第19章第04节原子核教案02 人教版 13页

原子核 ‎ 目标 ‎1、了解天然放射观象、原子核的人工转变和原子核的组成，会写核反应方程。‎ ‎2、了解放射性同位素及其应用 ‎3、了解质量亏损，会利用质能方程计算核反应中释放的能量 ‎4、知道释放核能的两种途径重点 贝克勒耳发现天然放射现象，揭开了人们对原子核研究的序幕，用电场和磁场研究了放射线性质及原子核衰变规律。以卢瑟福发现质子，查德威克发现中子的实验事实，推证原子核内部的结构，研究了原子核变化的规律。以爱因斯坦质能方程为依据，阐述了原子核能的释放和应用。‎ 理论 （一） 天然放射现象 1. 放射线的性质 原子序数大于83的所有天然存在的元素及一些原子序数小于83的天然存在的元素，‎ 能自发发出射线的现象叫天然放射现象，发出的射线有α、β、γ三种射线 α射线：速度约为光速的氦核流（He），贯穿作用很弱（一张薄铝箔或薄纸能挡 住），电离作用很强（使空气电离，照相底片感光）。‎ β射线：接近光速的电子流（约为光速的），贯穿作用很强（穿透几毫米厚的铝板），‎ 电流作用较弱。‎ γ 射线：波长极短的电磁波，贯穿作用最强（穿透几厘米厚的铅板），电离作用很弱。‎ 1. 衰变规律 原子核自发放出某种粒子而转变为新核的变化叫衰变。‎ α衰变：‎ β衰变：‎ 注意：对一个原子核来说，发生α衰变和β衰变是有先后的，对大量原子核可同时放出α、β、γ三种射线。‎ 2. 半衰期 放射性元素的原子核有半数发生衰变所需时间，由核内部因素决定，与外界环境和原 子所处状态无关，适用于大量原子核衰变。‎ N定义知：N余=N原 其中N余——剩余原子核个数；N原——原有原子核个数，t衰变时间，T——半衰期。‎ 3. 衰变次数确定 设放射性元素X经n次α衰变，m次β衰变变成稳定原子核Y。衰变方程为 满足电荷数守恒Z=2n-m+Z′‎ 质量数守恒 A=4n+A′‎ 联立解得 n=‎ 注意：衰变方程中的箭头不能写成等号。‎ （一） 原子核的人工转变，原子核的组成 1. 原子核的人工转变 用高能粒子轰击靶核，产生另一种新核的反应过程。‎ 卢瑟福发现质子的核反应方程 （1819年）‎ 查德威克发现中子的核的核反应方程 (1932年)‎ 1. 原子核的组成 原子核是由质子()和中子()组成的,质子和中子统称核子.原子核的电荷数等于 质子数；质量数等于质子数和中子数之和。核子大小为0.8×10-15m，核子可相互转化 核力：把核子紧紧结合在一起的力叫核力，质子与质子间，中子与中子间，质子与中 子间都存在核力。‎ 特点：①强力；②短程力（2×10-15m距离内作用）只在相邻核子间存在；③核力与核 子的电荷无关。‎ （一） 放射性同位素 1. 同位素 具有相同质子数和不同中子数的原子互称同位素，具有相同的质子数、核外电子数、‎ 原子序数和化学性质。‎ 2. 发现放射性同位素 约里奥·居里和伊丽芙·居里夫妇发现放射同位素和正电子的核反应方程为：‎ ‎ （1934年）‎ 是用人工方法获得的放射性同位素，天然存在的同位素只有40多种，人工方法获 得的已达1000多种。另外，发生电子衰变，正电子不是核内存在的，是核子转变放出的。‎ 1. 放射性同位素的应用 （1） 利用它的射线进行金属探伤，清除静电，使种子发生变异、杀菌、治疗肿瘤疾病 等。‎ （2） 作示踪原子。‎ （一） 核能及核能释放 1. 原子核的结合能 核子之间通过巨大核力组成原子核，要把原子核拆成单个核子需克服核力作功，吸收 巨大能量；反之，使核子结合成原子核会放出相应能量，这个能量称为原子核的结合能简称核能，换言之，与核力相对应的能叫核能。‎ 2. 质量亏损 组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫质量亏损。‎ 核反应中的质量亏损不是质量的消灭，并不破坏质量守恒，因为核反应释放能量以γ 射线形式出现，γ光子无静质量，有动质量，它的动质量与反应前后的质量亏损相当。‎ 3. 质能方程 爱因斯坦质能方程为 E=mc2‎ 表明：物体具有的能量和它的质量成正比，质量和能量是物质同时存在的两个基本属 性，不能理解为能量就是质量或质量就是能量。‎ 核能的计算 ΔE=Δmc2 （Δm为质量亏损）‎ 列出核反应方程，找出反应前后质量亏损Δm代入上式可算出释放能量。‎ 例如：亏损1原子质量单位的质量（1u=1.660566×10-27kg ‎）释放能量。可证明为 ‎931.5MeV的能量。核反应过程不违背能量守恒。据质能方程，若反应过程总质量减少相应的总能也减少，减少的能量在反应过程中释放，若核反应过程中总质量增加相应的总能量也增加，增加的能量从外界吸收。‎ 1. 重核裂变 重核俘获一个中子后分裂成两个或我个中等质量核的反应过程叫重核裂变。‎ 例如：，裂变过程释放大量能量，重核裂变是获得 核能的重要途径。目前，世界上建成的核电站如我国的秦山核电站和大亚湾核电站都是利用重核裂变原理。‎ 链式反应的内因是反应物体积大于临界体积，原子核裂变后放出2-3个中子要能碰到 另外原子核而不跑到外面去，使裂变继续进行。外因是开始要有轰击反应物的中子去激发。‎ 2. 轻核聚变 轻核结合成质量较大的核叫聚变。‎ 如，聚变中释放出比重核裂变更多的能量。‎ 热核反应：使原子核发生聚变，必须使原子核距离在大核力起作用的范围，这要求核 有足够大的动能，所以要将原子核加热到几百万度的高温，因此聚变也叫热核反应。太阳内部和许多恒量内部都在激烈地进行热核反应，辐射出大量的能量。‎ 本单元重点、难点释疑 1. 核反应遵循的规律 核反应遵循： ①电荷数守恒；②质量数守恒；③动量守恒；④能量守恒。‎ 质量数守恒和核电荷数守恒是我们书写核反应方程的重要依据，但要以核反应的事实 为基础，不能仅根据该两条守恒定律随意书写事实上不存在的核反应方程。另外核反应通常是不可逆的，方程中只能用箭头“→”连接并指示反应方向，而不能用等号连接。‎ 原子核在衰变或人工转变过程中系统不受外力，只有系统内力作用，满足动量守恒。‎ 核反应过程中，往往有质量亏损，释放核能。释放的核能一部分以光子放出，另有一部分转化为新核和新粒子动能。在无光子辐射情况下释放的核能全部转化为新核和新粒子动能。因此在此情况下可应用力学原理——动量守恒和能量守恒处理。‎ 1. 衰变时α、β、γ射线不能独立放出其中一种吗？‎ 教材指出：“当放射性物质连续发生衰变时，各种原子核中有的放出α射线，有的放出 β射线，同时伴随γ射线，这时放射线中同时会有α、β、γ三种射线。”这是指众多原子核衰变。就某一原子核来说，在发生衰变时虽不能单独放出γ射线，却能单独放出α射线或β射线。当原子核单独放出α射线或β射线，不产生γ射线。‎ 2. 布拉凯特充氮云室实验 为证实卢瑟福发现的质子，是α粒子从氮核中打出的，还是α粒子打进氮核后形成的复核发生衰变时放出的，布拉凯特做了充氮云室实验，从40多万条α粒子径迹中发现有8条产生了分叉。分析知，分叉后的细长径迹是质子的径迹，另一条短粗径迹是新生成核径迹，α粒子的径迹碰后不再出现，因此质子是形成复核后，复核衰变放出的。因为若是直接打出的碰撞过程应有4条径迹，一条是入射α粒子径三条分别是碰后α粒子径迹、新生成核径迹和质子径迹。‎ 课外阅读 原 子 弹 原子弹利用快中子链式反应而引起爆炸。‎ 纯铀235（或纯钚239）裂变产生的快中子也能引起链式反应。要维护裂变的链式反应，必须使任何一代的中子数等于或大于前代的中子数，即倍增系数k≥1。中子数减少主要由于有些中子逃出裂变材料——中子的逃逸。裂变材料的表面积越大，逃逸的中子数就会成正比地增多，而产生的中子数正比于裂变材料的体积。如果裂变材料是做成球形的，设球的半径为R，则可以说，逃逸的中子数正比于R2，而产生的中子数正比于R3。可见，随R增大逃逸的中子数和产生的中子数都增多，但逃逸的没有产生的增加的快。当R增大到某一个数值R0时，若倍增系数等于1。这个半径就是使裂变链式反应自持进行的最小半径，也叫临界半径，相应的体积叫做临界体积（也叫中肯体积），裂变材料相应的质量则叫临界质量。外加中子反射层的纯铀235，直径等于4.8厘米就已达到临界体积，相应的质量约14克。‎ 原子弹一般是由两块各小于临界体积，却又大于临界体积一半的纯铀235（或纯钚239）组成。平时它们必相隔一定距离，因而不会爆炸。使用时，利用引爆装置把它们骤燃合拢起来，由于快中子的速度约为2×107米/秒，它的直径只有几厘米，所以裂变进行得极其猛烈，在百万分几秒内即发生爆炸。图9-1是原了弹结构示意图。‎ 图9-1‎ 那么，使第一个U核裂变的中子哪里来的呢？那是自发裂变的铀核释放出来的。研究表明，1克普通铀里，每两分钟平均有一个铀核生发“自发裂变”，同时释放出若干个中子。‎ 我国在1958年开始运用原子核反应堆，1964年爆炸了第一颗原子弹。‎ 思维体操 1. 镭原子核要经过几次α衰变和几次β衰变才能转变成铅？‎ 2. 两年氘核聚变产生一个中子和一个氦核，已知氘核质量 mD=2.0136u，氦核质量mHe=3.0150u，中子质量mn=1.0087u。‎ （1） 计算释放出的结合能。‎ （2） 若反应前两氘核的动能均为Ek0=0.35MeV，它们对面正撞发生聚变，且反应后释 放的核能全部转变为动能，则反应产生的氦核和中子的动能各为多大？‎ 分析与解答 1. 设经过m次α衰变，几次β衰变则核反应方程为 ‎→·‎ 由质量数守恒得 226=4m+206 —①‎ 由电荷数守恒得 88=2m-n+82 —②‎ 由①得m=5 代入②得 n=4‎ ‎2．(1)核反应方程为：‎ 该反应质量亏损Δm=2mD-mHe-mn=0.0035u 由质能方程得释放核能ΔE=Δmc2=0.0035×931.5MeV=3.26MeV。‎ ‎（2）将两氘核作为一个系统，由动量守恒有0=mHeVHe+mnVn ……①‎ 由能量守恒有： ……②‎ 由①②代入数据可得EkHe=0.99MeV=0.99MeV，Ekn=2.97MeV。‎ 三、智 能 显 示 心中有数 本单元理论发散思维 1. 原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成，质子和中子统称核子。‎ 原子半径约为10-10m，原子核大小约为10-15-10-14m。核子半径约为0.8×10-15m。要熟记，由此联想三者空间大小关系。‎ 2. 原子核的反应分为：原子核的衰变、人工转变两类型，其核反应方程为 ‎ α衰变 如 原子核的衰变 β衰变 如 ‎ α、β 如·‎ ‎ 质子的发现 （卢瑟夫）‎ 中子的发现 （查德威克）‎ 人工获得放射性 同位素及发现正电子 ‎ 原子核人工转变 （约里奥·居里和 伊丽芙·居里）‎ 重核裂变 如 ‎ 轻核聚变 如 ‎ 其中质子、中子的发现及人工获得放射性同位素的核反应方程要熟记。‎ 动手动脑 本单元立体检测 1. 静止在磁场中的某种放射性原子核放出一个α粒子，α粒子的运动方向与磁场垂直。‎ α粒子半径和反冲核的轨道半径之比是30:1，则反冲核的原子序数是多少？‎ 2. 云室处在磁感应强度为B的匀强磁场中，一静止的质量为M的原子核在云室中发生 一次α衰变，α粒子的质量为m，电量为q，其运动轨迹在与磁场垂直的平面内，现测得α粒子运动半径为R，试求在衰变过程中的质量亏损（注：涉及动量问题时，亏损的质量可忽略不计）。‎ 分析与解答 1. 在磁场中由quB=得……①‎ 由动量守恒知 Mαυα=M核V核……②‎ 由①②知 q核=60‎ 即反冲核原子序数为60。 （本题考查核反就满足动量守恒，及粒子在磁场运动）‎ ‎2.对α粒子，由qυB= 得 R= ……①‎ 原子核衰变满足动量守恒 （M-m）V'=mυ ……② 其中M、m分别为原子核和α粒 子质量，释放的核能转化为动能 释放核能 ΔE= ……③‎ 由质能方程知：ΔE=Δmc2 ……④‎ ‎①②③④联立得：Δm=。‎ ‎（本题考查核反应遵循动量守恒、能量守恒、质能方程及粒子在磁场运动）‎ 创新园地 1. 在一原子反应堆中，用石墨（碳）作减速剂使快中子减速。已知碳核的质量是中子 的12倍，假设把中子与碳核的每一次碰撞都看做是弹性正碰（即没有动能损失），且碰前碳核都是静止的。‎ ‎（1）设碰前中子的动能是E0，经过一次碰撞，中子损失的能量是 。‎ ‎（2）要使中子的动能小于10-6E0，至少经过 次碰撞。‎ ‎（lg13=1.114 1g11=1.041）‎ 分析与解答 设中子和碳核的质量为m和M，碰前中子速度为υ0，碰后为中子和碳核速度分别为υ 和V （1） 中子与碳核碰撞满足动量守恒和动能守恒有 mυ0=mυ+MV ……①‎ ‎ ……②‎ 由①②得 将M=12m代入得 损失的能量为 （2） 设E1、E2…E3分别表示中子在第1，2，…n次碰后动能有 ‎ ‎…‎ ‎ 将 代入得 ‎ 即 ‎ 取对数得 2n(lg13-lg11)=6‎ 即至少经过42次碰撞，中子动能才能小于10-6E0。‎ ‎（本题考查动量、能量守恒及运用数学推理计算能力）‎ 1. 静止在匀强磁场中的核俘获一个速度为υ0=7.7×104m/s的中子而发生核反应 ‎。若已知。的速度υ2=2.0×104m/s其方向与反应前中子速度方向相同。求：‎ ‎ 图9-2（甲） 图9-2（乙）‎ ‎（1）的速度是多大？‎ ‎（2）在图中画出两粒子的运动轨迹并求出轨道半径之比；‎ （1） 当粒子旋转3周时，粒子旋转几圈？‎ 分析与解答 ‎（1）中子撞击锂核生成氚核和氢核过程中动量守恒m0υ0=m1υ1+m2υ2式中υ0、υ1、υ2分别为中子、氚核、氦核的质量，υ1为氚核速度，代入数据得υ1=1.0×103m/s，方向与υ0相反。‎ ‎（2）氚、氦核在磁场中做匀速圆周运动的半径之比为 ‎（3）氚核、氦核运动周期之比为 它们的旋转圈数之比为n1:n2=T2:T1=2:3‎ 所以α粒子旋转3周时，氚核转2周 ‎（本题考题核反应及粒子在磁场中运动）‎