【物理】2018届一轮复习人教版第31讲核反应、核能学案 8页

第31讲　核反应、核能 Ø 教材知识梳理 一、原子核与衰变 ‎1．原子核的组成：原子核是由________和中子组成的，原子核的电荷数等于核内的________．‎ ‎2．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________、β射线、γ射线．‎ ‎(4)放射性同位素：有________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．‎ ‎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________的变化称为原子核的衰变．‎ ‎(2)分类 α衰变：X―→Y＋________；‎ β衰变：X―→Y＋________．‎ ‎(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________、________状态无关．‎ 二、核力与核能 ‎1．核力 核子间的作用力．核力是________力，作用范围在1.5×10－15 m之内，只在相邻的核子间发生作用．‎ ‎2．核能 ‎(1)结合能：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，叫作原子核的结合能，亦称核能．‎ ‎(2)比结合能：‎ ‎①定义：原子核的结合能与________之比，称作比结合能，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________．‎ ‎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＝________．‎ 三、裂变与聚变 ‎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)链式反应条件：裂变物质的体积________临界体积．‎ ‎(3)典型的裂变方程：U＋n―→Xe＋Sr＋________n.‎ ‎(4)裂变的应用：原子弹、核反应堆．‎ ‎2．轻核聚变 ‎(1)定义：两个轻核结合成质量较大的原子核的反应过程．‎ ‎ (2)条件：使核发生聚变需要几百万度以上的高温，因此聚变又叫________．‎ ‎(3)典型的聚变方程：H＋H―→________＋n.‎ ‎(4)聚变的应用：氢弹．‎ ‎【思维辨析】‎ ‎(1)天然放射现象说明原子是可分的．(　　)‎ ‎(2)人们认识原子核具有复杂结构是从卢瑟福发现质子开始的．(　　)‎ ‎(3)如果某放射性元素的原子核有100个，经过一个半衰期后还剩50个．(　　)‎ ‎(4)质能方程表明在一定条件下，质量可以转化为能量．(　　)‎ ‎【思维拓展】‎ 核能的计算是原子物理的重点知识和高考的热点问题，都有哪些方法求核反应中的能量呢？‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎[物理学史]‎ ‎1896年法国物理学家贝可勒尔用铀盐样品进行实验时发现了天然放射性 ‎1897年英国物理学家汤姆孙从阴极射线的研究中证实了电子的存在．‎ ‎1898年居里夫妇证明含有铀元素的化合物都具有放射性，并由此发现了“镭”‎ ‎1911年卢瑟福公开α粒子散射实验结论，建立原子核式结构模型．‎ ‎1919年卢瑟福首次实现人工核反应，用α粒子轰击氮核结果打出了质子．‎ ‎1932年英国物理学家查德威克从α粒子轰击铍的核反应过程中发现了“中子”．‎ Ø 考点互动探究 ‎　考点一　核反应方程 ‎1.核反应的四种类型 类型 可控性 核反应方程典例 衰变 α衰变 自发 U―→Th＋He β衰变 自发 Th―→Pa＋e 人工转变 人工控制 N＋He―→8O＋H(卢瑟福发现质子)‎ He＋Be―→C＋n(查德威克发现中子)‎ Al＋He―→P＋n 约里奥—居里夫妇发现放射性同位素及正电子 P―→Si＋e 重核裂变 比较容易进行人工控制 U＋n―→Ba＋Kr＋3n U＋n―→Xe＋Sr＋10n 轻核聚变 除氢弹外无法控制 H＋H―→He＋n ‎2.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)核反应遵循电荷数守恒和质量数守恒(而不是质量守恒)，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化(质量亏损)且释放出核能．‎ ‎1 下列核反应方程中，属于衰变的是(　　)‎ A. N＋He―→O＋H B. U―→Th＋He C. H＋H―→He＋n D. U＋n―→Xe＋Sr＋10n 式题 下列有关原子结构和原子核的认识，其中正确的是(　　)‎ A．γ射线是高速运动的电子流 B．氢原子辐射光子后，其绕核运动的电子动能增大 C．太阳辐射能量的主要来源是太阳中发生的重核裂变 D. Bi的半衰期是5天，100克Bi经过10天后还剩下50克 ‎　考点二　对天然放射现象的理解 ‎1.α衰变、β衰变的比较 衰变类型 α衰变 β衰变 衰变方程 X―→Y＋He X―→Y＋e 衰变实质 ‎2个质子和2个中子结合成氦核 ‎2H＋2n―→He ‎1个中子转化为1个质子和1个电子 n―→H＋e 匀强磁场中 轨迹形状 衰变规律 电荷数守恒、质量数守恒、动量守恒 ‎2.三种射线的比较 ‎　　　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)‎ 带电荷量 ‎2e ‎－e ‎0‎ 质量 ‎4mp 静止质量为零 符号 He e γ 速度 ‎0.1c ‎0.99c c 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 说明：γ射线是伴随着α衰变或β衰变产生的，γ射线不改变原子核的电荷数和质量数，其实质是放射性原子核在发生α衰变或β衰变时，产生的某些新核由于具有过多的能量(核处于激发态)而辐射出光子．‎ ‎2 (多选)14C发生放射性衰变成为14N，半衰期约5700年．已知植物存活期间，其体内14C与12C的比例不变；生命活动结束后，14C的比例持续减少．现通过测量得知，某古木样品中14C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5700年 B. 12C、13C、14C具有相同的中子数 C. 14C衰变为14N的过程中放出β射线 D．增加样品测量环境的压强对14C的衰变无影响 式题 实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生β衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图12311所示，则轨迹1为________的轨迹，轨迹2是________的轨迹，磁场方向为________．‎ 图12311‎ ‎　考点三　核能的计算 ‎1.对质能方程的理解 ‎(1)质能方程E＝mc2给出了物体的能量和质量之间的关系，质量为m的物体具有的总能量为mc2，质量和能量不能互相转化．‎ ‎(2)“质量与能量间存在着简单的正比关系”，即物体的质量(这里指动质量)越大，能量越多，反之物体的质量越小，能量也越少；当物体放出能量时，满足ΔE＝Δmc2.‎ ‎2．求核能的三种方法：‎ ‎(1)根据ΔE＝Δmc2计算．若Δm的单位是kg，计算时，c的单位是m/s，ΔE的单位是J；若Δm的单位是原子质量单位u，利用1 u相当于931.5 MeV，用ΔE＝Δm×931.5 MeV进行计算，ΔE的单位是 MeV，1 MeV＝1.6×10－13 J.‎ ‎(2)根据比结合能计算．原子核的结合能＝比结合能×核子数．‎ ‎(3)结合动量守恒定律和能量守恒定律进行分析计算，此时要注意动量、动能关系式p2＝2mEk的应用．‎ ‎[温馨提示] 利用质能方程计算核能时，不能用质量数代替质量进行计算．‎ ‎3 [2015·江苏卷] 取质子的质量mp＝1.672 6×10－27 kg，中子的质量mn＝1.674 9×10－27 kg，α粒子的质量mα＝6.646 7×10－27 kg，光速c＝3.0×108 m/s.请计算α粒子的结合能．(计算结果保留两位有效数字)‎ 式题 太阳内部持续不断地发生着4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源．(mp＝1.007 3 u，mα＝4.001 5 u，me＝0.000 55 u，太阳的质量为2×1030 kg)‎ ‎(1)这一核反应能释放出多少能量？‎ ‎(2)已知太阳每秒释放能量为3.8×1026 J，则太阳每秒减小的质量为多少？‎ ‎(3)若太阳质量减小万分之三时热核反应不能继续进行，则太阳还能存在多少年？‎ ‎　考点四　核反应中的动量守恒问题 ‎1.核反应过程遵循能量守恒定律：在无光子辐射的情况下，核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能；有光子辐射的情况下，核反应中释放的核能将转化为生成的新核和新粒子的动能及光子的能量．一般认为核反应放出的能量与反应前原子核的动能之和等于反应后原子核的总动能．‎ ‎2．核反应过程遵循动量守恒定律：即反应前原子核的总动量等于反应后原子核的总动量．‎ ‎3．解决核反应与动量及能量守恒定律综合的问题时，首先应用质能方程求出核反应释放出的核能，其次根据动量守恒定律和能量守恒定律列出相应的方程，最后联立求解．‎ ‎4 [2015·海南卷] 运动的原子核X放出α粒子后变成静止的原子核Y.已知X、Y和α粒子的质量分别是M、m1和m2，真空中的光速为c，α粒子的速度远小于光速．求反应后与反应前的总动能之差以及α粒子的动能．‎ 式题 海水中含有丰富的氘，完全可充当未来的主要能源．两个氘核的核反应为H＋H―→He＋n，其中氘核的质量为2.013 0 u，氦核的质量为3.015 0 u，中子的质量为1.008 7 u．(1 u相当于931.5 MeV)‎ ‎(1)求核反应中释放的核能．‎ ‎(2)在两个氘核以相等的动能0.35 MeV进行对心碰撞并且核能全部转化为机械能的情况下，求反应中产生的中子和氦核的动能．‎ 第31讲　核反应、核能 ‎【教材知识梳理】‎ 核心填空 一、1.质子　质子数 ‎2．(1)自发　原子核　(2)放射性　(3)α射线　(4)天然 ‎3．(1)原子核　(2)He　e　(3)物理　化学 二、1.短程 ‎2．(1)释放　吸收　(2)①核子数　②越稳定 ‎3．mc2　Δmc2‎ 三、1.(2)大于或等于　(3)10　2.(2)热核反应　(3)He 思维辨析 ‎(1)(×)[解析] 天然放射现象说明原子核是可分的．‎ ‎(2)(×)　(3)(×)　(4)(×)‎ 思维拓展 ‎1．根据质能方程ΔE＝Δmc2，注意：这里质量单位要用 kg，能量单位用J.‎ ‎2．利用原子质量单位u和电子伏特计算，1 u＝1.656×10－27 kg，1 eV＝1.6×10－19 J，1 u相当于931.5 MeV.‎ ‎3．根据能量守恒定律和动量守恒定律计算核能．‎ ‎【考点互动探究】‎ 考点一 例1　B　[解析] 选项B属于衰变，选项A属于人工转变，选项C属于轻核聚变，选项D属于重核裂变，所以选项B正确．‎ 变式题　 B　[解析] γ射线是光子流，选项A错误；氢原子从高能级跃迁到低能级，辐射光子，电子轨道半径减小，速度增大，B正确；太阳辐射能量主要来源于核聚变，选项C错误；100 g的Bi经10天后剩下的质量为100×2 g＝25 g，选项D错误．‎ 考点二 例2　ACD　[解析] 由半衰期公式N＝N0得t＝5700年.12C、13C、14C质子数相同，质量数不同，说明中子数不同.14C衰变成14N过程放出电子，所以属于β衰变．半衰期与环境压强无关．A、C、D正确，B错误．‎ 变式题　 电子　新核　垂直于纸面向里 ‎[解析] 带电粒子在磁场中只受洛伦兹力做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力，即qvB＝m，则半径R＝.β衰变过程动量守恒，而eR新，所以轨迹1为电子的轨迹，轨迹2是新核的轨迹．又由左手定则可以判断，磁场方向垂直于纸面向里．‎ 考点三 ‎3　4.3×10－12 J ‎[解析] 组成α粒子的核子与α粒子的质量差 Δm＝(2mp＋2mn)－mα 结合能ΔE＝Δmc2‎ 代入数据得ΔE＝4.3×10－12 J.‎ 变式题　 (1)24.78 MeV　(2)4.2×109 kg ‎(3)4.4×109年 ‎[解析] (1)太阳内部的核反应方程为4H―→He＋2e 这一核反应的质量亏损Δm＝4mp－mα－2me＝0.026 6 u 释放的能量ΔE＝Δmc2＝0.026 6×931.5 MeV≈24.78 MeV.‎ ‎(2)由ΔE＝Δmc2得，太阳每秒减少的质量 Δm＝＝ kg≈4.2×109 kg.‎ ‎(3)太阳的质量为2×1030 kg，太阳还能存在的时间 t＝＝ s≈1.4×1017 s＝4.4×109年．‎ 考点四 例4　(M－m1－m2)c2　 ‎[解析] 设运动的原子核Χ的速度为v1，放出的α 粒子速度为v2，由质量亏损可得 m2v－Mv＝(M－m1－m2)c2‎ 由动量守恒定律得 Mv1＝m2v2‎ 联立以上两式得 ‎ Ek＝m2v＝.‎ 变式题　 (1)2.14 MeV　(2)2.13 MeV　0.71 MeV ‎[解析] (1)核反应中的质量亏损为Δm＝2mH－mHe－mn 由ΔE＝Δmc2可知释放的核能ΔE＝(2mH－mHe－mn)c2＝2.14 MeV.‎ ‎(2)把两个氘核作为一个系统，碰撞过程系统的动量守恒，由于碰撞前两氘核的动能相等，其动量等大反向，因此反应后系统的总动量为零，即mHevHe－mnvn＝0；反应前后系统的总能量守恒，即mHev＋mnv＝ΔE＋2EkH，又因为mHe∶mn＝3∶1，所以vHe∶vn＝1∶3，由以上各式代入已知数据得EkHe＝0.71 MeV，Ekn＝2.13 MeV.‎ ‎【教师备用习题】‎ ‎1．[2015·江苏卷] 核电站利用原子核链式反应放出的巨大能量进行发电，U是核电站常用的核燃料.U受一个中子轰击后裂变成Ba和Kr两部分，并产生________个中子．要使链式反应发生，裂变物质的体积要________(选填“大于”或“小于”)它的临界体积．‎ ‎[答案] 3　大于 ‎[解析] 该核反应方程为U＋n―→Ba＋Kr＋3n；只有当铀块足够大时，裂变产生的中子才有足够的概率打中某个铀核，使链式反应不断进行下去．‎ ‎2．[2015·重庆卷改编] 图中曲线a、b、c、d为气泡室中某放射物发生衰变放出的部分粒子的径迹，气泡室中磁感应强度方向垂直于纸面向里．则可判断径迹为a、b的粒子带________(选填“正”或“负”)电，径迹为c、d的粒子带________(选填“正”或“负”)电；所以a、b为________(选填“α”或“β”)粒子的径迹，c、d为________(选填“α”或“β”)粒子的径迹．‎ ‎[答案] 正　负　α　β ‎[解析] 题目中告知“磁感应强度方向垂直于纸面向里”，根据左手定则推知，径迹为a、b的粒子带正电，径迹为c、d的粒子带负电，又α粒子带正电，β粒子带负．‎