第二十二讲 原子核.ppt

第二十二讲原子核 知识要点 一 天然放射现象二 原子核的人工转变 原子核的组成三 原子核能 知识要点 一 天然放射现象1 天然放射现象的发现 1896年贝克勒尔发现铀U和含铀的矿物能发射某种看不见的射线 这种射线可以穿透黑纸使照像底片感光 像这样物质自发地发出射线的现象叫天然放射现象 物质的这种性质叫天然放射性 具有放射性的元素 叫放射性元素 后来居里夫妇又发现两种放射性更强的新元素 叫做钋Po和镭Ra 2 三种射线 1 射线 本质是氦原子核流 符号是 带电量为 2e 质量为4u 1u 1 66 10 27千克 贯穿本领最弱 电离本领最强 2 射线 本质是电子流 符号是 带电量为 e 1e 1 9 10 19库仑 质量为 贯穿本领较强 电离本领较强 3 射线 本质是高能光子流 符号是 不带电 静止质量为零 贯穿本领最强 电离本领最弱 3 放射性元素的衰变原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变 在衰变中电荷数和质量数都守恒 1 衰变 原子核放出一个 粒子 原子序数 核电荷数 就比原来少2 而质量数少4 例如 写成一般式为 2 衰变 原子核放出一个 粒子 原子序数 核电荷数 就比原来多1 而质量数不变 例如 写成一般式为 3 衰变 要引起核的能量发生变化 而原子序数 核电荷数 和质量数都不改变 4 半衰期半衰期是放射性元素的大量原子核有半数发生衰变需要的时间 每一种放射性元素都有一定的半衰期 不同的放射性元素 半衰期不同 放射性元素半衰期的长短是由原子核的内部因素决定的 它不受外部因素的影响 例如温度的高低 物态的变化 化学结构的变化等等 都不能改变它的半衰期 衰变公式 如果用N0表示原耒的原子核数 Nt表示t时刻还未衰变的原子核数 T表示半衰期 那么 如果用M0表示原耒的原子的总重量 Mt表示t时刻还未变的原子的总质量 那么 二 原子核的人工转变 原子核的组成1 质子的发现 1919年卢瑟福做了用 粒子轰击氮原子核的实验 实验现象表明 粒子击中氮核后产生了新的粒子 后来测出了这种粒子的质量和电量 确定它就是氢原子核 又叫做质子 通常用或表示 质子发现的核反应方程是 质子的发现表明 可以用人工的方法实现原子核转变 还表明 质子是原子核的组成部分 2 中子的发现 1930年发现用 射线轰击铍时 会产生一种看不见的贯穿能力很强的不带粒子 1932年用这种射线轰击石蜡时 竟能从石蜡中打出质子 如图所示 查德威克经过进一步研究 证明放射性元素钋放出的 射线轰击铍时发出的贯穿力极强的射线 不是 射线 而是一种质量差不多与质子相等的不带电粒子 即中子 中子的质量数是1 电荷数是零 用表示 发现中子的核反应方程是 实验证明 从许多原子核里都能打出中子来 可见中子也是原子核的组成部分 3 原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的 质子和中子统称为核子 原子核的电荷数等于它的质子数 原子核的质量数就等于它的核子数 即质子数与中子数的和 不论是原子核的衰变还是原子核的人工转变 统称为核反应 在核反应的过程中电荷数和质量数都守恒 4 放射性同位素同位数 具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素 1 人工放射同位素的发现1934年小居里夫妇用 粒子轰击铝核 发生了下面的核反应 核反应生成物是磷的一种同位素它具有放射性 衰变时放出正电子 下面是它的反应方程这是用人工方法得到的放射性同位素 2 放射性同位素的应用 利用它的射线探伤 消除静电 育种 消毒 防腐等 做为示踪原子 把放射性同位素的原子搀到其它物质中去 让它们一起运动 迁移 再利用放射性探测仪器进行追踪 就可以知道放射性原子通过什么路径 运动到哪里了 怎样分布的 从而可以了解某些不容易察明的情况或规律 我们把这种用途的放射性同位素叫示踪原子 三 原子核能1 原子核的结合能 1 核力 原子核内的核子间有一种很强的力把它们结合在一起 这种力称为核力 核力是强作用力 它与电荷无关 质子与质子 质子与中子 中子与中子间都存在核力作用 它是短程力 只在2 0 10 15米距离内起作用 即使在半径很小的原子核内 每个核子也只跟与它相邻的核子间才有核力的作用 2 结合能 核子结合成原子核时要放出一定的能量 原子核分解成核子时 要吸收同样多的能量 这个能量叫做原子核的结合能 3 爱因斯坦质能方程 这个方程是爱因斯坦从相对论得出的 它表明物体的质量与它的能量间有一定的联系 当物体的能量增加 或减少 E时 它的质量也会相应地增加 或减少 m 二者满足的关系是 E mc2 式中c表示光在真空中的传播速度 在使用该公式进行有关计算时 要注意单位的统一 见下表 4 质量亏损 核子结合成原子核时要放出结合能 原子核的能量要比组成核的核子未组合成核时的能量小 所以原子核的质量也要比组成核的核子的质量小 我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫做核的质量亏损 如果知道核的质量亏损 根据质能方程就可以求出原子核的结合能 5 平均结合能 用核子数去除核的结合能 就得到每个核子的平均结合能 平均结合能是核子结合成原子核时每个核子平均放出的能量 也是把原子核分解成核子时每个核子平均吸收的能量 平均结合能越大 原子核就越难拆开 可见平均结合能的大小能够反映核的稳定程度 如图所示为核子的平均结合能随原子核的质量数变化规律的图象 从图中可以看出 质量数较小的轻核和质量数较大的重核 平均结合能都比较小 中等质量数的原子核平均结合能大 2 重核的裂变重核的核子平均结合能比中等质量的核的核子平均结合能小 因此 重核分裂成中等质量的核时 会有一部分结合能释放出来 这种核反应叫做裂变 1 铀核的裂变的核反应方程 裂变后 反应过程中质量减少 m 0 2153u 反应中释放的能量 2 链式反应 铀核裂变时 同时放出2 3个中子 如果这些中子再引起其它铀核裂变 就可使裂变反应不断地进行下去 这种反应叫做链式反应 铀块的体积对于产生链式反应也是重要因素 能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做它的临界体积 对于铀块如果超过了临界体积 就会引起铀核的链式反应 发生猛烈的爆炸 3 核反应堆 它是人工控制链式反应的装置 主要的构成有做为核燃料的浓缩铀 做为中子减速济的石墨 起控制作用的镉棒 起冷却和输出势能作用的液体金属钠或水 以及防止射线对人体的危害而修建的水泥防护层 3 轻核聚变 轻核的结合能更小 某些轻核结合成质量较大的核时 能释放出更多的结合能 轻核结合成质量较大的重核叫聚变 轻核聚变的核反应方程 使核发生聚变 必须使它们接迈到10 15米 也就是接近到核力能够发生做用的范围 由于原子核都带正电 要使它们接近到这种程度 必须克服电荷之间的很大斥力作用 这就要使核具有很大的动能 只有在几百万度的高温以上 原子核才有足够的动能克服相互间的库仑斥力 在碰撞中接近到可以发生聚变的程度 所以这种轻核聚变的反应又叫做热核反应 和平利用核能则要求人们要实现可控热核反应 即用人工的方法 有控制地使氘核发生聚变反应 缓慢而稳定地释放能量 典型例题 例1 钍 经过一系列 和 衰变 成为 铅 下列说法正确的是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 衰变和6次 衰变D 共经过6次 衰变和4次 衰变 分析 因为核中的Z是核的电荷数 实际上Z等于核中的质子数 M是核的质量数 实际上M等于核中的核子 即质中和中子 数 在知道两个核的质子数之差后 可以用核子数差减于质子数差 就是中子数差 所以从和可知 铅核比钍核少8个质子 铅核比钍核少 232 208 90 82 16个中子 判断 衰变和 衰变的次数有两种方法 方法 1 设发生 衰变的次数为x 发生 衰变的次数为y 根据在衰变过程中电荷数守恒 质量数守恒 所以 方法 2 考虑到 衰变会引起核的质量数发生变化 而 衰变不会引起核的质量数发生变化 因此可以根据钍和铅的质量数的变化判断 衰变的次数是6 6次 衰变应使核电荷数减少12 但上述两核的电荷数只减少8 说明上述核衰变时 有 12 8 4次 衰变 答 选项A B D正确 解得x 6 y 4 例2 若元素A的半衰期为4天 元素B的半衰期为5天 则相同质量的A和B 经过20天后 剩下的质量之比 即mA mB是A 30 31B 31 30C 1 2D 2 1 分析 放射性元素每经过一个半衰期T 其质量就衰变成原耒的1 2 经过了N个半衰期 余下的质量就是原耒质量的 根据半衰期的这个定义 针对本题意列方程求解 解 因为TA 4天 TB 5天 t 20天 原耒A和B的质量相等 用m表示 则 答 选项C正确 例3 一个铀衰变为钍核时释放出一个 粒子 已知铀核的质量为千克 钍核的质量为千克 粒子的质量为千克 在这个衰变过种中释放出的能量等于 J 取2位有效数字 写出此衰变方程 分析 原子核发生变化时如果质量减小 减小的质量称为质量亏损 m 根据爱因斯坦质能方程 可以算出核变释放的能量 E 说明 本题没给出铀核的质量数 所以用M表示铀核的质量数 这样钍核的质量数为M 4 另外 衰变释放的能表现为 粒子的动能E 和钍核反冲运动的动能ETh 由于衰变过程动量守恒 则 答 衰变过程中释放出的能量等于这个 衰变的方程为 这里的M是衰变前核的质量数 因为M 4 所以E 接质 E 由于能量守恒 则解这两个方程可得 粒子的动能 反馈练习 1 某放射性元素的原子核发生2次 衰变和6次 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 答案 C 2 放射性元素的半衰期决定于A 放射性元素质量的多少B 放射性元素所处的物理状态C 放射性元素外界的化学条件D 由核本身内部因素决定 跟原子所处的物理 化学状态无关 答案 D 3 放射性无素经过2h后有半数原子核发生了衰变 若再经过2h未衰变原子核的数目将是最初的 答案 B 4 天然放射性现象中发生衰变后变成 已知 和 粒子的质量分别是m1 m2和m3 它们之间应满足 答案 B 5 太阳辐射能量主要来自太阳内部的A 化学反应B 放射性衰变C 裂变反应D 热核反应 答案 D 6 以下几个原子核反应式中 X代表 粒子的反应式是 答案 C 7 用中子轰击硼 核发生的核反应是 其中的X粒子应是A 粒子B 粒子C 质子D 中子 答案 A 8 铀235的原子核符号常写成 由此可知A 铀235的原子核中有质子92个B 铀235的原子核中有电子92个C 铀235的原子核中有中子235个D 铀235的原子核中有中子143个 答案 AD 9 关于原子核的能 下面说法正确的是A 只指原子核分解为核子时放出的能量B 只指核子结合为原子核时需要供给的能量C 核子结合成原子核时吸收的能量或原子核分解为核子时放出的能量D 核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量 答案 D 10 在垂直于纸面的匀强磁场中 有一原来静止的原子核 该核衰变后 放出的带电粒子和反冲核的运动轨迹分别如图中的a b所示 由图可以判定A 该核发生的是 衰变B 该核发生的是 衰变C 磁场方向一定垂直纸面向里D 磁场方向向里还是向外不能判定 答案 BD 课后练习 一 填空题 1 铀核经过 次 衰变和 次 衰变后变成稳定的铅 2 放射性元素经过2h 只剩1 2的核没有衰变再经过 h 将只剩下1 8的核没有衰变 答案 6 答案 8 6 3 在中子 质子 电子 正电子和 粒子中选出一个适当的粒子 分别填在下列核反应式的横线上 答案 4 一个铀核衰变为钍核时释放出一个 粒子 已知 铀核的质量为 粒子的质量为钍核的质量为这个衰变过程中释放出的能量等于 J 保留二位有效数字 答案 8 7 10 13 二 选择题 5 关于 射线 下列说法中正确的是A 它是波长极短的电磁波B 它是高速运动的电子流C 它是贯穿本领比 射线弱D 它对空气的电离作用比 射线强 答案 B 6 放射性同位素的样品经过6h后还剩下1 8没有衰变 它的半衰期是A 2hB 1 5hC 1 17hD 0 75h 答案 A 7 目前能够在实际上作为巨大能源应用的原子核能是A 重核裂变时放出的能量B 热核反应时放出的能量C 氘和氚聚变时放出的能量D 放射性同位素放出射线的能量 答案 A 8