【物理】2018届一轮复习人教版放射性、核反应、核能学案 20页

‎ ‎ 一、原子核的组成、放射性、原子核的衰变、半衰期、放射性同位素 ‎1．原子核的组成：原子核是由质子和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的质子数。‎ ‎2．天然放射现象 ‎（1）天然放射现象 元素自发地放出射线的现象，首先由贝克勒尔发现。天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构。‎ ‎（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放射性。具有放射性的元素叫放射性元素。‎ ‎（3）三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是α射线、β射线、γ射线。‎ ‎（4）放射性同位素的应用与防护 ‎①放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同。‎ ‎②应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等。‎ ‎③防护：防止放射性对人体组织的伤害。‎ ‎3．原子核的衰变 ‎（1）衰变：原子核放出α粒子或β粒子，变成另一种原子核的变化称为原子核的衰变。‎ ‎（2）分类 α衰变：‎ β衰变：‎ ‎（3）半衰期：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。半衰期由原子核内部的因素决定，跟原子所处的物理、化学状态无关。‎ 二、核力、结合能、质量亏损 ‎1．核力 ‎（1）定义：‎ 原子核内部，核子间所特有的相互作用力。‎ ‎（2）特点：‎ ‎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1.5×10–15 m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 核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能。‎ ‎3．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。‎ ‎4．质能方程、质量亏损 爱因斯坦质能方程E=mc2，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=Δmc2。‎ 三、裂变反应和聚变反应、裂变反应堆、核反应方程 ‎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）典型的裂变反应方程：‎ ‎。‎ ‎（3）链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程。‎ ‎（4）临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量。‎ ‎（5）裂变的应用：原子弹、核反应堆。‎ ‎（6）反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层。‎ ‎2．轻核聚变 ‎（1）定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程。轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应。‎ ‎（2）典型的聚变反应方程：‎ 四、原子核的衰变和原子核的人工转变 ‎1．衰变规律及实质 ‎（1）两种衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 衰变实质 ‎2个质子和2个中子结合成一个整体射出 中子转化为质子和电子 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒 ‎（2）γ射线：γ射线经常是伴随着α衰变或β衰变同时产生的。其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变的过程中，产生的新核由于具有过多的能量（核处于激发态）而辐射出光子。‎ ‎2．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。‎ 典型核反应：‎ ‎（1）卢瑟福发现质子的核反应方程为：。‎ ‎（2）查德威克发现中子的核反应方程为：‎ ‎。‎ ‎（3）居里夫妇发现放射性同位素和正电子的核反应方程为：‎ ‎。‎ ‎。‎ ‎3．确定衰变次数的方法 ‎（1）设放射性元素经过n次α衰变和m次β衰变后，变成稳定的新元素，则表示该核反应的方程为 根据电荷数守恒和质量数守恒可列方程 A=A′+4n，Z=Z′+2n–m ‎（2）确定衰变次数，因为β衰变对质量数无影响，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。‎ ‎4．半衰期 ‎（1）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。‎ ‎5．书写核反应方程时应注意 ‎（1）必须遵守电荷数守恒、质量数守恒规律。‎ ‎（2）核反应方程中的箭头(→)表示核反应进行的方向，不能把箭头写成等号。‎ ‎（3）核反应类型及核反应方程的书写 类 型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 β衰变 自发 人工转变 人工控制 ‎（卢瑟福发现质子）‎ ‎（查德威克发现中子）‎ 约里奥·居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子 重核裂变 比较容易 进行人工 控制 轻核聚变 很难控制 五、质量亏损及核能的计算 ‎1．核能 ‎（1）核子在结合成原子核时出现质量亏损Δm，其能量也要相应减少，即ΔE=Δmc2。‎ ‎（2）原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加Δm，吸收的能量为ΔE=Δmc2。‎ ‎2．核能释放的两种途径的理解 ‎（1）使较重的核分裂成中等大小的核。‎ ‎（2）较小的核结合成中等大小的核，核子的比结合能都会增加，都可以释放能量。‎ 六、应用质能方程解题的流程图 ‎（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×931.5 MeV计算。因1原子质量单位（u）相当于931.5 MeV的能量，所以计算时Δm的单位是“u”，ΔE的单位是“MeV”。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 发生放射性衰变为，半衰期约为5 700年。已知植物存活其间，其体内与的比例不变；生命活动结束后，的比例持续减少。现通过测量得知，某古木样品中的比例正好是现代植物所制样品的二分之一。下列说法正确的是 A．该古木的年代距今约为5 700年 B．、、具有相同的中子数 C．衰变为的过程中放出β射线 D．增加样品测量环境的压强将加速的衰变 ‎【参考答案】AC ‎【详细解析】因古木样品中的比例正好是现代植物所制样品的二分之一，则可知经过的时间为一个半衰期，即该古木的年代距今约为5 700年，选项A正确；、、具有相同的质子数，由于质量数不同，故中子数不同，选项B错误；根据核反应方程可知，衰变为的过程中放出电子，即发出β射线，选项C正确；外界环境不影响放射性元素的半衰期，选项D错误；故选AC。‎ ‎ ‎ ‎1．原子核具有天然放射性，它经过若干次α衰变和β衰变后会变成新的原子核。下列原子核中，有三种是衰变过程中可以产生的，它们是 A． B．‎ C． D．‎ ‎【答案】ACD ‎2．关于天然放射性，下列说法正确的是 A．所有元素都可能发生衰变 B．放射性元素的半衰期与外界的温度无关 C．放射性元素与别的元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性 D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力最强 ‎【答案】BCD ‎【解析】并不是所有的元素都能衰变，只有原子序号超过83的元素才都能发生衰变，选项A错。放射性元素的半衰期由原子核内部的结构决定，与外界温度无关，选项B对。放射性元素其放射性来自于原子核内部的，与其他元素形成化合物并没有改变其内部原子核结构所以仍具有放射性，选项C对。α、β和γ三种射线中，γ射线能量最高，穿透能力最强，选项D对。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 放射性元素衰变为，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，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_______________。‎ ‎【参考答案】 ‎ ‎【详细解析】质量数守恒和电荷数守恒，配平守恒方程。关键在于氖的电荷数没有告诉，需要化学知识。则答案为，。‎ ‎ ‎ ‎1．以下说法正确的是 A．当氢原子从n=3的状态跃迁到n=1的状态时，要吸收光子 B．蓝光照射到某金属板表面时能够产生光电效应，则换用强度较低的紫光照射也可发生 C．原子序数大于83的原子核都具有放射性 D．核反应：中X为中子，a=3‎ ‎【答案】BCD ‎ ‎2．一个静止的氡核放出一个α粒子后衰变为钋核，同时放出能量为E=0.09 MeV的光子。假设放出的核能完全转变为钋核与α粒子的动能，不计光子的动量。已知M氡=222.086 63 u、mα=4.002 6 u、M钋=218.076 6 u，1 u相当于931.5 MeV的能量。‎ ‎（1）写出上述核反应方程；‎ ‎（2）求出发生上述核反应放出的能量；‎ ‎（3）确定钋核与α粒子的动能。‎ ‎【答案】（1）Rn→Po+He+γ （2）6.92 MeV （3）0.12 MeV 6.54 MeV ‎ ‎（3）设α粒子、钋核的动能分别为Ekα、Ek钋，动量分别为pα、p钋，由能量守恒定律得：ΔE=Ekα+Ek钋+E 不计光子的动量，由动量守恒定律得：0=pα+p钋 又，故Ekα:Ek钋=218:4‎ 联立解得Ek钋=0.12 MeV，Ekα=6.54 MeV ‎ ‎ ‎ ‎ 用中子轰击锂核（），发生的核反应为：，式中n代表中子，X代表核反应产生的新核，同时释放出4.8 MeV的核能（l eV=1.6×l0 J）。则新核中的中子数为_______，核反应过程中的质量亏损为__________kg（计算结果保留两位有效数字）。‎ ‎【参考答案】2 ‎ ‎【详细解析】因为中子，根据质量数及电荷数守恒可知，新核X中的中子数为2；根据质能方程可知，核反应过程中的质量亏损为 ‎。‎ ‎ ‎ ‎1．关于原子核的结合能，下列说法正确的是 A．原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量 B．一重原子核衰变成α粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能 C．铯原子核（）的结合能小于铅原子核（）的结合能 D．比结合能越大，原子核越不稳定 ‎【答案】ABC ‎ ‎2．当前，发电站温室气体排放问题引起了越来越多的关注，相比煤炭等传统能源，核电能够大幅降低二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等物质的排放，已成为世界快速发展的电力工业。经广大科技工作者的不懈努力，我国的核电技术已进入世界的先进行列，世界各地现在正在兴建的核电反应堆达到57座，我国以20座名列第一。核电站的最核心部分是核反应堆，核反应堆中的燃料 产生裂变，在短时间内释放出大量的核能可供人类利用。核反应堆中的镉棒起________作用，核反应方程应为。若其质量分别为mU=390.313 9×10–27 kg，mn=1.674 9×10–27 kg，mBa=234.001 6×10–27 kg，mKr=152.604 7×10–27 kg，核反应中释放的能量为ΔE=________J。‎ ‎【答案】吸收中子控制核反应速度 3.22×10–11‎ ‎【解析】控制中子数可以控制反应速度；Δm=mU+mn–mBa–mKr–3mn=0.357 8×10－27 kg，ΔE=Δmc2=3.22×10–11 J。‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎1．关于放射性同位素，下列说法正确的是 A．放射性同位素与放射性元素一样，都具有一定的半衰期，衰变规律一样 B．放射性同位素衰变可以生成另一种新元素 C．放射性同位素只能是天然衰变时产生的，不能用人工方法测得 D．以上说法都不对 ‎2．下列哪些应用是把放射性同位素作为示踪原子的 A．γ射线探伤仪 B．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况 C．利用钴60治疗肿瘤等疾病 D．把含有放射性元素的肥料施给农作物，用检测放射性的办法确定放射性元素在农作物内转移和分布情况，找出合理施肥的规律 ‎3．关于放射性元素，下列说法中正确的是 A．半衰期是指放射性元素样品质量减少一半所需的时间 B．当放射性元素的温度升高时，其半衰期不变 C．放射性元素的原子核每放出一个β粒子，就减少一个质子，增加一个中子 D．α、β和γ三种射线中，γ射线的穿透能力和电离能力均最强 ‎4．对放射性的应用，下列说法中正确的是 A．放射线能杀伤癌细胞或阻止癌细胞分裂，对人体的正常细胞不会有伤害作用 B．对放射性的废料，要装入特制的容器并埋入深地层进行处理 C．γ射线探伤仪中的放射源必须存放在特制的容器里，而不能随意放置 D．对可能产生放射性污染的场所或物品进行检测是很有必要的 ‎5．关于放射性同位素的应用，下列说法中正确的是 A．作为示踪原子是利用了放射性同位素贯穿能力很强的性质 B．作为示踪原子是利用了放射性同位素放出的射线可被仪器探测到的特点 C．γ射线探伤利用了γ射线贯穿能力很强的性质 D．γ射线探伤利用了γ射线电离能力很强的性质 ‎6．下列应用中把放射性同位素作为示踪原子的是 A．利用钻60治疗肿瘤等疾病 B．射线探伤 C．利用含有放射性碘131的油，检测地下输油管的漏油情况 D．把含有放射性同位素的肥料施给农作物用以检测其吸收养分的情况 ‎7．关于放射性元素原子核的衰变，下列叙述中哪些是正确的 A．γ射线是伴随α射线或β射线而发射出来的 B．半衰期的大小不随化学状态、温度等变化而变。‎ C．某核放出一个β粒子或α粒子后，都变成一种新元素的原子核。‎ D．若原来有某种放射性元素的原子核10个，则经一个半衰期后，一定有5个原子核发生了衰变 ‎8．如果某放射性元素经过X次α衰变和Y次β衰变，变成一种新原子核，则这个新原子核的质子数比放射性元素原子核的质子数减少 A．2x+y B．x+y C．x–y D．2x–y ‎9．下列关于放射性元素衰变的描述，哪些是错误的 A．原子核放出电子后，它的质量数不变而电荷数却减少1‎ B．核衰变时放出的射线都是由带电粒子所组成的 C．半衰期表示放射性元素衰变的快慢，它和外界的温度、压强无关 D．γ衰变不改变元素在周期表上的位置 ‎10．A、B两种放射性元素，它们的半衰期分别为tA=10天，tB=30天，经60天后，测得两种放射性元素的质量相等，那么它们原来的质量之比为 A．3:1 B．48:63‎ C．1:16 D．16:1‎ ‎11．下列关于可以减缓放射性元素衰变的说法中，正确的是 A．把该元素放置在低温处 B．把该元素密封在很厚的铅盒子里 C．把该元素同其他的稳定元素结合成化合物 D．上述各种方法无法减缓放射性元素的衰变 ‎12．设某放射性物质A的半衰期为T，另一种放射性物质B的半衰期为2T，在初始时刻，A的原子核数目为B的原子核数目的4倍，则 A．经过时间2T，A与B的原子核数目相同 B．经过时间2T，A的原子核数目大于B的原子核数目 C．经过时间3T，A的原子核数目大于B的原子核数目 D．经过时间4T，A与B的原子核数目相同 ‎13．放射性同位素可做示踪原子，在医学上可以确定肿瘤位置等用途，今有四种不同的放射性同位素R、P、Q、S，它们的半衰期分别为半年、38天、15天和2天，则我们应选用的同位素应是 A．S B．Q C．P D．R ‎14．关于半衰期，以下说法正确的是 A．同种放射性元素在化合物中的半衰期比单质中长 B．升高温度可以使半衰期缩短 C．氡的半衰期为3.8天，若有四个氡原子核，经过7.6天就只剩下一个 D．氡的半衰期为3.8天，4克氡原子核，经过7.6天就只剩下1克 ‎15．下列核反应或核衰变方程中，符号“X”表示中子的是 A．‎ B．++X C．‎ D．‎ ‎16．2006年3月23日央视报道，中科院离子物理所经过八年的艰苦奋斗努力，终于率先建成了世界上第一个全超导的托克马克试验装置并调试成功；这种装置被称为“人造太阳”（如图所示），它能够承受上亿摄氏度高温且能够控制等离子态的核子发生聚变并稳定持续的输出能量，就像太阳一样为人类提供无限清洁的能源。在下列核反应方程中有可能是该装置内部所进行的核反应的是 A．‎ B．‎ C．‎ D．‎ ‎17．一放射源放射出某种或多种射线，当用一张薄纸放在放射源的前面时，强度减为原来的，而当用1 cm厚的铝片放在放射源前时，射线的强度减小到几乎为零。由此可知，该放射源所射出的 A．仅是α射线 B．仅是β射线 C．是α射线和β射线 D．是α射线和γ射线 ‎ ‎ ‎18．在匀强磁场中，一个原来静止的原子核发生衰变，得到两条如图中所示的径迹，图中箭头表示衰变后粒子的运动方向。不计放出光子的能量，则下述说法中正确的是 ‎ ‎ A．发生的是β衰变，b为β粒子的径迹 B．发生的是α衰变，b为α粒子的径迹 C．磁场方向垂直纸面向外 D．磁场方向垂直纸面向内 ‎19．三个原子核X、Y、Z，X核放出一个正电子后变为Y核，Y核与质子发生核反应后生成Z核并放出一个个氦（42He），则下面说法正确的是 A．X核比Z核多一个原子 B．X核比Z核少一个中子 C．X核的质量数比Z核质量数大3‎ D．X核与Z核的总电荷是Y核电荷的2倍 ‎20．关于核反应，下列说法中正确的是 A．在核反应中，反应前后总质量不变 B．在核反应中，反应前后电荷数不变 C．在核反应中，质量会有改变，但质量数不变 D．因为核反应总是放能的，所以反应中一定有质量亏损 ‎21．已知：、、、的质量分别为m1、m2、m3、m4，则关于核反应：+→+，下列说法正确的是 A．这是个核聚变的过程 B．这是个核裂变的过程 C．该过程中放出的能量为(m3+m4–m1–m2)c2‎ D．该过程中放出的能量为(m1+m2–m3–m4)c2‎ ‎ ‎ ‎22．某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论，其中的两个核反应方程为 H+C→N+Q1，H+N→C+X+Q2‎ 方程中Q1、Q2表示释放的能量，相关的原子核质量见下表：‎ ‎ ‎ 以下推断正确的是 A．X是He，Q2>Q1 B．X是He，Q2>Q1‎ C．X是He，Q2Q1，选项B正确 ‎15.AC ‎16.B ‎ ‎（3）由ΔE=Δmc2得每秒太阳质量减少 Δm== kg≈4.2×109 kg ‎（4）太阳的质量为2×1030 kg，太阳还能存在的时间为 t== s≈1.4×1017 s 即为4.5×109年 ‎24．（1） （2）(m1– m2–m3)c2 （3）‎ ‎【解析】（1）‎ ‎（2）核衰变反应中的质量亏损Δm=m1– m2–m3‎ 核衰变反应中释放出的核能ΔE=Δmc2=(m1– m2–m3)c2‎ ‎（3）系统动量守恒，钍核和α粒子的动量大小相等，则：‎ 由题知：即 所以钍核获得的动能：‎ ‎25．A【解析】是一个氘核与一个氚核结合成一个氦核，同时放出一个中子，属于聚变反应，故A正确；‎ 是卢瑟福发现质子的核反应，他用α粒子轰击氮原子核，产生氧的同位素——氧17和一个质子，是人类第一次实现的原子核的人工转变，属于人工核反应，故B错误；是小居里夫妇用α粒子轰击铝片时发现了放射性磷（磷30），属于人工核反应，故C错误；是一种典型的铀核裂变，属于裂变反应，故D错误。‎ ‎26．B【解析】根据质能方程，释放的核能，，则 ‎，故B正确，ACD错误。‎ ‎27.BC ‎ ‎28．A【解析】A为β衰变方程，B为重核裂变，C轻核聚变，D原子核的人工转换，所以A正确。‎ ‎29．ABE【解析】根据质量数和电荷数守恒可得核反应方程，A正确；过程中释放的核力远远大于外力，故系统动量守恒，B正确；核反应过程中系统能量守恒，C错误；由于反应过程中，要释放大量的能量，即伴随着质量亏损，所以生成物的质量小于反应物的质量之和，D错误；由动量守恒可知，，解得，故数量级约为105 m/s，故E正确。‎ ‎ ‎