高速氦核流，β射线为高速电子流，γ射线为光子流易错选B误认为γ射线的频率小于可见光的频率，而实际上γ射线的频率大于可见光的频率 核反应类型与核反应方程【例证2】(2011·北京高考)表示放射性元素碘衰变的方程是() 【解题指南】解答本题时要把握以下两点：(1)在原子核衰变过程中，质量数守恒，电荷数守恒.(2)β衰变是原子核放出高速电子流.【自主解答】选B.碘()的原子核内一个中子放出一个电子，变成一个质子，质量数没有发生变化，核电荷数增加1，所以生成54号元素放出一个电子.B选项正确. 【总结提升】核反应方程的书写方法(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，所以要理解并应用好质量数守恒和电荷数守恒的规律.(3)熟悉核反应的四种基本类型，可以帮助我们理清思路，很快写出正确的核反应方程. 与核能相关的综合问题【例证3】(11分)钚的放射性同位素23994Pu静止时衰变为铀核激发态23592U*、α粒子,而铀核激发态23592U*立即衰变为铀核23592U,并放出能量为0.097MeV的γ光子.已知:23994Pu、23592U和α粒子的质量分别为mPu=239.0521u、mU=235.0439u和mα=4.0026u,1u=931.5MeV/c2.(1)写出衰变方程;(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略,求α粒子的动能. 【解题指南】解答本题时可按以下思路分析:【规范解答】(1)衰变方程为23994Pu23592U*+α①(1分)23592U*23592U+γ②(1分)或合起来有23994Pu23592U+α+γ③(2)上述衰变过程的质量亏损为Δm=mPu-mU-mα④(1分) 放出的能量为ΔE=Δm·c2⑤(1分)ΔE是铀核23592U的动能EU、α粒子的动能Eα和γ光子的能量Eγ之和，ΔE=EU+Eα+Eγ⑥(1分)可得EU+Eα=(mPu-mU-mα)c2-Eγ⑦(1分)设衰变后的铀核和α粒子的速度分别为vU和vα,则由动量守恒有mUvU=mαvα⑧(1分)又由动能的定义知EU=mUvU2,Eα=mαvα2⑨(1分)由⑧⑨式得⑩(1分)由⑦⑩式得Eα=［(mPu-mU-mα)c2-Eγ］代入题给数据得Eα=5.034MeV(2分) 【总结提升】计算核能的四种方法(1)根据ΔE=Δmc2计算，计算时Δm的单位是“kg”,c的单位是“m/s”，ΔE的单位是“J”.(2)根据ΔE=Δm×931.5MeV计算.因1原子质量单位(u)相当于931.5MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”.(3)根据平均结合能来计算核能原子核的结合能＝平均结合能×核子数.(4)有时可结合动量守恒和能量守恒进行分析计算，此时应注意动量、动能关系式p2=2mEk的应用. 1.(2011·浙江高考)关于天然放射现象，下列说法正确的是()A.α射线是由氦原子核衰变产生B.β射线是由原子核外电子电离产生C.γ射线是由原子核外的内层电子跃迁产生D.通过化学反应不能改变物质的放射性【解题指南】解答本题时应注意理解：(1)天然放射现象中三种射线的产生机理.(2)影响天然放射现象的因素. 【解析】选D.α射线是在α衰变中产生的，本质是氦核，A错误；β射线是在β衰变中产生的，本质是高速电子束，B错误；γ射线是发生α衰变和β衰变时原子核发生能级跃迁而产生的电磁波，C错误；物质的放射性由原子核内部自身的因素决定，与原子所处的化学状态和外部条件无关,D正确. 2.(2011·上海高考)天然放射性元素放出的三种射线的穿透能力实验结果如图所示，由此可推知()A.②来自于原子核外的电子B.①的电离作用最强，是一种电磁波C.③的电离作用较强，是一种电磁波D.③的电离作用最弱，属于原子核内释放的光子 【解析】选D.从穿透能力上看，③能穿透铝板进入铅板，③必然是γ射线，γ射线是原子核内发出的高频光子，属于电磁波，电离作用弱，故D正确，C错误；②能穿透纸板进入铝板，②必然是β射线，是原子核内发射出的电子流，A错误；纸板能够挡住①，则①是α射线，它的电离作用最强，但它是氦原子核，不是电磁波，B错误. 3.(多选)(2011·常州模拟)据2011年3月14日法新社报道，日本核泄漏事故正在加剧！福岛第一核电站3号机组不排除像1号机组一样发生爆炸.而2号反应堆可能正发生泄漏，两个反应堆可能已经出现“熔毁”现象.福岛第一核电站3号机组所用核燃料为铀23892U和钚23994Pu，下列关于该核泄漏事件的分析正确的是()A.铀238俘获中子后形成铀239，再经一次β衰变，可成为原子反应堆中的燃料钚239，由于二者都是反应堆的核燃料，所以这样的反应堆称之为增值反应堆B.钚的半衰期为24100年，则大约7.2万年以后泄漏的物质中钚原子的总数将降低为原来的 C.23994Pu衰变，放出的α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄D.原子反应堆中Pu裂变的方程可以写为23994Pu+10n→8738Sr+13756Ba+1510n 【解析】选B、C.由23892U和23994Pu质子数差距可知铀238俘获中子后形成铀239，需要经两次β衰变，可成为原子反应堆中的燃料钚239,A错；7.2万年以后泄漏的物质中钚原子的总数为原来的B对；α射线比β射线的贯穿本领弱，所需的屏蔽材料较薄，C对；原子反应堆中Pu的反应方程为：23994Pu+10n→8738Sr+13756Ba+1610n，D错，故选B、C. 4.原子核AZX与氘核21H反应生成一个α粒子和一个质子.由此可知()A.A=2,Z=1B.A=2,Z=2C.A=3,Z=3D.A=3,Z=2【解析】选D.写出核反应方程：AZX+21H→42He+11H，由质量数守恒和电荷数守恒，列方程：A+2=4+1,Z+1=2+1,解得:A=3,Z=2,故选项D正确. 5.(1)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有()A.23892U→23490Th+42He是α衰变B.147N+42He→178O+11H是β衰变C.21H+31H→42He+10n是轻核聚变D.8234Se→8236Kr+20-1e是重核裂变 (2)现有四个核反应：A.21H+31H→42He+10nB.23592U+10n→X+8936Kr+310nC.2411Na→2412Mg+0-1eD.42He+94Be→126C+10n ①______是发现中子的核反应方程，________是研究原子弹的基本核反应方程，_______是研究氢弹的基本核反应方程.②求B中X的质量数和中子数.【解题指南】弄清衰变、人工转变、裂变、聚变的区别并熟记典型的核反应方程，在此基础上求解此题. 【解析】(1)选A、C.衰变是原子核自发地放出α或β粒子的核反应，衰变方程的特点是箭头的左边只有一个原子核，箭头的右边出现α或β粒子；聚变反应的特点是箭头的左边是两个轻核，箭头的右边是较大质量的原子核；裂变方程的特点是箭头的左边是重核与中子反应，箭头右边是中等质量的原子核.综上所述，A、C正确. (2)①人工转变方程的特点是箭头的左边是氦核与常见元素的原子核.箭头的右边也是常见元素的原子核.D是查德威克发现中子的核反应方程，B是裂变反应，是研究原子弹的核反应方程.A是聚变反应，是研究氢弹的核反应方程.②由电荷数守恒和质量数守恒可以判定，X质量数为144，电荷数为56，所以中子数为144-56＝88.答案：(1)A、C(2)①DBA②见解析 6.(1)(多选)23290Th(钍)经过一系列α衰变和β衰变,变成20882Pb(铅).以下说法正确的是()A.铅核比钍核少8个质子B.铅核比钍核少16个中子C.共经过4次α衰变和6次β衰变D.共经过6次α衰变和4次β衰变(2)约里奥—居里夫妇发现放射性元素3015P衰变成3014Si的同时放出另一种粒子,这种粒子是_________. 【解析】(1)选A、B、D.设α衰变次数为x,β衰变次数为y,由质量数守恒和电荷数守恒得232=208+4x，90=82+2x-y,解得x=6,y=4,C错D对.铅核、钍核的质子数分别为82、90,故A对.铅核、钍核的中子数分别为126、142,故B对.(2)写出衰变方程为3015P3014Si+01e,故这种粒子为01e(正电子).答案：(1)A、B、D(2)正电子 【总结提升】衰变次数的两种确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素AZX经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素A′Z′Y，则表示该核反应的方程为：AZX→A′Z′Y+n42He+m0-1e根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程A=A′+4nZ=Z′+2n-m由以上两式联立解得由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组.方法二：因为β衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定α衰变的次数，然后再根据衰变规律确定β衰变的次数. 7.(2012·南通模拟)一个钚的同位素23994Pu的原子核静止在匀强磁场中.某时刻该原子核垂直于磁场方向放射出一个α粒子，变成铀的同位素，同时辐射出能量为E=0.09MeV的光子.已知钚原子核的质量M0=238.999655u，α粒子的质量m=4.001509u，反冲核的质量M=234.993470u.取1u·c2=931MeV.(1)写出衰变的核反应方程.(2)α粒子和反冲核的动能各是多少？(3)画出α粒子和反冲核在垂直于纸面向里的匀强磁场中运动轨迹的示意图. 【解析】(1)由题意根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程为23994Pu→23592U+42He+E.(2)设衰变后α粒子的速度为v，反冲核的速度为v′,根据动量守恒和能量守恒，有mv=Mv′,(M0-M-m)·c2-E=Ekα+EkU≈4.26MeV由可整理得 (3)如图所示.答案：(1)23994Pu→23592U+42He+E(2)4.19MeV0.07MeV(3)见解析图 8.(2011·江苏高考)(1)下列描绘两种温度下黑体辐射强度与波长关系的图中，符合黑体辐射实验规律的是()(2)按照玻尔原子理论，氢原子中的电子离原子核越远，氢原子的能量______(选填“越大”或“越小”).已知氢原子的基态能量为E1(E1<0)，电子质量为m，基态氢原子中的电子吸收一频率为ν的光子被电离后，电子速度大小为______(普朗克常量为h). (3)有些核反应过程是吸收能量的.例如，在X+147N178O+11H中，核反应吸收的能量Q＝［(mO+mH)-(mX+mN)］c2.在该核反应方程中，X表示什么粒子？X粒子以动能Ek轰击静止的147N核，若Ek＝Q，则该核反应能否发生？请简要说明理由. 【解题指南】解答本题时注意理解以下三点：(1)黑体辐射强度随温度变化的特点；(2)玻尔理论内容；(3)核反应的特点以及核能的计算.【解析】(1)选A.随着温度的升高，辐射强度增加，辐射强度的极大值向着波长较短的方向移动，A对.(2)根据玻尔理论，氢原子中电子离原子核越远，氢原子能量越大，根据能量守恒定律知道：所以电子速度为： (3)根据核反应的规律即质量数和电荷数守恒，X的电荷数是2，质量数是4，X表示42He.因为粒子碰撞为完全弹性碰撞,应同时满足能量守恒和动量守恒，而X粒子以动能Ek轰击静止的147N核，若Ek=Q，说明碰后两个粒子的动量都变为零了，不能同时满足能量守恒和动量守恒.所以不能发生.答案：(1)A(2)越大(3)42He不能发生，因为不能同时满足能量守恒和动量守恒